Dieses Lernmodul wurde von dem Verein EUCC - Die Küsten Union Deutschland e.V. im Rahmen des Forschungsprojektes „Forschung für ein Integriertes Küstenzonenmanagement in der Odermündungsregion (IKZM-Oder)“ unter Einbeziehung der Forschungergebnisse des Leibniz-Instituts für Ostseeforschung und anderer Forschungseinrichtungen erstellt.

1.3. 

Ursachen: Nährstoffe & Nährstoffquellen

Nährstoffe stellen Grundelemente von organischem Material dar und zirkulieren in Kreisläufen durch Atmosphäre, Böden und Gewässer. Dabei verändert sich ihre Erscheinungsform durch biogeochemische Reaktionen.

Nährstoffe liegen in verschiedenen Formen vor

Beim Eutrophierungsmanagement sind Stickstoff und Phosphor von zentraler Bedeutung.

Häufige Formen des Stickstoffs sind der wenig reaktive molekulare Stickstoff (N2), die den sauren Regen bildenden, gasförmigen Stickstoffoxide (NOx), die Nährsalze Nitrat (NO3-), Nitrit (NO2-) und Ammonium (NH4+), sowie organische Stickstoffverbindungen. Das größte Stickstoffreservoir ist die Atmosphäre. Weniger als ein Prozent des Stickstoffs lagern an und unter der Erdoberfläche: als Salpeter in den Gesteinen, gelöst im Wasser, gebunden in lebendiger und toter Biomasse. Stickstoff findet vielfältige Verwendung, darunter der Einsatz als Düngemittel und wird als NOx bei der Vebrennung fossiler Energieträger freigesetzt. Seit dem späten 20. Jahrhundert übertrifft die Stickstofffixierung - also die Umwandlung von Luftstickstoff in reaktive Stickstoffformen - durch den Menschen die natürliche (Galloway & Cowling, 2002). Der umgekehrte Prozess, die Umwandlung von anorganischem Stickstoff in Luftstickstoff wird vorwiegend durch Bakterien realisiert; man spricht von Denitrifikation.

Phosphor kommt in der Natur ausschließlich in gebundener Form, meist in Form des Phosphats (PO4) vor. Er ist überwiegend in Gesteinen und in großen Mengen in den Sedimenten der Meere abgelagert. Phosphat wird durch natürliche Erosion von Gesteinen sowie durch den industriellen Abbau verfügbar gemacht. Dabei wird durch menschliche Phosphatgewinnung etwa noch einmal so viel Phosphat frei gesetzt wie durch natürliche Prozesse (Nixon 1995). Er gelangt in die Umwelt vor allem durch häusliche und industrielle Abwässer wie Düngemittelproduktion, Papierherstellung, Stahl- und Metallindustrie und Bergbau.
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Nährstoffe begrenzen Algenwachstum

Stickstoff und Phosphat spielen unter den Nährstoffen deshalb eine wichtige Rolle, weil sie in relativ geringen Konzentrationen im Wasser vorliegen und mitunter durch die Primärproduktion lokal aufgebraucht werden. Steht zum Beispiel dem Phytoplankton im Wasser nicht genügend Phosphat zur Verfügung, obwohl Stickstoff reichlich vorhanden ist, so kann auch keine Biomasse produziert werden, das heißt die Planktonzellen wachsen nicht und vermehren sich nicht. Diese Begrenzung der Primärproduktion durch einen Mangel an Nährsalzen bezeichnet man als Nährstofflimitation. Neben Stickstoff und Phosphor limitieren gelegentlich auch Silikat und Eisen das Wachstum bestimmer Phytoplanktongruppen. Ob in einer speziellen Situation Stickstoff oder Phosphat begrenzend auf das Algenwachstum wirken, lässt sich über das Verhältnis von Stickstoff- zu Phosphatkonzentration im Wasser feststellen (N:P-Verhältnis).

Limitierend können auch andere Faktoren wirken, zum Beispiel das Licht. So kommen am Gewässergrund verankerte Seetange (Makroalgen) nur bis zu einer bestimmten Wassertiefe vor, da in größerer Tiefe die geringe Lichtverfügbarkeit die Primärproduktion limitiert (Lichtlimitation). Im Winter wachsen Pflanzen weniger schnell, weil niedrige Temperaturen herrschen, manche Pflanzen können unterhalb einer bestimmten Temperatur gar nicht mehr wachsen oder sterben sogar ab (Temperaturlimitation).

Nährstoffe stammen überwiegend von Land

Nährstoffe werden bei verschiedenen menschlichen Tätigkeiten freigesetzt, und zwar nicht nur in unmittelbarer Nähe der Küste, sondern mitunter weit von den Küsten entfernt. Der Transport erfolgt über die Flüsse oder über die Atmosphäre.

Für das Management der Nährstoffeinträge unterteilt man die Nährstoffquellen nach verschiedenen Gesichtspunkten. Häufig genutzte Unterscheidungskriterien sind:

  • natürliche oder anthropogene Quellen
  • landwärtige oder seewärtige Quellen
  • Punktquellen oder diffuse Quellen

Natürliche und anthropogene Einträge

Wie in Kapitel 1.1 bereits erwähnt, werden Stickstoff und Phosphat auch auf natürlichem Wege in die Meeres- und Küstengewässer eingebracht. Stickstoff gelangt durch Blitzschlag und bakterielle Stickstofffixierung, Phosphat durch natürliche Gesteinserosion in die Meere. Darüber hinaus werden sowohl N als auch P natürlicherweise aus Wäldern, Feldern, Wiesen und anderen Grünflächen als Biomasse oder Salze ausgeschwemmt. Letztere sind also Teil der diffusen Einträge von Land. Man bezeichnet diese auch als Hintergrundeinträge - vorausgesetzt, es wurden keine zusätzlichen Nährstoffe künstlich auf diese Flächen ausgebracht.

Die anthropogenen Nährstoffquellen, also die durch den Menschen bedingten, unterteilt man einerseits danach, ob sie an Land oder direkt auf See liegen und ob sie punktförmig oder großflächig bzw. verteilt (diffus) sind, um das Management entsprechend auszurichten.

Die wichtigsten menschlichen Aktivitäten, die zur Eutrophierung beitragen, wurden bereits in den vorigen Absätzen genannt. Die Bedeutung der einzelnen Aktivitäten als Nährstoffquelle ist regional unterschiedlich. Hier eine Zusammefassung:

Landwärtige & seewärtige Quellen

Nur ein geringer Teil der Nährstoffe wird direkt im Meer freigesetzt, z.B. durch Abgase aus der Schifffahrt und durch Ölförderungsstätten. Der Großteil stammt von landwärtigen Quellen. Die Nährstoffe gelangen hauptsächlich auf dem Wasserwege oder über die Atmosphäre von Land in die Küstengewässer und Meere. Ein geringerer Teil wird direkt in die Küstengewässer eingeleitet oder über das Grundwasser eingetragen.

Flüsse tragen phosphat- und stickstoffhaltiges Wasser aus ausgedehnten Flusseinzugsgebieten zum Meer. Sie transportieren sowohl anorganische als auch gelöste oder in Biomasse gebundene organische Stickstoff- und Phosphatverbindungen. Die Einzugsgebiete sind meist um ein Vielfaches größer als die Gewässer, in welche der Fluss entwässert.

Bei atmosphärischen Einträgen handelt es sich vor allem um Stickoxide aus dem Verkehr und Verbrennungsprozessen zur Energiegewinnung sowie - in geringerem Maße - Ammoniak aus der Massentierhaltung. Phosphat hingegen wird nur in kleinen Mengen atmosphärisch transportiert. Bei der Deposition mit Niederschlägen bilden die Stickoxide Salpeter- bzw. salpetrige Säure aus: sauren Regen.

Die Stoffe werden über Flüsse oder die Atmosphäre mitunter sehr weit transportiert. Da die Quellen oft sehr weit entfernt liegen von den Problemen - häufig jenseits der Staatsgrenzen - ist es sehr schwierig, Maßnahmen zur Reduktion von Nährstoffeinträgen zu initiieren und auch erfolgreich umzusetzen.

(UNEP/GPA 2006)

 

Punktquellen & diffuse Quellen

Punktquellen haben eine Art definierten "Ausgang", durch welchen Stickstoff oder Phosphor an die Umwelt abgegeben werden, z.B. ein Abwasserrohr, einen Auspuff oder einen Schornstein, und sind entweder beweglich oder stationär. Zumindest theoretisch lässt sich eine Punktquelle von einem Tag auf den anderen abstellen. Zu ihnen zählen Klärwerke und sonstige Einleiter von häuslichen, kommunalen und industriellen Abwässern, Anlagen zur Massentierhaltung, Aquakulturanlagen, energieintensive Industrieanlagen usw. Unter den industriellen Anlagen produzieren vor allem die Zellstoff-, die Chemie- und die Lebensmittelindustrie große Mengen an nährstoffangereicherten Abwässern.
Diffuse Quellen hingegen haben keine klare Grenze. Landwirtschaftliche Nutzflächen, Wälder und sonstige Oberflächen, deren Abfluss nicht in die Abwasserkanalisation geführt wird, gehören hierzu. Aber auch die Gesamtheit der Abgasemissionen kann man als diffuse Nährstoffquelle betrachten, wenn auch ein einzelnes Fahrzeug oder ein Kraftwerk jeweils eine Punktquelle darstellen.
Diffuse Quellen sind bedeutend schwerer zu kontrollieren als Punktquellen. So wurde in verschiedenen Studien festgestellt, dass auch nach dem Stopp des Ausbringens von Kunstdünger auf Ackerflächen mehrere Jahre erhöhte Stickstoffmengen aus den Äckern in die angrenzenden Flüsse gelangten.
Daher können diese Quellen nur langfristig durch eine dauerhafte Veränderung der üblichen Praxis in der Land- und Forstwirtschaft, dem Verkehrswesen, der Energieproduktion und der Abfallbeseitigung bekämpft werden.

Zusammenfassung

Die Nährstoffe Stickstoff und Phosphor zirkulieren durch biologische Kreisläufe und veränden dabei ihre Erscheinungsform, d.h. sie treten in unterschiedlichen Verbindungen auf. Da Stickstoff und Phosphor im Wasser nur begrenzt vorliegen, können sie das Wachstum von Pflanzen limitieren.

Nährstoffe werden natürlicherweise in (Küsten-)Gewässer eingebracht, jedoch verstärkt der Mensch die Einträge erheblich. Eine Differenzierung der Nährstoffquellen basiert auf wissenschaftlichen Prozesskenntnissen und kann der Formulierung von Managementstrategien und -maßnahmen dienen.