Eutrophierung

 
Eutrophierung ist ein Prozess der Anreicherung von Nährstoffen – besonders von Stickstoff- und Phosphorkomponenten –, die vor allem aus der Düngung landwirtschaftlicher Flächen sowie von kommunalen und industriellen Abwässern stammen. Ebenso spielen Stickstoffeinträge über die Atmosphäre eine Rolle. Unerwünschte Folgen von Eutrophierung sind schädliche Massenblüten von Mikroalgen, die Sauerstoffdefizite in Wasserschichten nahe dem Meeresgrund, Abnahme von Seegras- und Makroalgenvorkommen sowie Absterben von benthischen Organismen und/oder Fisch verursachen.
 
Der gute Umweltzustand einer Meeresregion oder –unterregion soll nach der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL) anhand von 11 Deskriptoren festgelegt werden. Deskriptor 5 besagt: “ Die vom Menschen verursachte Eutrophierung ist auf ein Minimum reduziert; das betrifft insbesondere deren negative Auswirkungen wie Verlust der biologischen Vielfalt, Verschlechterung des Zustands der Ökosysteme, schädliche Algenblüten sowie Sauerstoffmangel in den Wasserschichten nahe dem Meeresgrund.“ (EU 2008)
 
Laut dem Beschluss der Europäischen Kommission (EU 2010) werden folgende Kriterien und Indikatoren für den Deskriptor Eutrophierung angewandt:
Nährstoffe:
  • Nährstoffkonzentration in der Wassersäule
  • gegebenenfalls Nährstoffverhältnisse (Kieselsäure, Stickstoff und Phosphor)
Direkte Auswirkungen der Nährstoffanreicherung:
  • Chlorophyllkonzentrationen in der Wassersäule
  • gegebenenfalls Sichttiefe in Abhängigkeit von der Zunahme planktischer Algen
  • Abundanz opportunistischer Makroalgen
  • Artenverschiebung in der Florenzusammensetzung, z.B. Verhältnis Kieselalgen zu Flagellaten, Verschiebungen vom Benthos zum Pelagial sowie durch menschliche Aktivitäten verursachte störende Wasserblüten/toxische Algenblüten
Indirekte Auswirkungen der Nährstoffanreicherung:
  • Beeinträchtigung der Abundanz von mehrjährigem Seetang und Seegras (z.B. Braunalgen, Gemeinem Seegras und Neptungras) durch abnehmende Sichttiefe
  • gelöster Sauerstoff, d.h. Veränderungen durch verstärkten Abbau organischer Substanz und Größe des betroffenen Gebietes
Viele dieser Indikatoren werden schon seit Jahren z.B. im Rahmen der Monitoringprogramme für HELCOM, OSPAR, WRRL und TMAP gemessen.
 
5 HELCOM  2005  Modell Eutrophierung gr 0643x0667 Schematische Darstellung der Ursachen und Auswirkungen von Eutrophierung (aus HELCOM 2006). DIN: gelöster anorganischer Stickstoff, DIP: gelöster anorganischer Phosphor.
 
 
Verwendete Quellen und weitere Links:
LLUR-Voss Fadenalgen

Durch Eutrophierung verursachtes Massenvorkommen von fädigen Grünalgen an der Nordseeküste.

Foto: Joachim Voß, LLUR SH



Arbeiten in der MDI-DE

Ein aktueller Themenschwerpunkt beim Aufbau der MDI-DE ist die Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL), da die überwiegende Zahl der Projekt- und Kooperationspartner in die Umsetzung dieser Richtlinie eingebunden ist. Da für den Deskriptor 5 „Eutrophierung“ die Monitoringlage gut und die Auswahl relevanter Daten vergleichsweise einfach ist, wurde dieses Themenfeld als erstes bearbeitet und als einer der zentralen Themeneinstiegspunkte für das Portal MDI-DE gewählt.
Dort werden die Daten für den gesamten Meeres- und Küstenbereich Deutschlands unabhängig von ihrer Herkunft gemeinsam und in harmonisierter Weise auf dem Portal MDI-DE dargestellt. Neben dem Aufbau einer einheitlichen Datenstruktur ist es ebenso wichtig, dass die gleichen Maßeinheiten verwendet werden und sich die Daten auf dieselben Zeiträume beziehen. Die dargestellten Werte sind in der Regel Mittelwerte der Jahre 2005 bis 2010. Durch Festlegung von abgestimmten Klassengrenzen und Signaturen kann dann ein einheitliches Erscheinungsbild gewährleistet werden. Die Signaturen werden als StyledLayerDescriptor-Dokumente (SLDs) durch die MDI-DE zur Verfügung gestellt (s. unten).
Viele Eutrophierungsparameter werden schon seit Jahren von projektbeteiligten Behörden im Rahmen der Monitoringprogramme für HELCOM, OSPAR, WRRL und TMAP gemessen. Es wurde vereinbart, nicht nur die Nährstoffkonzentrationen darzustellen, sondern auch Chlorophyll a-Werte als Indikator für Phytoplanktonbiomasse, Sichttiefen und Sauerstoffkonzentrationen. Zudem werden beispielhaft Seegras- und Makroalgendaten gezeigt sowie die Stickstofffrachten aus den Flusseinzugsgebieten. Als hydrographischer Grundparameter werden auch Salzgehaltswerte veröffentlicht.

Weitere Informationen:
Farbgebung Eutrophierung

Farbgebung für die Darstellung der Eutrophierungsparameter im Portal MDI-DE.

MDI-DE 2012b


Nährstoffkonzentrationen

Erhöhte Stickstoff- und Phosphorkonzentrationen gelten als Ursache für Eutrophierung. Als Stickstoffkomponenten werden Messergebnisse zu Konzentrationen von Ammonium-N, Nitrat-N, Nitrit-N, Gesamtstickstoff-N von den Projektpartnern zur Verfügung gestellt. Nitrat, Nitrit und Ammonium werden in Berichten und Literatur oft zu Dissolved Inorganic Nitrogen (DIN) zusammengefasst, wobei Nitrat den größten Anteil stellt. Ortho-Phosphat-P und Gesamtphosphor-P vertreten die Phosphorkomponente der Eutrophierung. Silikat-Si ist ebenfalls ein wichtiger Nährstoff im Meer. Seine Konzentration wird nicht direkt durch Eutrophierung beeinflusst, aber sein Anteil im Verhältnis zu Phoshphor und Stickstoff nimmt ab.
Zeitliche Aggregation:
Für die einzelnen Nährstoffkomponenten wird zur Bewertung des Eutrophierungsgrades der Mittelwert der Winterkonzentrationen der Monate November bis Februar herangezogen. Für die Summenparameter Gesamtstickstoff-N und Gesamtphosphor-P wird der ganzjährige Mittelwert verwendet.
Darstellungseinheit:
Der Elementbuchstabe hinter dem Molekülnamen bei Nitrat-N, Nitrit-N, Ammonium-N, Ortho-Phosphat-P, Gesamt-Phosphor-P, Gesamt-Stickstoff-N und Silikat-Si teilt mit, dass in den zugehörigen Messwerten nur die Molmasse des für die Bewertung wichtigen Elements (Stickstoff, Phosphor oder Silizium) berücksichtigt wird. Die Messwerte liegen in den Datenbanken der Projektpartner in den Einheiten mg/l oder µmol/l vor. Für eine Vereinheitlichung wurde vereinbart, dass alle Nährstoffwerte in µmol/l angegeben werden. Für die Umrechnung von mg/l in µmol/l wurden gängige Standards angewandt: Stickstoff: 1000/14,007 mg/l = 71,3929 µmol/l; Phosphor: 1000/30,974 mg/l = 32,2851 µmol/l; Silizium: 1000/28,086 mg/l = 35,605 µmol/l.
Klassengrenzen:
Die Klassengrenzen für Nährstoffe wurden mittels der Methode der „Natural Breaks“ nach Jenks festgelegt. Diese versucht, die Unterschiede innerhalb einer Klasse zu minimieren und die Unterschiede zwischen den Klassen zu maximieren.

Weiterführende Literatur:
  • BLMP, 2011. Meeresumwelt Aktuell Nord- und Ostsee 2011/1. Nausch, G., Bachor, A., Petenati, T., Voß, J. und M. von Weber: Nährstoffe in den deutschen Küstengewässern der Ostsee und angrenzenden Gebieten. [Online] http://www.blmp-online.de/PDF/Indikatorberichte/2011_01_s.pdf
  • BLMP, 2010. Meeresumwelt Aktuell Nord- und Ostsee 2010/1. Weigelt-Krenz, S., Hanslik, M., Pätsch, J., Petenati, T. unnnd J. van Beusekom: Nährstoffe im deutschen Wattenmeer und in der Deutschen Bucht. [Online] http://www.blmp-online.de/PDF/Indikatorberichte/2010_01_sd.pdf
  • Bundesgesetzblatt Jahrgang 2011 Teil I Nr. 37, ausgegeben zu Bonn am 25. Juli 2011. Verordnung zum Schutz der Oberflächengewässer (Oberflächengewässerverordnung – OGewV) vom 20. Juli 2011
  • Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (Hrsg.), 2008. Nitratbericht 2008. Gemeinsamer Bericht der Bundesministerien für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit sowie für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz. [Online] http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/nitratbericht_2008.pdf
  • BLMP, 2011. Gade, R., Fischer, M., Kaiser, R., Rabe, O., Grage, A., Knaack, J., Perti, G., Trepel, M., Brockmann, U., van Beusekom, J. und U. Kuhn: Konzept zur Ableitung von Nährstoffreduzierungszielen in den Flussgebieten Ems, Weser, Elbe und Eider aufgrund von Anforderungen an den ökologischen Zustand der Küstengewässer gemäß Wasserrahmenrichtlinie. [Online] http://www.blmp-online.de/PDF/WRRL/WRRL_Papier_Naehrstoffe.pdf

Stickstofffrachten

Angesichts des Zusammenhangs zwischen Nährstoffkonzentration und Nährstoffeinträgen über Flüsse im Einzugsgebiet werden die jährlichen Stickstofffrachten aus den Flussgebietseinheiten (FGE) von den Projektpartnern zur Verfügung gestellt. Sie werden in dem Beschluss der Kommission zwar nicht als Indikator aufgeführt, aber im Einleitungstext des Deskriptors zur Eutrophierung als wichtiger Zusammenhang hervorgehoben.
Für die deutschen Küsten- und Meeresgewässer sind für die Nordsee die Flüsse Rhein, Ems, Weser, Elbe und Eider und für die Ostsee die Schlei/Trave, Warnow/Peene und Oder mit ihren Einzugsgebieten die wichtigsten Zuflüsse und Transportwege von landbürtigem Stickstoff- und Phosphor.
Darstellungseinheit und zeitliche Aggregation:
Im Portal dargestellt wird der Mittelwert der jährlichen Summe der Stickstofffracht bezogen auf die FGE in t/a. Begleitend wird als Anhaltspunkt für die Konzentration von Stoffmengen die jährliche Abflusssumme in Mio. m³/a angegeben.
Die Geometrien der Flussgebietseinheiten sind vom WasserBLIcK (BfG) übernommen.

Eintrag gesamt Stickstoff

Eintrag von Gesamt-Stickstoff aus der Flussgebietseinheit Schlei/Trave in die Ostsee von 1975 bis 2010.

Quelle: LLUR SH

Eintrag gesamt Phosphor

Eintrag von Gesamt-Phosphor aus der Flussgebietseinheit Schlei/Trave in die Ostsee von 1975 bis 2010.

Quelle: LLUR SH



Chlorophyll a

Nährstoffeinträge wirken sich unmittelbar auf die Phytoplankton-Biomasse und damit auch auf die Chlorophyll a-Konzentration aus. Chlorophyll a wird deshalb als ein wichtiger Indikator für die Gewässerqualität angesehen und gilt als biologisches Qualitätskriterium für die Gewässergüte-Einschätzung der deutschen Küstengewässer nach der EG-Wasser-rahmenrichtlinie (WRRL).
Zeitliche Aggregation:
Zur Darstellung der Chlorphyll a-Werte wurde für die Ostsee der Sommermittelwert über die Vegetations¬periode (Mai bis September) verwendet und für die Nordsee das 90-Perzentil der Vegetationsperiode. Diese umfasst hier die Monate März bis September. Für die Aggregation wurden Messwerte aus den Jahren 2005-2010 verwendet.

Weiterführende Literatur:
  • BLMP, 2011. Meeresumwelt Aktuell Nord- und Ostsee 2011/2. Wasmund, N.; Schöppe, C., Göbel, J. und M. von Weber: Chlorophyll-a in den deutschen Ostseegewässern. [Online] http://www.blmp-online.de/PDF/Indikatorberichte/2011_02_sd.pdf
  • Dürselen, C.-D., Heyden, B. und T.Raabe, 2010. Multifaktorielles Bewertungssystem für Phytoplankton der deutschen Nordsee - Küstengewässer (EG-Wasserrahmenrichtlinie) – Klassengrenzen Biovolumen und Chlorophyll. AquaEcology. Im Auftrag des Landesamtes für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume Schleswig-Holstein.


Sichttiefe

Eine Zunahme des Phytoplanktons führt zu einer Trübung des Wassers, d.h. zu einer Verringerung der Sichttiefe (auch Secchi-Tiefe genannt). Die einfache Bestimmung der Sichttiefe erfolgt mittels einer Secchi-Scheibe – eine kreisförmige Blechscheibe, die in vier Sektoren (2 schwarz, 2 weiß) unterteilt ist. Beim Herablassen wird die Stelle, an der die Scheibe nicht mehr zu sehen ist, als Sichttiefe genommen. Die Sichttiefe wird bei jeder hydrographisch-chemischen Probenahme vom Schiff stets mit aufgenommen, aber nicht bewertet. Es gibt allerdings Vorschläge für Referenz- und Orientierungswerte. In der Nordsee ist die Trübung des Wassers nicht nur durch Phytoplankton bedingt, sondern auch durch Sediment, das durch die Gezeitenströmung suspendiert wird. Dadurch eignet sich dort die Sichttiefe nicht als Indikator für Eutrophierung.
Darstellungseinheit und zeitliche Aggregation:
Die Einheit der Sichttiefe ist Meter. Im Portal MDI-DE wird der Sommermittelwert dargestellt, der sich auf die gleichen Monate wie die Chlorophyll a-Werte bezieht.

Weiterführende Literatur:
  • Aarup, T. (2002): Transparency of the North Sea and Baltic Sea – a Secchi depth data mining study. In: OCEANOLOGIA, 44(3): 323–337.
  • Gerstner, S., S. Jansen, M. Süßer und C. Lübbert (2002): Nachhaltige Erholungsnutzung und Tourismus in Bergbaufolgelandschaften, Grundlagenband. Ergebnisse aus dem F+E-Vorhaben 899 87 400 des Bundesamtes für Naturschutz. BfN-Skripten, 49.
  • Gilles A., U. Siebert, A. Gallus, M. Dähne und H. Benke (2010): Monitoringbericht 2009-2010. Marine Säugetiere und Seevögel in der deutschen AWZ von Nord- und Ostsee, Teilbericht marine Säugetiere. Werkvertrag-Endbericht.
  • Sagert, S., U. Selig und H. Schubert (2008): Phytoplanktonindikatoren zur ökologischen Klassifizierung der deutschen Küstengewässer der Ostsee. Rostocker Meeresbiologische Beiträge, 20: 45-69.
  • Sanden, P und B. Hakansson (1996): Long-Term Trends in Secchi Depth in the Baltic Sea. In: Limnology and Oceanography, 41(2): 346-351.


Makrophyten

Die Anfangsbewertung für die MSRL beruht auf einer Zusammenfassung aller bestehenden geeigneten Analysen und Bewertungen, für die Makrophyten insbesondere die WRRL. Die zur ersten Darstellung ausgewählten Themen zeigen nur einen sehr kleinen Ausschnitt der zur Bewertung für die WRRL herangezogenen Parameter. Die Bewertungen von Makrophyten ist nicht nur von Wasserkörper zu Wasserkörper verschieden, sondern wird aus vielen einzelnen Parametern nach genauen Vorschriften berechnet. So werden im Portal MDI-DE für die Nordsee nur beispielhaft die Makrophytendaten des Wattenmeeres gezeigt und für die Ostsee die Seegrastiefengrenze und der prozentuale Biomasseanteil von opportunistischen Makroalgen der äußeren Küstengewässer. Sobald weitere Daten in den Datenbanken der Infrastrukturknoten zur Verfügung stehen wie z.B. vom Felswatt um Helgoland und von den inneren Küstengewässern der Ostsee, werden die Darstellungen auf dem Portal MDI-DE ergänzt.

Bedeckungsgrad bzw. Bewuchsdichte von Seegras- und Grünalgenflächen im Wattenmeer

Seegras und Grünalgen

Mehrjähriges Seegras und schnellwachsende Grünalgen bei Nordstrand.

Foto: Joachim Voß, LLUR SH


Darstellungseinheit und zeitliche Aggregation:
Zur Darstellung der Seegrasflächen im Nordfriesischen Wattenmeer werden die Daten aus langjährigen Befliegungen genutzt. Zur Bewertung werden zukünftig die Daten der über sechs Jahre verteilten Bodenkartierung als Grundlage genommen. Die Flugdaten dienen dann der Verifikation sowie der Extrapolation der Teilkartierungen. In Schleswig-Holstein bilden die Jahresmaxima der Gesamtflächen die Grundlage für die Darstellung, die aus drei Befliegungen ermittelt wird. Im niedersächsischen Wattenmeer wird der Seegrasbestand in-situ kartiert. Seegras bildet eine Teilkomponente der WRRL-Qualitätskomponente Makrophyten, zu der außerdem die Teilkomponenten Makroalgen und Brack- und Salzmarschen gehören. Die Grünalgenflächen Niedersachsens stammen wie die Daten von Schleswig-Holstein aus Befliegungen.

Tiefengrenze von Seegras und Biomasseanteil von opportunistischen Makroalgen in den äußeren Küstengewässern der Ostsee

Die Bewertung der Makrophyten in den äußeren Küstengewässern der Ostsee erfolgt nach dem BALCOSIS-Verfahren anhand von fünf Faktoren, die verschieden gewichtet werden.

Bewertungsfaktoren von BALCOSIS

Darstellung der Bewertungsfaktoren von BALCOSIS.

Quelle: Fürhaupter et al. 2010


In die Bewertung der äußeren Küstengewässer der Ostsee gehen neben den dargestellten Parametern noch fünf weitere ein, die nach einem vorgeschriebenen Verfahren in den Ecological Quality Ratio (EQR) übertragen und miteinander verrechnet werden. Zur Darstellung des Seegrasbestandes in den äußeren Küstengewässern der Ostsee wird der Basisparameter Tiefengrenze angegeben. Es erfolgt eine Beprobung pro Jahr. Als Beispiel für die schnellwachsenden, kurzlebigen Arten wird der Biomasseanteil in Prozent der opportunistischen Makroalgen in den dichtesten Seegrasbeständen (≥50% Bedeckung mit Zostera marina) gezeigt.

Weiterführende Literatur:
  • Dolch, T., C. Buschbaum und K. Reise, 2009. Seegras-Monitoring im Schleswig-Holsteinischen Wattenmeer 2008. Im Auftrag des Landesamtes für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume Schleswig-Holstein.
  • NLWKN, 2010. Umsetzung der EG-WRRL - Bewertung des ökologischen Zustands der niedersächsischen Übergangs- und Küstengewässer (Stand: Bewirtschaftungsplan 2009). Küstengewässer und Ästuare 1/2010.
  • Fürhaupter, K. und Th. Meyer, 2009. Handlungsanweisung zum Monitoring in den äußeren Küstengewässern der Ostsee nach den Vorgaben der EU-Wasserrahmenrichtlinie. Qualitätskomponente Makrophyten - BALCOSIS-Verfahren. MariLim, Abschlussbericht für das LANU-SH, Flintbek und das LUNG-MV, Güstrow
  • Fürhaupter, K., Wilken, H. und Th. Meyer, 2009. WRRL-Makrophytenmonitoring in den Küstengewässern Mecklenburg-Vorpommerns (2009) Teil A: Innere Küstengewässer (ELBO-Verfahren) Teil B: Äußere Küstengewässer (BALCOSIS-Verfahren). Marilim. Im Auftrag des Landesamtes für Umwelt, Naturschutz und Geologie, Mecklenburg-Vorpommern
  • Fürhaupter, K., Pehlke, C., Wilken H. und Th. Meyer, 2010. WRRL-Monitoring in Schleswig-Holstein (2010) Teil B: Makrophyten, Äußere Küstengewässer. Marilm. Im Auftrag des Landesamtes für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume Schleswig-Holstein


Sauerstoff

Sowohl der gelöste Sauerstoff als auch der Sauerstoffsättigungsindex werden u.a. in bodennahen Tiefen (1m über dem Meeresboden) gemessen. Sinkt der Sauerstoffgehalt im Tiefenwasser unter 2 mg/l ab, wird es für Fische und die am oder im Meeresboden lebenden Tiere (Makrozoobenthos) zunehmend lebensbedrohlich. Dies gilt insbesondere, wenn diese Bedingungen über einen längeren Zeitraum bestehen bleiben und sich infolge mikrobieller Prozesse (Sulfatreduktion) das Faulgas Schwefelwasserstoff (H2S) bildet. Für sauerstoffatmende (aerobe) Tiere ist es ein äußerst starkes Zellgift, das zu einem größeren Tiersterben am Meeresboden führen kann.

Sauerstoffgehalte

Stationsbezogene klassifizierte Sauerstoffgehalte im Tiefenwasser der westlichen Ostsee im September 2012

Quelle: LLUR 2012


Weiterführende Literatur:


Salzgehalt

Der Salzgehalt wird für viele Bewertungen als Begleitparameter herangezogen.
Während die Küstengewässer der Nordsee polyhalin in den Mündungsgebieten großer Flüsse und euhalin im küstenfernen Bereich ist, nimmt der Salzgehalt der Ostsee von West nach Ost kontinuierlich ab.

Die Klassifikation von Salzgehalten ist:

limnisch < 0,5
β-oligohalin 0,5…3
α-oligohalin > 3…5
β-mesohalin > 5…10
α-mesohalin > 10…18
polyhalin > 18…30
euhalin > 30…40
hyperhalin > 40

Die Typisierung der Küstenwasserkörper gemäß WRRL wird anhand der Salzgehalte durchgeführt.

Zeitliche Aggregation und Darstellung:
Für die Darstellung im Portal MDI-DE gibt es drei Layer, welche das langjährige Mittel über das ganze Jahr, den Sommer und den Winter darstellen. Für die prototyphafte Darstellung werden die Oberflächenmessungen herangezogen, später soll eine Betrachtung der Schichtung (Tiefe) Berücksichtigung finden.

Wasserkörpertypen

Einteilung der deutschen Küstengewässer nach Wasserkörpertypen nach Wasserrahmenrichtlinie