Küstenforschung

Das Schicksal des Stickstoffs

Ein Kommentar

Text: Tim Schröder, Wissenschaftsjournalist
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Wissenschaftler des Instituts für Küstenforschung an Bord des institutseigenen Forschungsschiffs „Ludwig Prandtl“ auf einer Forschungsfahrt entlang der Elbe.

Gelangen zu viele Nährstoffe durch die Landwirtschaft oder durch Abwässer ins Flusswasser, kann es zur Überdüngung der Küstenmeere kommen. Zwar werden seit vielen Jahren die Nährstofffrachten in allen großen deutschen Flüssen gemessen. Doch lassen sich daraus tatsächliche Belastungen der Küstengewässer nur grob abschätzen, weil bislang wichtige biogeochemische Prozesse in den Flussmündungen vernachlässigt worden sind. Diese Prozesse und die Veränderungen der Nährstoffkonzentrationen, etwa von Stickstoff, analysiert die Biologin Annika Eisele. Dank ihrer Arbeit werden sich Trends der Umweltbelastung in der Deutschen Bucht künftig besser abschätzen lassen.

Eines der größten Probleme der Meeresverschmutzung weltweit ist die Überdüngung der Küstengewässer mit Nährstoffen aus der Landwirtschaft oder aus Abwässern. Problematisch sind vor allem Stickstoffverbindungen und Phosphat, die als Dünger in großen Mengen auf intensiv bewirtschaftete Äcker aufgetragen werden. Mit dem Regen gelangen diese Stoffe in die Flüsse und über die Flussmündungen schließlich ins Meer. In vielen Regionen der Welt kommt es dadurch zu massiven Algenblüten. Sterben diese Algenmassen ab, werden sie von Bakterien abgebaut, die Sauerstoff benötigen. Je mehr Algen es gibt, desto aktiver sind die Bakterien – und desto mehr Sauerstoff wird verbraucht. In stark überdüngten Meeresgebieten wie dem Gelben Meer vor der ostchinesischen Küste oder vor der Mississippi-Mündung sind dadurch große sauerstofffreie Gebiete entstanden – sogenannte Todeszonen, in denen höhere Meerestiere wie Fische, Krebse oder Muscheln nicht überleben können.

Nährstoffmengen genau abschätzen

Auch in der Nord- und Ostsee und in deutschen Flussmündungen kennt man diese Effekte der Überdüngung (Eutrophierung). Die Eutrophierung in den Küstengewässern hängt vor allem davon ab, wie viele Nährstoffe in die Flüsse gelangen. Will man herausfinden, wie die Nährstoffsituation ist, benötigt man daher sehr genaue Daten der Nährstoffeinträge über die Flüsse. Bislang aber sind die Schätzungen dazu relativ ungenau. Vernachlässigt wurden vor allem die Flussmündungsbereiche, die sogenannten Ästuare, in denen sich das Flusswasser durch die Gezeitenströmungen mit dem Meerwasser mischt. Denn hier verändert sich der Nährstoffgehalt durch biogeochemische Prozesse durchaus noch, ehe das Flusswasser die Küste erreicht.

Auf ihrem Weg vom Hamburger Hafen in die Nordsee verändert sich die Nährstofffracht der Elbe. Annika Eisele möchte herausfinden, wie sich der Nährstoffgehalt genau ändert und welche Prozesse daran beteiligt sind.

Auf ihrem Weg vom Hamburger Hafen in die Nordsee verändert sich die Nährstofffracht der Elbe. Annika Eisele möchte herausfinden, wie sich der Nährstoffgehalt genau ändert und welche Prozesse daran beteiligt sind.

Die Biologin Annika Eisele aus dem Fachgebiet Ökosystemmodellierung des Zentrums für Material- und Küstenforschung hat untersucht, wie sich der Nährstoffgehalt im langen Elbeästuar verändert. Für die Elbe gelten die letzten 80 Kilometer zwischen dem Stadtrand von Hamburg und Cuxhaven bereits als Ästuar. Gerade dieser Flussbereich ist aufgrund der Tideströmung und des Wasseraustauschs mit der Nordsee sehr dynamisch.

Der Einfluss biologischer Prozesse

Um abzuschätzen, wie viele Nährstoffe mit dem Flusswasser der Elbe in die Nordsee gelangen, nutzt man bisher nur Nährstoffmesswerte aus Hamburg. Die Nährstofffracht verändert sich jedoch auf ihrer etwa 20-tägigen Reise von Hamburg bis in die Nordsee. So gibt es zusätzliche Nährstoffeinträge durch einmündende Nebenflüsse. Vor allem aber können biogeochemische Prozesse dazu führen, dass sich die Nährstoffkonzentrationen bis zur Flussmündung deutlich ändern. In Flussabschnitten etwa, in denen eine relativ geringe Sauerstoffkonzentration herrscht, wird zum Beispiel die Stickstoffverbindung Nitrat, die als Pflanzennährstoff wirkt, im Wasser von Bakterien in Luftstickstoff umgewandelt (Denitrifizierung), der in die Atmosphäre aufsteigt. Durch die Denitrifizierung reduziert sich also die Nährstofffracht. Vor allem bei hohen Wassertemperaturen kann sie erheblich zum Abbau des Stickstoffs beitragen.

30 Jahre zurück blicken

In der derzeitigen Studie analysiert Annika Eisele für den Elbeabschnitt zwischen der Messstation in Hamburg und der Flussmündung, wie sich die Nährstoffkonzentrationen entlang von Flussästuaren verändern. Sie rechnet im Detail aus, wie viel Stickstoff und auch Phosphor im Elbewasser und -sediment zurückgehalten wird – wie groß also die Retentionskapazität („Zurückhalten“) ist, und wie sich diese in den letzten 30 Jahren verändert hat. Damit will Annika Eisele überprüfen:, ob sich die Retentionskapazität verringert hat und, wenn ja, hierzu zwei Hypothesen testen. Zum einen gibt es heute in der Elbe weniger sauerstoffarme Zonen, so dass möglicherweise daher auch die Denitrifizierung nachgelassen hat. Zum zweiten könnte die Retention durch die Elbvertiefung, die Flussbegradigungen und die dadurch verursachten höheren Fließgeschwindigkeiten des Wassers abgenommen haben. Dadurch würden heute trotz insgesamt geringerer Einträge oberhalb des Ästuars wieder mehr Nährstoffe in die Deutsche Bucht gelangen.

Reale Messwerte aus Wasserproben

Eine Wissenschaftlerin an Bord des HZG-Forschungsschiffs "Ludwig Prandtl" bei der Auswertung von Wasserproben aus der Elbe.

Eine Wissenschaftlerin an Bord des HZG-Forschungsschiffs „Ludwig Prandtl“ bei der Auswertung von Wasserproben aus der Elbe.

Präzise Angaben über Nährstofffrachten an der Flussmündung sind essenziell, um künftig mit mathematischen Modellen die Algenblüten genauer simulieren zu können. Annika Eisele wertet bereits vorhandene Daten aus den vergangen vier Jahrzehnten über die Nährstoffmengen in der Elbe statistisch aus. Diese stammen von festen Stationen in Hamburg und entlang des Elbeästuars und aus Wasserproben, die zwischen 1980 und 2013 bei Hubschrauberflügen aus der Elbe entnommen wurden (ARGE Elbe, Ems und Weser Daten vom NLWKN ). Zusätzlich verwendet sie Messwerte aus Wasserproben, welche HZG-Kollegen zwischen 2011 und 2013 bei Schiffstouren erhoben hatten. Durch diese Kombination von Informationen aus unterschiedlichen Datensätzen versucht sie, die in der Vergangenheit nicht direkt gemessenen biogeochemischen Prozesse des Stickstoffabbaus zu rekonstruieren.

Eine Retentionsrate für die Elbe

Das ist recht anspruchsvoll, weil die Retention von verschiedenen Faktoren abhängt – zum Beispiel der Wassertemperatur, der Aktivität der Bakterien, aber auch der Strömungsgeschwindigkeit und Verweilzeit des Wassers in bestimmten Flussabschnitten, was wiederum von der Niederschlagsmenge beeinflusst wird. Aus all diesen Parametern will Annika Eisele abschätzen, ob sich die Retention im Elbeästuar tatsächlich verändert, und wenn ja, welche die möglichen Ursachen sein könnten. „Letztlich will ich für die Elbe eine Retentionsrate festlegen, die auf die Hamburger Nährstoffmesswerte aufgerechnet werden kann und so den Nährstoffumsatz im Ästuar berücksichtigt“, sagt sie.

Die Abbildung zeigt die Flüsse, aus deren Nährstoffwerten die Eutrophierung in der Deutschen Bucht und der Ostsee für die Studie simuliert wird. Für die Nordsee sind nur die 20 größten Zuflüsse dargestellt. Die tatsächliche Zahl an Zuflüssen, die in die Auswertung eingehen, ist höher.

Die Abbildung zeigt die Flüsse, aus deren Nährstoffwerten die Eutrophierung in der Deutschen Bucht und der Ostsee für die Studie simuliert wird. Für die Nordsee sind nur die 20 größten Zuflüsse dargestellt. Die tatsächliche Zahl an Zuflüssen, die in die Auswertung eingehen, ist höher.

Wichtige Grundlage für EU-Richtlinien

Ihre Arbeit ist eine wichtige Voraussetzung dafür, exakte Grenzwerte für die Nährstoffe festzulegen, die mit den Flüssen ins Meer gelangen dürfen. Das fordern vor allem die Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) und die europäische Meeresstrategierahmenrichtlinie (MSRL). Die MSRL wurde 2008 verabschiedet und hat zum Ziel, für die EU-Küstengewässer einen „guten Umweltzustand“ zu erreichen. Die Richtlinie hat europaweit einheitliche Kriterien und Indikatoren definiert, an denen sich der Umweltzustand künftig konkret messen lassen wird. Voraussetzung dafür ist, dass die wissenschaftlichen Annahmen stimmen, die den Kriterien zugrunde liegen. Dazu leistet Annika Eisele mit ihrer Arbeit einen wichtigen Beitrag. Denn Unter- oder Überschätzungen der Nährstoffkonzentrationen an der Flussmündung können zu Fehleinschätzungen der Nährstoffgrenzwerte in der WRRL und MSRL führen. Dies hat Folgen für das Management der Wassereinzugsgebiete. Gelingt es, eine Retentionsrate zu bestimmen, lässt sich die Nährstoffbelastung im Elbeästuar und in den angrenzenden Küstengewässern künftig realistischer abbilden.

Annika Eisele hofft, eine einfache und dennoch allgemeingültige Methode zur Bestimmung der Retentionsrate entwickeln zu können, die sich auf viele Ästuare weltweit übertragen lässt, denn „so etwas gibt es bisher nicht“, betont sie. Ob es tatsächlich möglich ist, ihre Ergebnisse auf andere Flüsse zu übertragen, wird sie zunächst mit Messwerten aus der Ems und der Weser überprüfen. Derzeit beschäftigt sie sich vor allem mit Stickstoff. Künftig will sie Retentionsraten auch für Phosphat bestimmen – ein wichtiger Beitrag dazu, dass der Nährstoffhaushalt von Küstengewässern zukünftig besser abgeschätzt und verändert werden kann.

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