Ergebnisse der Stickstoff-Deposition aus dem Niederschlagsmessnetz des LfU (Teil Immissionsökologie) im Vergleich mit UBA-Modelldaten zur Stickstoff-Vorbelastung
Hinweise zur Verwendung der UBA-Hintergrunddaten zur Stickstoffdeposition (Modell PINETI-2)

1. Einleitung

Hohe Stickstoffdepositionen gefährden die Artenvielfalt und tragen zur Versauerung und Eutrophierung von Ökosystemen bei. Es ist daher notwendig, Stickstoffdepositionen zu erfassen und bei Genehmigung von stickstoffemittierenden Anlagen auch die Hintergrundbelastung mit zu berücksichtigen.

Der im Februar 2015 vom UBA (Umweltbundesamt) veröffentlichte nationale Datensatz der Hintergrundbelastung durch Stickstoffdeposition ist für das Jahr 2009 berechnet und löst den alten Datensatz für das Jahr 2007 ab. Die zur Verfügung gestellten Daten stellen den Gesamtstickstoff dar. Sie dienen vor allem Gutachtern und Behörden bei der Genehmigung von Projekten als Maß für die Hintergrundbelastung. Diese ist als Eingangsgröße für die Abschätzung der Vorbelastung mit Stickstoff im Umfeld einer zu genehmigenden stickstoffemittierenden Anlage notwendig, da nicht in allen Fällen mehrmonatige Messungen der lokalen Stickstoffbelastung angebracht sind. Aufgrund verbesserter Modelle und der aktuellen Eingangsgrößen fällt die berechnete Hintergrundbelastung für Bayern mit dem Modell PINETI-2 für 2009 für die meisten Standorte deutlich niedriger aus als mit dem früheren Modell MAPESI, das die Daten für 2007 berechnete. Mit den eigenen Messungen im Niederschlagsmessnetz kann dieser Rückgang nicht nachvollzogen werden.

Werden in Genehmigungsverfahren die aktuell verfügbaren UBA-Daten aus dem Internet (Bezugsjahr 2009) herangezogen, wird die Gesamtbelastung womöglich als geringer ausgewiesen als sie tatsächlich ist. Die auf dieser Grundlage erteilten Genehmigungen wären möglicherweise fehlerhaft. Um diese Situation zu vermeiden, wird im Folgenden ein einfaches Verfahren, basierend auf langjährigen Messungen, vorgestellt, bei dem je nach Emittenteneinfluss eine aktuelle standorttypische Hintergrundbelastung abgeschätzt werden kann.

2. Methoden

Die Deposition von Stickstoffverbindungen setzt sich zusammen aus dem nassen Fluss gelöster Bestandteile mit dem Niederschlag, der feuchten Deposition gelöster Stickstoffverbindungen mit Nebel- und Wolkentröpfchen sowie der trockenen Deposition durch Aufnahme von nicht-sedimentierenden Partikeln und gasförmigen Stickstoffverbindungen durch die Vegetation.

Der Datensatz des UBA beruht auf einer Kombination von Mess- und Modellwerten dieser Parameter. Sie sind nach international anerkannten Methoden validiert und stellen den aktuellen Stand der Forschung dar . Die Hintergrundbelastung wird auf der Landkarte für jede der dargestellten Zellen (Zell-größe ca. 7 x 8km) landnutzungsabhängig je nach Rezeptor (z.B. Laubwald, Wiesen und Weiden, seminatürliche Vegetation) angegeben. Das bedeutet, dass alle Ausgangsdaten gleichmäßig auf die gesamte Zelle verteilt werden. Im Bewusstsein für die Unterschätzung der Hintergrundbelastung im Nahbereich stickstoffemittierender Quellen, empfiehlt das UBA in bestimmten Fällen die Modelldaten sowohl räumlich als auch zeitlich zu korrigieren.

Das LfU untersucht die Stickstoff-Deposition aus Ammonium und Nitrat im Niederschlag mit elektrisch gekühlten Bulk-Sammlern im Offenland. Damit können die nasse Deposition und der wasserlösliche Anteil der trocken deponierten Bestandteile der beiden Komponenten bestimmt werden. An den Dauerbeobachtungsstationen des LfU (DBS) wird zusätzlich mit speziellen Wet only-Niederschlagssammlern nur die nasse Deposition erfasst. Die DBS liegen ohne direkten Emittenteneinfluss im ländlichen Hintergrund oder in städtischem Gebiet. Die Konzentration von gasförmigem Ammoniak (NH3) wird an den Messorten mit Hilfe von Passivsammlern erhoben und durch Multiplikation mit der Depositionsgeschwindigkeit für Offenland von 1cm/sec als trockene Deposition abgeschätzt (mit der Konvention, dass das gemessene Ammoniak vollständig deponiert). Der Beitrag der übrigen Komponenten aus trockener und feuchter Deposition wird vernachlässigt.

3. Ergebnisse

3.1 Vergleich der Gesamt-Stickstoffdeposition aus den UBA-Modellen MAPESI und PINETI-2 an den Messorten des LfU

An Standorten des LfU wird die im Internet für diese Koordinaten abgerufene Stickstoff-Hintergrundbelastung der UBA-Datensätze 2007 und 2009 in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Stickstoff-Hintergrundbelastung nach den UBA-Modellen MAPESI (2007) und PINETI-2 (2009) an den Depositionsmessstellen des LfU und ihr Anteil im Modell PINETI-2 gegenüber MAPESI
Ort UBA-Modellwert MAPESI 2007 (kg N/ha * a) UBA-Modellwert PINETI2 2009 (kg N/ha * a) Anteil 2009 gegenüber 2007 (%)

naturnah, Naturschutzgebiete

Kulmbach 21 12 57
Niederhofen 24 14 58
Bannwaldsee 22 11 50
Grassau 23 14 61

Feldwirtschaft

Seligenstadt 19 12 63
Söllitz 19 12 63
Kaisheim 24 12 50
Eining 21 12 57
Neusling 23 12 52
Reith 26 15 58

Intensive Grünlandnutzung (Gülleausbringung)

Lautrach 25 14 56
Bidingen 22 13 59
Kolbermoor 21 14 67

Die vom UBA berechnete Gesamt-Stickstoffdeposition für die LfU-Messstellen lag 2007 bei 19 bis 26 Kilogramm Stickstoff pro Hektar und Jahr (kg N/ha*a) und 2009 bei 11 bis 15 (kg N/ha*a). In naturnaher Umgebung wurde 2007 mit MAPESI 21 bis 24 kg N/ha*a berechnet, an den gleichen Messstellen 2009 mit PINETI-2 11 bis 14 kg N/ha*a, das sind im Mittel nur noch 57 % der Deposition von 2007. Für Mess-stellen in feldnaher Umgebung wurden 2007 19 bis 26 kg N/ha*a berechnet, 2009 12 bis 15 kg N/ha*a. Das entspricht ebenfalls einem mittleren Anteil von 57 % gegenüber 2007. An Messstellen mit intensiver Grünlandnutzung lagen die Werte 2007 bei 21 bis 25 kg N/ha*a, während für 2009 dort 13 bis 14 kg N/ha*a berechnet wurden, was einem mittleren Anteil von 61 % entspricht. Die viel geringeren Modell-werte nach PINETI-2 erläutert das UBA mit einer Verbesserung der Methodik zur Bestimmung der nassen Deposition und der Konsolidierung neuer Prozessbeschreibungen im Modell.

3.2 Messergebnisse aus den Niederschlagsuntersuchungen mit Bulk-Sammlern

Die LfU-Messungen der Stickstoffdeposition aus dem Niederschlag der Jahre 2007 und 2009 unterscheiden sich dagegen nur gering voneinander, vgl. nachfolgende Tabelle.

Tabelle 2: Stickstoffeintrag aus Nitrat und Ammonium im Bulk-Sammler [kg N/ha * a] in den Jahren 2007 und 2009
Ort 2007 2009

naturnah, Naturschutzgebiete

Kulmbach 11 10
Niederhofen 10 8
Bannwaldsee 11 11
Grassau 16 15

Feldwirtschaft

Seligenstadt 13 8
Söllitz 9 9
Kaisheim 10 11
Eining 13 11
Neusling 12 11
Reith 12 12

Intensive Grünlandnutzung (Gülleausbringung)

Lautrach 13 12
Bidingen 12 18
Kolbermoor 11 11

Verkehr

Augsburg 9 10
München 11 11
Balkengrafik: Mittlerer Stickstoffeintrag aus Ammonium und Nitrat im Niederschlag ländlicher Messstellen in Bayern. Die Werte schwanken von 1985 bis 2003 zwischen acht und sechzehn Kilogramm Stickstoff pro Hektar und Jahr. Seit 2004 liegen die Werte zwischen acht und zehn Kilogramm, zeigen aber keinen weiter abnehmenden Trend.Bild vergrössern Abb. 1: Stickstoffeintrag an ländlichen Hintergrundmessstellen in Bayern [kg N/ha * a] seit 1985

Die gemessene Hintergrunddeposition ist zum einen von der Witterung abhängig, die die Einträge der nassen Deposition beeinflussen; Prägend für den jeweiligen Gesamteintrag von Stickstoff ist jedoch die standortspezifische Umgebung der Messstellen und die Existenz möglicher Emissionsquellen im Nahbereich. Bei der Betrachtung der Stickstoffdeposition lassen sich je nach ihrem Emittenteneinfluss verschiedene Standorttypen charakterisieren. Das Depositionsmessnetz des LfU unterscheidet im Offenland naturnahe und feldnahe Umgebung sowie Grünlandnutzung mit Gülleausbringung und Verkehrsnähe (vgl. Tabelle 2). Auffallend gegenüber den UBA-Daten ist, dass die gemessene nasse Deposition von Ammonium und Nitrat in den beiden betrachteten Untersuchungsjahren nur geringfügig voneinander abweicht. Im Jahr 2009 wurde in naturnaher Umgebung 80 bis 100% des Eintrags von 2007 gemessen, in feldnaher Umgebung 62 bis 110%, an güllebeeinflussten Standorten 92 bis 150% und in Verkehrsnähe 100 bis 110%.

Auch Langzeituntersuchungen belegen , dass nach starken Schwankungen in den 1980er und 1990er Jahren der Trend der Stickstoffeinträge in den vergangenen 10 Jahren indifferent ist, d.h. die Einträge aus Ammonium und Nitrat nehmen weder deutlich ab noch zu, vgl. Abb. 1.

3.3 Ausgleich zwischen Modell und Messungen

Als 2007 das Modell MAPESI deutlich höhere Gesamtstickstoffdaten für Bayern berechnete als vom LfU mit den einfachen Methoden der Bulkdeposition gemessen werden konnte, wurde versucht, dies mithilfe der Ammoniakdaten auszugleichen. Bei der Bulk-Deposition fehlen größtenteils die Einträge der trockenen Deposition. Um sich dem realen Gesamtstickstoffeintrag anzunähern, wurde die Stickstoffdeposition aus der NH3-Konzentration abgeschätzt und zur Bulk-Deposition addiert. Es stellte sich bereits an den 2007er Daten heraus, dass zur Beschreibung einer kleinräumigen charakteristischen Umgebung das UBA-Modell nicht geeignet ist: Bei naturnaher (quellenferner) Umgebung wird weniger, bei Grünland-/ Gülleumgebung (quellennah) wird mehr gemessen als vom Modell berechnet.

3.3.1 Messungen der Ammoniakkonzentration

Auch die Ammoniak-Ergebnisse des PINETI-2-Modells von 2009 geben die standorttypische Situation nicht so gut wieder, wie die Messwerte zeigen. Da den Rechen-Modellen einige wichtige Eingangsgrößen, wie z.B. die NH3-Emissionen der Landwirtschaft nur auf Landkreisebene vorliegen, kann die räumliche Verteilung auf die Rasterzellen nur grob geschehen. In Abb. 2 sind für das Jahr 2009 die Messwerte der Ammoniak-Passivsammler den Modellwerten gegenübergestellt.

Im Diagramm werden gemessene Werte mit modellierten Daten verglichen.Bild vergrössern Abb. 2: Vergleich der Ammoniakkonzentrationen an den LfU-Messstellen, gemessen mit Passivsammlern, mit den berechneten Werten aus PINETI-2 für das Jahr 2009

Die gemessenen NH3-Konzentrationen in der Atmosphäre zeigen deutliche Unterschiede je nach Einfluss der unmittelbaren Umgebung. An den Messstellen, die emittentenfern und eher naturnah im Hintergrund liegen, werden die Konzentrationen durch das Modell teilweise stark überschätzt, z.B. in Niederhofen, Bannwaldsee, Grassau und Tiefenbach. Hier machen die tatsächlich gemessenen NH3-Konzentrationen etwa nur die Hälfte bis ein Drittel des Modellwertes aus. An den ländlich gelegenen Messstellen mit Feldwirtschaft in der Umgebung, wie Eining, Söllitz und Naila, trifft das Modell die Immissionssituation genauer. Die Werte sind nahezu identisch mit den gemessenen Konzentrationen. Im näheren Einflussbereich von Stallungen oder am Stadtrand werden wiederum geringere NH3-Konzentrationen gemessen, als das Modell vorgibt, z.B. Andechs 1 und 3 sowie Augsburg-LfU. An Messstellen mit großem Einfluss von Gülleausbringung, Tierhaltung oder Verkehr berechnet das Modell z.T. deutlich geringere NH3-Konzentrationen als mit den Passivsammlern gemessen werden.

3.3.2 Standorttypische Zuordnung der Ammoniak-Zeitreihen

Das LfU untersucht seit 2006 in umfangreichen Messungen die Immissionssituation von Ammoniak in Bayern . Damit können je nach standortprägender Umgebung verschiedene Gebietskategorien differenziert werden, die über mehrere Jahre typische Ammoniakkonzentrationen aufweisen. Tabelle 3 gibt die Spanne der Jahresmittelwerte und den Mittelwert über den gesamten Messzeitraum dieser Kategorien an.


Tabelle 3: Jahresmittelwerte der Ammoniak-Konzentration an verschieden geprägten Messorten
Zuordnung der Standorte nach Gebietsprägung Ammoniak-Konzentration Spanne der Jahresmittelwerte, Minimum [µg/m3] Ammoniak-Konzentration Spanne der Jahresmittelwerte, Maximum [µg/m3] Mittelwert über alle Standorte im Messzeitraum 2006-2015 [µg/m3]
stallnah 3,5 18,1 8,0 (N=17)
feldnah 2,0 9,6 4,5 (N=29)
ländlich 1,0 3,3 2,1 (N=43)
naturnah 0,5 2,9 1,4 (N=42)
verkehrsnah 3,6 10,9 7,0 (N=19)
Innenstadt 1,5 4,9 3,7 (N=17)
Stadt- bzw. Ortsrand 2,0 4,6 3,1 (N=14)

3.4 Empfehlungen zum Umgang mit der Hintergrundbelastung aus dem PINETI-2-Modell

Die Linien zeigen den Verlauf der Stickstoffeinträge von 2006 bis 2015. Ammonium-Stickstoff hat in dieser Zeit von 6,5 bis 4,4 Kilogramm pro Hektar und Jahr abgenommen. Der Nitrat-Stickstoff ist von 3,5 bis 2,4 gesunken.Bild vergrössern Abb. 3: Nasse Deposition von Stickstoff aus Ammonium und Nitrat an ländlichen und naturnahen Standorten (N=15-17)

Zur Ermittlung der Vorbelastung in immissionsschutzrechtlichen Genehmigungsverfahren kann auf die Modellwerte der Hintergrundbelastung (PINETI-2, Bezugsjahr 2009) zurückgegriffen werden. Zusätzlich sollten in Kenntnis der ortstypischen Gegebenheiten die aktuellen Messungen des LfU herangezogen werden, um abzuschätzen, welchen Einfluss ggf. umliegende Stickstoffquellen auf die Gesamtbelastung haben, die im Modell nicht berücksichtigt sind. Dafür addiert man die aktuellen Messergebnisse der nassen Deposition der Ammonium- und Nitratstickstoffeinträge an naturnahen bzw. ländlichen Standorten und die aus der Ammoniakkonzentration berechnete trockene Deposition (mit der für die jeweilige Landnutzungsklasse zutreffenden Depositionsgeschwindigkeit, z.B. 1 cm/s für seminatürliches Grünland und 1,7 cm/s für Wald) je nach Gebietskategorie, vgl. Abb. 3 und Tabelle 4.


Tabelle 4: Trockene Deposition von Stickstoff aus Ammoniak
Zuordnung verschiedener Standorte nach Gebietsprägung Ammoniak-Mittelwert [µg/m3] Trockene Deposition seminatürliches Grünland (v= 1 cm/s) [kg N/ha*a] Trockene Deposition Wald (v= 1,7 cm/s) [kg N/ha*a]
stallnah 8,0 21 35
feldnah, auch Gülleausbringung 4,5 12 20
ländlich 2,1 6 9
naturnah 1,4 4 6
Stadt- bzw. Ortsrand 3,1 8 14

Beispielrechnung zur Ermittlung der Stickstoff-Vorbelastung (VB) im Offenland

im ländlichen Hintergrund

VB 2014 = Ndep, nass, Ammonium + Ndep, nass, Nitrat + Ndep, trocken = 4,4 + 2,4 + 6 = 12,8 kg N/ha*a

im naturnahen Hintergrund

VB 2014 = Ndep, nass, Ammonium + Ndep, nass, Nitrat + Ndep, trocken = 4,4 + 2,4 + 4 = 10,8 kg N/ha*a

im feldnahen Hintergrund oder bei Gülleausbringung

VB 2014 = Ndep, nass, Ammonium + Ndep, nass, Nitrat + Ndep, trocken = 4,4 + 2,4 + 12 = 18,8 kg N/ha*a

Die Beispiele lassen erkennen, dass man auf diese Weise eine differenzierte Abschätzung der Hintergrundbelastung je nach Standorttyp erhält. Im ländlichen Hintergrund entspricht der Wert wie erwartet dem UBA-Modellwert, im naturnahen, quellfernen Hintergrund ist er niedriger und im quellnahen Bereich mit Feldwirtschaft und Gülleausbringung liegt er höher als durch das Modell abgebildet.

Personen, die Gutachten erstellen oder bewerten müssen, wird empfohlen, ihre Kenntnisse zu den Emissionsquellen im Beurteilungsgebiet heranzuziehen um die Hintergrundbelastung korrekt darzustellen. Falls diese verfügbaren Informationen für eine Orientierung nicht ausreichen, kann die Vorbelastung bei einer vertieften Betrachtung immer noch durch eigene Messungen ermittelt werden.

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