Stickstoff-Deposition aus dem Niederschlag zur Anwendung in Genehmigungsverfahren

Hinweise zur Verwendung der UBA-Hintergrunddaten zur Stickstoff-Deposition
(Modell PINETI-3)

Einleitung

Hohe Stickstoff-Depositionen gefährden die Artenvielfalt und tragen zur Versauerung und Eutrophierung von Ökosystemen bei. Es ist daher notwendig, Stickstoff-Depositionen dauerhaft und in der Fläche zu messen um ihre Auswirkungen auf die Ökosysteme beurteilen und Umweltqualitätsziele einhalten zu können. Zum Schutz stickstoffempfindlicher Ökosysteme ist bei der Genehmigung von stickstoffemittierenden Anlagen auch die Hintergrundbelastung mit zu berücksichtigen. Nicht in allen Fällen sind im Rahmen der Antragstellung mehrmonatige Messungen der lokalen Stickstoffbelastung angebracht. Die modellierten Daten des Umweltbundesamts (UBA) und die standortspezifischen Messwerte des Bayerischen Landesamtes für Umwelt (LfU) bieten Gutachtern und Behörden eine aussagekräftige Grundlage, die Hintergrundbelastung von Stickstoff-Depositionen zu bewerten.

So wird in Bayern seit den 1980er Jahren der Stickstoffeintrag im Niederschlag gemessen und kann als langjährige Zeitreihe der Hintergrundbelastung angegeben werden.

Im August 2018 hat das UBA den aktuellen nationalen Datensatz der Hintergrundbelastung für die Stickstoff-Deposition als dreijährigen Mittelwert für die Jahre 2013 - 2015 bereitgestellt. Er löst den alten Datensatz für das Jahr 2009 ab. Bei der bisherigen Ausgabe der Datensätze mit Bezug zu Einzeljahren war der Einfluss der unterschiedlichen Jahresniederschläge zuweilen hoch. Mit dem Drei-Jahres-Mittelwert können meteorologische Schwankungen zwischen den einzelnen Jahren abgemildert werden, ohne dass ein möglicher Trend in der Stickstoff-Deposition übersehen würde.

Methoden

Die Deposition von Stickstoffverbindungen setzt sich zusammen aus dem nassen Eintrag gelöster Bestandteile mit dem Niederschlag, der feuchten Deposition gelöster Stickstoffverbindungen mit Nebel- und Wolkentröpfchen sowie der trockenen Deposition durch Ablagerung von Partikeln und Aufnahme von 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 Daten können über eine interaktive Karte, den sogenannten Kartendienst, abgerufen werden.

Die dem Kartendienst beigefügten Erläuterungen beantworten Fragen zur Methodik, den Modellergebnissen und der Handhabung. Darüber hinaus werden Empfehlungen zum Anwendungsbereich und der Genehmigungspraxis gegeben.

Am LfU wird die Stickstoff-Deposition aus Ammonium und Nitrat im Niederschlag mit elektrisch gekühlten Bulk-Sammlern untersucht. Damit können die nasse Deposition und der wasserlösliche Anteil der trocken deponierten Bestandteile der beiden Komponenten bestimmt werden. An einigen Standorten wird zusätzlich mit speziellen Wet only-Niederschlagssammlern nur die nasse Deposition erfasst. Die Messstellen liegen 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 1 cm/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.

Ergebnisse

Vergleich UBA-Kartendienst (Modell PINETI-3) mit der Stickstoff-Deposition an den Messstellen

Für die Messstellen des LfU werden in Tabelle 1 die Werte zur Stickstoff-Hintergrundbelastung, wie sie vom LfU und vom Umweltbundesamt (UBA) bereitgestellt werden, gegenübergestellt.

Tabelle 1: Stickstoff-Hintergrundbelastung aus dem Kartendienst des UBA (PINETI-3 (Mittelwert 2013-2015) an den Messstellen des LfU und die dort tatsächlich gemessenen Stickstoffeinträge mit Bulk- und Wet only-Niederschlagssammler in kg N/ ha*a
Messstelle LfU Landnutzung UBA-Kartendienst, Mittelwert 2013 bis 2015 Gemessene Bulk-Deposition, Mittelwert 2013 bis 2015 Gemessene Wet only-Deposition, Mittelwert 2013 bis 2015
Feilitzsch Ackerflächen 11 9
Kaisheim Ackerflächen 12 7
Neusling Ackerflächen 13 9
Prittriching Sonstige 12 11
Aschheim Ackerflächen 14 10
Sylvenstein naturnahe Flächen 10 22
Eining Ackerflächen 10 8 5
Grassau naturnahe Flächen 18 13 13
Weiberbrunn naturnahe Flächen 10 8 6
Augsburg städtisch 18 7 6
Bidingen Wiesen und Weiden 14 13 9
Kulmbach naturnahe Flächen 10 7 5
Möhrendorf naturnahe Flächen 10 7 5

Die modellierten Daten des UBA beziehen sämtliche Stickstoffkomponenten der nassen, trockenen und feuchten Deposition ein. Dagegen ist der mit Niederschlagssammlern gemessene Eintrag auf die wasserlöslichen Komponenten Nitrat und Ammonium reduziert, was sich in den geringeren LfU-Werten zeigt. Um sich auch bei den Messwerten dem realen Gesamtstickstoffeintrag anzunähern, kann der fehlende Betrag der trockenen Deposition aus der Ammoniak-Immission abgeschätzt werden.

Prägend für den jeweiligen Gesamteintrag von Stickstoff, aber vor allem der trockenen Deposition, ist die standortspezifische Umgebung der Messstellen. Im Nahbereich von Emissionsquellen ist der Eintrag der nassen Deposition unwesentlich gegenüber der trockenen Deposition. Zudem ist die trockene Deposition abhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche auf die der Stoff auftrifft. Je rauer die Oberfläche, desto höher ist die Depositionsgeschwindigkeit. Die Ammoniak-Werte zeigen daher deutliche Unterschiede je nachdem, ob emittentennah im Einflussbereich von Landwirtschaft und Verkehr oder eher naturnah im Hintergrund gemessen wird.

Im Kartendienst können diese lokalen Gegebenheiten nicht scharf genug abgebildet werden, da die modellierten Emissionen auf die gesamte Rasterzelle (7km x 8km) verteilt werden. Das UBA empfiehlt deshalb bei Bedarf eine räumliche Korrektur seiner Hintergrunddaten.

Gebietstypische Ammoniak-Konzentrationen

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 einen längeren Zeitraum typische Ammoniakkonzentrationen aufweisen. Für diese Kategorien gibt Tabelle 2 die Spanne der Jahresmittelwerte und den Mittelwert über den gesamten Messzeitraum an.

Tabelle 2: Jahresmittelwerte der Ammoniak-Konzentrationen an den verschiedenen Messstellen - im Messzeitraum 2006 bis 2019
Zuordnung der Standorte nach Gebietsprägung Spanne der Jahresmittelwerte: Minimum [µg/m3] Spanne der Jahresmittelwerte: Maximum [µg/m3] Mittelwert über alle Standorte [µg/m3]
stallnah 3,5 18,1 8,8 (N=21)
feldnah 2,0 9,4 4,4 (N=39)
ländlich 1,0 3,7 2,0 (N=66)
naturnah 0,3 2,9 1,5 (N=58)
verkehrsnah 3,6 10,9 6,3 (N=31)
Innenstadt 1,5 4,9 3,0 (N=20)
Stadt- bzw. Ortsrand 2,0 4,6 2,8 (N=18)

Empfehlungen zum Umgang mit Daten aus dem UBA-Kartendienst (PINETI-3)

Zur Ermittlung der Vorbelastung in immissionsschutzrechtlichen Genehmigungsverfahren kann auf die Modellwerte der Hintergrundbelastung (PINETI-3, Bezugszeitraum 2013-2015) zurückgegriffen werden. Zusätzlich sollten in Kenntnis der ortstypischen Gegebenheiten die aktuellen Messungen des LfU herangezogen werden, um abzuschätzen, welchen Einfluss gegebenenfalls umliegende Stickstoffquellen auf die Gesamtbelastung haben, die im Modell nicht berücksichtigt sind, vgl. Abb. 1 und Tab. 3. Dafür addiert man die aktuellen Messergebnisse der nassen Deposition (Ammonium- und Nitratstickstoffeinträge an naturnahen bzw. ländlichen Standorten) und, je nach Gebietskategorie, die aus der Ammoniakkonzentration berechnete trockene Deposition (mit der für die jeweilige Landnutzungsklasse zutreffenden Depositionsgeschwindigkeit, z. B. 1 cm/s für semi-natürliches Grünland und 1,7 cm/s für Wald).

Die Linien zeigen den Verlauf der Stickstoffeinträge von 2006 bis 2019. Ammonium-Stickstoff hat in dieser Zeit von 6,5 bis 5,3 Kilogramm pro Hektar und Jahr abgenommen. Der Nitrat-Stickstoff ist von 3,5 bis 2,4 gesunken. Abbildung 1: Nasse Deposition von Stickstoff aus Ammonium und Nitrat an ländlichen und naturnahen Standorten (N=15-18)
Tabelle 3: Trockene Deposition von Stickstoff aus Ammoniak. (Mittelwerte und Spannen siehe Tabelle 2)
Zuordnung verschiedener Standorte nach Gebietsprägung Ammoniak-Konzentration, 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 8,8 23 39
feldnah, auch Gülleausbringung 4,4 11 19
ländlich 2,0 5 9
naturnah 1,5 4 7
Stadt- bzw. Ortsrand 2,8 7 12

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

im ländlichen hintergund

VB 2019 = Ndep, nass, Ammonium + Ndep, nass, Nitrat + Ndep, trocken = 5,3 kg N/ha*a+ 2,4 kg N/ha*a + 5 kg N/ha*a = 12,7 kg N/ha*a

im naturnahen Hintergrund

VB 2019 = Ndep, nass, Ammonium + Ndep, nass, Nitrat + Ndep, trocken = 5,3 kg N/ha*a + 2,4 kg N/ha*a + 4 kg N/ha*a = 11,7 kg N/ha*a

im feldnahen Hintergrund oder bei Gülleausbringung

VB 2019 = Ndep, nass, Ammonium + Ndep, nass, Nitrat + Ndep, trocken = 5,3 kg N/ha*a + 2,4 kg N/ha*a + 11 kg N/ha*a = 18,7 kg N/ha*a

Auf diese Weise erhält man eine differenzierte Abschätzung der Hintergrundbelastung je nach Standorttyp.

Personen, die Gutachten erstellen oder bewerten müssen, wird empfohlen, ihre Kenntnisse zu den Emissionsquellen im Beurteilungsgebiet heranzuziehen um die Hintergrundbelastung zutreffend 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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