Nährstoffrücklösung in Seen - Phänomene, Mechanismen, Konsequenzen

Seminarvortrag
am Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft
der RWTH Aachen

Nährstoffrücklösung in Seen -
Phänomene, Mechanismen, Konsequenzen

Daniel Engers
Sommersemester 2002

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis II

Abbildungsverzeichnis II

Abkürzungsverzeichnis II

1 Einleitung 1

2 Grundlagen 1
2.1 Vorbemerkung  1
2.2 Begriffe  1
2.2.1 Trophie  1
2.2.2 Mixis   2
2.2.3 Sediment  3
2.2.4 Lebensräume  4
2.3 Bedeutung des Sauerstoffs für Seen  4
2.4 Nährstoffe  6

3 Lösungsmechanismen 7
3.1 Allgemeines  7
3.2 Stickstoff  8
3.2.1 Allgemeines  8
3.2.2 Nitrifikation und Denitrifikation  8
3.2.3 Biologische N-Fixation  10
3.3 Phosphor  10
3.3.1 Allgemeines  10
3.3.2 Anaerobe P-Rücklösung (klassische Rücklösungstheorie)  11
3.3.3 Einflüsse auf die P-Freisetzung aus anaerobem Sediment  14
3.3.4 Aerobe P-Rücklösung  16
3.3.5 Einflüsse auf die P-Rücklösung aus aerobem Sediment  16
3.4 Sonstige Einflüsse  17

4 Zusammenfassung und Maßnahmen 17

Tabellenverzeichnis
1 Definitionen der Trophiegrade für stehende Gewässer (LAWA 1998)  . . 2
2 Die wichtigsten Stickstoff- und Phosphorverbindungen  7
3 Auswirkungen der Sauerstoffverhältnisse an der Sedimentoberfläche   14

Abbildungsverzeichnis
1 Wasserschichtung eines Sees  3
2 Sauerstoffschichtung im Sediment  4
3 Freisetzung verschiedener Stickstoffformen im Sediment   9
4 Überblick über die Rücklösungsmechanismen des Phosphors  11
5 P-Rückhalt in aerobem Sediment bei aerobem Wasser  12
6 P-Rücklösung aus anaerobem Sediment in anaerobes Wasser  13

Verzeichnis der Abkürzungen
[Verzeichnis in Downloaddatei enthalten]

1 Einleitung

In jüngster Zeit ist die Gewässergüte – nicht zuletzt durch das Inkrafttreten der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) im Dezember 2000 – zunehmend in das Bewusstsein der Fachwelt gerückt.

Die Gewässergüte wird in der Regel durch Belastungen quantifiziert. Hierunter sind nicht alleine Schadstoffe, sondern auch Nährstoffe – jeweils mit ihren Bilanzen – zu verstehen. Nährstoffe beeinflussen Lebewesen, indem sie deren Wachstum und Vermehrung fördern bzw. bei Abwesenheit hemmen. Sie haben damit indirekt Einfluss auf den Sauerstoffhaushalt eines Gewässers. Dieser bestimmt die chemischen und biologischen Prozesse, die im Ökosystem Gewässer ablaufen können.

Im Zusammenhang mit Nährstoffen fällt häufig der Begriff der Eutrophierung. Obwohl in jüngster Zeit die externen Nährstoffbelastungen der Gewässer in Deutschland rückläufig sind ([2]), ist der Prozess der Eutrophierung in vielen Seen weiterhin zu beobachten. Ursache dafür ist, sofern die externen Belastungen niedrig sind, hauptsächlich die Nährstoffrücklösung aus Sedimenten – auch interne Düngung ( internal loading) genannt. Die vorliegende Ausarbeitung beschäftigt sich mit diesem Aspekt der Eutrophierung im Bereich der stehenden Gewässer. Ziel ist die Katalogisierung und Erläuterung der Prozesse und Einflüsse sowie die Darstellung wichtiger Konsequenzen, die sich daraus ergeben.

2 Grundlagen

2.1 Vorbemerkung

In diesem Abschnitt werden Begriffe und Zusammenhänge nur so weit erläutert, wie sie für das Verständnis des Themas erforderlich sind.1

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich nur zum Teil auf fließende Gewässer. Den Kern der Ausarbeitung bilden die stehenden Gewässer; das sind natürliche Seen und künstliche Seen (z. B. Talsperren).

2.2 Begriffe

2.2.1 Trophie

Als Trophie eines Sees wird die Intensität seiner Primärproduktion bezeichnet. „Die Primärproduktion beruht auf dem biochemischen Prozess der Photosynthese, bei der Strahlungsenergie biochemisch gebunden wird.“ [11, S. 171].

Tabelle 1: Definitionen der Trophiegrade für stehende Gewässer (LAWA 1998); aus: [8, S. 19]
[Tabelle 1 in Downloaddatei enthalten]

Der Trophiezustand eines See hängt von vielen Parametern ab. Unter anderem sind dies Nährstoffkonzentration, Tiefe des Sees und Retentionszeit desWassers. Er wird von der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) in mehrere Trophiestufen eingeteilt, die in Tabelle 1 dargestellt sind.

Unter Eutrophierung versteht man die Zunahme der Primärproduktion im Gewässer. Sie kann unter anderem durch Nährstoffanreicherung bewirkt werden und entspricht einer Änderung vom oligotrophen zum eutrophen Gewässerzustand. „Die Konzentration an gelöstem Sauerstoff im hypolimnischen Wasser kann als Indikator für die Eutrophierung genutzt werden.“ [9, S. 536]

Man unterscheidet die natürliche Eutrophierung, die in jedem stehenden Gewässer in geologischen Zeiträumen stattfindet, von der künstlichen Eutrophierung, die durch anthropogene Einflüsse bedingt wird und in Zeiträumen von mehreren Jahrzehnten stattfindet. Wird von Eutrophierung gesprochen, so ist in der Regel die künstliche Eutrophierung gemeint.

2.2.2 Mixis

Schichtungen des Seewassers werden durch unterschiedliche Verteilungen der Wasserdichte über die Seetiefe hervorgerufen. Sie stellen sich je nach Klimabedingungen (insbesondere Temperatur und Wind) ein und sind durch die jeweilige Temperaturverteilung über die Wassertiefe im See definiert (Dichteanomalie des Wassers). Eine Schichtung ist in Abbildung 1 beispielhaft schematisch dargestellt. Die Schichten lassen sich folgendermaßen charakterisieren [9]:

Epilimnion: Obere, gleichmäßig temperierte, in sich zirkulierende, belüftete und leichtere Warmwasserschicht. Sie wird ganz oder teilweise durchleuchtet (tropogene Zone).

[....]

1 Eine umfassende Darstellung und Erläuterung ist nicht Ziel dieser Ausarbeitung und würde deren Rahmen bei weitem sprengen. Hierfür sei auf die einschlägige Literatur verwiesen, z. B. [ 4, 9, 11] und im Internet [3].