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Nährstoffbilanzen aquatischer Lebensgemeinschaften Ökologie VO 831.330 Otto Moog, Inst. Hydrobiologie & Gewässermanagement.

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1 Nährstoffbilanzen aquatischer Lebensgemeinschaften Ökologie VO Otto Moog, Inst. Hydrobiologie & Gewässermanagement

2 Inhalt Wasserkreislauf, Wasserbilanzen Nährstoffbilanzen Gewässertypen Nährstoffe Phosphor Bedeutung des Phosphors für Organismen Phosphorkreislauf (See-Fließgewässer-Meer) Problemstoff Phosphor, Eutrophie Klassifikation von Gewässern auf Basis der P-Konzentration Beispiele für Nährstoffbilanzen Wasserwirtschaftliche Schlüsse

3 Kenntnis des Wasserkreislaufes in Österreich Seit 1893 erhebt der Hydrographische Dienst in Österreich die quantitativen Komponenten des Wasserkreislaufes in Österreich.

4 Hydrographische Dienst betreibt ein Basisnetz zur Beobachtung der wesentlichsten Komponenten des Wasserkreislaufes. – Hydrographisches Zentralbüro: Abteilung VII/3 – Wasserhaushalt im Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt & Wasserwirtschaft (BMLFUW) 1030 Wien Marxergasse 2 § 55k Abs.2 WRG 2003: es ist eine Aufgabe des BMLFUW diese Daten zu sammeln und in geeigneter Form, insbesondere als Berichte oder im Internet zu veröffentlichen

5 Wasserbilanz Niederschlag Verdunstung Zu- und Abfluss (Wasserstand und Abfluss, Flüsse, Seen, Grundwasser und Quellen) Luft- und Wassertemperatur, gesamte Fläche des österreichischen Bundesgebietes ( km²) Hauptkomponenten zur Erstellung der Wasserbilanz

6 Wasserbilanz (Niederschlagshöhe) Die Mittelwerte über 30 Jahre betragen – für den Jahresniederschlag 1170 mm, – für den Abfluss 654 mm – für die jährliche Verdunstung 516 mm. – Zufluss vom umliegenden Ausland 340 mm –Gesamtabfluss aus Österreich von ca mm pro Jahr.

7 Wassermenge gesamtes Bundesgebiet: 98 Mrd. m³ in den Oberflächengewässern fließen: 55 Mrd. m³ durch Verdunstung gehen verloren: 43 Mrd. m³ mittlerer Zufluss aus dem Ausland: 29 Mrd. m³ Das jährliche gesamt nutzbare Wasserdargebot durch Niederschläge und Zuflüsse (minus Verdunstung) beträgt somit rund 84 Mrd. m³ Wasserbilanz (volumetrisch)

8 Wasserverbrauch Österreich von den 84 Mrd. m 3 werden 2,6 Mrd. m 3 direkt genutzt (ohne Fluss-Kraftwerke und Kühlwasserbedarf der Wärmekraftwerke) entspricht 3 % bzw. einem Niederschlag von 30 mm pro Jahr abwasserbürtige Nährstoffeinträge über einen kleinen Teil der Gesamtwassermenge eingebracht

9 Wasserverbrauch/Dargebot Europa In Europa werden im Mittel 13 % des Wasserdarbotes genutzt, in Deutschland 28 % in Italien 32 %

10 gesamter Wasserdurchsatz für die Stromproduktion aus Wasserkraft beträgt ca. 840 Mrd. m 3 und entspricht etwa dem 15-fachen des jährlichen oberirdischen Abflusses aus Österreich. jeder Liter Wasser, der Österreich über die Flüsse verlässt, zuvor 15 mal durch eine Wasserturbine abgearbeitet wird.

11 Schätzungsweise 30 Mrd. m 3 Wasser gelangen über Versickerung ins Grundwasser und erhalten so die Grundwasserreserven Grundwasser – Neubildung Verdünnung von Schadstoffen; z.B. Nitrit Wasserbilanz (Grundwasser)

12 Grundwasserneubildung ist nur dann ausgewogen, wenn das System der Wasserspeicherung an der Oberfläche funktioniert

13 In Niederösterreich in den vergangenen 140 Jahren über Hektar Feuchtgebiete trockengelegt

14 In Österreich Seit 1945 etwa Hektar Überschwemmungsflächen und Flusskilometer durch Regulierungen verloren

15 Unterschied terrestrischer und aquatischer Nährstoffbilanzen aquatische Systeme erhalten den Großteil ihrer Nährstoffe durch Zuflüsse Systeme mit und ohne Abfluss

16 Worin unterscheiden sich Fließgewässer von anderen limnischen Systemen? langgestreckte Form gerichtete Bewegung –Strömung –Turbulenz –Mischung –rasche Erneuerungszeit Verzahnung mit dem Umland

17 Grundwasser Frei bewegliches Wasser, welches die Hohlräume im Untergrund zusammenhängend ausfüllt (Kummert & Stumm, 1988) Neu-Bildung: –versickernde Niederschläge oder Schmelzwässer –Versickerungen von oberirdischen Gewässern Hohe Konstanz der Umweltbedingungen

18 Hohe Konstanz der Umweltbedingungen im Grundwasser Strömung laminar Strömungsgeschwindigkeit langsam Temperatur sehr konstant (max. + / - 2 °C) Licht kein Steuerfaktor Sauerstoff, Nährstoffe etc. schwanken nur wenig im Jahresverlauf

19 Grundwasserfauna Keine bis wenig Pigmente Augen teilweise reduziert Tastorgane stark entwickelt tw. dünn, langestreckt keine jahreszeitlichen Aktivitäts- und Fortpflanzungsrhythmen

20 C:H:O:N:P - Verhältnis Das Pflanzenwachstum eines Gewässers wird begrenzt durch die relativen Anteile der Elemente der Biomasse im Wasser. Die Verhältnisse der Atommassen sind C:H:O:N:P = 106:180:44:16:1 N:P = 16:1 Im aquatischen Bereich ist der Phosphor häufig der Minimumfaktor Ausnahme Silizium

21 Liebigs Gesetz vom Minimum, 1855 Der Faktor, der im Minimum vorhanden ist, begrenzt das Wachstum. Wenn ein Wachstumsfaktor fehlt, wird auch eine optimale Versorgung mit allen anderen Faktoren nicht das gewünschte Wuchsergebnis erbringen.

22 Anschaulich wird das Gesetz vom Minimum durch das Bild einer Tonne, bei der eine Planke kürzer ist als die anderen. Man kann noch so viel Wasser in diese Tonne gießen, es wird immer nur so hoch stehen, wie die niedrigste Planke es erlaubt.

23 N:P-Verhältnis in der Realität Das theoretische Verhältnis von Stickstoff- zu Phosphorbedarf Protoplasma einer Zelle beträgt 16:1 ökophysiologische Untersuchungen zeigen, dass die optimalen N:P - Verhältnisse artspezifisch verschieden und daher von erheblicher Bedeutung für die Konkurrenzfähigkeit der Wasserpflanzen sind.

24 Phosphor - ein Schlüsselelement lebender Organismen Phosphor ist ein für alle Lebensvorgänge in der Biosphäre unersetzliches Element.

25 Phosphor Hennig Brand entdeckte 1669 den Phosphor, als er auf der Suche nach dem Stein der Weisen eingedampften Harn stark erhitzte Phosphoros = Lichtträger.

26 Phosphor Phosphor ist das wichtigste wachstumslimitierende Element des Ökosystems. In den Kreislauf wird Phosphor in Form des Phosphat-Ions (PO4 3- ) gebracht. Herkunft der Phosphate –Auswaschung aus dem Muttergestein –bergmännisch abgebaut –organische Phosphorquellen (Guano)

27 Phosphorvorkommen Die Hauptvorkommen liegen in –Peru –Marokko –USA –SU Die Welt-Rohphosphatförderung liegt bei etwa 170 Mill. t/a Österreich: ehemals Guanoabbau (Fledermauskot) in der Drachenhöhle bei Mixnitz

28 Bedeutung des Phosphors für Organismen Phosphate spielen eine wichtige Rolle in der Biochemie. Biochemie beteiligt am Aufbau biologisch höchst bedeutsamer Moleküle, etwa der Desoxyribonukleinsäure (DNA) und des Adenosintriphosphats (ATP). Desoxyribonukleinsäure Adenosintriphosphats ATP: chemischer Energie-Speicher Für alle chemischen Prozesse, die den Stoffwechsel von Pflanzen und Tieren bewirken, wird Energie benötigt.

29 Bedeutung des Phosphors für Organismen Pflanzen nehmen den Phosphor vor allem als primäres Phosphat (HPO4 2- Hydrogenphosphat, H 2 PO 4 -, Dihydrogenphosphat) auf.Phosphat Die heterotrophen Lebewesen nehmen das pflanzliche Phosphat mit der Nahrung auf. Sie benötigen es z.B. für den Energiestoffwechsel und als Calciumphosphat für den Knochenaufbau.heterotrophen Beim mikrobiellen Abbau organischer Reststoffe (Pflanzenreste, Exkremente von Tieren und Kadaver) wird der Phospor zu pflanzenverfügbaren Phosphaten umgewandelt

30 Phosphorkreislauf Der Phosphorkreislauf ist ein Zusammenspiel zwischen den Umwandlungen von Phosphat und Phosphor. In Organismen liegt mehr als die Hälfte des Phosphors in Phosphatform vor, der Rest in anorganischen Molekülen oder in organischen Verbindungen

31 Phosphorkreislauf Phosphor wird in Form des Phosphat-Ions in den Kreislauf gebracht Pflanzen nehmen Phosphat auf, und geben Phosphor an den Boden ab, wo dieses durch Bakterien wieder zu Phosphaten umgewandelt wird. Durch Auswaschung gelangt das Phosphat über Flüsse und das Grundwasser in Seen und Meere (aus natürlichen, unbehandelten Böden gelangen Phosphate kaum zum Abfluss). Im Seen und Meeren werden die Phosphate von Phytoplankton verstoffwechselt, und Phosphor und Phosphate an das Wasser (bzw. an das Zooplankton) abgegeben. Fische sind in den Kreislauf mit eingebunden, da diese das Zooplankton aufnehmen. Der Kreislauf wird durch die Entnahme von See- oder Meereslebewesen wieder geschlossen.

32 Phosphorkreislauf Partikulärer und 20%

33 Freisetzung des P aus den See- Sedimenten Aerobe Bedingungen –Adsorption an Sedimentteilchen –Absorbtion an Eisenhydroxid Fe(OOH) + H 2 PO 4 Fe(O-HPO 4 ) + OH - ergibt: Eisen(III)Hydroxophosphat unlöslich bei aeroben Bedingungen –Rücklösung bei Sauerstoffschwund Reduktion von Eisen (III) zu Eisen (II)

34 Nutrient Spiralling Concept The nutrient (resource)-spirraling concept states that resources do not flow continuously downstream but are stored periodically in biological packages.

35 Debris dams

36 Problemstoff Phosphat In natürlichen Ökosystemen erfolgt die Nachlieferung von Phosphor in die Biosphäre im wesentlichen im Zuge der Verwitterung von phosphathaltigen Gesteinen. Da diese Nachlieferung in nur sehr eingeschränktem Umfang erfolgt, stellt das natürliche Phosphat-Angebot oft den begrenzenden Faktor für das Pflanzenwachstum in Gewässern dar.

37 Problemstoff Phosphor Der für alle Lebewesen unersetzliche Phosphor wird zum Problemstoff, wenn er als Phosphat in die Ökosysteme in so großen Mengen eingetragen wird, dass es den "eingespielten" Kreislauf des Phosphors empfindlich stört.

38 Eutrophie ein vollkommen natürlicher Vorgang kann allerdings durch menschliche Einflüsse dramatisch verstärkt werden

39 Eutrophie Die Symptome einer eutrophen Phase sind auch für den Laien leicht erkennbar. –Das Gewässer macht drastische Veränderungen durch –die ökologische Balance zwischen Produzenten, Konsumenten und Destruenten ist erheblich gestört bzw. bricht vollkommen zusammen

40 Wenn das Wasser "umkippt" Unter Eutrophierung versteht man Überdüngung –übermäßige Belastung von Gewässern mit Pflanzennährstoffen und –die daraus resultierende Verschlechterung der Wasserqualität Große Mengen an Nährstoffen verursachen –starke Vermehrung von Algen und anderen Wasserpflanzen –abgestorbene Pflanzen sinken auf den Boden und werden dort von Bakterien unter Sauerstoffverbrauch abgebaut –Dadurch wird der biologische Abbau der organischen Abfälle verändert

41 Wenn das Wasser "umkippt" Der normale Abbau mit Hilfe von Sauerstoff ist nicht mehr möglich anaerob arbeitende Bakterien werden tätig, Fäulnisprozesse gewinnen die Oberhand und verwandeln den Boden des Gewässers in einen übel riechendes Lebensraum –Schuld an diesem Geruch ist vor allem das giftige Schwefelwasserstoffgas, das neben Methan bei solchen Fäulnisprozessen gebildet wird im Extremfall wird der Sauerstoff vollständig verbraucht dadurch wird Fischen und anderen Wassertieren die Lebensgrundlage entzogen. Das Gewässer "kippt um", wird zum toten Gewässer

42 Wasserwirtschaftliche Aspekte Klassifikation von Gewässern auf Basis der P-Konzentraion TROPHISCHE Einstufung von Gewässern

43 Ultra-Oligotroph Oligotroph Mesotroph Eutroph Hypertroph

44 Chemische Güteeinstufung von Fließgewässern Gesamtphosphor (µg/l)

45

46 Klassifikation von Still-Gewässern auf Basis der P-Konzentraion P total (µg/l) oligotrophmesotropheutroph Mittelwert8,026,784,4 Mittelwert +/- SD 4,85-13,314,5-49,038,0-189

47 Phosphat-Bilanz für Westdeutschland (1989) Phosphoreintragt% 1. Diffuse Quellen Natürliche Grundfracht1500 nicht kanalisierte Abwässer2000 Landwirtschaft30000 sonstiges Abwässer Kommunale Abwässer davon industrielle Indirekteinleitergering davon aus Wasch- und Reinigungsmitteln < Regenwasserbehandlung Industrielle Direkteinleitung50007 Gesamtbetrag

48 Vor Jahren hätte die Bilanz noch ganz anders ausgesehen Allein der Beitrag aus Waschmitteln betrug t Phosphor in der Form von Phosphaten, und überstieg damit die heute anfallende Menge um etwa das Vierfache.

49 Phosphat-Bilanz für Westdeutschland (1989) Phosphoreintragt% 1. Diffuse Quellen Natürliche Grundfracht1500 nicht kanalisierte Abwässer2000 Landwirtschaft30000 sonstiges Abwässer Kommunale Abwässer davon industrielle Indirekteinleitergering davon aus Wasch- und Reinigungsmitteln < Regenwasserbehandlung Industrielle Direkteinleitung50007 Gesamtbetrag Vor 1975Waschmittel

50 Waschmittel Waschmittel enthielten früher Phosphate, weil –Enthärtung des Wassers erreicht werden konnte –in weichem Wasser die Waschwirkung viel besser ist Phosphate binden die Ca- und Mg-Ionen (Härtebildner ) und verhindern Kalkablagerungen auf Wäsche und Heizstäben verstärken die schmutzablösende Kraft der Tenside (halten den vom Gewebe abgelösten Schmutz in der Schwebe, so dass er sich nicht wieder auf der Faser ablagern kann).

51 Phosphorersatzstoffe Zeolith A; Natriumaluminiumsilikat (Handelsname SASIL) Ein Kristall mit speziellem Atomgerüst auf Ionenfang

52 Beispiele von Nährstoffbilanzen

53 Grundfrachten des Nährstoffaustrages Beispiele aus dem Attersee-Einzugsgebiet Kalk: 5 mg P total /m 3 Flysch/Sandstein20 mg P total /m 3

54 Landwirtschaftliche Nutzung und Phosphoraustrag im Attersee EZG

55 Nährstoffbilanzen Berechnung/Prognose Austragskoeffizienten –Grundlast –Gebietsnutzung –GVE –EWG Messungen –Zubringer –See(Ausrinn)

56 Phosphorausträge aus kommunalem Bereich (Attersee) 9213 ständige Einwohne a 3* ) g P/d minus 54% ARA 4170 kg P/Jahr Übernachtungen minus ARA 999 kg P/Jahr 5000 Zweitwohnsitze minus ARA 180 kg P/Jahr Summe kommunale Einträge 5349 kg P/Jahr *) heute 1,6 g P/d

57 P-Eintrag durch Niederschläge auf die Seefläche Messungen im Salzkammergut Konzentration –1981: 22 µg/l –1982: 24 µg/l Summe Seefläche: 1470 kg P/Jahr Fracht: 32 kg/m 2 /Jahr Literatur (Reckhow et al. 1980): –Über Waldgebieten: 27 kg/m 2 /Jahr –Über LW Gebiete:45 kg/m 2 /Jahr

58 P-Einträge aus dem Einzugsgebiet Austragskoeffizienten Grünland:0,3 kg/ha/Jahr Ackerland:0,7 kg/ha/Jahr Wald, Ödland:0,01 kg/ha/Jahr Versiegelte Fl.:1,0 kg/ha/Jahr Beispiel Attersee mit 2546 ha Grünland, 647 ha Ackerflächen ha Wald

59 P-Einträge aus dem Einzugsgebiet Grünland:764 kg P/Jahr Ackerland:453 kg P/Jahr Wald, Ödland:127 kg P/Jahr Versiegelte Fl.:241 kg P/Jahr Summe: 1585 kg P/Jahr Beispiel Attersee mit 2546 ha Grünland, 647 ha Ackerflächen ha Wald

60 P-Einträge aus dem Badebetrieb 0,1 g Totalphospor pro Badegast Attersee: 100 kg P total pro Jahr

61 Berechnete Phosphorbelastung Attersee 1981 (kg P total /Jahr) Abwässer kommunaler Bereich Badegäste Austrag Land- & Forstwirtschaft Austrag versiegelte Fläche Niederschlag auf Seeoberfläche SUMME

62 Gemessene Phosphorbelastung (kg P total /Jahr) Parschallenbach Dexelbach Nußdorferbach Mühlbach Hainingerbach Weyreggerbach Alexenauerbach Kienbach Steinbach Weißenbach Loidlbach Burggrabenbach Stockwinkelbach Restfläche Regen SUMME

63 Berechnete Phosphorbelastung Attersee 1981 (kg P total /Jahr) Abwässer kommunaler Bereich Badegäste Austrag Land- & Forstwirtschaft Austrag versiegelte Fläche Niederschlag auf Seeoberfläche SUMME berechnet SUMME gemessen

64 Nährstoffbelastungs - Konzept in Seen Black-box-Modell: ignoriert Verknüpfungen interner See-Mechanismen Belastung Konzentration Produktion Elimination durch Stoffverlust Seeausrinn Gewässersediment


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