© 1994, All rights reserved. Published in: Altner, G., Mettler-Meibom, B., Simonis, U.E., von Weizsäcker, E.U. (Hg.): Jahrbuch Ökologie 1995, 129-138. - München

Wasserhaushalt und Basenverluste aus der Landschaft:
Ein zentrales ökologisches Problem

Wilhelm Ripl, Christian Hildmann

Wie funktioniert und entwickelt sich das Wirkungsgefüge der Landschaft? Eine Antwort auf diese Fragen versucht das Energie-Transport-Reaktionsmodell (ETR-Modell, RIPL 1992) zu geben. Das ETR-Modell ist ein auf den Wasserhaushalt und Energieumsatz reduziertes, konzeptionelles Denkmodell, das alle wesentlichen Prozesse in Raum und Zeit betrachtet. Die Herangehensweise ist deduktiv (vom Allgemeinen zum Speziellen) und heuristisch (Stützung des Modells durch räumlich und zeitlich verteilte Erfahrung).

Das ETR-Modell - Allgemeine Beschreibung

Energie treibt alle Prozesse; das Medium Wasser verteilt die Potentiale, trägt Transporte und reagiert in Organismen und Landschaft (deshalb ETR-Modell). Jedes Ökosystem lebt vom täglichen Energiepuls der Sonne, der jahreszeitlich moduliert ist. Der Energiepuls wird vom Ökosystem bzw. der Vegetation genutzt und auf eine mittlere Temperatur ausgeglichen. Die Vegetation verdunstet dabei Wasser, transportiert es und betreibt ihren Stoffwechsel (z.B. Assimilation). Ohne Temperaturausgleich mittels Wasser ist die Vegetation der Sonne ausgeliefert. Das Wasser benötigt zur Verdunstung viel Energie und kühlt so das Ökosystem. Nachts kondensiert das Wasser wieder und erwärmt damit die Umgebung. Wasserkreislauf und Vegetation gleichen Temperaturextreme aus und machen die Erde bewohnbar. Ökologische Strukturen gleichen den Energiefluß aus und erhalten Stoffflüsse aufrecht; sie sind dissipative Strukturen (im Sinne PRIGOGINES 1988).

Zönosen (ökologische Lebensgemeinschaften) und Ökosysteme in der Landschaft kühlen unterschiedlich effizient; ein Acker erwärmt sich im Sommer deutlich stärker als ein Buchenwald (MÜTTRICH 1890). Ökologische Strukturen können relativ zueinander verglichen werden: den besten energetischen Wirkungsgrad besitzt diejenige Zönose (bzw. das Ökosystem), die unter Erhalt der Ressourcen des Standortes den Energiepuls am besten dämpft.

Abb. 1: Prozessoreigenschaften des Wassers.

Eng mit der Energetik von Ökosystemen verknüpft sind die Stoffflüsse. Der Wasserkreislauf (Verdunstung, Kondensation) und der biologische Prozeß (Photosynthese, Respiration) sind weitgehend geschlossene, dissipative Kreisprozesse (vgl. Abb. 1). Wenn Wasser nicht über die Verdunstung in die Atmosphäre, sondern durch Versickerung im Boden transportiert wird, treten chemische Lösungs- und Fällungsreaktionen auf, die mit dem Wasser zu gerichteten Stofftransporten führen. Erreichen diese Stoffe das Meer, sind sie für Landschaft und Vegetation verloren (Verlustprozeß). "Reife" Ökosysteme mit hoher Verdunstung und Kondensation minimieren den Verlustanteil; in ihnen werden Stoffe ortsgebunden im Kreis geführt: die von Pflanzen und Tieren aufgebaute Biomasse wird allmählich zu toter organischer Substanz. Diese wird von Pilzen und Bakterien unter wechselfeuchten Bedingungen mineralisiert und damit den Pflanzen wieder zur Verfügung gestellt. Dieser Kreislauf ist in bewirtschafteten und in ihrem Wasserhaushalt gestörten Biotopen nicht geschlossen. Mit dem Niederschlag werden Nährstoffe und Basen in die Oberflächengewässer ausgewaschen. Bewirtschaftende Eingriffe wie z.B. Drainage führen zu übermäßiger (nicht mehr von der Zönose gesteuerter) Mineralisation organischer Substanz, zur Bildung starker Säuren wie Schwefel- und Salpetersäure und zu Basenverlusten. Die Bilanz ist erschreckend: im Durchschnitt gehen heute etwa 1 t Basen und Nährstoffe pro Hektar und Jahr (entspricht 20 kmol Protonen/(ha*a)) unwiederbringlich verloren - Verluste, die zur Verarmung der Ökosysteme führen. Stoffverluste können, zusammen mit dem Vorrat des Systems, als objektives Maß für die Nachhaltigkeit dienen.

Nachhaltigkeit und energetischer Wirkungsgrad sind bei einer sinnvollen räumlichen und zeitlichen Systemabgrenzung synonym - zwei verschiedene Meßmethoden, die die gleiche Meßgröße zum Ziel haben. Kann sich ein Ökosystem ungestört entwickeln (Sukzession), so strebt es im begrenzten Raum immer größere Nachhaltigkeit und einen höheren Wirkungsgrad an (Selbstorganisation). Dabei spielt der Wasserhaushalt in seiner Verteilung die entscheidende Rolle. Das "reife" Ökosystem zeichnet sich durch wasserspeichernde Strukturen aus, um über die Verdunstung ganzjährig die Kühlung des Ökosystems zu ermöglichen. Ein Beispiel dafür ist die mächtige Streuschicht in einem naturnahen Buchenwald. Durch die zunehmende oberflächliche Abdichtung (LORENZ 1878) werden die verlustbehafteten Bodenwasserströme minimiert. Die Speicherung des Wassers in der Streuschicht (EBERMAYER 1876) gibt nun der Vegetation die Möglichkeit, über die Verdunstung die Mineralisierungsprozesse zu steuern. Die Mineralisierung findet dann vor allem während wechselfeuchter Phasen, die durch die tägliche Verdunstung an den Wurzeln hervorgerufen werden, statt; ist es zu naß oder zu trocken, ist der Mineralisierungsprozeß gehemmt.

Historische Analyse.

Nach der Eiszeit lag der Boden in weiten Teilen der Landschaft offen und war erst mit einer spärlichen Vegetation bedeckt. Der Niederschlag löste nicht nur Basen und Nährstoffe in der Landschaft, sondern verlagerte auch feine Bodenpartikel: der Wasserfluß "sortierte" dynamisch die Landschaft. Im Boden bildeten sich Stauschichten wie z.B. Gleye oder Pseudogleye; in den Auen lagerten sich Lehme und Tone ab. Es ergaben sich Strukturen, die das Wasser länger hielten und Ausgangspunkte für einen dichteren Bewuchs waren. Die flächige Ausbreitung der Vegetation verringerte die Stoffverluste, Stoffverlagerungen wurden durch Verdunstung, Stauschichten, durch Laubstreu und Moore gebremst. Pflanzen- und Tierarten vergesellschafteten sich. Die Arten und die Zönosen setzten sich durch, die in ihrer Kopplung ihren Standort nachhaltiger, d.h. verlustärmer und damit dauerhafter (stabiler), bewirtschafteten (Selektionskriterium) und einen höheren energetischen Wirkungsgrad aufwiesen. Durch diese Optimierung waren die Stoffverluste nur noch gering. Sie stiegen erst wieder an, als der Mensch begann, die Landschaft auf zunehmender Fläche intensiver zu nutzen. Im 18. Jh. war in Mitteleuropa der Wald überwiegend gerodet. Mit der Rodung des Waldes gingen enorme Stoffverluste einher. Viele Feuchtgebiete, Gewässer und Moore fingen einen Teil der Stoffverluste auf. In den Sedimenten am Grund der Seen kann anhand der jährlich abgelagerten Menge und der stofflichen Zusammensetzung die Geschichte der Landschaft nachvollzogen werden (DIGERFELDT 1972).

Abb. 2: Vorrat und Verlust an Basen und Nährstoffen als Folge der Landschaftsentwicklung. Nach der Eiszeit (Phase 1) gehen die Verluste durch die sich schließende Vegetation zurück und bleiben bis zum verstärkten Eingriff des Menschen gering (Phase 3). Durch die massive Störung des Wasserhaushaltes sind die Stoffverluste heute stark erhöht (Phase 4). Mit abnehmendem Vorrat kommt es phasenweise zur Versauerung der Ökosysteme und zum Ausfall der Vegetation (Phase 5).

Mit dem Einsatz zusätzlicher Energie (Kohle, Erdöl, Gas) seit etwa 1800 wurden die ursprünglichen Transportbeschränkungen des Gesellschaftssystems aufgehoben. Siedlungen konnten sich ungehemmt ausdehnen. Viele Gewässer wurden durch die zunehmenden Stoffflüsse in ihren Prozessen gestört und verlandeten. Feuchtgebiete und Moore wurden entwässert und mineralisiert. Die gelösten Basen und Nährstoffe wurden und werden noch immer, solange der Vorrat reicht, in Seen, Flüsse und das Meer ausgewaschen. Heute stehen durch diese Stofftransporte stellenweise so viele Nährstoffe zur Verfügung, daß die Zönosen nicht mehr in der Lage sind, die Konzentration der Nährstoffe an ihrem Standort zu regeln. In dieser Übergangsphase ist das System eutroph ("nährstoffreich", z.B. eine nitrophile Hochstaudenflur). Hängt dagegen die Nährstoffkonzentration von der Zönose ab, ist das System oligotroph ("nährstoffarm") und damit beständiger (z.B. ein Hochmoor). Stoffverluste sind durch den der Vegetation zugänglichen Vorrat im Boden begrenzt. Sind die Basen als Puffer für die bei der Mineralisation entstehenden Säuren verbraucht, kommt es bei einer positiven Nettoproduktion für kurze Zeit bis zum Ausfall der Vegetation zur Versauerung. Die Versauerung der Waldböden ist deshalb zu einem großen Teil, wie sich anhand der Protonenbilanz nachweisen läßt, auf die fortgesetzten Stoffausträge zurückzuführen. Diese führen bereits mittelfristig zum Vegetationsausfall, zur Versteppung und Verödung großer Landschaftsteile - historische Beispiele sind die südwestspanische Estramadura oder Karthago, die einstige Kornkammer Roms.

Die Geschichte der Stoffverluste ist untrennbar mit der Klimaveränderung verbunden. Mit den großen Rodungen und mit der Zerstörung der Feuchtgebiete gingen großflächige Kühlstrukturen verloren; athmosphärische Transporte wurden großräumiger und das Klima unausgeglichener. Die noch fortschreitende Austrocknung der Landschaft durch Drainagen, zufällige Flächennutzung und Grundwasserförderung macht sich auch in den Niederschlagsmustern bemerkbar. So gingen die Niederschläge im Juli bzw. August zurück (Beispiele aus Berlin, der Mecklenburger Seenplatte und Schleswig-Holstein), gerade in der Zeit also, in der die Kühlung am wichtigsten ist.

Räumliche Analyse

Stoffverluste der Landschaft im Zusammenhang mit der Klimaveränderung als Folge einer nicht angepaßten Bewirtschaftung sind bis heute wenig bekannt. Mit ein Grund dafür ist die starke Sektorisierung und Ineffizienz der Wissenschaft und der Gesellschaft.

Im Rahmen eines vom BMFT geförderten Foschungsprojektes zur Sanierung kleiner Fließgewässer wird von uns versucht, im Einzugsgebiet der Stör (Schleswig-Holstein) eine zeiträumliche Analyse und Planung durchzuführen. In dem etwa 1000 km² umfassenden Einzugsgebiet sind alle Stofftransporte mit dem Wasser auf dessen Abfluß ausgerichtet (sinnvolle Systemabgrenzung). Stoffverluste können mit den Abflüssen und chemischen Konzentrationen bilanziert werden. Teileinzugsgebiete können anhand ihrer Stoffverluste und zusammen mit weiteren Parametern (z.B. Flächennutzung, Fließgewässerlänge, Hangneigung) relativ bewertet werden (Regionalstudie). Die gemessenen Stoffverluste schwanken zwischen 900 und 1500 kg/(ha*a) (ohne NaCl-Anteil). Der Anteil des ausgewaschenen Stickstoffs und Phosphats, denen in vielen Untersuchungen große Aufmerksamkeit geschenkt wird, ist sehr gering (Gesamt-N 20 kg/(ha*a), P 0,5 kg/(ha*a)). Auch der Einfluß direkter Einleitungen, z.B. durch Kläranlagen, ist im Vergleich zum Gesamtstoffaustrag gering.

Neben den Stoffverlusten wird auch der Energieumsatz in seiner räumlichen Verteilung mittels der Oberflächentemperatur aus Satellitenbildern betrachtet. Darin lassen sich zeitabhängig wärmere Siedlungs- und Landwirtschaftsflächen deutlich von besser gekühltem Wald und Feuchtgebieten unterscheiden.

Hohe Stoffausträge sind nicht auf einzelne Teilbereiche der Stör beschränkt. Die gelösten Stofffrachten in Flüssen wie z.B. der Havel oder dem Rhein ergeben ein ähnlich erschreckendes Bild. Die unterschiedliche Geologie, Geomorphologie etc. macht sich dabei als räumliche Varianz in den Flußeinzugsgebieten bemerkbar. Gleichwohl sind Gebiete mit nur noch geringen Vorräten, wie die brandenburgische "Streusandbüchse" oder die Kuppen von Mittelgebirgen, akuter gefährdet als solche mit großen Vorräten wie die Kalkalpen.

Auch in Städten wie Berlin stammt der überwiegende Anteil der Stoffverluste aus der Fläche und nicht aus den Abwassereinleitungen.

Lösungsansätze

Die Nachhaltigkeit der Landschaft wird heute am stärksten durch die nettoproduktionsorientierte Bewirtschaftung der Fläche in Land- und Forstwirtschaft ohne Stoffrückführung eingeschränkt. Die Landschaft muß restrukturiert werden, so daß durch die Kopplung von wasserhaushaltsbasierten Prozessen und die raumzeitliche Vernetzung der Strukturen die irreversiblen Stofftransporte minimiert werden. Die Planung kann dabei nicht an administrativen Grenzen enden, sondern sollte einzugsgebietsweise durchgeführt werden. Für das Gebiet der Stör werden u.a. folgende Maßnahmen diskutiert, die auch andernorts verwirklicht werden könnten.

Schlußfolgerungen

Aus dem oben Gesagtem ergibt sich, daß grundsätzliche Veränderungen im gesellschaftlichen Denkprozeß notwendig sind. Die Gesellschaft muß sich überlegen, wie sie nachhaltig wirtschaften und so eine lebensfähige Umwelt für kommende Generationen hinterlassen kann (sustainable development). Eine langfristige Weiterführung des heutigen Bewirtschaftungsmodells ist jedenfalls eine Utopie, mit der Konsequenz der Versteppung und Verödung der Landschaft, Hochwässern und Trokkenperioden, ausgelösten Bevölkerungswanderungen und letztlich Krieg um den letzten Lebensraum.

Im praktischen Sinne erfordert eine nachhaltige Bewirtschaftung zuerst und vor allem eine drastische Senkung der Stoffverluste. Dies kann nur über einen verlustarmen Wasserhaushalt in der Landschaft geschehen. Dazu ist die Vegetation mehrfach zu nutzen. Eine intelligente, d.h. räumlich und zeitlich angepaßte, Bewirtschaftung erfordert u.a. neue Ansätze in Land- und Forstwirtschaft. Durch eine allgemeine Besteuerung der Energie werden Transporte teurer und vor Ort produzierte Nahrungsmittel preiswerter. Die Land- und Forstwirte sind darüber hinaus für die Bereitstellung sauberen Oberflächenwassers, für Trinkwasser und die nachhaltige Produktion von nachwachsenden Rohstoffen und Nahrungsmitteln marktgemäß zu bezahlen, wobei Menge und Güte gekoppelt betrachtet werden müssen. Schließlich gilt es die ineffiziente Arbeitsteilung der Gesellschaft, soweit sie Transporte betrifft, zu überwinden.

Literaturhinweise


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Stand: 15.11.1999