Doktorarbeit
Direkte Messung und Bewertung des nebelgebundenen Eintrags von Wasser und Spurenstoffen in ein montanes Waldökosystem
Thomas Wrzesinsky (01/1999-02/2004)
Betreuer: Otto Klemm
Zusammenfassung
Der nebelgebundene Eintrag von Wasser und Spurenstoffen kann in den Bergwäldern Mitteleuropas eine wichtige Rolle spielen. Die Quantifizierung dieses Eintrags stieß jedoch in der Vergangenheit auf messtechnische Grenzen. Nach der Entwicklung und Erprobung eines Systems aus einem Tropfenspektrometer zur schnellen Messung der Größenverteilung (40 Tropfengrößenklassen zwischen ø1,5 und 50 µm) im Nebel und einem Ultraschallanemometer zur Bestimmung des vertikalen Windes konnten an der Ökosystemmessstation „Waldstein“ von April 2001 bis März 2002 Messungen zur Nebelwasserdeposition durchgeführt werden. Zusätzlich wurden die Sichtweite und die chemische Zusammensetzung (pH, elektrische Leitfähigkeit, Na+, K+, NH4+, Mg2+, Ca2+, Cl–, NO3–, SO42– und PO43–) des Nebelwassers gemessen. Zur Sammlung von Nebelwasser wurde ein aktiver beheizbarer Nebelsammler entwickelt und parallel zu den Wasserflussmessungen eingesetzt. Die Proben wurden automatisch alle acht Stunden genommen. Die Sammelmengen betrugen im Median 249 ml und erlaubten die gewünschten chemischen Analysen. Im Untersuchungszeitraum waren 223 Nebeltage zu verzeichnen. Der Nebelanteil betrug 25,7 %.
Für die Qualitätskontrolle der gemessenen Flüsse wurden die Daten auf Stationarität und Turbulenz überprüft und der Datensatz entsprechend angepasst. Die Messung der Nebeldeposition im Untersuchungszeitraum ergab einen Eintrag von 108 kg ha–1 a–1 Wasser für die turbulente Deposition und 17 kg ha–1 a–1 für den Eintrag über Sedimentation. Der turbulente Eintrag dominiert also mit ca. 86 % die Nebeldeposition. Die Summe aus beiden Eintragsarten entspricht einem Nebelniederschlag von 125 mm p. a. Eine klare Saisonalität der Nebelwasserflüsse ist erkennbar. Die höchsten Nebelniederschläge sind im Spätherbst und im Winter zu verzeichnen, monatlich bis zu 24 mm (Januar) wurden gemessen. Die geringste Nebeldeposition wurde im August mit ca. 1 mm gemessen. Die ermittelten Tropfenspektren zeigen bei der Anzahlverteilung Maxima bei 2, 6 und 9 µm sowie ein Maximum von 12 µm in der Massenverteilung. Für die Massengrößenverteilung sind Verteilungen mit Maxima bei 9, 12 und 15 µm häufig. Die gemessenen Flüssigwassergehalte lagen bei einem Median von 156 mg m–3 und erreichten Maxima von 2639 mg m–3 (5-min-Mittel). Den größten Anteil am Fluss hatte die Größenklasse von 14,5 bis 15,5 µm Tropfendurchmesser. Tropfen kleiner 7 µm wurden effektiv emittiert, die größeren deponiert. Die im Untersuchungszeitraum gefallene Menge an Regen und Schnee beträgt 1414 mm. Der Anteil des Nebels am atmosphärischen Eintrag von Wasser beträgt demzufolge etwa 8 %.
Für insgesamt 253 Nebelereignisse wurden im Untersuchungszeitraum Proben gewonnen. Außerdem wurden zum Vergleich auf wöchentlicher Basis wet-only-Proben genommen. Die Konzentrationen in Nebel- und Regenwasser sind hoch variabel. Die Mediane liegen im Nebelwasser bei pH 4,14, 621 µeq l–1 für NH4+, 487 µeq l–1 für NO3– und 321 µeq l–1 für SO42–. Diese 3 Hauptionen machen ca. 87 % der Gesamtkonzentration aus. Die Konzentrationen im Nebelwasser sind deutlich gegenüber dem wet-only-Niederschlag erhöht. Die Anreicherungsfaktoren sind 18,1 (NH4+), 13,1 (NO3–) bzw. 11,5 (SO42–).
Der nebelgebundene Eintrag der wichtigsten Ionen wurde aus der Konzentration und dem Nebelwasserfluss errechnet. Die eingetragenen Mengen sind 9,8 kg ha–1 für NH4+ (7,9 kg ha–1 für wet-only), 27,9 kg ha–1 für NO3– (25,1) bzw. 14,0 kg ha–1 für SO42– (15,0). Die durch feuchte oder okkulte Deposition eingetragene Menge ist für diese Ionen also im gleichen Größenbereich wie die Menge aus Regen und Schnee. Der Stickstoffeintrag beträgt insgesamt 13,9 kg N ha–1 a–1 (11,8 für wet-only). Der im Unterschungszeitraum durch den Bestandesniederschlag gemessene Eintrag von Stickstoff liegt bei 23,3 kg N ha–1 a–1. Die Differenz aus Bestandesniederschlag einerseits und wet-only und Nebel andererseits liegt mit –0,9 kg N ha–1 a–1 nahe Null. Zusätzliche Einträge sind durch die trockene Deposition (z. B. durch partikuläres Nitrat und Salpetersäure) zu erwarten. Der Umsatz von Stoffen im Kronenraum spielt dann eine wichtige Rolle in der Schließung der Ökosystembilanz für die verschiedenen Stoffe.