Gewässer im Klimastress? Eutrophierungsgefahr in Seen am Beispiel
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Kapitel-13.qxd:Forum-22.qxd 24.11.2009 13:06 Uhr Seite 99 (Schwarz/Black Auszug) Forum der Forschung · Nr. 22 · Jahr 2009 · Seite 99-106 BTU Cottbus · Eigenverlag · ISSN-Nr. 0947-6989 Gewässer im Klimastress? Eutrophierungsgefahr in Seen am Beispiel der Scharmützelseeregion Brigitte Nixdorf, Jacqueline Rücker, Rainer Deneke, Björn Grüneberg Lehrstuhl Gewässerschutz Kurzfassung Abstract Klimatische Veränderungen können vielfältige ökologische Konsequenzen nach sich ziehen. Brandenburger Gewässer gehören aufgrund der prognostizierten Temperaturerhöhung und der geringeren Niederschläge bei gleichzeitig höherer Verdunstung und geringer Grundwasserneubildung zu den besonders gefährdeten Ökosystemen. This contribution focuses on the influence of Climatic Change (CC) on lakes in Brandenburg, a region with lowest precipitation and highest temperatures in Germany. The predicted annual increase in temperature and simultaneous decrease in precipitation in Brandenburg during summer within the next 50 years will result in higher evaporation and lower natural replenishment of groundwater. Therefore, lakes situated in this ecoregion are notably vulnerable. Am Beispiel der Seen im Scharmützelseegebiet wird gezeigt, dass trotz umfassender Sanierungsmaßnahmen im Einzugsgebiet seit Beginn der 1990er Jahre mehr als die Hälfte der 20 Seen nach EUWasserrahmenrichtlinie als Seen „at risk” eingestuft werden. Obwohl eine Verbesserung der Wasserqualität durch die Verringerung der Nährstofflasten zu beobachten ist, werden die meisten Seen mit hoher Wahrscheinlichkeit bis 2015 nicht den guten ökologischen Zustand erreichen. Als mögliche Ursache dafür werden die Folgen der globalen Klimaerwärmung angesehen, die dem Trend der Trophieminderung entgegenwirken. Dieses Risiko besteht besonders für die Flachseen der Region, weil a) Wassermengenprobleme aufgrund intensiverer Wasserstandsschwankungen durch geringen Gebietsabfluss in trockenen Sommern und geringere Grundwasserneubildung entstehen. Sehr flache Seen austrocknen und b) Wassergüteprobleme durch Blüten potenziell toxischer Cyanobakterien und Makrophytenmassenentwicklungen entstehen können. In tiefen Seen sind in diesem Zusammenhang die interne Nährstofffreisetzung und der Nährstoffeintrag über externe diffuse Quellen von Bedeutung. Um die Gefahren der globalen Klimaänderung für unsere Seen erkennen und ihnen begegnen zu können, wird eine Wirkungsmatrix entwickelt und am Beispiel der Seen der Scharmützelseeregion komplexe adaptive Maßnahmen zur Steuerung und Stabilisierung des Wasserhaushaltes vorgeschlagen, die zum Rückhalt des Wassers und der Nährstoffe im Einzugsgebiet beitragen können. Der LS Gewässerschutz wird im Rahmen des gerade angelaufenen BMBF-Verbundvorhaben „Innovationsnetzwerk Klimaanpassung Region Brandenburg Berlin (INKA-BB), TP 22: Nachhaltige Managementstrategien für glaziale Seen Brandenburgs im Klimawandel“ seine Forschungen auf diesem Gebiet intensivieren. The Scharmützelsee region in Brandenburg is rich in surface waters. Lake water quality has been improving continuously because the main point sources of nutrient input have drastically been reduced or even eliminated since 1990. Nevertheless, more than half of the 20 lakes in the catchment of the Scharmützelsee region are „at risk” and will not reach good ecological water quality according to the EU Water Framework Directive until 2015. The impact of Climate Change is considered as the reason for this failure since it counteracts the reduction of trophic state by load reduction. This risk is enhanced particularly for shallow lakes concerning a) water quantity via more intense water level fluctuations due to lower discharge in dry summers and b) water quality via the timing and intensity of (toxic) Cyanobacteria blooms, macrophyte mass developments and siltation, respectively. For deep lakes, internal loading and high diffuse nutrient imports are still of high or even growing importance. In order to understand and summarize how CC will increase the risk of eutrophication a scheme of CC impacts on lakes considering morphometry and catchment characteristics was developed. Using the example of vulnerable lakes in the Scharmützelsee region, complex and adaptive measures to stabilize the water budget in the catchment and to influence nutrients as well as water retention mechanisms in both the catchment and in the water bodies themselves are discussed. The Department of Freshwater Conservation of the BTU will intensify its research on this field in the framework of the recently started joint research project „Innovation network on climatic adaptation, region Brandenburg/Berlin” (INKA-BB) funded by the German Ministry of Science and Technology (BMBF), sub-project 22 „Strategies of sustainable management of glacial Brandenburg lakes under conditions of climatic change” in the next years. 99 Kapitel-13.qxd:Forum-22.qxd 24.11.2009 13:06 Uhr Seite 100 (Schwarz/Black Auszug) Gewässer im Klimastress? Eutrophierungsgefahr in Seen am Beispiel der Scharmützelseeregion Brigitte Nixdorf, Jacqueline Rücker, Rainer Deneke, Björn Grüneberg Lehrstuhl Gewässerschutz 1 Wasserwirtschaftliche Verhältnisse in Brandenburg und klimatische Veränderungen Brandenburg ist mit über 3 000 Seen und 33 000 km Fließgewässern das gewässerreichste Bundesland Deutschlands, trotzdem gilt es als „wasserarm“. Die Ursache für diese Diskrepanz ist zum einen in der Bodenbeschaffenheit (Sandböden), der geographischen Lage und dem angespannten Wasserhaushalt Brandenburgs zu suchen, der sich aus Jahresniederschlägen zwischen 500 und 760 mm ergibt, die zu den geringsten in Deutschland zählen. Zum anderen ist die Struktur der Gewässer und der Wasserhaushalt seit Jahrhunderten gestört worden mit entsprechenden negativen Folgen für den Wasserrückhalt in der Landschaft und den Verlust von wertvollen Feuchtgebieten. Somit gehört Brandenburg zu den trockensten Regionen Deutschlands und zeigte bereits in den letzten Jahrzehnten zunehmende Wasserprobleme infolge von klimatischen Veränderungen. Besonders die Sommerniederschläge nahmen im Zeitraum 1961-1998 um 12,8 mm deutlich ab, während die Winterniederschläge um 10,4 mm zunahmen. Die Temperaturen erhöhten sich in diesem Zeitraum merklich, im Winterhalbjahr um 1,6°C, im Sommerhalbjahr um 0,6 °C. Dadurch steigerte sich die Verdunstung während des gesamten Jahres (STOCK & LAHMER, 2004). Dieser Trend wird sich durch die prognostizierten regionalen Auswirkungen der globalen klimatischen Veränderungen noch verschärfen (Tab. 1). Ausgehend von den Prognosen des PIK (GERSTENGARBE et al., 2003) wird für Brandenburg eine Erhöhung der Durchschnittstemperatur von 2,0-2,3°C bis 2055 erwartet. Damit einhergehen werden heißere und trockenere Sommer mit einer Verdopplung der Sommertage über 25 bzw. 30°C sowie wärmere und feuchtere Winter mit weniger Frosttagen und kürzeren Eisbedeckungsperioden für unsere Seen. Als Folge wird sich die Verdunstung sowohl im Sommer als auch im Winter weiter erhöhen. Bereits heute übertrifft die mittlere jährliche potentielle Verdunstung den Niederschlag um 25 mm. Um 2050 wird die bislang schon negative klimatische Wasserbilanz bei prognostizierten jährlichen Niederschlägen von unter 450 mm zu einem Defizit von 124 mm führen. Eine Folge wird sein, dass die Sickerwasserbildung um die Hälfte zurückgehen wird und so die Grundwasserneubildung gefährdet ist. Höhere Verdunstungsraten werden die Wasserstände der Flüsse und Seen merklich sinken lassen und zu einer Austrocknung des Bodens führen. Trockenheit und Wassermangel werden folglich als die zentralen Risikofaktoren des globalen Klimawandels für die Region benannt. Das Absinken des Grundwasserspiegels, sinkende Wasserstände in Flüssen und Seen sowie Probleme bei der Wasserverfügbarkeit werden nicht ohne Folgen für die Entwicklung der Wasserqualität unserer Gewässer sein. Der Rückgang des Grundwasserspiegels lässt eine Konkurrenz um Wasserressourcen zwischen Naturräumen, Landwirtschaft, Energieerzeugung und urbanen Siedlungsgebieten erwarten und kann auch die Binnenschifffahrt gefährden. Tabelle 1: Meteorologische Parameter der Mittelwerte für die Lufttemperatur und die Sonnenscheindauer für die Periode 1951-2000 und 2046-2055 für Brandenburg (GERSTENGARBE et al., 2003). Mittelwerte Veränderung Meteorologische 1951- 2046- Zu-/Ab- 2000 2055 nahme um Tmax ≥ 30°C 6,9 17,3 +10,4 ↑↑ Sommertage Tmax ≥ 25°C 36,5 64,9 +28,4 ↑↑ Frosttage Tmin < 0°C 81,8 55,2 -26,6 ↓↓ Eistage Tmax < 0°C 22,2 11,2 -11,0 ↓↓ 73,6 66,9 -6,7 Parameter Trend Lufttemperatur Heiße Tage Sonnenscheintage Tage ohne Sonnenschein Tage mit Sonnenschein ≥ 90 Prozent 2 13,6 25,7 +12,1 ↓ ↑↑ Auswirkungen des Klimawandels auf Seen Klimatische Veränderungen wirken sich in vielfältiger und sehr komplexer Weise auf das Ökosystem See aus (BLENCKNER, 2004). In diesem Abschnitt werden die Auswirkungen der prognostizierten Temperaturerhöhung von 2,0-2,3°C sowie weiterer klimatischer und hydrologischer Veränderungen in den nächsten 50 Jahren für den Landschaftswasserhaushalt und die Gewässer in der Norddeutschen Tiefebene diskutiert. Die wesentlichen Einflüsse des Klimas und der Gegebenheiten im Einzugsgebiet sind in Abb. 1 in einer Wirkungsmatrix zusammengefasst. Aus Abb. 1 wird ersichtlich, wie stark die regionalen Klimaveränderungen im Zusammenwirken mit den Gegebenheiten im Einzugsgebiet die lokalen hydrologischen Verhältnisse (Wasserstand, Aufenthaltszeit, Durchmischungsregime) der Seen beeinflussen können und wie komplex diese Wirkungsmechanismen sind. Trotz der typspezifischen Unterschiede der Seen bezüglich Morphogenese, Sedimentbeschaffenheit, etc. werden Temperaturerhöhungen letztlich zu einer Steigerung der Trophie und einer Verstärkung der Dominanz der Cyanobakterien (Blaualgen) führen. Damit steigt auch das Risiko für die Gesundheit, das von Blaualgentoxinen in unseren Gewässern ausgeht. Als weitere Folge der Trophieerhöhung werden sich die anoxischen Bereiche in tiefen Seen räumlich und zeitlich vergrößern und in Flachseen in Folge von Sauerstoffmangel vermehrt Fischsterben auftreten. Die Auswirkungen der Klimaänderung sind in Tab. 2 für tiefe geschichtete und flache ungeschichtete Seen zusammengefasst. 100 Kapitel-13.qxd:Forum-22.qxd 24.11.2009 13:06 Uhr Seite 101 (Schwarz/Black Auszug) Gewässer im Klimastress? Eutrophierungsgefahr in Seen am Beispiel der Scharmützelseeregion Brigitte Nixdorf, Jacqueline Rücker, Rainer Deneke, Björn Grüneberg Lehrstuhl Gewässerschutz Abbildung 1: Wirkungsmatrix zur Beschreibung der Klimaeinflüsse im Einzugsgebiet und ihre Auswirkungen auf die Stoffumsetzungen und Güteparameter in den Seen. Tabelle 2: Effekte der Globalen Klimaerwärmung auf tiefe und flache Seen und ihre Folgen für Gewässergüte (Wertung: - negativ; + positiv). Effekte der globalen Erwärmung Höhere Temperaturen Geringerer Abfluss Höhere Verdunstung Auswirkungen auf geschichtete Seen Flachseen Folgen Trockene und warme Sommer Trophie ↑, algenbürtige Toxine ↑ Mehr Phytoplankton, vor allem Cyanobakterien Trophie ↑ Höhere P-Freisetzung aus Sedimenten Trophie ↑, Anoxie ↑ Verlängerung von Schichtungsphasen Trophie ↓ Erhöhung der Sedimentationsraten Sauerstoffschwankungen ↑, Anoxie ↑ Höhere Respirationsintensität Veränderung der Nahrungsnetzstruktur Konkurrenzvorteile von Neobiota mit unkalkulierbaren Folgen für das Ökosystem Trophie ↑ Nährstoffanreicherung Vergrößerung litoraler Zonen (tiefe Seen) Gefahr für litorale Gemeinschaften und Verlust ihrer Pufferwirkungen (Makrophyten, Makrozoobenthos) durch Austrocknung (flache Seen) Intensivere Wasserstandsschwankungen Höhere Wasseraufenthaltszeit, Verlandung im Uferbereich Extremereignisse Unterbrechung der (Stürme, Niederschläge, thermischen Schichtung, anhaltende Trockenheit) Erosion der Thermokline Höhere Temperaturen Verlandung, Austrocknung Resuspension ↑ Trophie ↑ Wasserspiegelschwankungen, Trübung ↑ (weniger Unterwasserlicht) Verlandung, Austrocknung Feuchtere und wärmere Winter Trophie ↑ (mehr Licht) Keine bzw. weniger Tage mit Eisbedeckung Trophie ↑ Früherer Start der (Diatomeen-) Frühjahrsblüte Trophie ↑, algenbürtige Toxine ↑ Konkurrenzvorteile für Cyanobakterien Trophie ↑ im Winter Bessere Ausnutzung der Trophie-Ressourcen im Winter Trophie ↓ im Sommer (?) 101 Wertung + -/+ - + + Kapitel-13.qxd:Forum-22.qxd 24.11.2009 13:06 Uhr Seite 102 (Schwarz/Black Auszug) Gewässer im Klimastress? Eutrophierungsgefahr in Seen am Beispiel der Scharmützelseeregion Brigitte Nixdorf, Jacqueline Rücker, Rainer Deneke, Björn Grüneberg Lehrstuhl Gewässerschutz Aus der vergleichenden Analyse geht hervor, dass eine Erwärmung der Wasserkörper im Sommer verbunden mit einer Verringerung der Wasserzufuhr durch geringere Niederschläge und höhere Verdunstung in den meisten Fällen zu einer Erhöhung des trophischen Zustandes führen wird. Diese und fast alle anderen Folgen der Klimaänderung werden sich nachteilig auf die Qualität unserer Standgewässer auswirken. Ob eine höhere Primärproduktion im Winter aufgrund der intensiveren Ressourcennutzung zu einer geringeren sommerlichen Trophieausprägung führt und damit indirekt einen positiven Effekt auf das Seeökosystem haben wird, bedarf noch weiterer Forschung. Weitgehend sicher sind aber die Prognosen zur besseren Konkurrenzfähigkeit von Cyanobakterien, die auch toxisch sein können (WIEDNER et al., 2007a; WAGNER und ADRIAN, 2009). Dabei ist im Zusammenhang mit der Erwärmung auch ein klimatisch begünstigtes Einwandern tropischer Cyanobakterien zu berücksichtigen (STÜKEN et al., 2006; WIEDNER et al., 2007b). 3 Das Scharmützelseegebiet 3.1 Limnologische Charakterisierung des Einzugsgebietes und der Seen Seit 1993 untersucht der Lehrstuhl Gewässerschutz der Brandenburgischen Technischen Universität an seiner Forschungsstelle in Bad Saarow die Wasserqualität von Seen in der Scharmützelseeregion (Abb. 2). Die untersuchten Seen liegen südöstlich von Berlin im Brandenburgischen Heide- und Seengebiet und sind zum Teil Bestandteil des Naturparks „Dahme-Heideseen“. Ausführliche Beschreibungen des Untersuchungsgebietes sowie der Morphometrie und Topographie der Seen sind u. a. in NIXDORF et al. (1995) und DENEKE (1996) zu finden. Eine Besonderheit des 393 km2 großen oberirdischen Einzugsgebietes ist der mit ca. 10 Prozent hohe Anteil der Fläche von Oberflächengewässern (Seen, Seenketten und Flüssen). Weiterhin ist das Gebiet zu 51 Prozent mit Wald, 32 Prozent mit landwirtschaftlichen Nutzflächen und 6 Prozent mit urbanen Flächen bedeckt. Auf Grund seines Seenreichtums, dem Vorhandensein von ausgedehnten Landschafts- und Naturschutzgebieten bei einer relativ geringen Bevölkerungsdichte von 58 Einwohnern pro km2 wird das Scharmützelseegebiet intensiv für den Tourismus genutzt. Außerdem stellen Binnenfischerei und Trinkwasserbereitstellung wichtige Wirtschaftsfaktoren dar. Der Gebietsabfluss ist mit 2,54 L/(m2*s) gering. In der Kläranlage Storkow fallen täglich etwa 3000 m3 Abwasser aus dem Einzugsgebiet an, die direkt in den Vorfluter und damit in die Seenkette (Wolziger See) abgeleitet werden. Die trophischen Parameter in Tab. 3, d. h. die Konzentration des Gesamtphosphors und des Chlorophylls (Chl a) sowie die Sichttiefe, zeigen deutliche Unterschiede in der Gewässerqualität zwischen tiefen und flachen Seen. Flache Seen haben generell einen höheren trophischen Status bezogen auf die Phytoplanktonbiomasse (ausgedrückt als Chl a-Konzentration) trotz z.T. geringerer Nährstoffkonzentrationen. Abbildung 2: Gewässer und abgegrenzte Teileinzugsgebiete im Scharmützelseegebiet. Tabelle 3: Morphometrische und limnologische Parameter der Seen im Scharmützelseegebiet als Vegetationsmittelwerte (April-Oktober) für die Jahre 20032008. Abkürzungen: zmean: mittlere Tiefe, zmax: maximale Tiefe, EZG: Einzugsgebiet, SD: Sichttiefe, Chl a: Chlorophyll a-Konzentration, TP: Gesamtphosphor, TN: Gesamtstickstoff. Kür- zmean Fläche EZG SD Chl a TP TN zel (m) (km2) (km2) (m) (µg/l) (µg/l) (µg/l) Tiefe Seen (zmax > 10 m) See Tiefer See Scharmützelsee Springsee Großer Glubigsee Storkower See (Nord) Wolziger See TIE 11,2 SCH 9,0 SPR 9,5 GGL 4,2 0,58 12,1 0,58 0,57 3,3 110 11 14 6,7 2,9 1,0 1,8 3 11 29 21 11 26 28 26 449 628 714 677 STN 1,39 180 1,9 19 34 761 5,5 5,16 378 1,6 Flachseen (zmax < 10 m) 33 64 927 Melangsee Langer See Petersdorfer See Storkower See (Süd) Kleiner Glubigsee Lebbiner See Groß Schauener See MEL LAN PET 1,6 2,1 2,3 0,12 1,21 0,23 4 392 3,5 0,7 0,6 0,6 64 90 63 48 67 42 907 996 1628 STS 3,8 2,33 180 1,7 21 34 706 KGL LEB GSS 2,4 2,1 0,06 0,28 1,46 17 4,6 1,4 0,8 0,4 27 42 108 34 60 55 763 1207 1147 3.2 WOL 4,8 Nährstoffeinträge in die Seen des Scharmützelseegebietes Die insgesamt unbefriedigende Situation hinsichtlich der Gewässerqualität der Seen in der Scharmützelseeregion ist begründet in a) den hohen Nährstoffeinträgen aus dem Einzugsgebiet, insbe- 102 Kapitel-13.qxd:Forum-22.qxd 24.11.2009 13:06 Uhr Seite 103 (Schwarz/Black Auszug) Gewässer im Klimastress? Eutrophierungsgefahr in Seen am Beispiel der Scharmützelseeregion Brigitte Nixdorf, Jacqueline Rücker, Rainer Deneke, Björn Grüneberg Lehrstuhl Gewässerschutz sondere seit Ende der 1960er Jahre, und b) in der hohen P-Rücklösung aus den Sedimenten. Eine Analyse der Stoffeintragshistorie erfolgte vor dem Hintergrund der seit Beginn der 1990er Jahre stark zurückgegangenen externen Belastung (HÄMMERLING, 2006; GRÜNEBERG et al., 2008). Das wird am Beispiel des Scharmützelsees besonders deutlich (Abb. 3). Aus Abb. 3 wird auch ersichtlich, dass die Einträge aus diffusen Quellen einen konstanten Wert annehmen und mit Beseitigung der punktuellen Eintragsquellen die dominierenden Stoffeinträge darstellen (vgl. Tab. 4). Wenn es zu weiteren Senkungen der externen Belastung kommen soll, müssen die einzelnen Eintragsquellen und ihre -pfade bekannt sein. Für das Scharmützelseegebiet ist diese Kalkulation mit dem Stoffeintragsmodell MONERIS (BEHRENDT et al., 1999) vorgenommen worden (Abb. 4). Hier zeigt sich, dass landwirtschaftlich genutzte Flächen besonders hohe P-Einträge verursachen. Daneben sind die Einträge aus der atmosphärischen Deposition und aus dem Grundwasser die dominierenden Eintragspfade in das Gewässersystem (Tab. 4). Tabelle 4: Diffuse Stickstoff- und Phosphoreinträge aus verschiedenen Eintragspfaden und Teileinzugsgebieten im Scharmützelseegebiet nach der externen Lastsenkung 1990, berechnet mit dem Modell MONERIS (BEHRENDT et al., 1999) (WWTP: Waste Water Treatment Plants). Abbildung 3: Entwicklung der P-Einträge aus Punkt- und diffusen Quellen in den Scharmützelsee von 1960 bis 2004 (MMA: Militärmedizinische Akademie). Seit Ende der 1960er Jahre wurden auf Grund unzureichender Klärmöglichkeiten für Abwässer mehr als 8 t Phosphor jährlich durch die umliegenden Gemeinden, ein sowjetisches Sanatorium und eine Militärmedizinische Akademie in den See eingeleitet, was zu einer starken Verschlechterung der Wasserqualität führte. Seen, die derartigen externen Belastungen ausgesetzt werden, reagieren mit eu- bis hypertrophen Zuständen und Massenentwicklungen von Cyanobakterien. Grundwasser Oberflächenabfluss und Erosion Drainage Atmosphärische Deposition Summe diffuser Einträge Urbane Systeme (WWTP) Summe Gesamt 3.3 Stickstoff-Eintrag Phosphor-Eintrag kg/(ha*a) t/a Prozent kg/(ha*a) t/a Prozent 0,1 4,0 3,0 0,025 0,97 17,6 0,0 1,4 1,1 0,002 0,08 1,4 1,3 50,2 38,1 0,006 0,25 4,5 1,8 71,6 54,4 0,078 3,05 55,3 3,2 127,2 96,6 0,111 4,35 78,8 0,1 4,5 3,4 0,030 1,17 21,2 3,3 131,7 100,0 0,141 5,52 100,0 Wie haben die Seen auf die Reduzierung der Nährstoffeinträge reagiert? 3.3.1 Langzeitentwicklung der Trophie Nach den ersten Bestandsaufnahmen zur Trophie der Seen in der Scharmützelseeregion von NIXDORF et al. (1995) und NIXDORF und KLEEBERG (1996) folgte 1997 die Trophieeinstufung der untersuchten Gewässer durch DENEKE (1997). Er stellte fest, dass trotz der sinkenden Nährstoffkonzentrationen von 1994 bis 97 die Trophie auf unverändert hohem Niveau blieb bzw. eher eine steigende Tendenz aufwies (z. B. Scharmützelsee). Eine Ausnahme war nur der Lebbiner See, wo es durch Nahrungsnetzeffekte in Folge eines winterlichen Fischsterbens kurzzeitig zu einer Verbesserung kam (DENEKE et al., 1998). Nach 1997 konnten DENEKE et al. (2001) bzw. RÜCKER et al. (2003) und RÜCKER (2004) dann erste Anzeichen der Trophieverminderung in einigen geschichteten Seen (Wolziger See, Großer Glubigsee, Scharmützelsee nur 2000) feststellen. Die Flachseen verharrten bis 2001 jedoch nach wie vor auf hohem trophischen Niveau. Abbildung 4: Diffuse P-Einträge aus verschiedenen Eintragspfaden und Teileinzugsgebieten im Scharmützelseegebiet, berechnet mit dem Modell MONERIS (BEHRENDT et al., 1999). Die trophische Situation in der Scharmützelseeregion war also gekennzeichnet durch kontinuierlich sinkende Nährstoffkonzentrationen in den Seen, auf die jedoch die Phytoplanktonbiomasse in den Flachseen gar nicht bzw. nur sehr zögerlich reagierte. Die meisten weichen immer noch um eine Stufe vom jeweiligen trophi- 103 Kapitel-13.qxd:Forum-22.qxd 24.11.2009 13:06 Uhr Seite 104 (Schwarz/Black Auszug) Gewässer im Klimastress? Eutrophierungsgefahr in Seen am Beispiel der Scharmützelseeregion Brigitte Nixdorf, Jacqueline Rücker, Rainer Deneke, Björn Grüneberg Lehrstuhl Gewässerschutz schen Referenzzustand (nach Morphometrie) ab (Abb. 5). Die Bewertung der Gewässergüte nach dem Verfahren der LAWA (1999) erfolgt durch den Vergleich des Ist-Zustandes (Trophie-Index) mit dem Referenzzustand (graue Flächen in Abb. 5). Sie ist jedoch in Abb. 5 nicht direkt dargestellt, sondern nur die Bewertung des Phytoplanktons. In den tiefen Seen waren sprunghafte (Scharmützelsee, Großer Glubigsee) oder graduelle (Storkower See) Verbesserungen der Gewässerqualität zu beobachten. Seen, die inzwischen ihren trophischen Referenzzustand (nach LAWA, 1999) wieder erreicht haben, sind jedoch nicht automatisch in einem guten ökologischen Zustand, sondern nur, wenn auch die Phytoplanktonausprägung nach der EU-Wasserrahmenrichtlinie (MISCHKE und NIXDORF, 2008) positiv bewertet wird. und NIXDORF (1997), RÜCKER et al. (1997), MISCHKE und RÜCKER (2001), WIEDNER et al. (2002), NIXDORF et al. (2003), MISCHKE (2003) MISCHKE and NIXDORF (2003) sowie RÜCKER (2004) untersucht. Der Vergleich zwischen den Bewertungsverfahren nach LAWA (1999) und der EU-Wasserrahmenrichtlinie (Abb. 5) macht noch einmal deutlich, dass das ökologisch orientierte Verfahren nach der EU-Vorgabe strenger bewertet, weil hier vorrangig die organismische Reaktion des Phytoplanktons in die Bewertung eingeht und weniger das Potenzial (Nährstoffstatus) der Seen. Es zeigt auch, dass in vielen Seen bei Nährstoffreduzierung eine höhere Effizienz der Nährstoffausnutzung durch das Phytoplankton eintritt, was in Flachseen besonders stark ausgeprägt ist (NIXDORF et al. 2009). Weiterhin zeigt die Anwendung des EU-Verfahrens auf die Seen im Scharmützelseegebiet (Abb. 5), dass der Scharmützelsee seit 2003 zwar eine deutliche Verbesserung erfahren hat, die Komponente Phytoplankton gegenwärtig jedoch nur als „mäßig“ bewertet wird und seit 2006 einen Trend zur Verschlechterung aufweist. Ähnliches gilt für den Wolziger See, der zunächst auf die Reduzierung der externen Nährstofflast mit einer raschen Verbesserung der Gewässerqualität reagierte, seit 2004 jedoch wieder mehr Phytoplankton ausbildet. Welchen Einfluss dabei die Einleitung aus der Kläranlage Storkow hat, kann derzeit noch nicht beantwortet werden. Der Tiefe See, als einziger See im Referenzzustand, weist ebenfalls eine leichte Tendenz zur Verschlechterung auf. Abbildung 5: Entwicklung der Trophie der Seen in der Scharmützelseeregion von 1994 bis 2008 und Risiko, den guten ökologischen Zustand im Sinne der EU-WRRL bis 2015 nicht zu erreichen (0 kein, 1 geringes, 2 mittleres, 3 hohes Risiko). Die schwarzen Kreise stellen den Trophie-Index nach LAWA (1999) mit den dazugehörenden Trophiestufen (o-oligo-, m-meso-, e-eu, p-poly-, h-hypertroph) dar. Die grauen Flächen kennzeichnen den trophischen Referenzzustand. Die Dreiecke zeigen für einige Seen den Phytoplankton-Seen-Index sowie die zugehörenden Bewertungsstufen (sehr gut bis schlecht) gemäß EU-WRRL (EU, 2000; MISCHKE und NIXDORF, 2008). Abkürzungen der Seennamen in Tab. 4. 3.3.2 Guter ökologischer Zustand: Zielerreichung unwahrscheinlich Grundlage zur Beurteilung der ökologischen Qualität der Seen in Deutschland ist seit 2005 die EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL; EU, 2000). Die Teilkomponente Phytoplankton wird nach dem Verfahren von MISCHKE und NIXDORF (2008) bewertet. Hierbei werden die Zusammensetzung des Phytoplanktons und die Höhe seiner Biomasse als seetyp-spezifisches Bewertungsverfahren berücksichtigt (NIXDORF et al. 2008). Die Phytoplanktonentwicklung im Scharmützelseegebiet wurde von NIXDORF et al. (1995), ZIPPEL (1996), ZIPPEL Die meisten Flachseen verharren trotz erheblicher Reduzierung der Nährstoffe noch immer im unbefriedigenden oder schlechten Zustand. Obwohl sich ein Regimewechsel in der Dominanz des Phytoplanktons vollzogen hat, so dass innerhalb der Cyanobakterien Nostocales (stickstofffixierende Arten) die Oscillatoriales verdrängt haben, sind die Gesamtbiomasse des Phytoplanktons und der Anteil der Cyanobakterien daran aber immer noch zu hoch für einen guten ökologischen Zustand. Daraus ergibt sich, dass einige Seen als Gewässer „at risk“ eingestuft werden müssen, weil ein Risiko besteht, dass sie bis 2015 nicht den „guten ökologischen Zustand“ im Sinne der EU-WRRL erreichen. Die Größe dieses Risikos wurde auf Grundlage der langjährigen Untersuchungen für die Seen in Abb. 5 abgeschätzt. Diese Risikoabschätzung zeigt, dass für einzelne Seen des Scharmützelseegebietes unterschiedlich starker Handlungsbedarf besteht und demzufolge verschiedene Maßnahmen in den entsprechenden Teileinzugsgebieten zur weiteren Verbesserung der Wasserqualität ergriffen werden müssen. 4 Zusammenfassung: Gewässermanagement unter den Bedingungen des Klimawandels Die Analyse der Entwicklung der Gewässerqualität in den Seen der Scharmützelseeregion zeigt folgende Ergebnisse in Bezug auf Gewässergüte und Klimaeffekte: 1. Flachseen reagieren mit großer Verzögerung auf Senkungen der Nährstofflasten. Die Schwellenwerte (TP-Konzentration) für eine Reaktion des Phytoplanktons auf die Verringerung der Trophie liegen wahrscheinlich niedriger als bislang nach den 104 Kapitel-13.qxd:Forum-22.qxd 24.11.2009 13:06 Uhr Seite 105 (Schwarz/Black Auszug) Gewässer im Klimastress? Eutrophierungsgefahr in Seen am Beispiel der Scharmützelseeregion Brigitte Nixdorf, Jacqueline Rücker, Rainer Deneke, Björn Grüneberg Lehrstuhl Gewässerschutz OECD-Prognosen (VOLLENWEIDER and KEREKES, 1982) angenommen. Viele Seen dieses Typus werden den guten ökologischen Zustand bis 2015 nicht erreichen. 2. Der Klimawandel verstärkt die Tendenz zur hohen Trophiepersistenz aufgrund der Temperaturerhöhung, der Aufkonzentrierung von Nährstoffen durch Wassermangel und der besseren Anpassung von Cyanobakterien an wärmere Klimabedingungen. Eine erste Analyse der Möglichkeiten zur Minderung der negativen Folgen des Klimawandels, insbesondere der Gefahr einer verstärkten Eutrophierung der Seen im Scharmützelseegebiet, ergab folgende Ansätze für adaptive Managementmaßnahmen: ● Eine generelle Forderung zum Schutz der Gewässer vor den Folgen der Klimaerwärmung, insbesondere in Brandenburg, ist die Verbesserung des Landschaftswasserhaushalts mit dem Ziel, die Verweildauer des Wassers in der Landschaft zu erhöhen und damit ausreichende Grundwasserneubildung und Gebietsabflüsse zu sichern. Die Aufrechterhaltung entsprechender Durchflüsse ist für alle Seen im EZG von Vorteil. ● Zur Stützung des Wasserhaushalts sollte die Nutzung gereinigten Abwassers geprüft werden. So könnte ein Teilstrom des Ablaufs der Storkower Kläranlage nach weitergehender Reinigung, z. B. durch künstliche Feuchtgebiete, zur hydrologischen Stützung des Groß Schauener Sees und zur Verbesserung der Wasserqualität des Stahnsdorfer und Wolziger Sees beitragen. ● Aufgrund der mit der klimatischen Erwärmung zunehmenden Empfindlichkeit der Seen für Nährstoffeinträge (siehe Abschnitt 4) sollten die Anstrengungen zur Verminderung der externen Einträge, z. B. durch verbesserte landwirtschaftliche Praxis, intensiviert werden. ● Für einige Seen wären auch ökotechnologische Maßnahmen im Gewässer selbst sinnvoll, wenn ihre Nachhaltigkeit durch eine Sanierung des Einzugsgebietes gesichert ist. Solche internen Maßnahmen, wie Phosphor-Fällung mit Aluminium, Sedimentvorfallen oder Biomanipulation, könnten das Umschlagen in einen von makrophytendominierten Klarwasserzustand befördern (z. B. Springsee, Großer Glubigsee, Petersdorfer See). Literatur BEHRENDT, H.; HUBER, P.; OPITZ, D.; SCHMOLL, O.; SCHOLZ, G. UND UEBE, R.; 1999: Nährstoffbilanzierung der Flussgebiete Deutschlands. 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Brigitte Nixdorf, 1973-1977 Studium der Biologie (Humboldt-Universität) und Hydrobiologie an der TU Dresden, 1977-1993 als Limnologin an der Akademie der Wissenschaften der DDR, Promotion über Primärproduktion in Flachseen 1983, Habilitation über Nahrungsnetzinteraktionen in Seen 1994 an der TU Dresden, 1993 Ruf an die BTU Cottbus als Lehrstuhlleiterin für Gewässerschutz mit Sitz in Bad Saarow (Scharmützelseegebiet), Forschungen und zahlreiche Drittmittelprojekte zu Stoffumsatzprozessen und Besiedlungsmustern in Seen, insbesondere in sauren Tagebauseen der Lausitz, Bewertungen von Standgewässern nach EU-Wasserrahmenrichtlinie, Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften und wissenschaftlicher Beiräte. Dr. rer. nat. Jacqueline Rücker, 1983-88 Studium der Biologie, Fachrichtung Pflanzenphysiologie an der Humboldt-Universität zu Berlin; 1993 Promotion über Wachstumslimitationen planktischer Cyanobakterien an der HU Berlin, seit Juli 1993 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Gewässerschutz der BTU Cottbus, zurzeit im NOSTOTOX-Projekt angestellt; Arbeitsschwerpunkte: Ökophysiologie von potenziell toxischen Cyanobakterien, vor allem Lebenszyklus von Nostocales sowie Einfluss von klimatischen und trophischen Veränderungen auf die Phytoplanktonzusammensetzung in Seen. Dr. rer. nat. Rainer Deneke, 19751978 Ausbildung zum Maschinenschlosser, 1979 bis 1989 Studium von Maschinenbau, Biologie und Philosophie an der TU und FU Berlin; 1989 Diplom am Institut für Zoologie, danach bis 1993 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der FU Berlin; von 1994-1998 wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am Lehrstuhl Gewässerschutz der BTU Cottbus, 2001 Promotion an der BTU Cottbus über den Einfluss des Schichtungsverhaltens auf die Trophie und Planktonsukzession in eutrophen Seen, von 2000-2003 Projektkoordinator im BMBF-Projektverbund „Biogene Alkalinisierung“ am Leibniz-Institut für Gewässerökologie Berlin, seit 1989 Gutachtertätigkeit (Zooplanktonanalysen), gegenwärtig akademischer Mitarbeiter am Lehrstuhl Gewässerschutz der BTU Cottbus sowie Initiator des internationalen Open Rotifer Metric Project. Dr. rer. nat. Björn Grüneberg, 1993-2000 Studium der 2000 Geoökologie an der Universität Potsdam, 2000-2002 Mitarbeiter am Institut für Agrartechnik Potsdam Bornim und in einem Ingenieurbüro auf dem Gebiet der naturnahen Abwasserreinigung, 2002-2005 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Gewässerschutz der BTU, 2006 Promotion an der BTU Cottbus zum Thema Akkumulation, Transformation und Remobilisierung von Phosphor aus Sedimenten saurer Tagebauseen; seit 2006 Forschung und Lehre am LS Gewässerschutz mit den Schwerpunkten Phosphorbilanzierung bei Seen, Sediment-Wasser-Interaktionen, Nährstoffdynamik von Tagebauseen. 106
