Kurzbeschreibung des Stör-Projektes (I und II)

Problem

Aus den Einzugsgebieten der größeren deutschen Flüsse werden sehr große Mengen an gelö­sten mineralischen Salzen ausgetragen, z.B. 1,2 t/ha/a (ohne Natriumchlorid) für den Rhein. Das bear­beitete Einzugs­gebiet der Stör weist einen Austrag von etwa einer Tonne pro Hektar und Jahr auf. Der An­teil der basischen Kationen (Calcium, Magne­sium und Kalium) liegt bei knapp 30%. Die Werte der Austräge für die Nährstoffe Phosphor (Ges.P) und Stickstoff (Ges.N) betragen < 0,1% bzw. 1,5% der minerali­schen Salzausträge. Die Austräge an mineralischen Salzen sind erheblich grö­ßer als die Einträge über Düngung und Niederschlag. Es ist zu erwarten, daß der Oberboden auf rasch zunehmender Fläche an Basen verarmt. Das Verhältnis im Oberboden zwi­schen Basen ei­nerseits und nicht für die Vegetation nutzbaren Stoffen sowie Schadstoffen anderer­seits wird gerin­ger. Hierdurch wird das gesamte Ökosystem nachhaltig geschädigt. Die Natur als Basis für den Menschen und die Gesellschaft ist damit ernsthaft in Frage gestellt.


Lage des Projektgebietes

Die Stör entspringt bei Willingrade südöstlich von Neumünster in Schleswig-Holstein. Sie durch­fließt die hohe Geest im Gebiet um Neumünster und mündet unterhalb Hamburgs in das Elbe­ästuar. Untersucht wurde das nicht mehr von Tidewasser be­einflußte Einzugs­gebiet (ca. 1150 km2) bis Kellinghusen.


Forschungsansatz des Stör-Projektes

Der Forschungsansatz leitet sich aus dem Energie-Transport-Reaktionsmodell (ETR-Modell) ab. Dieses versucht, ökologische Systeme und damit die Landschaft funktional zu verstehen. Es ist ein auf den Wasserhaushalt und Energieumsatz reduziertes, konzeptio­nelles Denkmodell, das alle wesentlichen Prozesse in Raum und Zeit be­trachtet und funktional verknüpft. Die Herangehens­weise ist deduktiv und heuri­stisch.

Der tägliche Energiepuls der Sonne treibt alle Prozesse; das Medium Wasser verteilt die Poten­tiale, ist Transport- und Reaktionsmittel, wobei der Transport eine notwen­dige Vor­aussetzung für die Reaktion ist (deshalb ETR-Modell). Das Wasser reagiert in Organismen und in der Land­schaft. Der Energiepuls wird vom Ökosystem bzw. der Vegetation auf eine mittlere Temperatur einge­lenkt. Dies wird als Energiedissipation bzw. Absenkung der Energieflußdichte bezeichnet. Öko­logische Strukturen sind dissi­pativ, indem sie Wasser transportieren, verdunsten und ihren Stoffwechsel betreiben. Vor allem durch Verdunstung und Taubildung werden die Temperatu­runterschiede des Ökosystems räumlich und zeitlich geringer.

Bei der ungestörten Entwicklung eines Ökosystems werden die Wasser- und Stoffkreis­läufe im­mer kurzgeschlossener. Der Wasserhaushalt wird durch den Aufbau wasser­speichernder Struktu­ren (z.B. Streuschicht oder Torf) ausgeglichener. Die Feuchtigkeit des Oberbodens steigt an, die vegetati­onsgesteuerte Prozeßrückkopplung nimmt zu. Die Nach­haltigkeit, gemessen am Wir­kungsgrad als Verhältnis von Stoffumsatz zu Stoffverlust des Systems, wird im Laufe der Ent­wicklung immer weiter erhöht. Diese Entwicklung wird in nichtlinearer Weise durch die zur Neige gehenden Stoffvorräte begrenzt. Größere Störpulse (z.B. hohe anthropogen verur­sachte Ener­gieflußdichten durch Entwässerung) werfen das System in einen früheren Zustand zurück. Von diesem beginnt die Optimierung der Nachhaltigkeit dann erneut, sofern die Störpulse in ihrer Fre­quenz abnehmen. Die Nachhaltigkeit bzw. der Wirkungsgrad eines Ökosystems ist neben dem biolo­gischen Stoffumsatz und den Verlusten auch über die Kühlfunktion der Land­schaft ableit­bar.

Das Projekt geht von folgender, aus dem ETR-Modell abgeleiteten, Hypothese für die hohen Stoffverluste aus:

Wird das Niederschlagswasser in der Landschaft nicht größtenteils über kurzgeschlos­sene Ver­dunstungs-Kondensationsprozesse oder oberflächennahen Ab­fluß transportiert, sondern ver­sickert in den Boden, werden mineralisierte Stoffe ge­löst. Es treten chemische Lösungs- und Fäl­lungsreaktionen auf, die mit dem fließenden Wasser zu gerichteten Stofftransporten führen. Er­reichen die Nährstoffe und Basen über die Fließgewässer das Meer, sind sie für die Landschaft und die Vege­tation verloren (Verlustprozeß). Das Ausmaß des Minerali­sationsprozesses im Bo­den hängt in star­kem Maß von der räumlichen und zeitlichen Verteilung der wechselfeuchten Phasen (Schwanken des Bodenwasserspiegels) und der Bodentemperatur ab. Die Schwan­kungen des Bodenwasserspiegels und der Temperatur wer­den in einem entwickelten Öko­system weitgehend von der Vegetation und der von ihr durchwur­zelten Bodenschicht bestimmt. Die Kopplung zwischen Mi­neralisations- und Stoffaufnahmepro­zeß durch die Vegetation als steuern­dem "Prozes­sor" des Ökosystems ist heute stark herabgesetzt, bedingt durch die Veränderung des Wasserhaushaltes sowie der Nutzungsverteilung. Vor allem Eingriffe in die Vegetation und den Boden, wie z.B. Entwässerungen, führen zu einer nicht an die Vegeta­tionsentwicklung rück­gekoppelten, erhöhten Mineralisation von organischer Sub­stanz. Es bilden sich starke Säuren, die durch die Basen gepuffert werden und so zu deren zunehmender Aus­waschung aus dem durchwurzelbaren Oberboden in tiefere Schichten bzw. in die Gewässer füh­ren. Ist der Standort bereits weitgehend an Basen verarmt, werden die Säuren aufgrund des gerichteten Wasser­flusses an anderer, unterhalb liegender Stelle gepuffert und erhöhen dort die Basenverluste.

Durch diese Prozesse wird die Nachhaltigkeit der Landschaft bzw. deren Wirkungsgrad stark herab­gesetzt.


Ziele des Forschungsprojektes

Die aus dem ETR-Modell abgeleiteten Arbeitshypothesen sollten überprüft und die bestim­menden Prozesse für den Stoffaustrag in ihrer regionalen Verteilung ermittelt werden. Daraus sollte ein Instrument entwickelt werden, das den raum-zeitlichen Handlungsbedarf aufzeigt, um ein richtungssicheres Handeln zur Steigerung der Nachhaltig­keit zu ermög­lichen. Dazu notwen­dige Maßnahmen und gesellschaftliche Rahmenbedingungen sollten dargestellt werden.


Datenerfassung

Die wichtigsten erhobenen bzw. herangezogenen Daten sind:

  • Abflüsse an 37 Meßpunkten (14 Landespegel, 23 projekteigene Sonden),
  • monatliche Wasserprobennahmen zur chemischen Analyse der Wasserbeschaffen­heit in den Gewässern 128 Meßpunkten,
  • kontinuierliche Leitfähigkeitsmessungen an 10 Meßpunkten (ab März 1994),
  • Niederschlagsmengen an 14 Meßstationen des Deutschen Wetterdienstes,
  • Erfassung der monatlichen Niederschläge und ihrer chemischen Beschaffenheit an einem vom Projekt betreuten Meß­punkt,
  • Bodenwasserganglinien an 30 Meßpunkten (projekteigene Sonden),
  • Verteilung der vom Satelliten gemessenen Oberflächentempertur zu vier unterschiedlichen Zeitpunkten,
  • Temperatur­ganglinien an 8 Meßpunkten (projekteigene Sonden) in 10 cm Bodentiefe, an der Boden­oberfläche, in 10 cm Höhe und in 2 m Höhe (ab Juni 1994),
  • Flächennutzung (über TK 25 und Auswertung einer Satellitenszene),
  • Lysimeterversuche im Labor und
  • Makrophytenuntersuchungen in den Fließgewässern.


Zentrale Ergebnisse

Die Austräge an gelösten Salzen sind erheblich größer als die über Düngung und Nieder­schlag eingetragenen Mengen. Lysimeterversuche im Labor bestätigten den Einfluß der wechselfeuch­ten Phasen auf den Mineralisationsprozeß. Der Abfluß und nicht die Konzen­tration ist in der Re­gel die frachtbestimmende Größe. Die Mor­phologie der Gewässer und deren pflanzliche Aus­stattung ist nicht in der Lage, die heutigen eingetragenen Stofffrachten zurückzuhalten bzw. um­zusetzten. Die Stoffreten­tion muß daher an Land erfolgen. Aus diesem Grund sind die sektoriel­len Grenzen der Forschung und Bewirtschaftung durch neue Konzepte zu überwinden.

Neben der Notwendigkeit, die Landschaft insgesamt wieder mit mehr dauerhafter Biomasse aus­zustatten, wurden folgende allgemeine Bewirtschaftungsmaßnahmen abgeleitet:

  1. Kuppenlagen - sie sind besonders von der Auswaschung betroffen - sollten nicht oder nur ex­tensiv bewirtschaftet werden.
  2. In Quellbereichen und an Zusammenflüssen von Gewässern sollten sich wieder die ursprüng­lich vorhandenen Feuchtgebiete entwickeln können. Das Wasser bleibt länger in der Land­schaft, die wechselfeuchte Zone wird geringer. Der Wasserfluß ist gleich­mäßiger. Der für die Ökologie entscheidende Basisabfluß in der Niedrig­wasserperiode wird ange­hoben.
  3. Große Feuchtgebiete (Röhrichte oder Feuchtwälder) sollten als bewirt­schaftete Stoffrückhalte­flächen eingerichtet werden, in denen das aus der Landschaft abflie­ßende Oberflächen- und Schichtenwasser durch Verdunstung verlangsamt wird. Durch Rückführung der gewonnen Ba­sen und Nährstoffe in die höher gelegenen Flächen schließt sich der Stoffkreislauf.
  4. Organische Abfälle und Abwasser sind nach einer entsprechenden Aufbereitung in die Land­schaft zurückzufüh­ren, um den Stoffkreislauf kurzgeschlossen zu halten und die Verluste zu minimieren.

Durch solche, räumlich und zeitlich festzulegende Maßnahmen soll die Nachhal­tigkeit der Land­schaft erhöht werden: In einer Landschaft mit besserem Temperaturausgleich durch Verdunstung sinken die Stoffverluste, der Abfluß erfolgt gleichmäßiger und die An­zahl von Hochwasserereig­nissen verringert sich. Die Lebensgemeinschaften der Fließgewäs­ser haben wieder die Möglich­keit, sich zu hochvergesellschafteten Strukturen zu optimieren, wodurch die Gewässer wieder ihren natürlichen Charakter zurück er­halten.

Über ein Geographisches Informationssystem (GIS) wurden Vorranggebiete ausgewiesen, die entweder sehr empfindlich auf den Auswaschungsprozeß reagieren oder deren Umgestaltung einen hohen Stoffrückhalt und damit eine hohe Maßnahmeneffizienz erwarten lassen. Um die be­schriebenen Möglichkeiten zur Verringerung der Stoffverluste operabel zu machen, wurden Planungsmodule bzw. -vorschläge in allgemeiner Form beschrieben. Diese müssen der speziel­len Situation in den jeweiligen Teilgebieten angepaßt werden.

Die Umsetzung der vorgeschlagenen Maßnahmen bietet neben der Erhöhung der Nachhaltigkeit eine gute Richtungssicherheit vieler bestehender Ziele im Natur-, Hochwasser- und Klimaschutz.

Gesellschaftliche Lösungsstrategie

Eine Gesellschaft kann nur dann dauerhaft bestehen, wenn sie die Landschaft als physische Ba­sis durch eine nachhaltige Bewirtschaftung erhält. Eine Umorientierung in Richtung einer stoff­verlustärmeren und daher dauerhafter funktionierenden Bewirtschaftung erfordert, daß das Nachhaltigkeitsprizip auf politischer Ebene oberste Priorität bekommt. Durch den Einsatz ökono­mischer Steuerungsinstrumente müssen hier die erforderlichen gesellschaftlichen Rahmenbe­dingungen geschaffen werden, die in ihrem Zusammenwirken zur positiven Selektion nachhalti­ger Wirtschaftsweisen führen. Analog zu ökosystemaren Regelungsmechanismen werden fol­gende ökonomischen Steuerungselemente vorgeschlagen:

  1. Lineare Energiesteuer (entspricht dem zeitlich strukturierten und dadurch zeitlich limitierten Energieangebot in der Natur).
  2. Progressive Bodenwertsteuer (entspricht der Limitierung des Raumes bzw. des Angebotes an Nährstoffen und Basen in der Natur) unter weitestgehender steuerlicher Entlastung der Dienstleistung.
  3. Individueller Bodenwertfreibetrag als soziale Basis anstelle eines sozialen Netzes (entspricht der Grundausstattung eines Standortes an Nährstoffen und Basen in der Natur).

Der technisch-administrativen Ebene käme nach einer solchen Umgestaltung in erster Linie eine beratende Funktion zu, z.B. bei der Ausweisung von Vorranggebieten für die Wassergewinnung oder den Umsetzungsmaßnahmen der Abwasseraufbereitung.

Auf der Bewirtschafterebene ist den Landbewirtschaftern (Land- und Forstwirten) die Wasserwirt­schaft zwingend zuzuordnen, da vielfach durch eine nicht sachgemäße Wasserwirtschaft die Stoffverluste maximiert wurden. Die Landbewirtschafter wären für die Bereitstellung des Lebens­mittels Wasser in Form sauberen Oberflächenwassers mit einem über das Jahr vergleichmäßig­tem Dargebot verantwortlich. Sie würden nach Menge und Güte des Wassers in den Flüssen marktgerecht bezahlt.

Nach einer Phase der (stoffverlustreichen) wirtschaftlichen Expansionsstrategie würde somit eine Umstrukturierung eingeleitet werden, bei der wirtschaftliches Wachstum an eine Wirkungsgrad­steigerung (Absenken von Stoffverlusten) gebunden wäre. Dadurch könnte der heutigen Gesell­schaft und nach­folgenden Ge­nerationen eine "lebenswerte Zukunft" gesichert werden, anstelle weiter auf Kosten der nächsten Generationen zu leben.


Auftraggeber

Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) in Zusam­menarbeit mit dem Landes­amt für Was­serhaushalt und Küsten Schleswig-Holstein


Wissenschaftliche Projektleitung

Prof. Dr. W. Ripl, TU Berlin, Institut für Ökologie - Fachgebiet Limnologie


Beteiligte Institutionen

Technische Universität Berlin
Limnologie, Prof. Dr. W. Ripl
Landschaftsplanung, Prof. F. Trillitzsch

Christian-Albrecht-Universität Kiel
Wasserwirtschaft und Meliorationswesen, Prof. Dr. P. Widmoser
Bodenkunde, Prof. Dr. H.-P. Blume

Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Hauptabteilung Systemanalyse Raumfahrt, Dr. R. Backhaus

Gesellschaft für Gewässerbewirtschaftung mbH (GfG) Berlin

Finanzvolumen: 3,8 Mio DM
Laufzeit: 01.11.1990 - 31.03.1995


Download des kompletten Projektberichtes als pdf-Datei (16 MB).


   
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