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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
Direkte Messung und Bewertung des nebelgebundenen Eintrags
von Wasser und Spurenstoffen in ein montanes Waldökosystem
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.
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