Akkumulation von Metallen und Stickstoff in Moosen in Nordrhein-Westfalen 1990 – 2005 (Accumulation of metals and nitrogen in mosses in North Rhine-Westfalia 1990–2005)

Abstract

Zusammenfassung Hintergrund Umweltbeobachtung ist zentraler Bestandteil internationaler Nachhaltigkeitsstrategien. Die langfristige Beobachtung der Anreicherung von Metallen in terrestrischen Ökosystemen erfolgte Zwischen 1990 und 2005 alle fünf Jahre europaweit in den europäischen Heavy Metals in Mosses Surveys. Seit 2005 wird auch die Stickstoffanreicherung bestimmt. Deutschland nahm an den Moosmonitoring-Kampagnen 1990 – 2005 teil. Der vorliegende Artikel ist Teil einer Serie, die Trends im Bundesgebiet und einzelnen Bundesländern beleuchtet. Gegenstand dieser Untersuchung ist die Kartierung der zeitlichen Entwicklung der Metallanreicherung in Nordrhein-Westfalen seit 1990, die Stickstoffanreicherung 2005, die räumliche Varianz der Metall-Bioakkumulation in Abhängigkeit von Eigenschaften der Moosbeprobungsstellen und ihrer Umgebung sowie erstmals auch die Verknüpfung der Stoffgehalte in den Moosen mit denen der flächendeckend modellierten Gesamtdeposition von Cadmium (Cd). Methoden In Nordrhein-Westfalen wurde die Bioakkumulation am häufigsten in Scleropodium purum bestimmt, gefolgt von Pleurozium schreberi und Hypnum cupressiforme. Die in diesen Moosen chemisch bestimmten Stoffe wurden mit den topografischen und ökologischen Beschreibungen der bis zu 88 Beprobungsorte und mit quantitativen Angaben über die Landnutzung in ihrer Umgebung in dem WebGIS MossMet zusammengeführt und ausgewertet: Aus den standort- und metallspezifischen Messdaten sowie den daraus geostatistisch berechneten Flächendaten über die Metallakkumulation wurde ein zusammenfassender Multi-Metall-Index (MMI1990-2005) für Arsen (As), Cd, Chrom (Cr), Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Blei (Pb), Titan (Ti), Vanadium (V) und Zink (Zn) berechnet und kartiert. Die Zusammenhänge zwischen den Schwermetall-Akkumulationen, Standortcharakteristika und Landnutzung wurden korrelations- und kontingenzanalytisch sowie am Beispiel von Cu multivariat-statistisch mit Classification and Regression Trees (Cart) quantifiziert. Die Cd-Gehalte in den Moosen wurden mit denen der im European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP) europaweit flächendeckend modellierten Gesamtdepositionsdaten für Cd verknüpft und korrelationsstatistisch ausgewertet. Ergebnisse und Diskussion Während von 1990 bis 2005 bis auf Zn alle Metallgehalte in den Moosen sanken, stiegen von 2000 bis 2005 die Konzentrationen von As, Cr, Cu, Ni, Sb und Zn an, bei Cr und Zn statistisch signifikant. Eine Zunahme des MMI1990-2005 von 2000 nach 2005 erwies sich als statistisch nicht signifikant. Die Stickstoffgehalte (N) betragen zwischen 1.08 und 2,29%. Sie sind positiv mit dem Agrarflächenanteil im Umkreis der Beprobungsstellen und der Bestandeshöhe sowie negativ mit Waldflächenanteil, Entfernung zu Bäumen, Höhe über NN und Niederschlag korreliert (0.32 ≤ r Spearman ≥0.49, p <0.01). Die Korrelationen zwischen Metallgehalten in den Moosen und der Landnutzung im Umkreis der Beprobungsorte rangieren zwischen r S  = 0.21 und r S  = 0.54 (0.01 <p <0.05). Moosart und –bewuchsform sind mit den Stoffkonzentrationen ähnlich stark assoziiert (Cramér´s V-Werte zwischen 0.27 und 0.56). Von den Standortmerkmalen weisen vor allem die Variablen Waldflächenanteil (insbesondere bei Cd, Cu, Pb, Zn, N), Flächenanteil urbaner Landnutzung (bei As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Ti, Zn), Niederschlagssumme im Akkumulationszeitraum (bei Cd, Ni, Pb, V, N), orografische Höhe (bei As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Ti, Zn, N) und Entfernung der Moos-Entnahmestelle von Straßen (bei Cr, Fe, Ni, Ti), Baumkronen oder Sträuchern (bei As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Zn) für die meisten Elemente signifikante Korrelationen zur Metallanreicherung auf. In der multivariat-statistischen Analyse mit CART werden der urbane Flächenanteil im Umkreis von 5 km um die Moossammelstelle sowie die dortige Geländehöhe und die Entfernung der Moossammelstelle von der Baumkrone als wichtigste Einflussgrößen für die Cu-Gehalte in den Moosen 2005 ermittelt. Die Cd-Gesamtdeposition (EMEP) und die Cd-Konzentrationen in Moosen Nordrhein-Westfalens sind positiv korreliert (0.57 ≤ r S ≥0.71, p <0.01). Anders als etwa in Baden-Württemberg stiegen die Metallanreicherungen in Moosen Nordrhein-Westfalens von 2000 bis 2005 an, Cr und Zn statistisch signifikant. Für Cd konnte in einer landesweit flächendeckenden GIS-gestützten Korrelationsanalyse gezeigt werden, dass die in den Moosen gemessenen Anreicherungen mit der modellierten Gesamtdeposition (EMEP) positiv verknüpft sind. Damit wurden punktuelle Korrelationen zwischen Depositions- und Mooskonzentrationen räumlich validiert. Im Vergleich zu zeitlich höher aufgelösten Depositionsmessungen erfasst das Moos-Monitoring europaweit mit mindestens einer Moosbeprobungsstelle pro 1000 km2 ein breites Stoffspektrum, das auch selten gemessene Stoffe mit humantoxikologischer Bedeutung (z. B. As, Al, Hg, Sb, V) umfasst. Damit bildet das Moos-Monitoring ein wichtiges Bindeglied zwischen der technischen Erfassung von Stoffeinträgen durch Deposition und der Anreicherung dieser Stoffe in biologischem Material. Die Untersuchung zeigt, dass die Stoffanreicherung in biologischem Material nicht nur von den Depositionen, sondern auch von topographischen und ökologischen Merkmalen der Messstellen und der Landnutzung ihrer Umgebung abhängt. Schlussfolgerungen Das Moos-Monitoring liefert wesentliche Beiträge zum Schwermetall- und zum Multi-Komponenten-Protokoll der CLRTAP. Es weist flächendeckend nach, wie sich Luftreinhaltepolitik auf die Anreicherung von atmosphärischen Stoffeinträgen in Schutzgütern wie der Vegetation auswirkt. Von besonderer umweltpolitischer Bedeutung ist, dass in keinem anderen Messprogramm räumlich so verdichtet Daten über ein breites, ökotoxikologisch und humanmedizinisch bedeutsames Stoffspektrum erhoben werden. Die räumliche Auflösung von Umweltinformationen ist ein wesentliches Kriterium für ihre Nutzbarkeit im Vollzug umweltpolitischer Maßnahmen auf Bundes- und Länderebene. Das Moos-Monitoring sollte im bisherigen Umfang langfristig fortgesetzt werden. Es liefert als einziges Messnetz in Europa räumlich hinreichend differenzierte, flächendeckende Informationen über die Metall- und Stickstoffexposition naturnaher und agrarisch genutzter Ökosysteme, die auch für einzelne Staaten und deren administrative Untergliederungen räumlich aussagekräftig sind. Die in anderen Untersuchungen jüngst belegten europaweiten Korrelationen zwischen Stoffanreicherungen in Moosen und EMEP-Depositionsdaten wurden in anderen Arbeiten dazu genutzt, die Kartierung der Metall- und Stickstoffdepositionen räumlich höher aufzulösen. Abstract Every five years since 1990, the European moss surveys provide data on concentrations of heavy metals and since 2005 on nitrogen (N) in mosses. Germany participated in the monitoring campaigns 1990 – 2005. As part of a series reporting the trends for Germany and single federal states, this article is on North Rhine-Westphalia showing that the metal concentrations decreased from 1990 to 2000 for all elements but Zn. From 2000 to 2005 an increase can be stated for As, Cr, Cu, Ni, Sb, Zn and the Multi Metal Index MMI1990-2005. The N concentration reaches from 1.08 to 2,29% in dry mass showing significant correlations to the agriculture density (+), the height of the surrounding trees (+), the forests density (−), the distance to trees (−), altitude (−) and the precipitation sum for the accumulation period (−). The according correlation coefficients (Spearman) reach from r s 0.32 to 0.49 (p <0.01). The correlation of the metal loads in the mosses and land use characteristics in the vicinity of the sampling sites lie between r s  = 0.21 and r s  = 0.54 (0.01 <p <0.05). The type of moss species and the moss growth patterns are associated to a similar degree (Cramér´s V-values between 0.27 and 0.56). Of all investigated site specific information on forest density (Cd, Cu, Pb, Zn, N), urban density precipitation (Cd, Ni, Pb, V, N), altitude (As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Ti, Zn, N) and the distance of the sampling site to roads (Cr, Fe, Ni, Ti), trees or bushes (As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Zn) are those showing significant correlations to the elements enumerated in brackets before. The urban land use density in a radius of 5 km around the sampling site as well as altitude and the distance of the sampling site to nearby trees are the statistically most significant factors for the Cu concentrations in mosses sampled in 2005. The total deposition of Cd (EMEP) and Cd concentrations in mosses are correlated significantly (0.57 ≤ r s ≥0.71, p <0.01).