Emissionen klimawirksamer und ozonschädigender Gase

4.2.4 Stoffausträge

4.2.4.1 Emissionen klimawirksamer und ozonschädigender Gase

Die in der Luft enthaltenen Spurengase Wasserdampf (H₂O), Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Distickstoffoxid (N₂O) verursachen den natürlichen Treibhauseffekt. Die durch zusätzliche anthropogene Emissionen klimawirksamer Gase, auch von verschiedenen fluorierten Verbindungen (FCKW, FKW, Halone, SF₆), entstandenen aktuellen Konzentrationen sind für einen zusätzlichen (anthropogenen) Treibhauseffekt und für die Erwärmung der Erde verantwortlich.

Da der Boden wesentlich am globalen Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalt beteiligt ist, können Störungen der Bodenfunktionen zu einer zusätzlichen Freisetzung klimawirksamer Spurengase führen bzw. die CO₂-Festlegung beeinträchtigen.

Unter anderem kann der Boden eine Quelle für die Gase Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid sein. Die Angaben der emittierten Gasmengen sind grobe Schätzungen und sollen nur die ungefähre Größenordnung veranschaulichen.

Im Jahr 1989 wurden in Mecklenburg-Vorpommern insgesamt 25 Mio. Tonnen Kohlendioxid emittiert (Ministerium für Bau, Landesentwicklung und Umwelt M-V 1997). Bundesweit wurden 1999 825 Mio. Tonnen CO₂ freigesetzt (1990: 981 Mio. Tonnen) (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit 2001a).

Tabelle 104: Kohlendioxidemissionen aus verschiedenen Böden

Nutzung bzw. Vegetationstyp	Literaturquelle	Emissionen in *g CO₂-C/m²a**	geschätzte CO₂-C- Emissionen in M-V in Tonnen pro Jahr
Moorwald, entwässert	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	670	147.755
Moor, naturnah	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	-150	-12.053
Niedermoore
extensives Grünland	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	300	304.761
halbintensives Grünland	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	450	629.424
intensives Grünland, Acker	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	600	110.586

Rechnerisch ergibt sich daraus für die gesamten Moore Mecklenburg-Vorpommerns eine CO₂-Emission von 3,8 Mio. Tonnen (1,2 Mio. Tonnen CO₂-C). Im Moorschutzkonzept für Mecklenburg-Vorpommern (Umweltministerium M-V 2000) wird eine Gesamtemission aus den Mooren von etwa 5,1 Mio. Tonnen CO₂ festgestellt.

Die Landesregierung Mecklenburg-Vorpommern hat 1997 ein Klimaschutzkonzept verabschiedet, welches Maßnahmevorschläge zur Verringerung treibhausrelevanter Gase, vor allem von Kohlendioxid und Methan, umfasst. Die durch die Umsetzung der Maßnahmen bis 2010 erzielbare Minderung der CO₂-Emissionen auf Landesebene wird mit ca. 4,9 Mio. t pro Jahr ausgewiesen (Ministerium für Bau, Landesentwicklung und Umwelt M-V 1997).

Die CO₂-Emission aus Niedermooren steigt mit dem Umfang der Degradierung, d.h. naturnahe Niedermoore setzen weniger Kohlendioxid frei. Bei einem Grundwasserstand von 0,3 m werden jährlich zwischen 10,3 und 11,4 Tonnen CO₂ pro ha abgegeben, bei einem Grundwasserstand von 0,9 m sind es 18,0 bis 24,6 Tonnen (Landesumweltamt Brandenburg 1999) bzw. zwischen 24,6 und 33 Tonnen pro ha und Jahr (Umweltministerium M-V 2000). Der Anteil der einzelnen Entwässerungsgrade der Moore in Mecklenburg-Vorpommern ist in Kapitel 2.4.1 dargestellt.

Werden torfbildende Feuchtgebiete trockengelegt und in Nutzflächen umgewandelt, so werden durch die einsetzende Mineralisierung der Kohlenstoffvorräte hohe CO₂-Freisetzungen erzeugt. Die Verluste der Moore werden bei Kultivierung auf bis zu 19 Tonnen C pro ha und Jahr geschätzt, bei Entwässerung auf bis zu 0,32 Tonnen C pro ha und Jahr (Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen 1998).

Insgesamt werden laut Klimaschutzkonzept jährlich schätzungsweise 10 Mio. Tonnen CO₂ aus den Mooren Mecklenburg-Vorpommerns in die Atmosphäre abgegeben. Durch die Wiedervernässung von Niedermoorstandorten könnte jährlich die Emission von 4,2 Mio. Tonnen CO₂ vermieden werden (Ministerium für Bau, Landesentwicklung und Umwelt M-V 1997). Holzmüller und Marschner (2001) geben für die CO₂-Fixierung durch die Wiedervernässung von Feuchtgebieten Werte zwischen 0,1 und 1,0 Tonnen C je ha und Jahr an.

Für die Aufforstung von Acker- und Grünlandflächen wird hier eine CO₂-Fixierung im Boden von 0,3 bis 0,5 Tonnen C pro ha und Jahr angegeben. Die CO₂-Fixierung im Boden wird ebenfalls durch den Anbau mehrjähriger Feldfutterpflanzen (typisch für den organischen Landbau) und durch das Anlegen von Grünbrachen gesteigert, weil durch die längere Bodenruhe (Fehlen jeglicher Bodenbearbeitung) die Mineralisierung organischer Bodensubstanz zu CO₂ reduziert wird (Haas und Köpke 1995). Die Kohlenstoff-Gehalte des Bodens sind im organischen Landbau in der Regel höher als bei intensiver konventioneller Bewirtschaftung.

Im Gegensatz zu Böden aus organischen Substraten zählen mineralische Waldböden vermutlich zu den CO₂-Senken. Liski et al. (2000) geben Werte für die CO₂-Aufnahme von mehr als 10 g pro m² und Jahr an.

Distickstoffoxid hatte 1996 mit einer weltweiten Emission zwischen 4,7 und 12,6 Mio. Tonnen einen Anteil am anthropogenen Treibhauseffekt von etwa 6 % (Umweltbundesamt 2001). Die mikrobielle Umsetzung von natürlich vorkommenden oder anthropogen eingebrachten Stickstoffverbindungen in Böden ist die wichtigste Quelle für N₂O. Auch in Deutschland ist die Freisetzung aus landwirtschaftlich genutzten Böden in den letzten Jahren, nach Ausschöpfung der Reduktionspotentiale in der chemischen Industrie, die wichtigste Quelle.

Die hohe Verweildauer von N₂O in der Atmosphäre (120 Jahre), führt zusätzlich dazu, dass Distickstoffoxid durch Diffusion in die Stratosphäre gelangen kann und dort zum Abbau der Ozonschicht beiträgt. In der Stratosphäre reagiert es mit photochemisch erzeugtem atomaren Sauerstoff und bildet dabei NO, das mit Ozon unter Bildung von NO₂ und O₂ reagiert.

Tabelle 105: Emissionen von Distickstoffoxid in Deutschland

Emittentengruppen	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999
Emittentengruppen	1.000 Tonnen
Verbrennungsprozesse	37	38	38	39	39	41	42	40	40	39
Chemische Industrie	82	83	93	84	81	82	87	74	30	13
Produktverwendung	6	6	6	6	6	6	6	6	6	6
Abfallwirtschaft	4	4	4	4	4	4	4	4	4	4
Landwirtschaftliche Böden	85	78	74	73	77	77	76	77	80	79
Gesamt	214	209	215	206	207	209	215	201	160	141

Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2001a)

Nicht nur landwirtschaftlich genutzte Böden emittieren N₂O, sondern es wird auch aus den meisten anderen Böden freigesetzt. Die N-Dynamik der Düngung bzw. der atmosphärischen Deposition ist in der Regel ausschlaggebend für die Höhe der N₂O-Emissionen aus moorfreien Böden.

Die Versauerung bzw. die Pufferkapazität von Waldböden zeigt ebenfalls eine positive Korrelation zur N₂O-Emission (Enquete-Kommission „Schutz der Erdatmosphäre“ des Deutschen Bundestages 1994). Und auch die Verdichtung von Ackerböden ist positiv mit der N₂O-Freisetzung korreliert.

Tabelle 106: Distickstoffoxidemissionen aus verschiedenen Böden

Nutzung bzw. Vegetationstyp	Literaturquelle	Emissionen in *g N₂O/m²a**	geschätzte Emissionen in M-V in Tonnen pro Jahr
Fichtenwald	Hug, Wilpert (2001)	0,2 bis 0,3*
Fichtenwald	Borken (1995)	0,02 bis 0,06*
Buchenwald	Borken (1995)	0,01 bis 0,3*
Eichenwald	Hellebrand, Scholz (2000)	0,1 bis 0,25	62,0
Moorwald, Erlenbruch
entwässert	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	1,65	363,9
ungestört	Augustin et al. (1998)	0,08 bis 0,12*
Acker	Landesumweltamt Brandenburg (1999)	0,11 bis 0,5	3.316,8
Winterweizen	Schmädeke (1998)	0,08 bis 0,09*
Winterweizen	Ruser et al. (1999)	0,3 bis 0,36*
Kartoffeln	Ruser et al. (1999)	0,53 bis 0,68*
Raps	Hellebrand, Scholz (2000)	0,1 bis 0,25
Brache	Hellebrand, Scholz (2000)	0,1 bis 0,25
Brache	Ruser et al. (1999)	0,03*
Pappelanbau	Hellebrand, Scholz (2000)	0,02 bis 0,06
Grünland	Landesumweltamt Brandenburg (1999)	0,83	2.747,6
Moor, naturnah	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	0,004	0,3
Niedermoore
entwässert	Landesumweltamt Brandenburg (1999)	0,18 bis 2,2	3.354,8
nass, überstaut	Landesumweltamt Brandenburg (1999)	0,1	8,0
Niedermoore
extensives Grünland	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	0,35	355,6
halbintensives Grünland	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	0,42	587,5
intensives Grünland, Acker	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	1,15	212,0
Sölle (NO-Deutschland)
schwach eutrophe Uferzone	Merbach et al. (1998)	0,01*
stark eutrophe Uferzone	Merbach et al. (1998)	0,11*
Salzwiesen	Müller-Thomsen et al. (2001)	0,03**

* N₂O-N-Emission

** Im Winter haben Salzwiesen eine Senkenfunktion für Distickstoffoxid.

Die Lachgasemissionsfaktoren (N₂O-Jahresemission im Verhältnis zur Jahres-N-Düngung) liegen wegen der Abhängigkeit von verschiedenen pedologischen und klimatischen Faktoren im Bereich von etwa 0,25 % bis 2,25 %. Als Mittelwert für Ackerflächen geben Kaiser et al. (1996) für deutsche Verhältnisse einen Wert von 1,4 % an, für moorfreie Böden gibt das Landesumweltamt Brandenburg (1999) einen Durchschnitt von 1,25 % an. Ruser et al. (1999) konnten statt der Korrelation der N₂O-Freisetzung mit der Düngergabe einen Zusammenhang mit dem Nitratgehalt im Boden nachweiden.

In Mecklenburg-Vorpommern könnte durch die Wiedervernässung von Niedermooren jährlich die Emission von N₂O um etwa 500.000 Tonnen verringert werden (Ministerium für Bau, Landesentwicklung und Umwelt M-V 1997). Angaben über Höhe der gesamten N₂O-Emissionen in Mecklenburg-Vorpommern liegen nicht vor.

Eine weitere Emissionsquelle für im Boden gebildetes und im Bodenwasser gelöstes N₂O, ist die Freisetzung durch die Blattoberfläche der Pflanzen im Zusammenhang mit der Transpiration. Diese Emissionen können mengenmäßig in der gleichen Größenordnung liegen, wie die direkten Emissionen aus dem Boden (Zechmeister-Boltenstern 2000).

Abbildung 24: Vereinfachtes Wirkungsgefüge der N₂O-Emissionen aus Ackerböden

Quelle: Eigene Darstellung

Weltweit wurden zwischen 1980 und 1990 jährlich 375 Mio. Tonnen Methan emittiert, das entspricht einem Anteil am anthropogenen Treibhauseffekt von etwa 20 % (Umweltbundesamt 2001).

Durch die Maßnahmen des Klimaschutzkonzeptes lassen sich die jährlichen Methan-Emissionen Mecklenburg-Vorpommerns bis 2010 um 11.300 Tonnen senken (Ministerium für Bau, Landesentwicklung und Umwelt M-V 1997). Auch für Methan liegen keine Angaben über die Emissionen in Mecklenburg-Vorpommern vor.

Methan entsteht durch Abbau organischen Materials unter anaeroben Bedingungen. Feuchtgebiete sind die größte natürliche Quelle von Methan und die größte Menge anthropogen freigesetztes Methan stammt aus verschiedenen landwirtschaftlichen Prozessen. Böden können sowohl als Quelle als auch als Senke (Oxidation durch methanotrophe Bakterien) für Methan angesehen werden.

Die höchste Methanreduktion wurde in Wäldern mit sandigen bis steinigen Böden gemessen, die niedrigsten Raten sind typisch für landwirtschaftlich genutzte Flächen. Mit Flussraten zwischen 0,1 und 2,0 kg CH₄ pro ha und Jahr liegt die Variation der verschiedenen Agrarflächen (Grünland, Ackerland, etc.) bedeutend niedriger als die der Waldökosysteme.

Die Umwandlung unkultivierter Flächen bzw. naturnaher Ökosysteme in landwirtschaftlich genutzte Flächen hat im Mittel zu einer 40 %igen Reduktion der Senkenstärke terrestrischer Böden für atmosphärisches Methan geführt (Schmädeke 1998). Umgekehrt erhöht die Flächenstillegung, die Umwandlung von Acker in Dauerbrache, die Methanaufnahme des Bodens.

Allein durch eine Bodenverdichtung auf einem Ackerboden kann es zu einer Reduktion der Methanaufnahme um 50 % kommen. Der Stickstoffeinsatz wird ebenfalls für eine Reduzierung der Senkenstärke verantwortlich gemacht, durch Ammonium bzw. Ammoniak wird die CH₄-Oxidation gehemmt.

Tabelle 107: Emissionen von Methan in Deutschland

Emittentengruppen	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999
Emittentengruppen	1.000 Tonnen
Energie	1775	1639	1602	1479	1338	1306	1221	1171	1060	1008
Kraftstoffverbrennung	214	167	139	130	119	109	106	97	87	81
Gewinnung, Verteilung von Brennstoffen	1561	1472	1463	1349	1219	1197	1115	1074	973	927
Landwirtschaft	1902	1679	1599	1572	1570	1559	1557	1512	1499	1469
Gärungsprozesse	1248	1103	1043	1024	1024	1018	1016	983	970	949
Düngerverwendung	630	552	531	523	520	515	515	503	503	494
Böden	24	24	25	25	26	26	26	26	26	26
Abfallwirtschaft	1894	1695	1453	1216	1114	1029	792	794	794	794
Gesamt	5571	5013	4654	4267	4022	3894	3570	3477	3353	3271

Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2001a)

Tabelle 108: Methanemissionen aus verschiedenen Böden

Nutzung bzw. Vegetationstyp	Literaturquelle	Emissionen in *g CH₄/m²a**	geschätzte Emissionen in M-V in Tonnen pro Jahr
Buchenwald	Borken (1995)	-0,01 bis -0,2
Fichtenwald	Borken (1995)	-0,02 bis -0,07
Moorwald, Erlenbruch
entwässert	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	0,06*	13,2*
ungestört	Augustin et al. (1998)	0,27*
Acker
Triticale	Hellebrand, Scholz (2000)	-0,09 bis -0,1
Nachwachsende Rohstoffe	Hellebrand, Scholz (2000)	-0,07
Grünland
Moor, naturnah	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	30*	2.410,5*
Niedermoore
entwässert	Landesumweltamt Brandenburg (1999)	0,47
nass	Landesumweltamt Brandenburg (1999)	1,41
überstaut	Landesumweltamt Brandenburg (1999)	39
Niedermoore
extensives Grünland	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	0,06*	61,0*
halbintensives Grünland	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	0,06*	83,9*
intensives Grünland, Acker	Landesamt für Umwelt und Natur M-V (1997a)	0,06*	13,2*
Sölle (NO-Deutschland)
schwach eutrophe Uferzone	Merbach et al. (1998)	0,03 bis 0,96*
stark eutrophe Uferzone	Merbach et al. (1998)	1,58 bis 33*
Salzwiesen	Müller-Thomsen et al. (2001)	0,03**

* CH₄-C-Emission

** Im Winter und Frühling haben Salzwiesen eine Senkenfunktion für Methan.

Waldböden gelten im allgemeinen als Senken für Methan, diese Funktion kann jedoch unter Einfluss von Ammonium gehemmt sein. Je nach Grad der Stickstoffsättigung ist eine Senken- oder Quellenfunktion möglich. Auch unter teilanaeroben und anaeroben Bedingungen können Waldböden eine Methanquelle sein. Der Grad der Versauerung ist ebenfalls für die Funktion der Waldböden als Methan-Senke entscheidend. Saure Böden können weniger Methan aufnehmen, da die Versauerung auf die Populationen der CH₄-oxidierenden Bakterien einwirkt.

Durch die Wiedervernässung von Niedermooren würden in Mecklenburg-Vorpommern jährlich schätzungsweise 2,3 Mio. Tonnen CH₄ zusätzlich freigesetzt. 62,5 % der Moore in Mecklenburg-Vorpommern gelten als stark entwässert, weitere 34,7 % als schwach bis mäßig entwässert (Tabelle 11). Insgesamt führt eine Wiedervernässung jedoch zu einer Verminderung der Treibhausgasemissionen von umgerechnet 2,4 Mio. Tonnen CO₂-Äquivalenten (Ministerium für Bau, Landesentwicklung und Umwelt M-V 1997).

4.2.4.2 Andere gasförmige Emissionen

Der Boden kann auch Quelle für andere umwelt- oder gesundheitsschädliche Stoffausträge sein. Die Intensität dieser Emissionen hängt unter anderem entschieden von der Nutzung bzw. Bewirtschaftung des Bodens ab.

So ist der Boden auch eine Quelle für die in der Atmosphäre nur in geringen Mengen vorkommenden Stickstoffoxide. Stickstoffoxide werden bei sauerstoffarmen Verhältnissen durch die mikrobielle Denitrifikation von Nitrat gebildet. Schätzungsweise werden weltweit zwischen 1 und 20 Mio. Tonnen NO_x-N jährlich in die Atmosphäre abgegeben, die Böden haben hieran einen Anteil von 3,7 bis 29,8 %.

Tabelle 109: Weltweite Quellen von NO_x

	Drummond, Enhalt (1982)	Crutzen (1983)	Stedman, Shetter (1983)	Logan (1983)
	Tg N pro Jahr
Verbrennung fossiler Energieträger	8-19	12-20	18-22	14-28
Verbrennung von Biomasse	6-16	10-40	2-15	4-24
Blitze	2-8	1-10	2-6	2-20
Eintrag aus der Stratosphäre	1	1-15	1-2	<1
Böden	1-10	k.A.	5-20	4-16
Gesamt	19-59	24-85	27-67	26-99

Quelle: Conrad (1990)

Böden können je nach NO-Mischungsverhältnis eine Quelle oder Senke für Stickstoffmonoxid, welches z.B. zur Bildung troposphärischen Ozons beiträgt, darstellen. Bollmann et al. (1995) geben für einen sauerstoffarmen Ackerboden NO-Freisetzungsraten von 0,2 µg NO-N pro g Trockensubstanz und Stunde an.

Ammoniakverflüchtigungen können verstärkt stattfinden, wenn der Boden eine alkalische Reaktion aufweist und mit Ammoniak, Ammonium-Salzen oder organischen N-Düngern gedüngt wird. Die Intensität der NH₃-Emission ist von der Form und Ausbringung der Dünger und vom Wassergehalt des Bodens abhängig. Bei einem pH-Wert von 8 werden 10 % des NH₄⁺-Düngers in Ammoniak umgewandelt und freigesetzt (Schachtschabel et al. 1992).

Die Entwicklung der anthropogen verursachten NH₃-Emissionen in Deutschland ist in der folgenden Tabelle dargestellt. Die Reduktion um 140.000 Tonnen (18 %) zwischen 1990 und 1999 ist überwiegend durch den Abbau der Tierbestände in den neuen Bundesländern verursacht (Umweltbundesamt 2001). Der Anteil der von der Düngeranwendung und damit vom Boden abhängig ist, hat sich dagegen nicht verringert.

Tabelle 110: Anthropogene Emissionen von Ammoniak in Deutschland

Emittentengruppen	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999
Emittentengruppen	1.000 Tonnen
Tierhaltung	655	-	553	-	539	533	534	524	525	517
Düngeranwendung	75	-	66	-	71	71	70	72	76	76
Industrieprozesse	18	-	10	-	8	10	10	9	9	9
Sonstige Quellen*	17	-	20	-	21	21	22	22	22	22
Gesamt	765	-	649	-	639	635	636	626	632	624

* Straßenverkehr, Feuerungsanlagen, DENOX-Anlagen in Kraftwerken.

Quelle: Umweltbundesamt (2001)

In Mecklenburg-Vorpommern könnte durch die Umsetzung des Klimaschutzkonzeptes jährlich die Emission von NH₃ um insgesamt etwa 2.000 Tonnen verringert werden. Das entspricht in etwa einem Treibhauspotential von 300.000 Tonnen CO₂-Äquivalenten (Ministerium für Bau, Landesentwicklung und Umwelt M-V 1997). Auch für Ammoniak liegen keine konkreten Angaben über die Emissionen in Mecklenburg-Vorpommern vor.

Gasförmige Emissionen aus dem Boden von Altlasten, Altablagerungen und aus anderen schädlichen Bodenveränderungen sollen an dieser Stelle nicht behandelt werden. Diese Stoffausträge, die Pflanzen und möglicherweise auch die menschliche Gesundheit gefährden, sind in Kapitel 4.2.3 kurz angesprochen.