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Moosmonitoring als Spiegel der Landnutzung?

Stickstoff-und Metallakkumulation in Moosen zweier Regionen Mitteleuropas

Moss monitoring as a mirror of land use?

Zusammenfassung

Ziel und Hintergrund

Die Bestimmung der Stickstoff-und Metallgehalte in Moosen gilt der Überprüfung der Hypothese, wonach historische und aktuelle Unterschiede in der Landnutzung zweier mitteleuropäischer Regionen signifikant unterschiedliche Stickstoff-(N) und Metallakkumulationen in terrestrischen Ökosystemen bedingen. Für die Untersuchung sollten zwei Untersuchungsregionen statistisch begründet ausgewählt werden. Die Verteilung der Probenentnahmeorte in den Regionen sollte deren landschaftsökologische Merkmalsausprägungen möglichst gut erfassen und mit vorangegangenen Untersuchungen weitgehend übereinstimmen. Die Zahl der beprobten Standorte sollte für geostatistisch valide Flächenschätzungen ausreichen.

Methoden

Eine mit Classification Trees berechnete ökologische Raumgliederung Europas diente als eine der Grundlagen zur Auswahl der Untersuchungsregionen sowie zur räumlichen Verteilung der Moosprobenentnahmestandorte in ihnen. Die Moosproben wurden nach einer einschlägigen UNECE-Richtlinie entnommen, präpariert sowie mit ICP-MS auf Metalle und mit einem Elementar-Analysator auf Stickstoff qualitätskontrolliert untersucht. Die statistische Signifikanz zeitlicher Unterschiede zwischen Messkampagnen und zwischen den Regionen wurde untersucht. Die räumliche Autokorrelation der Messwerte wurde variogrammanalytisch ermittelt und modelliert. Die Modellvariogramme bildeten die Grundlage für die Flächenschätzungen der Messwerte.

Ergebnisse

Als Untersuchungsregionen wurden die Euroregion Neiße (ERN) und die Weser-Ems-Region (WER) ausgewählt. Die in ihnen platzierten 24 bzw. 30 Probenentnahmestandorte repräsentieren das landschaftsökologische Merkmalsspektrum beider Regionen recht gut. Die Messergebnisse waren hinreichend präzise, um räumliche und zeitliche Trends verlässlich bestimmen zu können. Demnach zeigt sich deutlich, dass sich die in den europäischen Moosmonitoring-Kampagnen 1990, 1995 und 2000 erkennbare Abnahme der Metallakkumulation weiter fortsetzt. Hingegen liegen die Stickstoffgehalte im Vergleich mit skandinavischen Ländern auf einem hohen Niveau. Die Metallbelastungen in den Moosen der ERN übertreffen diejenigen in der WER statistisch signifikant. Demgegenüber verhält es sich mit den Stickstoffgehalten umgekehrt: Diese fallen in der WER deutlich höher als in der ERN aus. Dies reflektiert die hohen Ammoniak-Emissionsraten in der umgebenden Region.

Diskussion

Die Emissionsreduzierungen sind mit sinkenden Depositionen und Akkumulationen von Metallen in terrestrischen Ökosystemen korreliert. Bei der Stickstoffakkumulation lässt sich diese Tendenz jedoch nicht belegen.

Schlussfolgerungen

Das Moosmonitoring ist sehr gut geeignet, die Wirksamkeit umweltpolitischer Maßnahmen stoffspezifisch in räumlicher Differenzierung flächenhaft valide zu erfassen.

Empfehlungen und Ausblick

Die Anreicherung von Stickstoffverbindungen in den Ökosystemen ist nach wie vor ein ernstes Problem. Daraus resultierende Umweltprobleme sind die Eutrophierung von aquatischen Ökosystemen ebenso wie die Veränderung der Biozönosen in terrestrischen Ökosystemen. Die im Moosmonitoring erfassten Daten über die Metallexposition sollten zukünftig mit Daten zur Human-und Ökotoxikologie der Metalle verknüpft werden, um eine flächenbezogene Integration und Bewertung zu ermöglichen. Die Stoffpalette des Moosmonitoring sollte um Organika ergänzt werden.

Abstract

Goal, Scope and Background

The study was conducted to test the hypothesis that the regional variability of nitrogen (N) and metal accumulations in terrestrial ecosystems are due to historical and recent ways of land use. To this end, in two regions of Central Europe the metal and N accumulations in both regions should be examined by comparative moss analysis. The regions should be of quantitatively specified representativity for selected ecological characteristics of Europe. Within both regions these characteristics should be covered by the sites where the moss samples were collected. The number of samples should allow for geostatistical estimation of the measured nitrogen and metal loads.

Methods

The two regions of investigation were selected according to an ecological land classification of Europe which was computed by classification trees. Within each of both research areas the sampling points were localized according to the areas occupied by the ecologically defined land classes. The sampling and chemical analysis of mosses was conducted in accordance with an appropriate UNECE guideline by means of ICP-MS (metals) and combustion analysis (N). The quality of measurements was assured using certified reference materials. The differences of deposition loads were tested for statistical significance with regard to time and space. Variogram analysis was used to examine and model the spatial autocorrelation function of the measurements. Ordinary kriging was then applied for surface estimations.

Results

By use of the ecological regionalisation of Europe the Weser-Ems Region (WER) and the Euro Region Nissa (ERN) were selected for investigation. The sampling sites represent quite well the natural landscapes and the land use categories of both regions. The measurement values corroborate the decline of metal accumulation observed since the beginning of the European Mosses Monitoring Survey in 1990. The metal loads of the mosses in the ERN exceed those in the WER significantly. The opposite holds true for the N concentrations: those in the WER are significantly higher than those in the ERN.

Discussion

The decrease of heavy metal emissions is correlated with lowered deposition and accumulation rates in terrestrial ecosystems. The accumulation of nitrogen in the biosphere is not following this trend.

Conclusions

The technique of moss analysis is adequate for spatially valid biomonitoring of spatial and temporal trends of metals and nitrogen in terrestrial ecosystems. By this, it enables to prove the efficiency of environmental policies.

Recommendations and Perspectives

The accumulation of N in ecosystems is still a serious environmental problem. Related ecological impacts are the eutrophication of aquatic ecosystems like ground waters, lakes, rivers and oceans as well as the biocoenotic changes in terrestrial ecosystems. Thus, a statistically valid exposure analysis must encompass both, accumulation of metals and N bioaccumulation. Further, the bioaccumulation of persistent organic pollutants should be monitored. Finally, environmental biomonitoring should be conducted in much closer contact with human health aspects.

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Schröder, W., Hornsmann, I., Pesch, R. et al. Moosmonitoring als Spiegel der Landnutzung?. Environ Sci Eur 20, 62–74 (2008). https://doi.org/10.1065/uwsf2007.10.226

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Schlagwörter

  • Bioakkumulation
  • Biomonitoring
  • Geostatistik
  • GIS
  • Moosanalytik
  • ökologische Raumgliederung Europas
  • Schwermetalle
  • Stickstoff

Keywords

  • Bioaccumulation
  • eco-regionalisation of Europe
  • geostatistics
  • GIS
  • heavy metals
  • moss analysis
  • nitrogen