Luft: Wirkungskataster

Flechtenkartierung

Seit 1992 – in Gießen und Wetzlar bereits seit 1970 – werden in Hessen Flechten als Anzeiger für Wirkungen von Luftverunreinigungen erfasst. In den Jahren 1990–1993 erfolgte im Bundesland Hessen eine flächendeckende Flechtenkartierung, auf deren Basis eine Luftgütekarte erstellt wurde. Anschließend wurden sieben Dauerbeobachtungsflächen in repräsentativen Gebieten Hessens eingerichtet, in denen 1997, 2002, 2007 und 2012 Wiederholungskartierungen stattfanden.

Standen zu Beginn der Untersuchungen die Wirkungen von sauren Luftverunreinigungen im Vordergrund, sind heute Aussagen zu den Wirkungen eutrophierender Luftschadstoffe und klimatischer Veränderungen von Bedeutung.

I Eigenschaften der Flechten

Aufgrund der hohen Empfindlichkeit gegenüber Luftverunreinigungen lassen sich – vor allem auf Baumrinde lebende – Flechten als aussagekräftige Bioindikatoren nutzen. Daher kann man die Immissionsbelastung der Luft neben der physikalisch-chemischen Messung von Luftschadstoffen auch über die Methode der Flechtenkartierung darstellen.

Flechten sind Doppellebewesen: Sie bestehen aus einem Pilz und einer photosynthetisch aktiven Alge. Eine derartige Gemeinschaft wird Symbiose genannt. Flechten besitzen keinen Regulationsmechanismus zur Steuerung ihres Wasserhaushalts: Sie können weder Wasser aktiv aufnehmen noch bei Trockenheit die Wasserabgabe nennenswert bremsen. Dadurch gehen sie bei trockenem Wetter in einen stoffwechselinaktiven Zustand über, der erst durch erneute Wasserzufuhr beendet wird. Das beschriebene Verhalten wird als Wechselfeuchtigkeit bezeichnet.

Es gibt mehrere Gründe, warum Flechten sich als wenig toxitolerant erweisen:



Abb. 1: Rindenflechten-Gesellschaft

Aufgrund ihres langsamen Wachstums und ihrer Langlebigkeit sind Flechten besonders dazu geeignet, einen Überblick über die langfristige, durchschnittliche Gesamt-Immissionsbelastung durch Schadstoffe sowie über mikroklimatische Veränderungen zu vermitteln. Eine Änderung der lufthygienischen Situation wird somit erst mit einer Verzögerung von einigen Jahren angezeigt.

Als Wirkungskriterium für eine Belastung der Flechten wird im Allgemeinen eine Veränderung ihrer Vitalität herangezogen. Wie sich in vielen Untersuchungen gezeigt hat, verschwinden bei geringer Immissionsbelastung zunächst die empfindlichsten Flechten; mit zunehmender Konzentration von Schadstoffen gehen die mittelempfindlichen und schließlich auch die toxitolerantesten Arten zurück. Aus den Veränderungen im Flechtenbewuchs wird auf die Immissionsbelastung an den Untersuchungsstandorten geschlossen.

II Landesweite Flechtenkartierung Hessen

Zur Beurteilung der lufthygienischen Situation in Untersuchungsgebieten sind Flechten-Bioindikationsverfahren entwickelt worden. In der hessenweiten Kartierung wurde der natürliche Flechtenbewuchs von Bäumen Anfang der 90er Jahre nach dem in der VDI-Richtlinie 3799 [5] festgelegten Flechten-Kartierungsverfahren untersucht.

Die Erhebung erfolgte auf der Basis eines 2 km x 2 km-Netzes, das über das Land Hessen gelegt wurde. An den Schnittstellen dieses Netzes wurden – sofern vorhanden – jeweils 6–10 Bäume (innerhalb einer Fläche von 1 km2) auf ihren Flechtenbewuchs untersucht; diese Bäume stellen eine Untersuchungsstation dar.

Für die Kartierung wurden – entsprechend den Vorgaben der VDI-Richtlinie – freistehende Laubbäume herangezogen. Für eine gute Vergleichbarkeit der Ergebnisse sollen Bäume mit möglichst ähnlichen Borkeneigenschaften (also ähnlichen Wachstumsbedingungen für Flechten) beprobt werden. In der vorliegenden Untersuchung fiel die Wahl auf Baumarten mit subneutraler Rinde (überwiegend Apfel, Pappel und Esche). Die Bäume müssen freistehend sein, damit vergleichbare Licht-, Wind- und Feuchtigkeitsbedingungen vorliegen.

Innerhalb einer definierten Aufnahmefläche am Baumstamm werden die Artenzahl und die Häufigkeit der vorkommenden Flechten erfasst. Für jede gefundene Flechtenart wird festgehalten,  in wie vielen Feldern des Aufnahmegitters die Art vorkommt (Frequenz). Obwohl vor Ort in der Regel alle Arten kartiert wurden, gingen in die Auswertung lediglich jene ca. 60 Arten ein, die die VDI-Richtlinie vorgibt; es handelt sich dabei um solche Flechtenarten, die in Mitteleuropa noch einigermaßen häufig vorkommen. In [2] und [3] sind die VDI-Flechten mit farbigen Abbildungen und Bestimmungsschlüsseln zusammengestellt.

Die Berechnung des Luftgütewerts einer Station erfolgte nach der in der VDI-Richtlinie vorgeschriebenen Methode. Er wird aus der Summe der Frequenzen aller VDI-Flechten, die innerhalb der Aufnahmefläche vorkommen, ermittelt. Ein hoher Wert ist gleich bedeutend mit zahlreichen Flechtenarten, die gleichzeitig eine hohe Häufigkeit erreichen. Die Luftgütewerte der 4 Eckpunkte eines Rasterquadrats werden später gemittelt und auf dessen Fläche bezogen.

Um eine übersichtliche kartographische Darstellung zu erzielen, werden die Luftgütewerte zu Luftgüteklassen zusammengefasst. Die Breite der Klassen richtet sich dabei nach der verfahrensbedingten Messwertstreuung [5]. Die Klassen wurden in einer Luftgütekarte des Landes Hessen bildlich wiedergegeben.

II.1 Immissionsabhängigkeit der Flechtenverteilung

Um zu klären, welche Faktoren die Existenz der Flechten beeinflussen, wurden Korrelationsberechnungen zwischen dafür in Frage kommenden Umweltfaktoren und dem Vorkommen der Flechten vorgenommen.

Ein Vergleich der Luftgütewerte mit den Parametern Geologie des Untergrunds, Nebelhäufigkeit und Meereshöhe weist nirgends eine deutliche Beziehung auf und  auch zu den Niederschlägen muss ein klarer Zusammenhang verneint werden.

Auch zu der Verkehrsdichte, der landwirtschaftlichen Situation und der Siedlungsstruktur ist in der Umgebung der Messflächen keine Beziehung zu den Luftgütewerten zu erkennen.

Deutlich negative Beziehungen sind jedoch zwischen dem Vorhandensein von Stickstoffverbindungen sowie – stärker noch – zwischen dem toxischen Schwefeldioxid und den Existenzmöglichkeiten der Flechten zu erkennen.

Im Einzelnen sind die Ergebnisse der Korrelationsberechnungen in [4] nachzulesen.

II.2 Beschreibung der Luftgütekarte 1990–1993

Im Auftrag des HLUG wurde eine hessenweite Flechtenkartierung im Zeitraum 1990 bis 1993 unter der Leitung von Herrn Prof. Kirschbaum (Fachhochschule Gießen-Friedberg) durchgeführt. Die landesweite Kartierung eines Bioindikators mit einem Messnetz dieser Dichte ist bisher einmalig. Die Ergebnisse der Untersuchung sind in einem ausführlichen Bericht [1] dargestellt.

Auf der Karte lassen sich deutliche Unterschiede des Flechtenbewuchses – und somit auch der Luftgütewerte – ablesen:

 

III Erhebungsverfahren gemäß VDI-Richtlinie 3957 [7]

Im Jahr 2005 wurde die der hessenweiten Kartierung zugrunde liegende VDI-Richtlinie 3799 [5] durch die überarbeitete VDI-Kartierungsrichtlinie 3957 (Blatt 13, 2005) [7] abgelöst.

In den letzten beiden Jahrzehnten war eine explosionsartige Zunahme der Flechtenvielfalt zu beobachten, die zum einen auf die Reduzierung des toxischen Schwefeldioxids seit den 80er Jahren und zum anderen auf eine Zunahme luftgetragener Stickstoffverbindungen mit einem vermehrten Auftreten von Eutrophierungszeigern zurückzuführen ist. Da eine Eutrophierung negative Auswirkungen auf die pflanzliche und tierische Artenvielfalt hat, wird das Auftreten eutrophierungstoleranter Flechten negativ bewertet. Die neue VDI-Richtlinie trägt dieser Entwicklung Rechnung.

So stellt die aktuelle VDI-Richtlinie Eutrophierungszeiger den übrigen Arten gegenüber, die als Referenzarten günstige lufthygienische Bedingungen anzeigen. Die Diversität beider Gruppen wird in jeder Messfläche (ca. 10 Bäume) getrennt erfasst und bei der Auswertung getrennt bewertet.

 

Bewertungsmatrix
Abb. 3: Bewertungsmatrix zur Ermittlung der Luftgüte anhand der Kombination der Diversitätswerte der Referenzarten und der Eutrophierungszeiger

In der Bewertungsmatrix werden die Diversitätswerte der Referenzarten und der Eutrophierungszeiger aufgetragen. Der Luftgüteindex, der zwischen der Bewertung der Luftgüte und der eutrophierender Luftschadstoffe unterscheidet, setzt sich aus zwei durch einen Punkt getrennte Ziffern zusammen (Kombination der Diversitätswerte der Referenzarten und der Eutrophierungszeiger). Die erste Ziffer des Indexes entspricht der Luftgüte und ist mit der Farbe gekoppelt, die jeder Messfläche dann entsprechend der dort ermittelten Diversitätswerte zugewiesen wird (siehe Abb. 3).

Die verbale Beschreibung des Luftgüteindexes geben die folgenden zwei Abbildungen wieder:

erläuterungen zur Bewertungsmatrix
Abb. 4: Erläuterungen zur Bewertungsmatrix

 

Verbale beschreibung des Luftgüteindexes
Abb. 5: Verbale Beschreibung des Luftgüteindexes

 

IV Flechtenkartierung in Dauerbeobachtungsflächen

Seit 1992 wurden in Hessen 7 Flechten-Dauerbeobachtungsflächen (DBF) eingerichtet, die im 5-jährigen Rhythmus untersucht werden. Eine weitere zusätzliche Beobachtungsfläche liegt am Flughafen Frankfurt/Main. Zudem wurden zwei weitere Stationen für eine Untersuchung von Flechten als Klima-Anzeiger (siehe Karte) eingerichtet.

Seit Beginn erfolgen die Untersuchungen nach den jeweils gültigen VDI-Richtlinien mit der derzeit gültigen Methode nach VDI 3957 Blatt 13 (Luftgüteuntersuchung) [7] und Blatt 8 (Folienverfahren) [6].

Die Einführung der neuen VDI-Richtlinie 3957 in 2005 [6] brachte v.a. Unterschiede hinsichtlich der Methodik der Flechtenaufnahme (Kartierung) und der Interpretation der Ergebnisse mit sich. Um die Kontinuität und Vergleichbarkeit der hessischen Ergebnisse zu sichern, wurde an den hessischen DBF weiterhin nach der alten Aufnahmetechnik gearbeitet (was die neue Richtlinie erlaubt), die Auswertung richtet sich jedoch nach den neuen Vorgaben der VDI-Richtlinie 3957.

Da für die Mehrzahl der älteren Kartierungen die Grunddaten noch vorhanden waren, konnten sie nach der neuen VDI-Richtlinie ausgewertet und so die Vergleichbarkeit mit den bisherigen Ergebnisse gewährleistet werden. Nur für die Ergebnisse von 1970 für Gießen und Wetzlar war dies nicht möglich, so dass hier eine eingeschränkte Vergleichbarkeit vorliegt.

 

V Ergebnisse

V.1 Flechtenkartierungen Wetzlar/Gießen

Die Ergebnisse der Flechtenkartierung für die Stadtgebiete von Gießen und Wetzlar stellen die längste Zeitreihe für Hessen zur Verfügung. Die Kartierung dieser Flächen, die nicht identisch mit der DBF Gießen sind, wird unabhängig von den DBF-Kartierungen durchgeführt.

Erhebungen liegen für Gießen und Wetzlar für 1970, 1985, 1995 und 2005 vor und konnten – wie bereits erwähnt – nach der neuen VDI-Richtlinie mit Ausnahme der 1970er Daten ausgewertet werden.
Dabei zeigt sich im Laufe dieser Zeit ein stetiger Anstieg der Flechten-Artenzahlen, der auf eine verbesserte lufthygienische Situation hinweist.

1970 existierte um Wetzlar ähnlich wie an anderen Orten (z. B. Frankfurt) eine „Flechtenwüste“. Der Eutrophierungswert lag zu dieser Zeit fast durchweg bei 1, was auf einen sehr geringen Einfluss düngender Schadstoffe hinweist. 2005 war die Luftgüte wieder besser, jedoch mit z. T. hohen Eutrophierungswerten.
Für Gießen ist eine ähnliche Entwicklung auf etwas niedrigerem Niveau und mit niedrigeren Eutrophierungswerten als für Wetzlar festzustellen.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass

V.2 Hessische Dauerbeobachtungsflächen (DBF)

Kartierungen in den seit 1992 eingerichteten DBF werden alle 5 Jahre durchgeführt. Die letzte Erhebung fand 2012 statt. Die Karte zeigt die Lage der sieben hessischen DBF, der zusätzlichen Untersuchungsfläche am Flughafen Frankfurt/Main und zwei kleineren zusätzlichen Untersuchungsflächen im Rheingau und im Odenwald  für das Klimawandel-Biomonitoring.

Einen Überblick über das hessische Monitoringprogramm gibt die nachfolgende Tabelle:


Lu: Luftgüteuntersuchung nach VDI 3957 Blatt 13
Fo: Folienverfahren nach VDI 3957 Blatt 8
Kl: Klimawandel-Biomonitoring

 

In den sieben für Dauerbeobachtungen vorgesehenen Arealen wurde jeweils eine 8 x 8 km große Teilfläche für die Flechtenkartierung ausgewählt.

Eine weitere größere Untersuchungsfläche (14 x 14 km) für eine immissionsbezogene Flechtenkartierung liegt im Umfeld des Frankfurter Flughafens; die Ergebnisse werden gesondert im nächsten Abschnitt dargestellt.

Die Erhebung in den DBF erfolgt an den Kreuzungspunkten eines 2 x 2 km-Netzes. Daraus ergeben sich jeweils 25 Messflächen von 1 km²-Größe (siehe Abb. 6), in denen die Flechtenerhebung an je 6 bis 10 geeigneten Bäumen nach den Festlegungen der Richtlinie durchgeführt wird.

Messnetz für die Dauerbeobachtungsflächen (Beispiel DBF „Spessart“)
Abb. 6: Messnetz für die Dauerbeobachtungsflächen (Beispiel DBF „Spessart“)

 

Die Entwicklung im Einzelnen

Die Luftgüteuntersuchung 2012 wurde nach VDI-Richtlinie 3957 Blatt 13 [7] durchgeführt; aus den Daten zum Vorkommen und der Häufigkeit (Frequenz) der Flechten wird der Luftgüteindex berechnet. Referenzarten und Eutrophierungszeiger werden getrennt betrachtet. Die Entwicklung der Referenzarten wird für die Beurteilung der Luftgüte herangezogen, eutrophierungstolerante Flechtenarten zeigen die zunehmenden Auswirkungen luftgetragener Nährstoffverbindungen an.

Weiterhin wurden mit dem Folienverfahren Blatt 8 der o.g. VDI-Richtlinie [6] beispielhaft für vier häufige Blattflechtenarten mit deutlich unterschiedlichen ökologischen Ansprüchen die Deckungsgrade kartiert. Diese Ergebnisse sind im Bericht (Kap. 5.3.2) nachzulesen.

 

DBF Diemelstadt
Die DBF wurde 1992 als mittel belastet eingestuft. Die Referenzarten bleiben zunächst über die Jahre relativ konstant auf mittlerem Niveau und steigen in Häufigkeit und Artenzahl erst 2012 deutlich an. Die Häufigkeit der Eutrophierungszeiger bleibt zunächst unter der der Referenzarten. Ab 1997 jedoch erfolgt eine rasche Zunahme dieser Arten: Die Häufigkeit der Eutrophierungszeiger übersteigt nun immer deutlicher die der Referenzarten. Zwischen 2007 und 2012 kommt es zu einem sprunghaften Anstieg der eutrophierungstoleranten Arten.

Zwischen 1992–2007 nehmen die Messflächen, die eine mittlere Luftgüte aufweisen, zu. Es gibt keine Messfläche mehr, die sehr stark belastet ist; jedoch nehmen auch die Messflächen mit hoher oder sehr hoher Luftgüte ab. Insbesondere zwischen 1992–1997 ist eine deutliche Verbesserung der Luftgüte-Indizes zu erkennen. Zwei Messflächen mit geringer Luftgüte (orange) in 2007 sind in 2012 nicht mehr anzutreffen, was auf eine verbesserte lufthygienische Situation hinweist.

DBF Melsungen
Melsungen war die 1992 am stärksten belastete DBF mit der geringsten Frequenz sowohl bei den Referenzarten als auch bei den Eutrophierungszeigern. Nach der Stilllegung starker SO2-Emittenten in Sachsen und Thüringen Anfang der 90er Jahre erholte sich die Flechtenvegetation.

1992 gehörten 65 % aller Flächen in die Klasse „Luftgüte sehr gering“; 2012 fällt nur noch eine Fläche in diese Klasse. Mittlerweile zählt die Mehrzahl der Flächen zur mittleren Belastungsklasse, vier Flächen erreichen die Klasse „hohe Luftgüte“. Der Trend zur Verbesserung der lufthygienischen Situation hat sich von 1992 bis 2012 kontinuierlich fortgesetzt.

Während 2002 noch die Referenzarten überwiegen, übertreffen 2007 die Eutrophierungszeiger in Artenzahl und Frequenz die der Referenzarten. Die starke Zunahme der Eutrophierungszeiger hat sich auch 2012 fortgesetzt.

DBF Rhön
Die Rhön wies 1992 von allen Flächen die höchste Artenzahl und Frequenz der Referenzarten auf.  Der beobachtete deutliche Rückgang der Referenzarten von 1992 bis 2002 hat sich jedoch 2007 und 2012 nicht fortgesetzt. In den letzten fünf Jahren hat sich die ohnehin günstige lufthygienische Situation weiter verbessert.

Jedoch steigen die Eutrophierungszeiger auch hier kontinuierlich an, wobei weiterhin noch die Referenzarten überwiegen. Die Rhön ist durchgängig die am wenigsten belastete Fläche mit relativ artenreicher Flechtenvegetation. 1992 zählte ein gutes Drittel der Messflächen zur Klasse mit der höchsten Luftgüte; keine Fläche gehörte zu den beiden ungünstigsten lufthygienischen Klassen. Auch 2012 sind die beiden ungünstigsten lufthygienischen Klassen an der DBF Rhön nicht vertreten, die Wirkung eutrophierender Luftschadstoffe nimmt jedoch zu.  

DBF Gießen
Gießen war 1992 als hoch belastet eingestuft. In den Folgejahren hat die Zahl der Referenzarten sowie der Eutrophierungszeiger zugenommen. Zum Ende des Jahrhunderts erreichen die Eutrophierungszeiger jedoch bereits ein Übergewicht. Die Dominanz der Eutrophierungszeiger setzt sich bis 2012 deutlich fort.

Von 1992 bis 2007 nehmen Messflächen mit mäßiger Luftgüte kontinuierlich und stark zu, Flächen mit sehr geringer oder geringer Luftgüte nehmen ab. 2007 waren knapp 10 % der Messflächen als gering belastet einzustufen. 2012 stieg die Zahl der Flächen mit geringer Luftgüte von drei Flächen in 2007 auf vier Flächen in 2012 an. Die positive Entwicklung der Referenzarten ist durch die überproportional starke Zunahme der Diversität der Eutrophierungszeiger hinsichtlich der Luftgüte abgewertet worden.

DBF Limburg
1992 war die DBF Limburg als gering belastet mit hohen Flechten-Diversitätswerten insbesondere der Referenzarten eingestuft worden. Bis 2007 nimmt die Häufigkeit der Referenzarten ab, die Eutrophierungszeiger steigen an und ab 2007 sind sie in der Überzahl. 2012 ist nochmals ein starker Anstieg der Eutrophierungszeiger festzustellen, jedoch nimmt auch die Diversität der Referenzarten wieder zu.

Im gesamten Zeitraum zeigt sich eine relativ konstante Belastungssituation. Lediglich die Klasse „sehr hohe Luftgüte“ konnte seit 2007 nicht mehr erreicht werden.

Die schlechtere Einstufung der Messfläche Weyer von hoher Luftgüte (grün) zu geringer Luftgüte (orange) hat methodische Ursachen: Die bisher kartierten Apfel- und Birnbäume waren nicht mehr geeignet und mussten durch junge Spitzahorne und Eschen ersetzt werden, die vorwiegend Eutrophierungszeiger aufwiesen und möglicherweise bereits von den jungen Bäume bei der Pflanzung mitgebracht wurden.

DBF Spessart
Die als gering belastet eingestufte DBF zeigt im Laufe des Beobachtungszeitraumes eine Abnahme der Referenzarten bei gleichzeitiger Zunahme der Eutrophierungszeiger. Ein Übergewicht der Eutrophierungszeiger ist bisher jedoch nicht zu beobachten.

Die 1992 gering belastete Fläche zeigt seit Jahren eine Verschlechterung der lufthygienischen Situation. Messflächen mit hoher Luftgüte nehmen ab, solche mit geringerer Luftgüte nehmen zu.  Im Vergleich aller DBF stellt sich die Entwicklung der DBF Spessart bis 2007 – allerdings auf weiterhin hohem Niveau der lufthygienischen Situation –  am ungünstigsten dar.
2012 jedoch ändert sich diese Situation: Die Bestände der Referenzarten erholen sich. 2012 erreichen alle Messflächen eine hohe Luftgüte, eine Messfläche sogar die beste Kategorie „sehr hohe Luftgüte“. Allerdings nehmen weiterhin auch die Eutrophierungszeiger deutlich zu.

Die Verbesserung von zwei Messflächen im Südosten um mehr als eine Stufe ist jedoch auf methodische Gründe zurückzuführen (Beweidung der Flächen), weshalb 2012 dann Ersatzbäume ausgewählt wurden.  An der anderen Messfläche (bei Jossa) haben sich aber tatsächlich sieben Flechtenarten neu angesiedelt.

DBF Biebesheim
Die DBF gehört mit den DBF Melsungen und Gießen zu den hoch belasteten Dauerbeobachtungsflächen. Die Häufigkeit der Referenzarten nimmt zunächst zu mit einer Stagnation in 2002 und 2007, die der Eutrophierungszeiger nimmt kontinuierlich zu. 
Die DBF Biebesheim wurde 1992 als stark belastet eingestuft. Von 1992 bis 1997 nahm die Anzahl der Messflächen mit mittlerer Luftgüteklasse stark zu, seither ist der Trend jedoch wieder rückläufig.

Eine Einschränkung erfahren die Ergebnisse dieser DBF dadurch, dass ca. 25 % der Messflächen durch Fällen von Bäumen vernichtet wurden und – soweit möglich – ersetzt werden mussten.

2012 ist nun eine Zunahme der Referenzarten zu verzeichnen, so dass keine Messfläche mehr sehr geringe Luftgüte aufweist. Der weitaus größte Teil der Messflächen erreichte mittlere Luftgüte; nur drei Messflächen fallen noch in die Kategorie „geringe Luftgüte“. Bei den Eutrophierungszeigern war in den letzten 5 Jahren jedoch eine sprunghafte Zunahme zu beobachten.

Zusammenfassung der Entwicklungen in den DBF

Die artenreiche Flechtenvegetation der vorindustriellen Zeit aus Acidophyten (saure Substratbedingungen bevorzugend), Neutrophyten (neutrale bis subneutrale Umweltbedingungen bevorzugend) und Nitrophyten (unter nährstoffreichen Bedingungen vorkommend) hat sich mit der SO2-bedingten Versauerung Mitte des 20. Jahrhunderts stark verringert. Mit abnehmender Versauerung Ende des Jahrhunderts haben Flechtenvegetation und Artenzahl – zunächst insbesondere bei den Acidophyten – wieder zugenommen.

Je nach Vorbelastung der DBF hat sich die positive Entwicklung der Luftgüte unterschiedlich (stark) auf das Vorkommen von Acidophyten, Neutrophyten und Nitrophyten ausgewirkt. Sowohl Acidophyten als auch Neutrophyten zählen zu den Referenzarten und beeinflussen somit den Luftgüte-Index:

  • Bei den Referenzarten wirkt sich der Rückgang saurer Schadstoffe bis heute unterschiedlich aus: In ursprünglich (1992) hoch belasteten DBF nehmen die Referenzarten zu, in geringer belasteten gehen sie zurück.
  • Die Entwicklung der sauren Schadgase lässt den Schluss zu, dass die in der Vergangenheit bedeutsamen sauren Immissionen ihre Bedeutung verlieren und in den Ökosystemen hinsichtlich dieses Immissionsfaktors allmählich vorindustrielle Verhältnisse erreicht werden.
  • In allen hessischen DBF nimmt die Anzahl der Eutrophierungszeiger seit 1992 kontinuierlich zu, zwischen 2007 und 2012 haben sie stark oder sogar sprunghaft zugenommen: Von 2002 bis 2007 stiegen die Diversitätswerte für Eutrophierungszeiger um 25 %,  von 2007–2012 um weitere 35 % (Abb. 7).

  • Abb. 7: Zeitlicher Verlauf der Flechten-Diversitätswerte für alle DBF

    Die höchsten Flechten-Diversitätswerte der Eutrophierungszeiger sind 2012 in der DBF Diemelstadt (Abb. 8), gefolgt von Biebesheim und Limburg, zu finden, die niedrigsten in der DBF Rhön (Abb. 9).


    Abb. 8: Entwicklung der Flechten-Diversitätswerte 1992-2012 DBF Diemelstadt


    Abb. 9: Entwicklung der Flechten-Diversitätswerte 1992-2012 DBF Rhön

     

    Die folgende Grafik verdeutlicht nochmals die unterschiedliche Entwicklung der Flechtenvegetation.

    Verhalten von Acido-, Neutro- und  Nitrophyten unter verschiedenen lufthygienischen Bedingungen
    Abb. 10: Verhalten von Acido-, Neutro- und  Nitrophyten unter verschiedenen lufthygienischen Bedingungen

    Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich die lufthygienische Situation in den letzten fünf Jahren an allen hessischen DBF verbessert hat – mit Ausnahme der DBF Gießen. Parallel zu dieser günstigen Entwicklung nehmen jedoch Eutrophierungszeiger – Arten, die durch einen übermäßigen Nährstoffeintrag gefördert werden – zu. Dies führt zu Veränderungen im Flechtenartenspektrum und könnte in Zukunft zu einer Umkehr der positiven Entwicklung führen.

    Die Ergebnisse aus den DBF lassen folgende Schlussfolgerungen zu:

  • Ein direkter negativer Einfluss von SO2  auf die menschliche Gesundheit ist nicht mehr zu befürchten.
  • Einige DBF nähern sich dem Optimalzustand, andere haben ihn bereits leicht überschritten.
  • Eine weitere sehr deutliche Verschiebung der Flechtenvegetation zugunsten der Nitrophyten führt zu einer Verringerung der Diversität von Ökosystemen (Abnahme von z. B. Heiden oder Waldgesellschaften auf sauren und nährstoffarmen Standorten) und erfordert Maßnahmen.
  • Flechten eignen sich besonders gut als Frühwarnsystem für Veränderungen der Luftzusammensetzung.
  • V.3 Flechtenkartierung im Umfeld des Frankfurter Flughafens

    Im Jahr 2007 wurde außerdem eine Flechtenkartierung nach der VDI-Richtlinie 3957 Blatt 13 [7] am Flughafen Frankfurt/Main durchgeführt (entsprechend den Flechtenkartierungen an den hessischen DBF). Für das Jahr 1992 lagen aus der Gesamtkartierung des Landes Hessen die Ergebnisse der Flechtenkartierung vor. In Abweichung von den anderen DBF wurde das Untersuchungsgebiet auf 14 x14 km mit insgesamt 49 Messstellen je 1 km² Größe festgelegt.

    Lage und Abgrenzung des Untersuchungsgebietes „Flughafen Frankfurt/Main“
    Abb. 11: Lage und Abgrenzung des Untersuchungsgebietes „Flughafen Frankfurt/Main"

    Zwischen 1992 und 2007 hat sich im Untersuchungsgebiet Flughafen sowohl die Artenzahl mehr als verdoppelt als auch die mittlere Anzahl von Flechtenarten pro Station erhöht. 1997 und 2002 wurden keine Kartierungen durchgeführt. Allerdings lässt sich ein Großteil des Zuwachses auf eine Zunahme der Eutrophierungszeiger infolge einer verstärkten Einwirkung eutrophierender Substanzen (z. B. luftgetragene Stickstoffverbindungen), wie sie an allen hessischen DBF zu beobachten ist, zurückführen.

    Weiterhin ist ein Rückgang von Acidophyten festzustellen, der durch eine Verminderung saurer Immissionen (Schwefeldioxid) zu erklären ist, jedoch noch etwas weniger stark ausgeprägt ist als in den übrigen DBF Hessens.

    Eine Zunahme der meisten Referenzarten weist jedoch auf eine Verbesserung der lufthygienischen Bedingungen hin, die sich auch 2012 fortgesetzt hat. Aktuell weisen 50% der Messflächen die Kategorie „mittlere Luftgüte“ (gegenüber 10 % in 1992) und 41,7 % sogar eine „hohe Luftgüte“ (1992 nicht vertreten) auf; nur zwei Messflächen haben „geringe Luftgüte“ [9].


    Abb. 12: Entwicklung der Luftgüte-Indizes im Umfeld des Flughafens Frankfurt (1992-2012)                                

     

    Zusammenfassung und Bewertung

    Für alle hessischen DBF (einschl. Flughafen) lässt sich festzustellen, dass

  • zu Beginn der Flechtenuntersuchungen 1992 an allen DBF (einschl. Frankfurt Flughafen) eine völlige Verarmung der Flechtenvegetation zu finden war,
  • mit einer zunehmenden Verbesserung der lufthygienischen Verhältnisse die Artenzahl der Rückeinwanderer auch empfindlicher Spezies stieg,
  • zwischen 1992 bis 2012 die Anzahl der Arten, die durch eutrophierende Luftschadstoffe begünstigt werden, deutlich zunahm,
  • ein Einfluss des Flughafens auf die Flechtenvegetation nicht nachweisbar ist.
  • Die  Bioindikation von Luftschadstoffen ist eine wertvolle zusätzliche Erhebungsmethode neben der technischen Luftanalyse. Beide Verfahren ergänzen sich in ihren Aussagemöglichkeiten. Technische Immissionsmessungen führen zu einer quantitativen Bestimmung der untersuchten Schadstoffe zum Zeitpunkt der Messung; sie erlauben aber in Bezug auf Mensch, Tier und Pflanze lediglich eine Einschätzung der Gefährdung. Der Einsatz von Bioindikatoren kann zwar nur eine Abschätzung der Immissionssituation leisten, hat dafür aber den Vorteil der integrierten Bestimmung tatsächlicher Wirkungen des vorhandenen Luftschadstoffgemischs auf Lebewesen.

     

    VI Flechten als Anzeiger des Klimawandels

    Flechten reagieren äußerst sensitiv auf Veränderungen der Umweltbedingungen. Es ist also auch anzunehmen, dass sich Veränderungen in Folge des Klimawandels auf bestimmte Flechtenarten auswirken werden.

    Veränderungen bei den Niederschlägen –  insbesondere in ihrer jahreszeitlichen Verteilung – , dem atmosphärischen Wasserdampfgehalt und steigende Temperaturen sowie die CO2-Gehalte der Atmosphäre können die ganzjährig stoffwechselaktiven Flechten fördern.

    VI.1 Methodische Grundlagen und Ergebnisse des Klimawandel-Biomonitorings


    In Hessen wurden erstmals im Jahr 2007 Flechten als Zeiger des Klimawandels untersucht. 2012 wurde nun zum zweiten Mal ein Biomonitoring des Klimawandels mit Flechten durchgeführt. Die Methodik für das Klimawandel-Biomonitoring mit Flechten wurde zwischenzeitlich  weiterentwickelt.
    Aufgrund vorhandener umfangreicher Orginaldokumente aus früheren Jahren sind jedoch auch rückwirkende Auswertungen für Hessen möglich.

    Erhebung 2007

    In Hessen wurden vom Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie im Jahr 2007 Untersuchungen nach den Vorgaben des VDI-Richtlinienentwurfs durchgeführt, die Flechten als Bioindikatoren zur Ermittlung und Beurteilung der Wirkung des Klimawandels verwendet (VDI 3957 Blatt 20; Vorentwurf) [8]. Dazu wurden über Hessen verteilt an neun klimatisch unterschiedlichen Flächen (an den 7 bereits bestehenden DBF und zwei weiteren zusätzlich eingerichteten Flächen im Rheingau (sehr warm) und im Odenwald (kühl)) jeweils 30 Mauerabschnitte (epiphythische Flechten) und 20 Bäume (epiphytische Flechten) auf ihren Flechtenbewuchs untersucht (siehe Karte).

    Da im Jahr 2007 noch wenige Individuen von Wärmezeigern erwartet wurden, wurden sowohl Baumflechten als auch Gesteinsflechten sowie ausreichende Untersuchungsflächen (von der Anzahl und Größe her) einbezogen. Außerdem wurden alle Flechten (nicht nur die als Wärmezeiger geltenden Arten) erfasst.

    Bei den Gesteinsflechten zeigten sich deutliche Korrelationen zwischen der Häufigkeit der Wärmezeiger und der Tagesmitteltemperatur (besonders der des Winterhalbjahrs). Zudem ergab sich eine Korrelation zwischen den Wärmezeigern und der Höhe des Niederschlags.

    Temperatur-Zeigerwerte für Flechten in Mitteleuropa
    Abb. 13: Temperatur-Zeigerwerte für Flechten in Mitteleuropa

    Anhand von Temperatur-Zeigerwerten für Flechten lässt sich die Entwicklung für die hessischen Untersuchungen zeigen: Im gesamten Bundesland  hat sich in den letzten 15 Jahren die Anzahl und Häufigkeit von Kühlezeigern verringert, die von Flechten mit höheren Temperaturansprüchen jedoch erhöht. Bis 2007 hat sich ein relativ einheitlicher Temperaturzeigerwert in allen DBF eingestellt.

    Entwicklung der Temperaturzeigerwerte von Flechten
    Abb. 14: Entwicklung der Temperaturzeigerwerte von Flechten

    Zusammenfassend ist festzustellen, dass

  • bei Baumflechten wegen einer noch zu geringen Zahl von Wärmezeigern noch keine Aussage möglich ist, bei Gesteinsflechten sich jedoch eine deutliche Abhängigkeit des Flechtenvorkommens in Abhängigkeit von Klimafaktoren – insbesondere der Temperatur – zeigt,
  • wechselfeuchte Flechten sehr schnell auf klimatische Veränderungen reagieren und so als Frühwarnsystem eingesetzt und als Bioindikatoren zur Ermittlung und Beurteilung des Klimawandels verwendet werden können.
  • Die Ergebnisse sind in [4] nachzulesen.

    Erhebung 2012

    Seit 2007 wurden die methodischen Grundlagen für das Biomonitoring des Klimawandels mit Flechten weiterentwickelt. Grundlage des Vorgehens in 2012 ist der VDI-Richtlinienentwurf  „VDI 3957 Blatt 20 (Stand 2013) Biologische Messverfahren zur Ermittlung und Beurteilung der Wirkung von Luftverunreinigungen mit Flechten (Biomonitoring). Kartierung von Flechten zur Ermittlung der Wirkung von lokalen Klimaveränderungen (Vorentwurf)“ [8].

    Da mit dem Klimawandel-Biomonitoring neue Vorgaben aus der VDI-Richtlinie (Vorentwurf) zum Einsatz kommen, werden in Fortentwicklung des Vorgehens aus dem Jahr 2007 bei der Erhebung 2012 ebenfalls weitere Varianten der Auswertung angewandt. Sie basieren auf den für Flechten vorliegenden ökologischen Zeigerwerten, die erstmals bereits 1991 veröffentlicht und 2010 aktualisiert wurden (Wirth 1991, 2010) [11] [12].

    Im Fokus für ein Klimawandel-Biomonitoring stehen die Zeigerwerte für Temperatur, Feuchte und Kontinentalität. Wegen zu erwartender Wechselwirkungen werden jedoch auch Eutrophierungszeigerwerte (N, Düngungstoleranz) und Reaktionszeigerwerte (Aufschluss über pH-Verhältnisse der Flechtenhabitate) ausgewertet.

    Für die Auswertung herangezogen werden:
    - Wärmezeiger (WZ) – hier wird ausschließlich die Temperaturzahl der Flechten herangezogen (Temperaturzahl zwischen 7 und 9) (vgl. Abb. 13).
    - Klimawandelzeiger (KWZ) -  dafür werden in einem mehrstufigem Verfahren Flechtenarten selektiert.

    Die Selektion von KWZ erfolgt in 3 Schritten:


    Abb. 15: Schema der Selektion von Klimawandelzeigern nach Zeigerwerten

    Aus dieser gestuften Selektion ergeben sich die Arten, die in den VDI-Richtlinienentwurf aufgenommen wurden und als Klimawandelzeiger herangezogen werden.

    Weitere Einzelheiten zum methodischen Verfahren werden in [10] beschrieben.  

    Kartiert wurde 2012 sowohl an standardisierten Trägerbäumen gemäß VDI-Richtlinienentwurf („VDI-Bäume“) als auch an sog. „Klimabäumen“ ; dies sind Bäume, die nicht den streng standardisierten Vorgaben der Richtlinien entsprechen mit dem Ziel, auch erst vereinzelt eingewanderte Wärmezeiger aufzufinden.

    Mauern wurden ebenfalls untersucht, konnten jedoch bei der Auswertung von KWZ nicht einbezogen werden, da die Liste der Klimawandelzeiger nur epiphytische Flechten aufführt.  

    Ergebnisse:

    Insgesamt wurden 2012 neben den 1.368 VDI-Bäumen für die Luftgüteuntersuchung weitere 200 Bäume und 300 Mauerabschnitte für das Klima-Biomonitoring kartiert. Im Folgenden werden jedoch nur die Ergebnisse der Kartierung an standardisierten Trägerbäumen, den sog. VDI-Bäumen, dargestellt. Alle Ergebnisse können im Bericht [10] nachgelesen werden.

    Wärmezeiger (WZ):
    Die Entwicklung der Flechtenbestände an standardisierten Trägerbäumen konnte aus langjährigen Datenbeständen aus der immissionsbezogenen Kartierung, weitestgehend nach dem derzeitigen Stand des VDI-Richtlinienentwurfs [8], ausgewertet werden. Seit 2007 erfolgt eine Aufnahme wärmeliebender Flechtenarten.

    Wärmezeigende Spezies haben weiterhin – wie bereits in 2007 – auch 2012 einen sprunghaften Anstieg gezeigt. Neu hinzugekommene Arten konnten dokumentiert werden.

    Klimawandelzeiger (KWZ):
    Von den insgesamt 46 für das Monitoring zur Verfügung stehenden Arten (Beschreibung der Auswahl Abb. 15)konntenan den hessischen Untersuchungsflächen 14 dieser Arten gefunden werden. In den letzten Jahren nahmen sowohl die Zahl als auch die Häufigkeit dieser Arten deutlich zu. Die regionalen Schwerpunkte der gefundenen KWZ liegen in den  Untersuchungsgebieten Frankfurt Flughafen und Limburg.

    Die Abbildungen 16 und 17 zeigen die Entwicklung der Wärme- sowie der Klimawandelzeiger. Abgebildet wird die mittlere Häufigkeit der Arten. Ein Wert von 0,5 bedeutet, dass statistisch gesehen an der Hälfte der kartierten Bäume eine Zeigerart gefunden wurde.


    Abb. 16: Entwicklung Flechten-Diversitätswert der Wärmezeiger


    Abb. 17: Entwicklung Flechten-Diversitätswert der Klimawandelzeiger

     

    VI.2 Flechten als Indikatoren für den Klimawandel

    Um Flechten auf ihre Eignung als Bioindikatoren für den Klimawandel zu überprüfen, wurden Zusammenhänge zwischen Flechten- und Klimadaten bzw. Depositionsdaten durch Korrelationsanalysen durchgeführt. Bei dieser Überprüfung wurden die Ergebnisse der Erfassung an VDI- und an Klimabäumen berücksichtigt.

    Herangezogen wurden die mittleren Häufigkeiten (entspricht dem Flechtendiversitätswert FDW) von Wärme- und Klimawandelzeiger sowie ausgewählte Zeigerarten (eine wärmeliebende Gesteinsflechte,  eine wärmeliebende Rindenflechte) und Eutrophierungs- und Nicht-Eutrophierungszeiger. Bei der Überprüfung wird immer nur jeweils ein Parameter betrachtet, wobei im Freiland zu beachten ist, dass viele Faktoren auf die Flechten einwirken, so dass Korrelationen über 0,7 bereits als hoch zu betrachten sind.
    Korrelationen: 0,6 bis < 0,7 (mittlere Korrelation), 0,7  bis < 0,8 (höhere Korrelation), ≥ 0,8 (hohe Korrelation).

    Hier eine kurze Zusammenfassung der Ergebnisse:     

    Die Ergebnisse dieser Auswertung – ausschließlich mit epiphytische Flechten – zeigen, dass Zusammenhänge zwischen dem Vorkommen bestimmter Flechtenarten  und landesweiten klimatischen Unterschieden, insbesondere der Temperatur, bestehen. Deshalb werden für Hessen Flechten als Indikatoren für den Bereich Naturschutz/Biodiversität sowie Klimawandel vorgeschlagen. [10]

    VI.3 Ausblick

    Für Hessen wurde erstmals im Rahmen der Hessischen Flechtenkartierung 2012 ein „Flechtenindikator“ entwickelt.
    Es wird empfohlen, diesen Indikator zukünftig für den Bereich Naturschutz/Biodiversität sowie Klimawandel für Hessen einzusetzen.

    Beobachtet wird die Entwicklung der Häufigkeit wärmeliebender und atlantischer Flechtenarten. Die Daten können aus der alle 5 Jahre durchgeführten Flechtenbeobachtung an den hessischen DBF bereitgestellt werden.

    Der neu entwickelte  Indikator gliedert sich in zwei Teilindikatoren:
    Entwicklung der Häufigkeit von Indikatorenarten – Flechten:

    1. Ermittlung des Flechten-Diversitätswertes von wärmeliebenden Flechten als Mittelwert für Hessen bzw. der Flechten-Dauerbeobachtungsflächen [FDWWZ in Datensätze pro Baum]
    2. Ermittlung des Flechten-Diversitätswertes von klimawandelanzeigenden Flechten als Mittelwert für Hessen bzw. für die Flechten-Dauerbeobachtungsflächen [FDWKWZ in Datensätze pro Baum]
    Erste Auswertungen entsprechend der vorgeschlagenen Definition liegen für Hessen für die DBF vor (vgl. Abb. 16 und Abb. 17).

    Literatur

    [1] Kirschbaum, U., Windisch, U.: Beurteilung der lufthygienischen Situation Hessens mittels epiphytischer Flechten. Wiesbaden, 1995. Umweltplanung, Arbeits- und Umweltschutz, Heft Nr. 171

    [2] Kirschbaum, U., Wirth, V.: Flechten erkennen – Luftgüte bestimmen. Stuttgart, 1995

    [3] Kirschbaum, U.; Wirth, V.: Flechten erkennen – Umwelt bewerten (Hrsg.: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie). Wiesbaden, 2010

    [4] Kirschbaum, U., Hanewald, K.: Flechten als Anzeiger der Luftgüte und des Klimawandels. Wiesbaden, 2009

    [5] VDI-Richtlinie 3799 Blatt 1: Ermittlung und Beurteilung phytotoxischer Wirkungen von Immissionen mit Flechten: Flechtenkartierung. Berlin, 1995

    [6] VDI-Richtlinie 3957 Blatt 8: Biologische Messverfahren zur Ermittlung und Beurteilung der Wirkung von Luftverunreinigungen auf Pflanzen (Bioindikation). Flächenbestimmung epiphytischer Flechten zur immissionsökologischen Langzeitbeobachtung (Vorentwurf). In: VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft 1a, Stand 2013

    [7] VDI-Richtlinie 3957 Blatt 13: Biologische Messverfahren zur Ermittlung und Beurteilung der Wirkungen von Luftverunreinigungen auf Pflanzen (Bioindikation): Kartierung der Diversität epiphytischer Flechten als Indikator für die Luftgüte. In: VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft 1a. Berlin, 2005

    [8] VDI-Richtlinie 3957 Blatt 20: Biologische Messverfahren zur Ermittlung und Beurteilung der Wirkung von Luftverunreinigungen mit Flechten (Bioindikation). Kartierung von Flechten zur Ermittlung der Wirkung von lokalen Klimaveränderungen (Vorentwurf). In: VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft 1a, Stand 2013

    [9] Windisch, U.; Vorbeck, A.; Eichler, M.; Cezanne, R.: Dauerbeobachtung von Flechten in Hessen. Immissionsbezogene Flechtenkartierungen am Flughafen Frankfurt (Main) (1992–2012). Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag des HLUG und der Gemeinnützige Umwelthaus GmbH, 2012.

    [10] Windisch, U.; Vorbeck, A.; Cezanne, R.; Eichler, M.: Dauerbeobachtung von Flechten in Hessen 2012 (im Auftrag des HLUG), 2012

    [11] WIRTH, V.: Zeigerwerte von Flechten. In: Ellenberg, H. et al. (Hrsg.): Zeigerwerte von Pflanzen in Mitteleuropa. Göttingen, 1991

    [12] WIRTH, V.: Ökologische Zeigerwerte von Flechten – erweiterte und aktualisierte Fassung. In: Herzogia, 2010, 23 (2), S. 229–248

    Weiterführende Literatur:
    Publikationen des HLUG unter der Rubrik „Luft – Sonstige Veröffentlichungen und Informationsblätter“

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