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2.1 – Die Georessourcen Wasser und Boden

Boden und Grundwasser zählen zu den essenziellen Georessourcen. In Deutschland werden circa 70 Prozent des Trinkwassers aus Grundwasser oder Quellwässern gewonnen. Damit ist Grundwasser die mit Abstand wichtigste, zugleich aber auch eine sichere Ressource zur Aufrechterhaltung der Trinkwasserversorgung. Böden filtern das Grundwasser. Stoffe, die aus der Atmosphäre oder zum Beispiel über die Landwirtschaft direkt in die Böden eingetragen werden, können sich dort anreichern. Kontaminierte Böden können ihre Filterwirkung verlieren – sie werden zu Quellen für Schadstoffe, die ins Grundwasser oder auch in die Atmosphäre emittiert werden können.

Böden bilden zudem die Grundlage für die Lebens- und Futtermittelproduktion. Eine bis zum Jahre 2050 auf vermutlich neun Milliarden Menschen anwachsende Erdbevölkerung stellt an die Ressource Boden in den Bereichen Ernährung, Wasserversorgung, Rohstoffbereitstellung, Biodiversität etc. ständig größere und vielfältigere Anforderungen. Sowohl durch die anthropogene Inanspruchnahme der Pedosphäre wie auch durch natürliche Veränderungen werden die Böden in ihren Eigenschaften und in ihrer Tragekapazität verändert.

Nachhaltige Entwicklung braucht vorsorgenden Boden- und Grundwasserschutz. Diesem Schutz kommt angesichts der zunehmenden Erdbevölkerung und des steigenden Bedarfs an Nahrungsmitteln und sauberem Trinkwasser eine besondere Bedeutung zu. Die global nutzbare „Boden”-Fläche verringert sich zunehmend: Erosion, Versalzung, Versiegelung, Verdichtung und Schadstoffeinträge führen zu einer Degradierung oder einem Verlust von Böden. Diese Prozesse sind nahezu zwangsläufig mit einer Verschlechterung der Qualität des Grundwassers und der Oberflächengewässer verbunden.

Es besteht international Übereinstimmung in der Einschätzung, dass Böden eine in Zukunft bedeutende – nicht vermehrbare – Geo­ressource sein werden und dass zur Bewältigung der absehbaren Herausforderungen fundiertes Wissen über die Pedosphäre unabdingbar ist.

Weltweit erfasste Bodendegradierung

Weltweit erfasste Bodendegradierung (Quelle: United Nations Environment Programme (UNEP) / GRID-Arendal Maps and Graphics Library, Philippe Rekacewicz, http://maps.grida.no/go/graphic/
degraded-soils
(Accessed 24 August 2009))

Für alles Leben ist Wasser eine Grundvoraussetzung. Weltweit verknappen sich die Süßwasservorräte. In den von Wasserknappheit betroffenen Ländern wird ein Großteil der auftretenden Krankheiten durch Trinkwasser verbreitet. Schon seit langem ist bekannt, dass kontaminiertes Trinkwasser akute und chronische Erkrankungen des Menschen auslösen. Sowohl Krankheitserreger (Viren, Bakterien und Protozoen) als auch zu hohe Konzentrationen bestimmter chemischer Inhaltsstoffe können trinkwasserbedingte Erkrankungen verursachen. Auch die chemische Beschaffenheit des Wassers birgt ein großes Gefährdungspotenzial. So kann Arsen aus Sedimenten ins Grundwasser gelangen. Blei und Kupfer aus Wasserleitungen und Nitrat aus der Landwirtschaft verunreinigen das Grundwasser ebenfalls.

Wasser als Lebensmittel

Zu den bekannt gefährlichen, prioritär eingestuften Substanzen zählen Chlorpestizide (DDT, Lindan), polychlorierte Biphenyle (PCBs), Dioxine und Furane, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), polybromierte Biphenylether (Flammschutzmittel), Phthalate, Cadmium und Quecksilber. Bislang konzentriert man sich auf Verbindungen, die als persistent, toxisch und (bio-)akkumulierend gelten. Eine ganze Reihe von weiteren teils potenziell endokrin wirksamen Substanzen werden zurzeit diskutiert. Dabei handelt es sich auch um Pharmaka wie Blutfettsenker, β-Blocker, Antirheumatika, Antibiotika, um Steroide und Hormone, Duftstoffe, Antiseptika, Tenside und ihre Metaboliten (zum Beispiel Nonylphenole) sowie Kraftstoffadditive. Solche Stoffe können direkt über Abwässer oder Klärschlamm den Boden und das Grundwasser erreichen. Weiter ist es auch möglich, dass sie indirekt auf bisher nicht eindeutig bekannten Transportpfaden, zum Beispiel über die Atmosphäre, in die Umweltbereiche gelangen. Ebenfalls relevant ist der Eintrag von Veterinärpharmaka und Futterzusatzstoffen über die Ausbringung von Gülle und Stallmist.

Gefährliche Substanzen

Wasser ist eine unentbehrliche Ressource für den Menschen und für die Natur. Wasser wird nicht im eigentlichen Sinne verbraucht, sondern es wird durch die „Verwendung“ unbrauchbar oder kann erst nach aufwändiger technischer Aufbereitung wieder genutzt werden. Die Wassermenge, die für die Produktion von Nahrungsmitteln erforderlich ist, übertrifft den Bedarf an Trink-, Sanitär- und Industriewasser um ein Vielfaches. Es wird erwartet, dass sich der globale Wasserbedarf bis zum Jahr 2025 im Vergleich zu den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts verdoppeln wird. Besonders ausgeprägt ist der Anstieg in Afrika und Südamerika.

Zunehmender Wasserbedarf

Globaler Anstieg des Wasserbedarfs bis zum Jahr 2025

Globaler Anstieg des Wasserbedarfs bis zum Jahr 2025 (Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover , nach United Nations Environment Programme (UNEP) 2003)

Im Jahr 2000 verbrauchte die Landwirtschaft im globalen Durchschnitt circa 70 Prozent des Wasserbedarfs, vor allem zur Be­wässerung. Die Industrie verbrauchte 22 Prozent und 8 Prozent wurden für die Trinkwasserversorgung genutzt. Etwa 15 Prozent der landwirtschaftlich genutzten Flächen sind bewässert, wobei ­diese etwa die Hälfte des ökonomischen Wertes der weltweit produzierten Nahrungsmittel liefern. In den modernen Industriegesellschaften liegt der Wasserverbrauch pro Kopf bei 300 bis 600 Litern pro Tag, wobei man davon ausgeht, dass der Bedarf auf 500 bis 800 Liter pro Tag ansteigen wird. In den landwirtschaftlich geprägten Entwicklungsländern Asiens, Afrikas und Südamerikas können pro Kopf und Tag nur 50 bis 100 Liter bereitgestellt werden, vielerorts sogar nur 10 bis 40 Liter pro Tag.

Die Erde verfügt insgesamt über große Süßwasservorkommen, die allerdings im Verhältnis zur Bevölkerungsdichte ungleichmäßig verteilt sind. Dies ist besonders in Asien der Fall, wo etwa 60 Prozent der Weltbevölkerung leben, jedoch lediglich circa 36 Prozent der Wasserressourcen vorhanden sind. Neben dem Bevölkerungswachstum sorgen der ungerechte Zugang und die ungerechte Verteilung des Wassers für Konfliktpotenzial. Länder, in denen der Wasserverbrauch die erneuerbaren Wasserressourcen um 40 Prozent überschreitet, befinden sich im „Wasserstress“. Derzeit leben mehr als 1,2 Milliarden Menschen in Gebieten mit Wassermangel (dort ist der Verbrauch höher als 75 Prozent der erneuerbaren Wasser­ressourcen). Zwischen dem Zugang zu sauberem Wasser und Armut besteht ein direkter Zusammenhang. In vielen Ländern fehlt die erforderliche Infrastruktur, um die Menschen mit sauberem Trinkwasser zu versorgen und das Abwasser sicher zu entsorgen – derzeit sind etwa 2,6 Milliarden Menschen davon betroffen. Eine fehlende Abwasserbehandlung führt zu hygienischen Problemen und Seuchen. Man nimmt an, dass jährlich circa 2,3 Millionen Menschen sterben, weil ihnen sauberes Wasser fehlt, die sanitären Anlagen unzureichend oder die Hygienestandards mangelhaft sind. Die Kosten für das Gesundheitssystem und für die Wirtschaft sind enorm. In den betroffenen Ländern verbringen vor allem die Frauen täglich viel Zeit damit, Wasser zu holen. Das behindert die wirtschaftliche und gesellschaftliche Entwicklung dieser Länder. Bereits im Jahr 2002 hat der UN-Gipfel in Johannesburg die Wichtigkeit dieses Themas betont. Auf dem Gipfel wurden sehr anspruchsvolle Millenniumsziele festgeschrieben: Bis 2015 soll sich die Zahl der Menschen, die keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser und zu sanitären Anlagen haben, halbieren. Die Weltbank schätzte 2003, dass Investitionen von mehr als 25 Milliarden Dollar nötig sind, um dieses Ziel zu erreichen.

„Wasserstress“

Der Wasserbedarf beschränkt sich im Wesentlichen auf Süßwasser. Brack- oder Salzwasser sind nur in geringem Umfang brauchbar, zum Beispiel als Kühlwasser in Kraftwerken. Der Anteil von Grundwasser in der kommunalen Wasserversorgung ist insbesondere in Mitteleuropa sehr bedeutend. Auch die Bewässerungslandwirtschaft nutzt in vielen Fällen Grundwasser. Viele der großen Grundwasservorkommen stammen aus der Vorzeit („fossiles Grundwasser“). In den Trockengebieten der Erde erneuern sich diese heute nicht mehr und werden oft unwiederbringlich ausgebeutet. Weil die Aquifere zunehmend übernutzt werden, sinkt der Grundwasserspiegel vielerorts ab und an den Küsten dringt Salzwasser in Schichten ein, die vormals Süßwasser führten. In Chennai, Indien, hat sich die Salzwasserfront bereits in den 1990er Jahren zehn Kilometer ins Inland vorgeschoben. Erschwerend kommt die Umweltverschmutzung hinzu. Sie gefährdet vor allem eine Nutzung von (Grund-)Wasservorkommen als Trinkwasser.

„Georessource“ Grundwasser

Übernutzung (blaue Sterne) und Ausbeutung (rote Sterne) der Welt-Grundwasser-Ressourcen

Übernutzung (blaue Sterne) und Ausbeutung (rote Sterne) der Welt-Grundwasser-Ressourcen. Fossile Grundwasservorkommen existieren zum Beispiel in den großen Sedimentbecken Nordafrikas und Arabiens (Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover & United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization (UNESCO), Karte)

Durch den Klimawandel werden sich die Probleme in der Wasserversorgung noch verschärfen. Klimaprojektionen sagen voraus, dass die Niederschläge in den subtropischen und den angrenzenden Regionen der mittleren Breiten im 21. Jahrhundert sinken werden. In vielen semi-ariden bis ariden Gebieten (etwa im Mittelmeerraum, in den westlichen USA, in Südafrika und Nordostbrasilien) werden die verfügbaren Wasserressourcen abnehmen. Die Anzahl der Gebiete, die unter „Wasserstress“ leiden, wird deutlich zunehmen. Von Wasserstress können auch Gebiete betroffen sein, in denen die Niederschläge zwar insgesamt zunehmen, wo aber während des Sommers Dürreperioden auftreten. Bereits heute treten auf etwa 30 Prozent der bewässerten landwirtschaftlichen Flächen Probleme durch Versalzung auf. Das zeigt, dass Veränderungen des Wasserhaushaltes die Bedingungen im Grundwasserkörper so verändern können, dass natürliche, für die Landwirtschaft schädliche Stoffe mobilisiert werden.

Künftige Wasserverfügbarkeit und Klimawandel

Erwartete Änderung der Niederschlagsverteilung in Europa bis ins Jahr 2050.

Erwartete Änderung der Niederschlagsverteilung in Europa bis ins Jahr 2050 (Europäische Kommission); alle Klimamodelle sagen deutlich abnehmende Niederschläge für die ohnehin schon trockenen Mittelmeerländer voraus (Quelle: European Environment Agency (EEA), Copenhagen, 2007, http://www.eea.europa.eu)

Wasser und Boden werden vom Gesetzgeber wie auch in der Forschung im Wesentlichen als getrennte Bereiche betrachtet. Diese getrennte Betrachtung stößt vor allem dann an ihre Grenzen, wenn es um den Eintrag von Schadstoffen in die Umwelt geht und darum, wie sie sich in Boden, Wasser und Atmosphäre verhalten. Um die Bedeutung von Schadstoffen richtig beurteilen zu können, müssen Hydrosphäre, Pedosphäre und Atmosphäre gemeinsam untersucht werden. Auch die beteiligten wissenschaftlichen Disziplinen müssen eng zusammenarbeiten. Stoffe, die aus der Atmosphäre in den Boden eingetragen werden, können mit dem Sickerwasser gelöst, aber auch in Form kleiner Partikel ins Grundwasser gelangen. Von dort werden sie gegebenenfalls wieder in die Oberflächengewässer transportiert. Um das Migrationsverhalten von Stoffen vorhersagen zu können, entwickeln die Geowissenschaften derzeit ein vertieftes Prozessverständnis. Bislang ist zum Beispiel der Stofftransport in der vadosen Zone – der weitgehend unerforschten Schicht zwischen Bodenoberfläche und Grundwasser – nicht ausreichend verstanden. Um das Langzeitverhalten von Schadstoffen zuverlässig vorhersagen zu können, müssen zum einen die relevanten Prozesse identifiziert, zum anderen die zugehörigen Parameter gemessen werden. Boden und Grundwasser müssen als ein System verstanden und in Modellen auch als Einheit behandelt werden.

Boden und Grundwasser als Einheit

Wasser, Boden und Atmosphäre hängen untrennbar zusammen

Wasser, Boden und Atmosphäre hängen untrennbar zusammen. Intakte Böden filtern und puffern das Oberflächenwasser und verhindern, dass Schadstoffe ins Grundwasser gelangen. Kontaminierte Böden und Sedimente sind dagegen eine Schadstoffquelle und gefährden die Qualität von Wasser und auch der Luft. Daraus ergibt sich die Forderung nach einem integrierten Wasser- und Bodenschutz (Quelle: Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH – UFZ, Leipzig, Water Science Alliance 2009)

Der Begriff „Critical Zone“ umschreibt die Grenzschicht der Erdoberfläche von der Oberseite der unverwitterten Gesteine bis zur Oberseite der Vegetation, in der die meisten terrestrischen chemischen, physikalischen und biologischen Austausch- und Umsatzprozesse stattfinden. Diese Zone wird auch durch menschliche Aktivitäten beeinflusst. Zentraler Bestandteil der „Critical Zone“ sind die Böden (Pedosphäre). Diese Haut der Erde kontrolliert den Umsatz der globalen Stoffkreisläufe, wirkt als Stoffpuffer reinigend auf die Atmosphäre und Hydrosphäre und garantiert die Versorgung mit Nahrungsmitteln. Insbesondere Flusstäler und Flussdeltas enthalten die Erosionprodukte der Böden und stellen eines der wichtigsten Habitate des Menschen, aber auch eine der verwundbarsten Regionen dieses Planeten dar. Im Rahmen des globalen Wandels nimmt der Mensch verstärkt direkt oder indirekt Einfluss auf die unterliegenden Prozesse, zumeist in negativer Weise. Derzeit ist nicht absehbar, wie sensibel diese Haut auf die Einflüsse reagieren wird. Allerdings bieten sich durch das „Soil Engineering“, das heißt des nachhaltigen Managements des Bodens, neue Möglichkeiten einer optimierten Nutzung der Produktions-, Rohstoff- sowie Puffer- und Transformationsfunktionen, letztere gerade auch mit Blick auf die anthropogenen Treibhausgase.

„Critical Zone“

Die zunehmende Bedeutung der Georessource Boden hat international das Forschungsinteresse zum Verständnis der Prozesse in der Pedosphäre wesentlich erhöht. Bei all diesen Entwicklungen verschmelzen die Grenzen zwischen den klassischen geowissenschaftlichen Fächern Geologie, Geomorphologie, Physische Geographie, Geochemie, Geophysik und Bodenkunde. Hinzu kommen Teilgebiete aus den Bodenwissenschaften, wie Geopedologie und Hydropedologie, auch Mikrobiologie, Botanik, Pflanzenphysiologie und Umweltchemie sind beteiligt. Erforscht werden grundlegende Fragen der struktur- und prozessbasierten Funktionalität der Böden einschließlich der Pedosphäre mit der Lithosphäre, Biosphäre und Atmosphäre.

Georessource Boden

Die „Critical Zone“ bildet ein Teilkompartiment von Ökosystemen beziehungsweise Landschaften. Dabei ist die Heterogenität der Böden von besonderer Bedeutung. Heterogenität gilt nicht nur für bodenchemische oder bodenphysikalische Eigenschaften, sondern auch für die Bodenbiologie und Bodenmikrobiologie und damit die Bodendiversität. Dies schließt auch den Gashaushalt von Böden mit ein.

Wissenschaftliche Herausforderungen

Die Forschung kann dazu beitragen, die Probleme im Wassersektor besser zu verstehen und in Zukunft zu lösen. Es ist nötig, Technologien wie die Membranfiltration zur Wasseraufbereitung und Meerwasserentsalzung weiter zu entwickeln. Daneben müssen Konzepte entwickelt werden, wie sich Wasser recyceln lässt, wie sich Bewässerungssysteme optimieren lassen, wie Wasser über große Entfernungen transportiert und wie es gespeichert werden kann. Neue Technologien zur Wasseraufbereitung brauchen derzeit noch viel Energie. Um diese Methoden nachhaltig einsetzen zu können, müssen die erneuerbaren Energien ebenfalls weiterentwickelt werden. Ein Beispiel: Um einen Kubikmeter Meerwasser zu entsalzen, ist eine Leistung von vier bis sechs Kilowattstunden nötig. Deshalb wird der Bau von Kernkraftwerken für Meerwasserentsalzungsanlagen erwogen (www.world-nuclear.org). Es ist daher wichtig, ein nachhaltiges Wassermanagement zu entwickeln. Das heißt: Grundwasservorkommen müssen nachhaltig bewirtschaftet, die Böden geschützt und die Vegetation als Filter und Speicher des Wassers genutzt werden. Prozessbasierte, integrierte Modelle sind nötig, um die zukünftigen Entwicklungen prognostizieren und den Einfluss von technischen und nicht-technischen Maßnahmen beurteilen zu können. Die UNESCO greift diese Themen unter anderem in der VII. Phase ihres Internationalen Hydrogeologischen Programms (IHP) auf, die von 2008 bis 2013 läuft. Daran zeigt sich, dass die Forschungsanstrengungen in diesem Bereich verstärkt werden müssen.

Die Geowissenschaften sind gefordert, Konzepte zu entwickeln, um einer globalen Wasserkrise begegnen zu können. Nur so kann sichergestellt werden, dass alle Menschen Zugang zu sauberem Trinkwasser erhalten und genügend Wasser zur Produktion ihrer Nahrungsmittel zur Verfügung haben.

Bislang existieren nur grobe Abschätzungen darüber, welche Schadstofffrachten über welche Belastungspfade in die Böden und eventuell ins Grundwasser eingetragen werden und es ist zu befürchten, dass manche Schadstoffe über Jahrhunderte bis Jahrtausende im Untergrund verbleiben. Die anhaltende Emission einer zunehmenden Zahl persistenter, akkumulierender und toxischer Stoffe durch Landwirtschaft, Verkehr, Industrie, Landnutzung, Kanalnetze etc. führt zu einer flächenhaften Belastung der Umwelt. Im Vergleich zu Punktquellen, wie Altlasten, sind die absoluten Konzentrationen zwar meist relativ niedrig, oft findet man aber einen „Cocktail” einer Vielzahl von Stoffen (zum Beispiel in Sedimenten der Flüsse), deren Zusammenwirken und Implikationen meist unbekannt sind.

Schadstoff-Frachten und -Pfade

Die Bodenwissenschaften in Deutschland können den zunehmenden Anforderungen nicht gerecht werden. Dieses liegt zum einen an ihrer Struktur, die durch Zersplitterung charakterisiert ist, und zum anderen an ihrer historisch gewachsenen Ausrichtung. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Wahrnehmung in der Gesellschaft, der Wirtschaft und der Politik, aber auch auf die Einbettung der Bodenwissenschaften in die Geo- und Umweltwissenschaften. Der notwendige Beitrag der Bodenwissenschaften bei der Entwicklung von Forschungsprogrammen kommt dabei zu kurz.

Zukunft der Bodenwissenschaften

Die aktuelle bodenwissenschaftliche Orientierung ist zum einen auf den Boden als Produktionsfaktor sensu Agrarwirtschaft, Forstwirtschaft, Gartenbau etc. und zum anderen auf den Boden als Umweltmedium ausgerichtet. Die Bodenwissenschaft ist in der Geographie und Geoökologie vertreten. Es werden unter anderem flächenhafte Ansätze im Rahmen der Landschaftsentwicklung oder auch der Landschafts- und Regionalplanung sowie der Pedosphäre als Teilkompartiment terrestrischer Ökosysteme verfolgt. Auch wird die ökologische Bedeutung von Böden als Biodiversitätsreservoir, das die gesamte terrestrische Biodiversität interaktiv mitprägt, behandelt. Zudem wird das biotechnologische Potenzial der Bodenorganismen in Betracht gezogen. Aufgrund dieser Ausrichtung sind die mit dieser Forschung verbundenen Ansätze weitestgehend problem- und nutzungsorientiert.

In den letzten Jahren wird bodenorientierte Forschung auch verstärkt von Hydrologen, Biologen, Mikrobiologen, Ökologen, Geologen, Geomorphologen oder Chemikern und Umweltingenieuren betrieben.

Neben der Weiterentwicklung der Bodenwissenschaften als eigenständigem Fachgebiet müssen die Bodenwissenschaften auch noch stärker als bisher integrierend in den Geo- bzw. Erdwissenschaften wirken.

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:01 durch Jana Stone | Impressum