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Ausgabe 1/2019

Labor im See

Feldforschung zum Klimawandel am Stechlinsee

80 Kilometer nördlich vor Berlin gelegen, gilt der Stechlinsee als einer der schönsten Klarwasserseen Deutschlands. Bereits 1938 wurde er samt den angrenzenden Flächen unter Schutz gestellt. Heute ist er Teil des Naturparks Stechlin-Ruppiner Land, umgeben von einem Eichen-, Buchen- und Kiefernwald und einer nahezu unverbauten Uferzone. Gleichsam als Symbol deutet allerdings in der Ferne ein hoher Schornstein darauf hin, dass auch der Stechlinsee den klimawirksamen Emissionen des Menschen unterliegt.

Der Schornstein gehört zum Kernkraftwerk Rheinsberg, dem ersten Atommeiler der DDR, der bereits 1966 in Betrieb ging. Die seit 1990 stillgelegte und inzwischen im Rückbau befindliche Anlage liegt zwischen dem Nehmitz- und dem Stechlinsee. Als sie noch in Betrieb war, pumpte sie zur Kühlung des Reaktors täglich fast 300 Millionen Liter Wasser aus dem Nehmitzsee und anschließend um etwa zehn Grad erwärmt zurück in den Stechlinsee. Über den Polzowkanal gelangte es schließlich wieder in den Nehmitzsee. Bereits bei der Planung des Kraftwerks, vor über 70 Jahren, war man sich bewusst, dass dies Folgen für das sensible Gewässerökosystem und seine abiotischen und biotischen Komponenten haben würde. Die Akademie der Wissenschaften der DDR errichtete daher Ende der 1950er Jahre – fast zeitgleich mit dem Bau des Kraftwerks – eine limnologische Forschungsstation am Ufer des Stechlinsees, um die Auswirkungen auf den See zu untersuchen. Seit der Wiedervereinigung gehört die Einrichtung zum Berliner Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB). Über Jahrzehnte haben Limnologen dort unzählige Daten gesammelt. Sie belegen unter anderem, dass der See bis zur Abschaltung des Kraftwerks nicht nur künstlich erwärmt wurde, sondern auch vermehrt mit Phosphor aus dem nährstoffhaltigeren Wasser des Nehmitzsees „versorgt“ wurde. Darüber hinaus haben touristische und fischereiliche Nutzungen den Wasserhaushalt des Sees stark beeinflusst.
Die Hoffnung, der Stechlinsee würde nach Abschalten des Kernkraftwerks wieder den ausgezeichneten ökologischen Zustand annehmen, den er vorher hatte, erfüllte sich nicht. Im Gegenteil: Die Veränderungen haben sich, vor allem in den zurückliegenden Jahren, akzentuiert. Besorgniserregend sind vor allem die abnehmenden Sauerstoff- und die steigenden Nährstoffkonzentrationen im Tiefenwasser durch Rücklösung des im Sediment festgelegten Phosphors. Verändert haben sich auch die Lebensgemeinschaften im See. Nicht abschließend geklärt ist allerdings, ob die Veränderungen Spätfolgen des Kraftwerkbetriebs sind oder ob und inwieweit sich auch der regionale Klimawandel und andere Stressfaktoren, wie beispielsweise Stoffeinträge aus der bodennahen Atmosphäre, auf den See auswirken.

 

Naturnahe Experimente im Seelabor

Allein mit Hilfe von Monitoringprogrammen, Ökosystemmodellen und Versuchen an vereinfachten Systemen im Labor können gesicherte wissenschaftliche Antworten auf diese Probleme nicht erbracht werden. Das IGB Stechlin hat deshalb eine Versuchsplattform, das sogenannte Seelabor, im Stechlinsee installiert, die 2012 in Betrieb ging. Anders als andere Methoden, ermöglicht es diese Plattform, Zusammenhänge zwischen Ursachen und Wirkungen unter den komplexen Bedingungen eines realen Ökosystems aufzuklären. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanzierte Seelabor besteht aus 24 Versuchszylindern. Diese kann man sich am ehesten als große „Freiland-Reagenzgläser“ vorstellen, die jeweils einen Abschnitt des Sees mit neun Metern Durchmesser und zwanzig Metern Tiefe einschließen. Sie reichen von der Wasseroberfläche bis zum Grund des Sees. In jedem dieser Versuchszylinder lassen sich die abiotischen und biotischen Bedingungen so einstellen, wie sie im Zuge des regionalen Klimawandels erwartet werden.
Eines der bisher im Seelabor untersuchten Phänomene ist die prognostizierte Zunahme extremer Wetterereignisse – ein zentraler Aspekt des Klimawandels. Dazu gehören auch die immer häufiger auftretenden Sommerstürme. In einprägsamer Erinnerung blieb am Stechlinsee das Sturmtief „Otto“: Im Juli 2011 führte es dort in kürzester Zeit zu einer massiven Eintrübung. Was war der Grund? Daten des IGB-Monitoringprogramms stützen die Vermutung, dass durch den Windeinfluss Algen und Nährstoffe aus tiefen Wasserschichten an die Oberfläche gelangten. Dort konnten sie sich unter den guten Licht- und Nährstoffbedingungen rasant vermehren. Dass dieser vermutete Wirkungszusammenhang tatsächlich korrekt ist, konnte im Sommer 2014 im Seelabor experimentell nachgewiesen werden.
Tiefe, nährstoffarme Seen wie der Stechlinsee zeigen im Sommer aufgrund temperaturbedingter Dichteunterschiede eine stabile Schichtung des Wasserkörpers: Oberhalb des dauerhaft kalten Tiefenwassers befindet sich eine etwa acht bis elf Meter mächtige Schicht warmen Oberflächenwassers. Die Schichtung hat einen wesentlichen Einfluss auf die physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse im Gewässer. Zum einen verhindert sie den Nährstoffaustausch zwischen Tiefen- und Oberflächenwasser, und weil die im Oberflächenwasser vorhandenen Nährstoffe von den dort vorkommenden Algen rasch aufgezehrt werden, wird weiteres Algenwachstum unterbunden, so dass der See relativ klar bleibt. Zum anderen kann unter diesen Bedingungen aber auch Licht bis in das nährstoffreichere Tiefenwasser vordringen. Dort können sich dann – ergänzend zu den Algen des Oberflächenwassers – spezielle, nur wenig Licht benötigende Algenpopulationen ausbilden. Zu ihnen gehören vor allem einige filamentbildende Cyanobakterien, die auch als „Blaualgen“ bezeichnet werden. Weil einige unter ihnen gefährliche Toxine bilden können, spielen sie in der EU-Badegewässerrichtlinie eine wichtige Rolle.

Selbst ein kurzes Sturmereignis kann aquatische Lebensgemeinschaften nachhaltig verändern

Normalerweise bleibt die sommerliche Schichtung im Stechlinsee bis zum Herbst bestehen. Erst dann kommt es durch Abkühlung an der Wasseroberfläche und unter dem Einfluss von Wind zur Durchmischung des Wasserkörpers. Die Simulation eines Sturmereignisses in einem Versuch am Seelabor zeigte jedoch, dass bei einer solchen Durchmischung bereits im Sommer Algen aus den tieferen Wasserschichten bis an die Oberfläche gelangen und dort zu einer Algenblüte führen können. Die hohe Aktivität der Algen hielt im Experiment über Wochen an – so, wie es auch bei der massiven Eintrübung des Stechlinsees nach Sturmtief „Otto“ der Fall war. Dabei dauerte der „Sturm“ im Experiment nur vier Stunden und die ursprünglichen sommerlichen Schichtungsverhältnisse hatten sich schon nach wenigen Tagen wieder eingestellt. Der Versuch belegt, dass die im Zuge des Klimawandels häufigeren Stürme gerade in unbelasteten Klarwasserseen zu tiefgreifenden, unerwünschten Veränderungen führen können.
Andere extreme Wetterereignisse, mit denen im fortschreitenden Klimawandel vermehrt zu rechnen ist, sind Starkniederschläge. Sie verursachen, dass organische Substanzen – vor allem Huminstoffe – verstärkt aus der Streuschicht und den Oberböden im meist mit Wald bestockten Einzugsgebiet ausgewaschen und in nahegelegene Seen eingetragen werden. Das Seewasser färbt sich dadurch braun. Einen Trend zur Braunfärbung durch Huminstoffe beobachtet man seit langem in vielen skandinavischen und kanadischen Seen. Aber auch in den 5.000 Seen des nordostdeutschen Tieflands muss teilweise mit starken Huminstoffeinträgen gerechnet werden. Beispielsweise ist der Huminstoffgehalt im brandenburgischen Kleinen Gollinsee 2011/2012 innerhalb nur weniger Monate um das Fünffache angestiegen. Der See bekam dadurch nicht nur eine intensiv braune Farbe, er zeigte auch dramatische ökologische Veränderungen, beispielsweise die vollständige Aufzehrung des Sauerstoffs im Tiefenwasser.

Huminstoffe unterbinden die Photosynthese

Die Auswirkungen von Huminstoffen auf den Stechlinsee wurden 2015 im Seelabor untersucht. Hierzu wurden 21 der insgesamt 24 Versuchszylinder genutzt, die in drei Gruppen mit jeweils sieben zufällig ausgewählten Zylindern aufgeteilt wurden. In die Zylinder der ersten Gruppe wurden keine Huminstoffe appliziert, während die Zylinder der zweiten und dritten Gruppe moderate bzw. relativ hohe Mengen an Huminstoffen erhielten – vergleichbar den Konzentrationen in Moorseen. Der Versuch dauerte 99 Tage und zeigte unter anderem, dass in den mit Huminstoffen versetzten Versuchszylindern, wie erwartet, viel weniger Licht in die Tiefe drang und damit auch die Sichttiefen markant abnahmen. Unmittelbar nach Versuchsbeginn brachen das Algenwachstum und die Algenbiomasse ein und stiegen erst nach einem Monat wieder leicht an. Ein Teil der zugeführten Huminstoffe war zu diesem Zeitpunkt bereits ausgeblichen, so dass nun wieder mehr Licht in die tieferen Schichten eindringen konnte. Besonders stark von den Huminstoffen beeinträchtig waren die Cyanobakterien. Anders als bei Sturmereignissen werden sie durch diesen Stressor also nicht gefördert, sondern unterdrückt.

Mit dem Seelabor in die Zukunft von Seen schauen

Die Versuche im IGB-Seelabor beschränken sich aber nicht darauf, die Reaktionen von Algen auf den globalen Klima- und Umweltwandel aufzuklären. Vielmehr sind sie auf ein Gesamtsystemverständnis angelegt. Während des dreimonatigen Huminstoffversuchs wurden beispielsweise mehr als 36.000 Einzelproben entnommen. Hinzu kommt die zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Erfassung chemisch-physikalischer Standardmessgrößen wie Temperatur, Sichttiefe, Sauerstoffgehalt und Nährstoffkonzentrationen. Dies geschieht teilweise mit automatischen Messsystemen, die in jedem Versuchszylinder des Seelabors installiert sind und stündlich in Meterschritten die Wassersäule durchfahren. Die Herausforderung ist, die Gesamtheit der Daten miteinander in Beziehung zu setzen und – wie in den Beispielen oben dargestellt – generelle Wirkungszusammenhänge herauszuarbeiten, die auch auf andere Seen übertragbar sind. Ziel ist es, dem Natur- und Gewässerschutz – ebenso wie der Politik und der Verwaltung – auf der Grundlage gesicherter Ergebnisse Empfehlungen für die umweltpolitische Maßnahmenplanung an die Hand zu geben. Eine wichtige Schlussfolgerung aus den ersten Seelaborversuchen lautet dabei: Auch die bisher scheinbar „unberührten“ Gewässer können vom Klimawandel besonders betroffen sein. Allerdings entbinden gut begründete regionale und lokale Gewässerschutzmaßnahmen die internationale Staatengemeinschaft nicht, auf übergeordneter Ebene konsequente Regelungen gegen den allgemeinen Klima- und Umweltwandel zu ergreifen, wie zum Beispiel im Dezember 2018 in Kattowitz/Polen. Denn allein mit regionalen Maßnahmen lassen sich die Probleme unserer Gewässer nicht lösen.


PD Dr. Werner Kratz

 

Weitere Informationen, auch zu neueren Versuchen im Seelabor, unter www.seelabor.de

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