Landwirtschaftliches Ammoniak in der Atmosphäre: Transport, Monitoring und Umweltauswirkungen

Die Landwirtschaft, speziell die Tierproduktion, ist die Hauptquelle für anthropogen erzeugte Ammoniakemissionen in Europa. Der Grund dafür liegt in einem erhöhten Nahrungsbedarf einer stetig wachsenden Weltbevölkerung. Diese Ammoniak¬emissionen besitzen einen direkten Einfluss auf die angrenzende Umwelt und führen zur Beeinträchtigung der Luftqualität bis hin zu massiver Geruchsbelästigung. Ein Ziel dieser Dissertation ist es, die Transport- und Ausbreitungsprozesse von Ammoniak (NH3) zu beschreiben sowie damit verbundene Monitoring-Methoden und auftretende Umwelteinflüsse zu charakterisieren. Um grundlegende Faktoren zu bestimmen, die einen regulierenden Einfluss auf NH3-Konzentrationen haben, wurden Umweltbedingungen, meteorologische Aspekte und die Betriebsbedingungen der Stallanlagen berücksichtigt. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit liegt in der Untersuchung der Beziehung zwischen NH3-Konzentrationen und der auftretenden Vegetation in unterschiedlichen Entfernungen einer Stallanlage. Für das Monitoring von NH3-Konzentrationen in landwirtschaftlich genutzten Gebieten wurden unterschiedliche Messtechniken entwickelt. Aufgrund der großen Vielzahl an NH3-Messmethoden wurden Vergleichsmessungen unter typischen Feldbedingungen initiiert, um geeignete Geräte für exakte Messungen zu finden. Der hier präsentierte Vergleich umfasst elf Geräte zur Detektion von atmosphärischen NH3-Konzentrationen, die auf acht unterschiedlichen Messmethoden basieren. Die Messungen fanden auf einer intensiv bewirtschafteten landwirtschaftlichen Weidefläche statt. Trotz der überaus guten Übereinstimmung der mit den unterschiedlichen Geräten gemessenen durchschnittlichen NH3-Konzentrationen, bleibt die kontinuierliche Erfassung von NH3-Konzentrationen ein herausforderndes Vorhaben. Transport- und Ausbreitungsprozesse von atmosphärischem NH3 werden durch viele lokale Faktoren beeinflusst. Während der durchgeführten Feldmessungen wurden Hauptfaktoren ausgewählt und evaluiert, die sowohl die Umweltbedingungen und die meteorologischen Aspekte als auch die Betriebsbedingungen der Stallanlagen charakterisieren. Als Untersuchungsobjekt wurde eine große Broilermastanlage gewählt, die typisch für die landwirtschaftliche Landschaft in Deutschland und Europa ist. Mittels multipler linearer Regressionsanalyse (MLR) wurde die Beziehung zwischen zehn Haupteinflussfaktoren und den gemessenen NH3-Konzentrationen analysiert. Hinsichtlich der Anwendung geeigneter Monitoring-Methoden stellt die Wahl des Standortes für die Beobachtungspunkte einen entscheidenden Aspekt dar, um wirklich belastbare und sinnvolle Messergebnisse zu erzielen. Das emittierte NH3 wird durch die auftretenden Windrichtungen stark beeinflusst. Dennoch weisen die Ergebnisse der MLR auf einen rück- bzw. abwärtsgerichteten Transport der NH3-angereicherten Luft zum Beobachtungspunkt hin, auch wenn der Wind aus einer Richtung ohne NH3-Quelle weht. Diese Ergebnisse zeigen einen starken Einfluss der durch das vorhandene Lüftungssystem bedingten Austrittshöhe der Abluft aus den Schornsteinen. Während weiterer Versuche an derselben Broilermastanlage wurden die NH3-Emissionen und die daraus resultierenden atmosphärischen NH3-Konzentrationen an fünf Beobachtungspunkten quantifiziert. Zusätzlich erfolgte eine Analyse der auftretenden Vegetation entlang eines Transekts durch ein sich anschließendes Waldgebiet. Die Broilermastanlage als Emissionsquelle bewirkt einen signifikanten Anstieg der atmosphärischen NH3-Konzentrationen in der unmittelbaren Umgebung. Diese erfassten atmosphärischen NH3-Konzentrationen wurden stark durch die auftretenden Windrichtungen beeinflusst. Es ist anzunehmen, dass das unmittelbar angrenzende Waldgebiet eine weiträumige Ausbreitung der Luftverunreinigungen durch die NH3-Emissionen verhindert. Jedoch wird der Wald innerhalb eines Abstandes von ~400 m von der Broilermastanlage durch den erhöhten Eintrag von NH3-Konzentrationen nachteilig beeinträchtigt. Diese Ergebnisse verdeutlichen eine Notwendigkeit von Waldstreifen als Schutzpflanzungen. Sie zeigen aber auch, dass die Umsetzungen weiterer Maßnahmen zur Minderung von NH3-Emissionen notwendig sind.Agriculture and especially the livestock industry is the major source of anthropogenic emissions of ammonia (NH3) in Europe. Ammonia emissions are likely to increase due to the pressure on the food production industry to keep pace with the growing world population. These emissions affect the air quality can cause odour nuisance and have direct impacts on the environment. This thesis focuses on the investigation of transport and dispersion processes of atmospheric NH3. Further aspects take into account the evaluation of relevant monitoring methods and the characterisation of the direct environmental impacts of NH3. The processes involved in transport and dispersion of NH3 are complex. In order to fully understand the underlying and influencing factors, environmental conditions, meteorological aspects and the operational mode of the animal production facilities were considered. The relationship between atmospheric NH3 concentrations and the abundance and diversity of vegetation with increasing distance from the NH3 source was a further issue. For monitoring atmospheric NH3 in agricultural used areas, various different techniques have been developed. Owing to this wide variety of methods, a comparison under typical field conditions was initiated to identify the most suitable instruments for accurate measurements of atmospheric NH3 concentrations above an intensively managed agricultural field. The study presented here included eleven instruments based on eight different measurement methods. Despite the overall good agreement between the average NH3 concentrations measured with the various instruments, a truly continuous NH3 measurement remains a challenging enterprise. The process of dispersion and transport of NH3 is influenced by various local factors. During a field experiment, selected major factors which characterise the atmospheric and meteorological conditions as well as the operational parameters of an animal production facility were evaluated. The animal production facility is represented by a huge broiler farm which is typical for agricultural landscapes in Germany and Europe. By implementing multiple linear regression (MLR) analyses, the relationship between factors-of-influence (FOI) and the measured atmospheric NH3 were analysed. In terms of applying suitable monitoring methods, the location of a monitoring point is essential for a successful and accurate investigation outcome. The emitted NH3 was strongly influenced by the actual wind direction. The sensor at the monitoring point detected NH3 in the air even when the wind blew over an area without sources of NH3. This observation implied that NH3-enriched reverse winds blew back in the direction of the monitoring tower. It also implied that a downward flow of NH3-enriched air reached the measuring device and was detected. These partially unexpected processes should be considered in any future studies focusing on the spatial dispersion of NH3 in the air. For the same broiler farm, NH3 emissions and resulting atmospheric NH3 concentrations at five monitoring points in the immediate vicinity have been quantified. Additionally, vegetation along a transect through an adjacent woodland were analysed. Strongly affected by the occurring wind direction, the broiler farm as a source of NH3 emission significantly increased NH3 concentrations in the immediate vicinity. The adjacent woodland had a positive effect because it may help to retain the air pollution in a small local area. Nevertheless, vegetation was adversely affected within a ~400 m distance from the farm. The outcome of this study illustrates the positive effect of tree belts for a reduction of NH3 concentrations in the vicinity of agricultural sources. It also attempts the need for further implementation of abatement efforts to minimise NH3 emissions