netWORKS - Papers Naturale Aspekte sozial-ökologischer Regulation Bericht aus dem Analysemodul „Ressourcenregulation“ im Verbundvorhaben netWORKS Engelbert Schramm Heft 14: Impressum Autor Engelbert Schramm Institut für sozial-ökologische Forschung (ISOE) Herausgeber Forschungsverbund netWORKS www.networks-group.de Diese Veröffentlichung basiert auf Forschungsarbeiten im Verbundvorhaben „Sozial-ökologische Regulation netzgebundener Infrastruktursysteme am Beispiel Wasser“, das im Rahmen des Förderschwerpunkts „Sozial-ökologische Forschung“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Verlag und Vertrieb Deutsches Institut für Urbanistik Straße des 17. Juni 110 10623 Berlin Telefon: (030) 39 001-0 Telefax: (030) 39 001-100 E-Mail: difu@difu.de Internet: http://www.difu.de Alle Rechte vorbehalten Berlin, März 2005 Gedruckt auf chlorfreiem Recyclingpapier. ISBN 3-88118-385-X Der Forschungsverbund netWORKS wird von folgenden Forschungseinrichtungen getragen: Deutsches Institut für Urbanistik (Difu) Jens Libbe (Koordination) Straße des 17. Juni 112 10623 Berlin Telefon 030/39001-115 E-Mail: libbe@difu.de Institut für sozial-ökologische Forschung (ISOE) PD Dr. Thomas Kluge (Koordination) Hamburger Allee 45 60486 Frankfurt Telefon 069/7076919-18 E-Mail: kluge@isoe.de Leibniz-Institut für Regionalentwicklung und Strukturplanung (IRS) Dr. Timothy Moss Flakenstrasse 28-31 15537 Erkner Telefon 03362/793-185 E-Mail: mosst@irs-net.de Arbeitsgruppe für regionale Struktur- und Umweltforschung GmbH (ARSU) Apl. Prof. Dr. Ulrich Scheele Escherweg 1 26121 Oldenburg Telefon 0441/97174-97 E-Mail: scheele@arsu.de Brandenburgische technische Universität Cottbus (BTU) Institut für Städtebau und Landschaftsplanung Lehrstuhl für Stadttechnik Prof. Dr. Matthias Koziol Postfach 10 13 44 03013 Cottbus Telefon 0355/693627 E-Mail: koziol@tu-cottbus.de 3 3 Inhalt 1. Einleitung...................................................................................................... 5 1.1 Kybernetisches Verständnis von Regelung.................................................. 6 1.2 Regelung im systemtheoretischen Kontext .................................................. 8 1.3 Selbstregulation............................................................................................ 12 2. „Selbstreinigung“ unter der Perspektive von Regulation .............................. 15 2.1 Selbstreinigung in den oberirdischen Fließgewässern ................................. 15 2.1.1 Die historische Verwendung von „Selbstreinigung“...................................... 16 2.1.2 Konzentration auf biologische Prozesse der Selbstreinigung ...................... 17 2.1.3 Zwischenergebnis......................................................................................... 19 2.2 Selbstreinigung im Grundwasserkörper ....................................................... 20 2.3 Zwischenfazit................................................................................................ 23 3. Regulation in sozial-ökologischen Systemen ............................................... 25 3.1 Neefs Hybridsystem und dessen Regelkreise.............................................. 25 3.1.2 Naturräumliche Regulationsfunktionen......................................................... 29 3.1.3 Exkurs: Das Naturraumpotential – Voraussetzung für das Konzept der Regulationsfunktionen der Landschaft ................................................... 30 3.1.4 Regulationsfunktionen – am Beispiel Wasserhaushalt................................. 33 3.2 Die Territorialstruktur als Regelstrecke ........................................................ 35 3.3 Auradas Konzept des kooperierenden Interdependenzsystems .................. 37 3.3.1 Ausgangspunkt und Problemstellung ........................................................... 38 3.3.2 Konstruktion eines physiogen-anthropogenen Gesamtsystems .................. 39 3.3.3 Regulative Aspekte im kooperierenden System........................................... 41 3.3.4 Bedeutung des Konzepts von Aurada .......................................................... 43 3. 4 Steuerung sozio-technischer Systeme ......................................................... 44 4. Bewirtschaftung und Regulation anthropogen beeinflusster Ressourcen .................................................................................................. 45 4.1 Probleme der Ressourcenregulation durch Grundwasser- schwankungen.............................................................................................. 46 4.1.1 Exkurs zu Toleranzbereichen als sozio-technischen Regulationskorridoren .................................................................................. 47 4.1.2 Toleranzbereiche bei der Bewirtschaftung von Grundwasser- ressourcen.................................................................................................... 48 4 4.2 Probleme der Prognose anthropogen beeinflusster Grundwasserneubildung............................................................................... 52 4.3 Zwischenfazit................................................................................................ 54 4.4 Hybride Regulation ....................................................................................... 55 5. Grenzen hybrider Regulation: Aufgrund anthropogener Überprägungen zusammenbrechende Regulationspotentiale ..................... 56 5.1 Denitrifikationspuffer – erste Hinweise auf ein Zusammenbrechen biogeochemischer Regulationsprozesse...................................................... 57 5.2 Ähnliche Zusammenbrüche physiogener Regulationspotentiale.................. 58 5.3 Zwischenfazit................................................................................................ 60 6. Ausblick ........................................................................................................ 62 6.1 Einsatz von Entscheidungsfindungssystemen zur Eintragsverringerung ..... 62 6.2 Antizipation tritt neben die Rückkopplung .................................................... 64 6.3 Eine neue Perspektive entsteht.................................................................... 66 Literatur.................................................................................................................... 68 Anhang .................................................................................................................... 79 5 5 1. Einleitung Das Verbundprojekt netWORKS zielt am Beispiel von Wasser-Infrastruktursystemen und deren Transformation auf das Problem ihrer sozial-ökologischen Regulation. Infrastruktur- systeme zur Wasserversorgung umfassen natürliche, gesellschaftliche und technische Elemente und deren Beziehungen. Zugleich sind sie „nach außen“ mit gesellschaftlichen Bereichen (z.B. Wirtschaft, Politik), mit natürlichen Systemen (Wasserkreislauf, Ökosys- temen) und mit anderen Infrastruktursystemen (insbesondere Energieversorgung und Abwasserbeseitigung) verkoppelt (vgl. Becker/Schramm 2002). Zweck eines Wasserver- sorgungssystems ist es, in einem Territorium den gesellschaftlichen Bedarf mit Wasser ausreichender Menge und Qualität zu sichern. Damit dieser Zweck erfüllt werden kann, müssen solche Systeme über wirkungsvolle Regulierungsmechanismen auf technischer, hydrologischer, ökonomischer, politischer und ökologischer Ebene verfügen. Für das Be- greifen und die Analyse der zur unmittelbaren Zweckerfüllung von Versorgungssystemen (Hauptwirkungen) notwendigen Regulierungen ist es notwendig, einen eigenständigen, nicht disziplinär-geprägten Regulationsbegriff zu entwickeln. Dies gilt umso mehr, wenn berücksichtigt werden soll, dass nicht beabsichtigte Nebenwirkungen und die sich daraus ergebenden „Probleme zweiter Ordnung“ zu komplexen sozial-ökologischen Problemla- gen führen, die sich als Regulationsstörungen bemerkbar machen. Um die Ziele des netWORKS-Vorhabens erreichen zu können, ist folglich die Entfaltung eines sozial-ökologischen Regulationsbegriffs erforderlich (vgl. auch Hummel/Kluge 2003): Im netWORKS-Verbund wird spezifisch zur Frage der Anpassungsfähigkeit bzw. Flexibilität von Wasser-Infrastrukturen unter Veränderungsdruck und zu ihrer Orientierung an einer nachhaltigen Entwicklung geforscht. Dabei werden u.a. folgende Probleme bear- beitet: Wieweit können konventionelle Infrastruktursysteme optimiert und an die sich än- dernden sozialen, ökonomischen und ökologischen Bedingungen angepasst werden? Muss sich die Ressourcenbewirtschaftung und deren Regulierung angesichts der Privati- sierungstrends einerseits, der Orientierung an einer nachhaltigen Entwicklung anderer- seits verändern? Ab wann ist es ökonomisch und ökologisch nachhaltiger, bei Bedarfsän- derungen (z. B. Rationalisierung durch Privatisierung, demografischer Wandel) auf alter- native Systemstypen umzustellen? Der Terminus technicus „sozial-ökologische Regulation“ bezieht sich auf Probleme der Regulierung in komplexen Natur-Gesellschafts-Verflechtungen (vgl. Hummel/Kluge 2004)1; damit umfasst Regulation sowohl gesellschaftlich institutionelle Aspekte (z.B. Be- darfssteuerung, Wahl des Systemtyps zur Ver- und Entsorgung, Verteilung usw.) als auch naturale Aspekte (z. B. Regulierung der Wassergüte). Dieses Verständnis von Regulation muss, weil es auch physisch-materielle Aspekte mit einbezieht, weit über eine – derzeit 1 Der Terminus der sozial-ökologischen Regulation steht im übrigen in einem engen Zusammenhang zum Begriff der sozial-ökologischen Transformation. Veränderungen der Regulierungsformen in einzelnen Be- reichen (z.B. Veränderungen der ökonomischen Regulierung durch Privatisierung) können zu Verände- rungen in anderen Sektoren führen. Darauf wird wiederum mit spezifischen Regulierungen reagiert, die neue Folgeprobleme auslösen. So kann es zu einer Problemspirale kommen, welche das gesamte Ge- flecht der Beziehungen der (technischen, ökologischen und sozialen) Elemente dynamisiert und auch zu andersartigen Verkoppelungen dieser Elemente führen kann. Diese Form- und Strukturveränderungen lassen sich nach Hummel & Kluge (2003) als sozial-ökologische Transformationen fassen. 6 sowohl im wissenschaftlichen als auch im politischen Diskurs vorherrschende – sozialwis- senschaftliche Konzeptualisierung von Regulation hinausgehen.2 Die vorliegende Untersuchung zielte darauf, insbesondere die naturalen Aspekte einer sozial-ökologischen Regulation genauer zu fassen (und insofern auch zur Klärung von Grundlagenprobleme der sozial-ökologischen Forschung beizutragen).3 Dabei wurde – basierend auf einer entsprechenden Desk-Research (Lotz 2004) – auch die Frage ver- folgt, ob und wieweit es sinnvoll ist, diese naturalen Aspekte, wie sie insbesondere am Beispiel der Selbstreinigungsvorgänge im Gewässer hohe Relevanz für eine (gesell- schaftliche) Ressourcenregulation haben können, als Selbstregulation bzw. als physische Regulation zu fassen. Aufbauend auf konzeptionellen Überlegungen zu Regulationen so- zial-ökologischer Systeme aus der Literatur wurden mögliche Formen des Zusammen- spiels von physischer und sozio-technischer Regulation diskutiert. Zudem wurden auch Hinweise auf für die naturalen Aspekte der Regulation wichtige Referenzzustände identifi- ziert. 1.1 Kybernetisches Verständnis von Regelung Bei der Entfaltung eines eigenständigen Verständnisses von sozial-ökologischer Regula- tion kann auf der Kybernetik aufgebaut werden (vgl. Hummel; Kluge 2004; Schramm 2004). Die klassische Kybernetik entfaltete „control“ („Regelung“) als einen ihrer Zentral- begriffe. 1948 fasste Norbert Wiener (1992) Kybernetik als Wissenschaft der „control and communication in the animal and the machine“ (oder, wie es in der deutschen Überset- zung heißt, „Regelung und Nachrichtenübertragung im Lebewesen und in der Maschine“). Grundlegend für seine Begründung der Kybernetik war die Entwicklung der Informations- theorie und insbesondere die Einführung eines quantifizierbaren Maßes für Information durch Claude Shannon (vgl. Flechtner 1969: 40 ff.; Wiener 1992: 35 ff.). Das darauf auf- bauende technische Konzept von Information gestattet eine quantitative Erfassung der Nachrichtenübermittlung. Die mit ihr mögliche informationstheoretische Abstraktion ist letztlich die entscheidende Vorraussetzung für die Konzeption von auf Signalübertragung beruhenden kybernetischen Regelsystemen.4 Dabei werden Ausgangs- und Eingangs- 2 „Steuerung“ ist im netWORKS-Vorhaben kein zentraler Begriff; im Zentrum des Begriffsapparats stehen vielmehr die Begriffe „Regulierung“, „Regulation“ und „Transformation“. Mit einer interdisziplinären Spezi- fizierung dieser Begriffe wird eine gegenüber dem Begriff der „Steuerung“ breitere Perspektive aufge- nommen. 3 Für konzeptionelle Hinweise danke ich meiner Kollegin Diana Hummel und meinen Kollegen Egon Be- cker, Thomas Kluge und Stefan Liehr aus dem ISOE. Bei der Literaturrecherche und –auswertung hat Achim Lotz im Rahmen eines grundlegenden Werkvertrages wertvolle Dienste geleistet. Nicht zuletzt möchte ich Klaus D. Aurada, Heiko Gerdes, Kurt Jax, Wolfgang Köhl, Wolf-Dieter von Pape, Andreas Thiel und Hellmut Thiem dafür danken, dass sie ins ISOE gekommen und ihre Überlegungen zum The- ma ausführlich dargestellt und diskutiert haben. Jörg Lange und Nik Geiler haben in der Frühphase der Recherche bei einem längeren Treffen in Freiburg Hinweise für deren Zuspitzung gegeben; ebenfalls richtungsweisend waren Gespräche mit Astrid Schwarz. Frank Remmler hat großzügigerweise preprints zur Verfügung gestellt. Olaf Bastian, Urs von Gunten, Klaus Lanz, Arnold Quadflieg und Wilhelm Kölle standen mehrfach telefonisch zur Verfügung; ihnen sei ebenso wie den Teilnehmerinnen und Teilneh- mern des netWORKS-Statusseminars in Hannover für wichtige Hinweise gedankt. 4 Der hohe Abstraktionsgrad eröffnete Anwendungsmöglichkeiten der Kybernetik in der Prozeß- und Au- tomatisierungstechnik, der Informatik, Biologie, Medizin, Kommunikationswissenschaft, Linguistik, Päda- 7 7 größen zirkulär mit sich verknüpft. Diese informationelle Schließung des Kreisprozesses bei der Regelung ist für die Bestimmung bzw. Abgrenzung des Systems während der Ge- genstandskonstitution zentral. Sonst nur in linear-kausaler Beziehung stehende Objekte lassen sich so in neuer Weise in einem Kreisprozess („Regelkreis“) anordnen; dabei wer- den zirkuläre Kausalitäten betont. Je nach Art der Eingangsinformationen und der Beeinflussung des Systemverhaltens können Regelkreisprozesse von anderen Regelungsformen – insbesondere von Initialisie- rungsprozessen5 und von anpassenden Formen der Regelung6 – unterschieden werden. Der Mechanismus der Regelung im Regelkreis beruht (im Gegensatz zu anderen Rege- lungsformen7) darauf, dass die Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert in ein passendes Signal umgewandelt und als Information zum Eingang des Systems zurückgeleitet wird (vgl. Flechtner 1969: 38 ff.; Klaus/Liebscher 1976: 651 ff.; Wiener 1858). Mit dieser Rück- kopplung wird der Regelkreis geschlossen; die Veränderungen im gesteuerten System wirken auf die Regelung zurück. Die Regelkreismodelle der klassischen Kybernetik8 sind so angelegt, dass eine System- größe (Regelgröße) mit einem Ist-Wert-Fühler gemessen und mit einem von außen ein- gestellten Sollwert verglichen wird. Aus dieser Modellanlage ergeben sich wichtige Aspek- te des Konzepts kybernetischer Regelung: 1. ist die Differenz von Ist- und Soll-Wert gleich Null, findet keine Regelung statt. Denn ohne eine Sollwertabweichung bzw. Störung des Systems wird nicht reguliert, da das System stabil ist. Anders ausgedrückt: Eine Regelung hin auf den Soll-Wert findet immer gegen eine Störgröße statt; 2. liegt hierin begründet, dass für erfolgreiche Regulationen in Regelkreisen das Vorzei- chen der Rückkopplung negativ sein muss, weil nur so der durch die Störung einge- tretenen Systemänderung entgegengewirkt werden kann; 3. wird der Sollwert als für das zu regulierende System externe, von außen vorzuge- bende und einzustellende Größe bestimmt. gogik, Philosophie, Psychologie, Wirtschaftswissenschaften und Soziologie (vgl. Klaus/Liebscher 1976: 319 ff.). 5 Ein extremes Beispiel für eine initialisierende Eingangsinformation ist das Lostreten einer Lawine durch den Flügelschlag eines Vogels. Das Ein- und Ausschalten eines Apparats (z.B. Drehen an einem Was- serhahn) ist eine technisch übliche Form des Auslösens, die übrigens auch verdeutlicht, dass die körper- liche Anstrengung „etwa beim Aufdrehen des Sperrventils einer Flüssigkeitsleitung ... keinen Einfluss auf die Strömungsenergie“ hat. Auch kann der auslösende Impuls nicht die Art und Richtung eines ausgelös- ten Geschehens beeinflussen (Flechtner 1969: 27). 6 Anpassung ist eine spezielle Form der Regulation, der eine Systemverhaltensweise zugrunde liegt und bei der ein (neues) Gleichgewicht mit der Umwelt angestrebt wird (das jedoch nicht stationär ist, sondern als Fließ- oder Phasengleichgewicht unterschiedliche Zustände einnehmen kann). Die entscheidende Differenz zur Regelung durch Rückkopplung ist, dass das System hier selbst einen Soll-Wert entwickelt, der sich aus einer Bewegung hin zu einem neuen Gleichgewichtszustand mit seiner Umwelt ergibt. Vgl. etwa Bertalanffy 1975: 127 ff., sowie Flechtner 1969: 43 ff. 7 Diese werden in der deutschsprachigen Debatte gerne als „Steuerung“ von der „Regelung“ unterschie- den. Insbesondere wird eine „open loop control“ (ohne Rückkopplung der Steuerungsgröße) bzw. eine externe Regelung zum Spezialfall der Steuerung erklärt (vgl. Klaus/Liebscher 1976: 652, Flechtner 1969: 27 ff., Hummel/Kluge 2004). International werden aber in der kybernetischen Literatur „Steuerung“ und „Regelung“ (ebenso wie auch „Kontrolle“) undifferenziert als „control“ bezeichnet (vgl. Wiener 1958: 6). 8 Für neuere kybernetische Entwicklungen vgl. auch Kapitel 6.2. 8 Soll in einem Regelsystem die durch eine Störung hervorgerufene Zustandsänderung wieder aufgehoben werden, kann der berechnete Stell-Wert (Regelbefehl) gegenüber dem gemessenen Soll-Wert zeitverzögert auftreten, was Unregelmäßigkeiten im weiteren Verlauf und evtl. sogar Probleme hervorruft: „Das System schießt infolge der Störungswir- kung etwas über den Sollwert hinaus (...), wird vom Regler zurückgeholt, überschreitet den Sollwert abermals, jetzt in entgegengesetzter Richtung, wird wieder zurückgeholt – und pendelt oder schwingt so um den Sollwert herum.“ (Flechtner 1969: 42). Das durch verzögerte Rückkopplung ausgelöste Schwingen des Systems kann so zu einem instabi- len Zustand führen (was die Regeltechniker nach Möglichkeit zu vermeiden suchen): Im ungünstigsten Fall kann die Phasenverschiebung genau die Hälfte der Phase betragen, d.h. die Regelbefehle haben die gegenteilige Wirkung. Denn dann schaukelt sich das Sys- tem „zu immer stärkeren Schwingungen auf, bis schließlich das ganze System zerstört werden kann“ (ebd.).9 Eine regeltechnische Perspektive hat zunächst zu einer weitgehenden Betonung der ne- gativen Rückkopplung geführt10. Entsprechend wurden Rückkopplungen mit positivem Werten im kybernetischen Diskurs (beispielsweise in populärwissenschaftlichen Darstel- lungen) lange Zeit mehr oder weniger ausgeblendet. Die positive Rückkopplung kann aber nicht nur den Systemzusammenbruch und eine völlige Blockierung von Aktivitäten bewirken, sondern auf ihr beruhen auch zentrale Selbstorganisationsprozesse und die Dynamik der Veränderung eines Systems, wie sie sich beispielsweise als Evolution fas- sen lässt.11 Mittlerweile zeigt sich, dass positive und negative Rückkopplungen häufig gemeinsam auftreten bzw. antagonistische Wirkungen haben. Eine wichtige Vorausset- zung für die Aufrechterhaltung eines Systems über lange Zeit ist daher die Kompensation der Wirkung positiver Rückkopplungen durch negative. In ähnlicher Weise lässt sich aber auch die Aufrechterhaltung eines Regimes bei gleichzeitiger Veränderung des Systems fassen (vgl. etwa Cinquin/Demongeot 2002; DeAngelis et al. 1986; Rosnay 1977: 88 ff.). 1.2 Regelung im systemtheoretischen Kontext Heute sind kybernetische Gedanken und Konzepte z.B. zur Regelung fast immer in einen systemtheoretischen Theorierahmen eingebettet (vgl. Schramm 2004). Die Systemtheorie als Betrachtungsweise dynamischer Systeme und ihrer Organisation entstand zeitlich knapp vor der Kybernetik und entwickelte sich zunächst ungefähr parallel zur ihr; es gibt 9 Wiener (1992: 34, 145 f.) führt hier die als Intentionstremor bekannte medizinische Störung des Klein- hirns an: Menschen mit dieser Störung sind nicht in der Lage, zielgerichtet nach Gegenständen zu grei- fen. Beim Versuch, den Fehlgriff zu korrigieren, kommt es zu einem heftigen Zittern von Arm und Hand, was als Oszillation durch phasenverschobene Rückkopplung gedeutet werden kann. Vgl. auch die Bei- spiele bei Thiel 2002, 2003. 10 Paradigmatisch etwa die Formulierung, die Klug/Lang (1983: 38) bei der Erläuterung von Regelkreisen in Geosystemen verwenden: „Der Regelkreis stellt demnach eine geschlossene negative Rückkopplungs- schleife dar.“ 11 Erstaunlicherweise haben einige biokybernetisch orientierte Ökologen wie Eugene Odum früh erkannt, dass diese unterschiedliche Priorisierung von positiver und negativer Rückkopplung wenig zielführend ist. Vielmehr heißt es bei Odum (1978: 48): „Positive Rückkopplung ist Abweichungsbeschleunigung und für Wachstum und Überleben von Organismen natürlich notwendig. Um ein System unter Kontrolle zu halten ... muß es aber auch eine negative Rückkoppelung geben.“ 9 9 personelle Verflechtungen zwischen Kybernetik und Systemtheorie (vgl. Bertalanffy 1975: 149 ff.; Schramm 2004; Wunsch 1985). Schon daher kann die Systemtheorie in unter- schiedlicher Weise auf die Kybernetik bezogen werden: Während die Systemtheorie in Deutschland meist als Gebiet der technisch orientierten Regelungstheorie angesehen wurde, galt insbesondere in den USA die Allgemeine Systemtheorie als eigenständig fun- diert. Dabei wurden die Unterschiede zwischen der Allgemeinen Systemtheorie und der Kybernetik „im grundlegenden Modell“ betont: Die Systemtheorie zielt auf ein dynami- sches System von Wechselwirkungen und eine Beschreibung des Systemsverhaltens mit dynamischen Bewegungsgleichungen, die Kybernetik will dagegen Rückkopplungsme- chanismen identifizieren und braucht daher das regulierte System nicht kennen zu lernen, sondern kann es ausschließlich als ‚black box’ fassen. „Die beiden Beschreibungsweisen der dynamischen Systemtheorie und der Kybernetik fallen weitgehend zusammen mit in- terner oder externer Beschreibung.“ (Ropohl 1999: 26). Das Konzept der äußeren Verhaltensbeschreibung linearer zeitinvarianter Differential- systeme war zum Ende der 50er-Jahre im wesentlichen abgeschlossen und wurde le- diglich durch die Einbeziehung von Systemen mit mehreren Eingangs- und Ausgangs- größen oder durch Diskretisierungsmöglichkeiten dieser Größen modifiziert (vgl. Berta- lanffy 1975). Die leicht zu überschauende Einfachheit der theoretischen Grundlagen dieser frühen Systemmodelle ist allerdings auch mit Nachteilen verbunden: Für viele, insbesondere auch naturwissenschaftliche Fragestellungen stellt die Beschränkung dieser konventionellen Systemtheorie auf zeitinvariante Systeme „ohne Gedächtnis“ und damit „ohne Vergangenheit“ („Null-Vergangenheit“) eine erhebliche Einschränkung dar. Die systeminterne Beschreibung des dynamischen Verhaltens durch geeignete Diffe- rentialgleichungen setzt voraus, dass einzelne Systemelemente und ihre Eigenschaf- ten isoliert voneinander betrachtet werden können. Unter Nutzung der Homogenitäts- und Additivitätseigenschaften der Lösungen linearer Differentialgleichungen kann der Zusammenhang zwischen Systemeingangs- und -ausgangsgrößen durch einen (Sys- tem-)Operator beschrieben werden (vgl. Marko 1995). Die betrachteten offenen Sys- teme erhalten die für das Aufrechterhalten der Systembedingungen (insbesondere Fließgleichgewichte, vgl. Bertalanffy 1975: 127 ff.) notwendigen Inputs an Energie und Materie (z.B. Wasser, Nährstoffe) von außen. „Die Throughputs werden durch die Reg- ler gesteuert, diese von Korrelationsvariablen beeinflusst. Die Outputs ermöglichen im bilanzierenden Vergleich mit den Inputs die Quantifizierung des Stoff- und Energie- verbrauchs“ (Klug/Lang 1983: 109). Seit den sechziger Jahren konnte die kybernetische Perspektive in systemtheoretischen Konzepten verankert werden, in denen die Relationen von Stoff-, Energie- und Informati- onsebene. Die Ebene der Informationsverknüpfungen erlaubt – auch in der Ökologie – die Berücksichtigung der regulativen Aspekte (vgl. Köhler 1986; Stugren 1978). „Die kyberne- tischen Ökosystemmodelle basieren auf einer Theorie der Regulation und Kontrolle in komplexen Systemen, deren Grundeinheiten positive (fördernde) und negative (hemmen- de) Rückkopplungsschleifen (Regelkreise) sind. Ein wichtiges Konzept der Kybernetik ist die Homoeostase, ein (meta)stabiler Zustand, der sich aus dem komplexen Zusammen- 10 wirken vielfältiger Rückkopplungen ergibt und auch nach der Einwirkung von externen Im- pulsen (Störungen) wieder erreicht wird. Dieser Zustand wird häufig als Zielvariable für die Systembeschreibung und die Erklärung der Systemdynamik gewählt“ (Müller 1999). Auf diese Weise können für die Erklärung eines dynamischen Verhalten von Ökosyste- men weiterhin Regulationsvorgänge betont werden: „Ökosysteme sind (wie ihre Kompo- nenten, Populationen und Organismen) zu Selbsterhaltung und Selbstregulation fähig.“ Dabei wurde zunächst die „Homöostasie“ als „die Eigenschaft der biologischen Systeme, Veränderungen zu widerstehen und in einem Gleichgewicht besonders betont“ (Odum 1978: 47 f.). „Homöostasie“, „Resistenz“12 , „system maintenance“ und „Stabilität“ werden in der systemökologischen Literatur teilweise vereinfachend, konzeptionelle Unterschiede verschleifend synonym verwendet. So verstehen Uhlmann/Horn (2001) unter „Stabilität ... die Fähigkeit eines Ökosystems, den bestehenden Gleichgewichtszustand beizubehalten und sich gegenüber Schwankungen der Umweltfaktoren zu behaupten, also Störungen innerhalb gewisser Grenzen zu kompensieren. Das System besitzt demnach eine gewisse Elastizität, ist in einem bestimmten Maße fähig, sich an eine neue Situation anzupassen, seinen Stoffhaushalt und Organismenbestand auch nach großen Verlusten wiederherzu- stellen. Durch sein hoch entwickeltes Selbstregulations- und -regenerationsvermögen un- terscheidet es sich von nichtlebenden Systemen (...). Für das Funktionieren von Selbstre- gulationsprozessen sind nicht alleine interne, sondern auch äußere Einflussfaktoren bzw. Zeitgeber maßgebend“ (Uhlmann/Horn 2001: 76 f.). Ein entsprechender homöostatischer Zustand „wird durch das Zusammenwirken von Steuerungs-, Pufferungs- und Regelag- gregaten erreicht (...). Diese Steuerungsmechanismen manifestieren sich in Ökosystemen in den prozessualen Verknüpfungen zwischen Stoff-, Energie und Informationsflüssen“ (Müller 1991). Bei der Betrachtung von Öko- und Geosystemen wurden fast ausschließlich Rückkopp- lungen als Regulationsmechanismen fokussiert; sie wurden als „wichtige Kenngrößen“ der analysierten Systeme charakterisiert (vgl. Klug/Lang 1983: 58). Die unterschiedlichen – di- rekten und indirekten – Formen der Rückkopplung treten dabei häufig nicht isoliert auf, sondern als vielfältig miteinander gekoppelt. Diese Erkenntnisse hat insbesondere die Be- trachtung von Öko- bzw. Geosystemen als Korrelationssystem erbracht; bei entsprechen- den Korrelationsanalysen blieben zunächst jedoch die stofflichen Input/Output-Relationen unberücksichtigt (vgl. Klug/Lang 1983: 51 ff.). Input/Output-Relationen lenkten in Kombination mit der Anschauung des Fließgleichge- wichts, die in der aquatischen Limnologie bereits in den 1940er-Jahren durch Lindeman und Hutchinson eingeführt wurde (vgl. Schramm 1974), die wissenschaftliche Aufmerk- samkeit von den zunächst betonten Regulationsvorgängen ab. Beispielsweise wird dann für einen Klärreaktor als Idealmodell eines Ökosystems betont, dass sich nach der Inbe- triebnahme „sowohl die Konzentration an suspendierter Bakterien-Biomasse als auch die der (von den Bakterien) verbrauchten gelösten organischen Substanzen auf ein annä- hernd gleich bleibendes Niveau ‚einpendeln’. Sowohl Biomasse als auch Substratkonzen- tration erreichen einen Stationärzustand.“ (Uhlmann/Horn 2001: 77) Wie sie diesen (fast) 12 Uhlmann (1980: 31) versteht hierunter in Anknüpfung an Leibniz den „Widerstand, der Störungen von außen entgegengesetzt wird“. 11 11 stationären Zustand erreichen und wie sie diese (Quasi-)Stationarität erhalten, rückt bei einem Fokussieren auf die Input-/Output-Perspektive meist in die Ferne. Zumeist lenkt der empirische Nachweis, dass Ökosysteme, Biozönosen usw. einen (fast) stationären Zu- stand erreichen, von der Frage nach den diesbezüglichen Regulationsmechanismen ab. Zwar ist das dynamische Verhalten der meisten Gewässer weit von einem Fließgewicht entfernt – „infolge von ständigen ‚Störungen’ herrscht meistens nur ein Übergangszu- stand, dessen Dauer oftmals die Größenordnung von einigen Wochen erreicht“ (Uhl- mann/Horn 2001: 78) –; dennoch wird aber nicht genauer danach gefragt, wie sich das System gegenüber den Störungen aufrechterhält. Die Fähigkeit der Pflanzen und Tiere, die Umwelt physikochemisch zu verändern, stellt die materielle Grundlage der Rückwirkungen dar. Die positiven Rückwirkungen arbeiten in Richtung des Fortbestehens und der Vergrößerung des Stoff-, Energie- und Informations- austausches von Biozönose und Umwelt. Dies geschieht durch die ausgeschiedenen Substanzen, die der Umwelt Informationen über den Zustand der Biozönose zutragen. Hingegen arbeiten die negativen Rückwirkungen in Richtung einer Beschränkung des Stoff-, Energie- und Informationsaustausches von Biozönose und Umwelt einerseits, der Aufrechterhaltung der Biozönose in ihrer Struktur und Größenordnung andererseits.13 Die Rückkopplungskreise von Biozönose und Umwelt sind nur dann funktionsfähig, wenn die Störung nicht zu groß ist, so dass die Information in der Biozönose noch gespeichert wer- den kann (vgl. Stugren 1978: 134; DeAngelis 1992: 114 ff.). Entsprechende, noch klas- sisch-kybernetisch orientierte Systemmodelle werden als „zu starr und gleichgewichtsori- entiert“ kritisiert; es wird eingewendet, dass entsprechende Modellvorstellungen nicht adaptierbar und nicht „zur Beschreibung des Systemverhaltens während instabiler Pha- sen“ anwendbar seien. „Aufgrund dieser konzeptionellen Ausrichtung auf vorbestimmte (stabile) Sollwerte ist der kybernetische Ansatz außerdem nicht sinnvoll verwendbar, um langzeitliche Dynamiken oder evolutionäre Entwicklungen von ökologischen Systemen hinreichend zu beschreiben“ (Müller 1991). Auch nach einer Zurückweisung des kyberne- tischen Ökosystemkonzepts (vgl. Engelberg/Boyarsky 1979) basieren immer noch die meisten vorherrschenden Geo- und Ökosystemmodelle „auf kybernetischen Grundlagen und Grundideen – eine Tatsache, die sich etwa aus der Namensgebung ‚Standortregel- kreis’ leicht ablesen lässt“ (Müller 1991). Die allgemeine Theorie linearer Systeme, die aus der Theorie linearer Differentialsysteme hervorgegangen ist, bildet eine, jedoch keinesfalls die einzige Möglichkeit einer Verallge- meinerung von Systemkonzepten. In den letzten Jahrzehnten entstanden mit den mehr- dimensionalen14 und insbesondere mit den komplexen Systemen andere theoretische 13 „Durch ihre Tätigkeit schafft die Biozönose selbst jene Bedingungen, die für ihre Weiterentwicklung hemmend wirken. Der wachsende Verbrauch von Wasser und anorganischen Nährstoffen durch die Pflanzen führt zur Verarmung der Umwelt. Somit werden die Überlebensmöglichkeiten der Lebewesen beschänkt, Individuen- und Artenmenge begrenzt ... Diese Vorgänge führen zum stärkeren Konkurrenz- kampf und schließlich zur Regulation der Individuen- und Artenmenge, bis eine bestimmte und konstante Größe erreicht ist.“ (Stugren 1978: 134) 14 So kann die Systemtheorie, die zunächst nur für eindimensionale Systeme konzipiert war, auch zur Be- schreibung höherdimensionaler Systeme, z.B. zellularer Systeme und neuronaler Netzwerke, mit denen sich Systemstrukturen mit räumlicher Ausdehnung fassen lasen, herangezogen werden bzw. die meisten raum-zeitlichen Prozesse modellieren (vgl. Marko 1995, Wunsch 1977). 12 Systemkonzepte, die weitere Zugänge ermöglichten. Für eine erweiterte Beschreibung von Regelungsvorgängen boten sich dabei zunächst auch die unterschiedlichen Selbstor- ganisationskonzepte an (vgl. Haken 1990; Müller 1999; Schramm 2004). 1.3 Selbstregulation Das Konzept der „Selbstregulation“ wurde vereinzelt in der älteren kybernetischen Debat- te verwendet, vor allem aber in der Allgemeinen Systemtheorie (vgl. Bertalanffy 1975: 122). Nach Bertalanffy (1975: 132) ist Selbstregulation nicht nur Kennzeichen lebendiger Systeme, sondern auch eine Eigenschaft aller offenen Systeme. „Selbstregulation“ ist aus der Systemtheorie in die Konzepte von Ökosystem und Geosystem transferiert worden (vgl. etwa Odum 1994: 33, 577). Teilweise gilt „Selbstregulation“ auch als besonderes Kennzeichen von Systemen, die nicht anthropogen beeinflusst sind. Beispielsweise wird in einer „Einführung in die Geosystemlehre“ festgehalten, dass das „‚Einschaukeln’ in ein stabiles Gleichgewicht (negative Rückkopplung) in einem natürlichen System ohne Steue- rung von außen erfolgt, denn es [das System] besitzt die Fähigkeit zur Selbstregelung. Al- le Regelungsvorgänge werden vom System selbst durchgeführt“ (Klug/Lang 1983: 38). Vorstellungen einer „Selbstregulation“ finden sich – wenngleich auf Spezialfälle be- schränkt – auch noch in der aktuellen Fachliteratur (vgl. etwa Thiel 2002). Überwiegend wird „Selbstregulation“ sehr ähnlich wie „Regelung“ oder „Regulation“ ver- wendet: Der Terminus bezieht sich zunächst „auf die relative Unabhängigkeit der Funktion eines dynamischen Systems von seiner Umgebung: die Regelung ist also dem Wesen der Sache nach kein natürlicher (oder gar übernatürlicher) Eingriff von außen, von der Um- welt, sondern ein Prozess, der sich innerhalb des betreffenden Systems selbst abspielt“ (Klaus/Liebscher 1976: 655). Eine solche Definition von Selbstregulation, die z.T. auch als autokatalytische Rückkopplung gefasst wird (vgl. Odum 1994: 141), fokussiert damit ins- besondere die (regelungsrelevanten) Außengrenzen des Systems. Damit führt sie zur (zu klärenden, aber für die weitere Untersuchung heuristisch nur bedingt fruchtbaren) Frage- stellung, ob das regulierende System Bestandteil des regulierten Systems ist.15 Entsprechend solchen Überlegungen wird beispielsweise in der Populationsökologie sehr genau zwischen „Selbstregulation“16 (bei der die Dichte der Population durch die betref- fende Art intraspezifisch reguliert wird), interspezifischer Regulation in Nahrungsgefügen (z.B. Räuber/Beute-Systemen) und abiotisch induzierter Regulation unterschieden (vgl. Odum 1978: 313 f. sowie Remmert 1984: 139-174). Bei einem Wechsel der Perspektive – von der regulierten Art auf die Biozönose und zugleich von der populationsökologischen 15 Daneben sind in weiteren Fachgebieten noch andere Verwendungen des Begriffs „Selbstregulation“ üb- lich: „So spricht man z.B. in der Automatisierungstechnik von ‚selbsttätiger Regelung’ und meint damit ein automatisches System, das ohne unmittelbaren Einfluß des Menschen funktioniert. In wieder anderer Bedeutung kommt ‚Selbstregelung’ in der Physiologie vor“ (Klaus/Liebscher 1976: 655, vgl. zur Physiolo- gie Rothschuh 1972 sowie Canguilhem 1979). 16 Remmert (1984: 139) weist darauf hin, dass der Begriff „Selbstregulation“ in der Fachliteratur „vielfach als anthropomorph abgelehnt worden“ ist. 13 13 auf die systembiologische Ebene – könnten wenigstens die beiden ersten Regulations- formen als Selbstregulation gefasst werden.17 Die Biozönose unterliegt den Regulationsmechanismen der Umwelt, die allerdings mit der Tätigkeit der Biozönose verkoppelt ist. Vereinfachend wird daher in der Ökologie von der Selbstregulation der Biozönose gesprochen: „Die Biozönose soll stabil bleiben, wenn sie Selbstregulationsmechanismen besitzt. In dieser Hinsicht könnte man die Biozönose mit einem automatischen Gerät, mit einer selbsttätigen Vorrichtung vergleichen. Ein solcher Automat wird nicht durch automatische Kräfte, sondern durch das Zusammenspiel seiner Teile geregelt und arbeitsfähig gehalten. Jede innere oder äußere Störung wird von den Mechanismen des Automaten beseitigt, das Ganze dadurch geregelt und auf das not- wendige Niveau zurückgebracht. Der Automat, auf innere Rückkopplungen begründet, vermag also frei von jeder äußeren Informationsquelle zu arbeiten.“ (Stugren 1978: 134) Phänomenologisch erinnern einige Vorgänge auf der biozönotischen Ebene an solche Regelungsautomatismen: „In jeder Biozönose sind einfache Rückkopplungskreise er- kennbar. Jedes Biosystem ist als Rückkopplungskreis wirksam, das auf Grund des Infor- mationsaustausches zwischen seinen Gliedern arbeitet. ... Jedes Glied fungiert gegen- über seinem Partner als Nachrichtenquelle und als Regelwerk zugleich. Jede Störung des Systems, die von einem Partner verursacht wird, wird von dem anderen Partner auf Grund dieser Störung selbst beseitigt. Im Biosystem Blütenpflanze – Hummel ist die Nachricht über die Existenz und Lebensäußerungen der Pflanzen in den ... gasförmigen Duftstoffen enthalten, die von den Blüten in die Luft ausgeschieden werden. Die blütenbe- suchenden Hummeln werden durch diese Nachricht befähigt, die Blüten zu finden und de- ren Pollen zu verbreiten. Die Information der ausgeschiedenen Stoffe ist in Form der Be- fruchtungsaktion der Hummeln zu den Pflanzen zurückgekehrt, wodurch die Nachkom- menschaft der Pflanzen gesichert wird.“ (Stugren 1978: 134 f.) Das Artengefüge der Biozönose bzw. des Ökosystems betrachtet Stugren (1978: 135) daher in Analogie zu einem Netz von Rückkopplungskreisen, wobei als Biosystem ein funktioneller Ausschnitt aus dem Artengefüge gilt. Durch das Zusammenspiel von Biosys- temen können die in einem Teil der Biozönose eingetretenen Störungen beseitigt werden. Wächst beispielsweise „die Individuenzahl einer Art weit über ihre normale Größe, so wird das ganze Artengefüge des Ökosystems gestört. Zahlreiche Glieder des Artengefüges werden erregt. Die Störung wird durch die Zusammenarbeit der erregten Glieder besei- tigt.“ (Stugren 1978: 135). Uhlmann/Horn (2001: 80) machen anhand eines einfach strukturierten aquatischen Bio- systems die Bedeutung der Selbstregulation für die Aufrechterhaltung des Ökosystems deutlich; dabei betonen sie besonders die Rolle von Rückkopplungsmechanismen: „Die Rückkopplung ist ein lebenswichtiger Selbstregulationsmechanismus. In einem einfachen Ernährungsgefüge, das aus einem dominierenden Phytoplankter (z.B. einer kleinen plank- tischen Kieselalge), gelösten Nährstoffen und einem benthischen Filtrierer (Muschel) be- steht, wird ein Teil des produzierten Phytoplanktons ständig gefressen. Dadurch erhöht 17 Der in der ökologischen Literatur verwendete Regulationsbegriff unterscheidet – im Gegensatz zu dem der Kybernetik und der Regeltechnik – nicht zwischen (äußeren) Steuerung und einer (internen) Rege- lung. Vgl. aber auch Lotz 2004. 14 sich die Eindringtiefe und damit die Verfügbarkeit des Lichtes. Außerdem fließen beträcht- liche Mengen an gelösten Nährstoffen aus Verdauungsprozessen in den Kreislauf zurück. Die Biofiltration wirkt als negative Rückkopplung – gleichzeitig stabilisierend auf das Er- nährungsgefüge. Hierbei handelt es sich um eine indirekte Rückkopplung (...), bei der auch die Balance zwischen Wachstums- und Verlustprozessen (...) eine entscheidende Rolle spielt.“ (Uhlmann/Horn 2001: 80) In komplexer strukturierten Ökosystemen können sich verschiedene Regulationsprozesse vermaschen und z.T. überlagern. „Man darf aber trotzdem vermuten, dass die Verknüpfung vieler (positiver und negativer) Rückkopplun- gen stabilisierend auf das Gesamtsystem wirkt. Je größer die Zahl der Organismenarten, die an dem Ernährungsgefüge beteiligt ist, desto größer ist die Komplexität, d.h. die Zahl der Verknüpfungen und Freiheitsgrade.“ (Uhlmann/Horn 2001: 80). Klug/Lang (1983:38) machen darauf aufmerksam, dass eine selbstregulierte Stabilisie- rung nicht durch einzelne Rückkopplungen bewirkt werden kann, sondern dass hierzu „negative Rückkopplungsketten“ benötigt werden. Der Grad der Selbstregulation eines Ökosystems wird häufig als abhängig von seinem Artenreichtum betrachtet18: „Verhalten und Zusammensetzung relativ artenarmer Systeme werden vor allem durch physikalische Steuergrößen bestimmt. Hingegen gelten artenreiche Ökosysteme als überwiegend ‚bio- logisch kontrolliert’.“ (Uhlmann/Horn 2001: 80, vgl. auch Odum 1998) Kompliziertere Verhältnisse treten auf, wenn die Störung von außen kommt. Der Regler, der die Störung wieder beseitigt, befindet sich dann im Regelfall außerhalb der Biozöno- se; die Regulation der Biozönose erfolgt dann vorrangig durch äußere und nicht durch in- nere Rückkopplungskreise. „Das Überwiegen äußerer Kräfte in den Regulationsmecha- nismen der Biozönose beseitigt nicht ihre Autonomie. Stabil strukturierte Biozönosen sind imstande, dem Druck der Umwelt zu widerstehen und die Natur und Größe der Ausgänge zu bestimmen. Äußere Faktoren werden von der biozönotischen Struktur verändert und wirken als ökologische Faktoren.“ (Stugren 1978: 135) Hinsichtlich ihrer Regulationsoffenheit bestehen deutliche Unterschiede zwischen ver- schiedenen Ökosystemen. Dies lässt sich an den Gewässern verdeutlichen, bei denen der Grad der Regulationsoffenheit stark vom Wasserdurchsatz abhängig ist und in der Reihenfolge See – Talsperre – Fluss zunimmt. Gleichzeitig nimmt die Bedeutung von „gewässerinternen“ (systemeigenen) Nährstoff-Kreisläufen ab. „Viele Fließgewässer-Öko- systeme, darunter auch so große wie der Amazonas und sein Nebenfluss Rio Negro, sind in hohem Maße ‚von außen gesteuert’. Dies bedeutet, dass ihre Strukturen und Funktio- nen nur verstanden werden können, wenn man Gewässer und Einzugsgebiet als ein in sich zusammenhängendes Ganzes betrachtet.“ (Uhlmann/Horn 2000: 79) 18 Das ist eine Folge der in der ökologischen Fachliteratur der letzten Jahrzehnte immer wieder problemati- sierten Stabilitäts/Diversitäts-Hypothese. „Kritische Stimmen bezweifeln die reale Wirksamkeit des vor al- lem mit der Kybernetik gewachsenen Stabilitäts-Paradigmas.“ (Müller 1999, vgl. auch Bastian 1997, Potthast 1997). 15 15 2. „Selbstreinigung“ unter der Perspektive von Regulation Für den biogeochemischen Stoffwechsel – den Auf- und Abbau von Stoffen in der Nah- rungskette – muss das globale Ökosystem „über einen beträchtlichen Vorrat an aus- tauschbaren Elementen verfügen, um dieses Recycling sicherzustellen und mittels eines Regulationssystems die Umwandlungsprozesse zu steuern, sodass weder Überfluss noch Mangel entsteht“ (Rosnay 1977: 20). Dabei regeln sich die biogeochemischen Kreisläufe selbst: „Jede starke Veränderung in eine Richtung wird sogleich durch die Änderung einer anderen Variablen kompensiert, so dass das System global im Gleichgewicht bleibt. Je- des Ereignis hat eine Gegenwirkung zur Folge. Jede Änderung und jeder Eingriff in das Ökosystem, so minimal diese auch sein mögen, können einen Regulationsmechanismus in Gang setzen“ (Rosnay 1977: 26). Als Teil dieses biogeochemischen Stoffwechsels können auch die Selbstreinigungsvor- gänge begriffen werden, die eine zentrale Voraussetzung für ein Ressourcenmanagement und damit auch für die gesellschaftliche Regulation der Ressourcen darstellen. Denn Wasser wird bei seinem Weg durch den Wasserkreislauf regeneriert; hier sind insbeson- dere qualitative Aspekte relevant: „Die natürlichen Selbstreinigungsprozesse sind wesent- licher Bestandteil des Wasserkreislaufs ... Wasserinhaltsstoffe wie gelöste Stoffe und Par- tikel werden natürlicherweise in Oberflächengewässern und im Grundwasser abgebaut.“ (vgl. EAWAG 2003). Diese Selbstreinigungsvorgänge spielen eine erhebliche Rolle bei der physischen Regulation des Wasserkreislaufs (vgl. auch Bastian/Schreiber 1999: 38). Die Wasserwirtschaft in Mitteleuropa orientiert sich in ihrer Bewirtschaftung bisher – aus- gehend von der DIN 2000 – weitgehend an dieser natürlichen Reinigung des Wassers und entnimmt das Wasser daher so aus dem Naturhaushalt, das es möglichst wenig auf- zubereiten ist (vgl. Wichmann 2000). Im Folgenden wird versucht, die „Selbstreinigung in Gewässern“ als Regulationsprozess zu fassen. Ausgehend von dem lange vor der Kybernetik entwickelten Konzept der Selbstreinigung in Oberflächengewässern und dessen wissenschaftlichen Weiterentwick- lungen (für Oberflächenwasser-, aber auch Grundwassersysteme) wird diskutiert, welche Potentiale die Perspektive der (Selbst-)Regulation für Forschung und Ressourcenmana- gement bietet. 2.1 Selbstreinigung in den oberirdischen Fließgewässern Das Konzept der „Selbstreinigung“ findet sich zwar insbesondere in der angewandt-ökolo- gischen Literatur bis heute (vgl. etwa Uhlmann/Horn 2001: 316 ff., Remmler/Schulte- Ebbert 2003), hat aber in der aktuellen Forschung zur Fließgewässerökologie keinen gro- ßen Stellenwert mehr. Dies wird insbesondere im Vergleich mit der historischen Debatte deutlich, die legitimierend dazu führte, die Fließgewässer immer stärker mit Immissionen zu belasten (vgl. Kluge/Schramm 1986; Lange 2002; Schramm 1997). 16 2.1.1 Die historische Verwendung von „Selbstreinigung“ Die Verschmutzung großer oberirdischer Fließgewässer durch die Einleitung industrieller und häuslicher Abwässer (insbesondere aus der Schwemmkanalisation der Städte) warf die Frage auf, ob bzw. wann nach der Einleitung das Flusswasser wieder zur Trinkwas- serversorgung verwendet werden konnte (vgl. Kluge/Schramm 1986). In diesem Kontext prägte der Hygieniker Max von Pettenkofer den Begriff der natürlichen Selbstreinigung. Er war der Ansicht, dass keine nennenswerten Auswirkungen der Belastungen zu befürchten seien, wenn das Verhältnis der Abwassermenge zur Flusswassermenge nicht größer als 1:15 und die Strömung des Fließgewässers stärker als die des Abwassers sei. In Unter- suchungen Alexander Müllers zur Selbstreinigung von Spüljauche wurden bereits 1873 die heute als Saprobie und Trophie bezeichneten biologischen Vorgänge in ihren Grund- zügen beschrieben (vgl. Mauch 1998; Lange 2002 124 f.; Remmler/Schulte-Ebbert 2003). Wie aktuell für den Kontext der Altlastensanierung (vgl. 2.2) wurden auch bezogen auf die Oberflächengewässer zunächst unter dem Begriff Selbstreinigung alle physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse zusammengefasst, die zur Verminderung einer Stoffmenge in einem Gewässer führen (vgl. Remmler/Schulte-Ebbert 2003).19 Dazu zähl- ten auch die Sorptions- und Verdünnungsprozesse. Die Reinigungsvorstellung beschränk- te sich dabei aber nur auf das Wasser und die aquatische Biozönose, nicht auf das Ge- wässer und dessen Berandung. Die Folgen dieser einerseits entgrenzten, andererseits vereinseitigten Auffassung von ‚Selbstreinigung’ (z.B. eine Schadstoffakkumulation im Sediment) kamen nur selten in den Blick. Wie die historische Debatte um die Flussreinhaltungsfrage zeigt, ist diese Perspektivver- engung nicht alleine im damaligen Stand des naturwissenschaftlichen Wissens begründet. Schließlich waren durch die in der Untersuchung der Abwassereinleitung und auch der frühen technischen Abwasserreinigung gesammelten Erfahrungen wesentlich mehr De- tails über die einzelnen Prozesse bekannt, als öffentlich verhandelt wurden. Die so ge- nannte Selbstreinigungskraft der Gewässer diente vielmehr mehrere Jahrzehnte lang als politische Legitimation für den Bau von Schwemmkanalisationen und die Einleitung der in ihnen transportierten Abwässer in die Gewässer und deren Ökosysteme (auch ohne eine Abwasserreinigung). Das Konzept der natürlichen Selbstreinigung führte dazu, dass den Flüssen eine Entsorgungsfunktion zugesprochen werden konnte, sodass sie dazu dien- ten, Abwasser kostengünstig aufzunehmen und abzuleiten. Die Entdeckung des Selbst- reinigungspotentials fällt mit der Überlegung seiner Nutzbarmachung zusammen: Sollten in größerem Umfang planmäßig Abwässer in Flüsse eingeleitet werden, mussten natürli- che Gratisleistungen, die zuvor unbekannt waren, in Anspruch genommen werden, da 19 Nach heutigem Verständnis existiert eine stationäre chemische Selbstreinigung nicht. Wenn „kontinuierli- cher Schadstoffeintrag dauerhaft durch natürliche Selbstreinigungsprozesse neutralisiert wird, dann sind in einer exakten Selbstreinigungsanalyse biologische Selbstreinigungsprozesse verantwortlich. Diese sind in der ökologischen Realität an aquatische Mikroorganismen und den Sauerstoffbestand als limitie- rende Faktoren gebunden.“ (Fiedler 1994, 350) Dennoch können auch bei der Destruktion von organi- schem Material durch Organismen Prozesse mit rein chemischem Charakter Bestandteil des Abbauwe- ges sein. Die Zuführung der Reaktionspartner ist dann aber Teil eines Stoffkreislaufes. Eine physikali- sche Selbstreinigung ist meist auf Adsorption, z.B. an im Gewässer schwebende Huminstoffe, zurückzu- führen. 17 17 sonst auf die Unterlieger massive Probleme zukommen konnten (vgl. Kluge/Schramm 1986; Schramm 1997; Lange 2002). Die Selbstreinigungskapazität ließ sich, nachdem sie zunächst im try-and-error-Verfahren genutzt wurde, regulativ begreifen und planerisch einsetzen (vgl. Lange 2002). 2.1.2 Konzentration auf biologische Prozesse der Selbstreinigung Nach aktueller Auffassung bezieht sich die biologische Selbstreinigung zumeist „aus- schließlich auf die Elimination der leicht abbaubaren organischen Substanzen, wobei kein Unterschied zwischen einer natürlichen Selbstverunreinigung und anthropogen bedingten Verunreinigungen besteht. Sowohl im Gewässer produziertes organisches Material [...] als auch allochtones organisches Material, das durch Ufervegetation, diffuse oder punktuelle Einträge in das Gewässer gelangt, unterliegen den gleichen biochemischen Prozessen“ (Gunkel 1996: 50 f.). Im Vordergrund stehen also biochemische Vorgänge. Hydrochemi- sche, physikalische und physikochemische Vorgänge wie Sauerstoffeintrag aus der At- mosphäre, Verdünnung, Flockung/Fällung, Sedimentation oder Ausgasung (aus dem Schlamm) sind an der biologischen Selbstreinigung zwar beteiligt, geraten aber gegen- über den biologischen Hauptakteuren (Bakterien und z.T. auch Pilzen) und deren Metabo- lismus in den Hintergrund. Die bei diesem biologischen bzw. biochemischen Prozess der Selbstreinigung durch Bakterien (und auch durch Pilzen) produzierte Biomasse würde sich jedoch „ im Gewässer in Form von Schlammbänken anreichern, wären nicht weitere Prozesse – die Biofiltration und die Schlammstabilisierung – nachgeschaltet“ (Uhl- mann/Horn 2001: 318). Die Biofiltration wird von bakterienfressenden Protozoen, filtrie- renden Insektenlarven, Muscheln usw. vorgenommen; die weitere Stabilisierung der leicht verwertbaren organischen Substanzen aus dem Sediment wird durch Massenentwicklun- gen von Borstenwürmern, Zuckmückenlarven und Muschelkrebschen besorgt. Im Sinne einer „Prozessregelung durch Fresstätigkeit“ (Uhlmann/Horn 2001: 319) haben auch räu- berische Insektenlarven, Fische und Strudelwürmer, die zu den entsprechenden Nah- rungsketten gehören, hier eine wichtige regulative Funktion. Bemerkenswerterweise wird in der umweltpolitischen Debatte das biochemische Selbst- reinigungspotential der Oberflächengewässer immer noch überschätzt. Beispielhaft deut- lich wird das an einer Definition des Kölner Katalyse-Institutes, wonach die Selbstreini- gung von Gewässern verstanden wird als eine uneingeschränkte „Fähigkeit von Gewäs- serorganismen, organische Stoffe im Wasser abzubauen“ (Katalyse 1988). Hier wird igno- riert, dass es organische Substanzen gibt, die sich aufgrund ihrer physikochemischen Ei- genschaften im Wasser (fast) nicht abbauen lassen und daher als persistent bewertet werden müssen (vgl. Schramm/Kluge 1999; Sontheimer 1991). Nur unter der Voraussetzung, dass es sich um nicht-persistente und damit leicht abbau- bare Chemikalien handelt, lässt sich jedoch die Wirkung, die anthropogen in das Oberflä- chengewässer eingebrachte organische Chemikalien auf ein Gewässer haben, mit derje- nigen des organischen ‚Bestandsabfalls’ gleichsetzen. Schon 1931 fasste Einar Naumann in ähnlicher Absicht anthropogen bedingte „Verunreinigungen im engeren Sinne“ mit der physiogenen „Selbstverunreinigung“ unter dem Oberbegriff „Saprobität“ zusammen (hier- 18 unter fasste er den Anteil an phosphor- und stickstoffhaltigen organischen Abfallstoffen; vgl. Lange 2001: 143; Mauch 1998). Soweit mit Selbstreinigung der Focus besonders auf biochemische Abbauprozesse gelegt wird, kann dieser Begriff auch für Abbauprozesse außerhalb der oberirdischen Fließge- wässer verwendet werden. Entsprechend sehen Hanert et al. (o.J.) in der Kennzeichnung der biologischen Selbstreinigung als einem limnologischen Prozess eine Verkürzung. Bio- logische Selbstreinigung meine keineswegs nur die aerobe Beseitigung organischer Sub- stanzen durch Mikroorganismen in Gewässern, sondern bedeute letztlich den Um- bzw. Abbau von organischem Material (biologischer Abbau, Biodegradation) auf sehr verschie- denen Wegen und über verschiedene Metabolite bis zur Mineralisierung (vgl. auch 2.2). Diese Stoffwechselprozesse sind Teile von Stoffdynamiken, die in biogeochemischen Kreisläufen gefasst werden können. Die einzelnen Prozesse sind zwar thermodynamisch nicht reversibel, können aber eingebunden in das Kreislaufgeschehen als solange repro- duzierbar begriffen werden, wie genügend Sonnenenergie für die Aufrechterhaltung der Stoffwechselprozesse zur Verfügung steht (vgl. Schramm 1997). Unter bio-ökologischer Perspektive handelt sich dabei um Stoffwechselprozesse von Or- ganismen, die sich zusammen mit anderen Organismen in einer Nahrungskette begreifen lassen. ‚Sauberes’ Wasser entsteht dabei sozusagen als Abfallprodukt. Biologische Selbstreinigung lässt sich aber nicht auf eine Anzahl von Stoffwechselprozessen reduzie- ren, sondern ist strukturell an konkrete Lebensräume und Biozönosen gebunden und wird in ihrer Regulation auch durch diese Strukturen (und deren Regulation) beeinflusst. Die für die Selbstreinigung der Oberflächengewässer verantwortlichen Bakterien bzw. Pil- ze sind Anfangsglieder eines Nahrungsgefüges, über die die metabolisierten Stoffe letzt- endlich das aquatische System verlassen. Die aeroben Abbauprozesse haben dabei ge- genüber den langsamer ablaufenden und mit Fäulnisprozessen verbundenen anaeroben Prozessen einen sehr viel größeren Anteil (vgl. etwa Hartmann 1989). Unter Rückgriff auf empirische Beobachtungen wird in Modellen zur Erklärung der Selbst- reinigung eine obere Kapazitätsgrenze (Assimilationskapazität) der Stoffmenge, die durch Selbstreinigung abgebaut werden kann, eingeführt.20 Diese obere Schwelle entspricht dem Konzept der critical load in der Ökologie (vgl. Kuylenstierna/Chadwick 1989). Bei ei- ner Überschreitung dieses Schwellenwertes bricht die Selbstreinigungskapazität zusam- men bzw. nimmt einen sehr niedrigen Wert an. Das Zusammenbrechen der Selbstreini- 20 Das skizzierte Systemverhalten kann mit dem üblicherweise zur Quantifizierung der Selbstreinigung be- nutzten Monod-Modell näherungsweise nachgebildet werden, das auf der thermodynamischen Erklärung von Transformationsprozessen beruht (vgl. Kummert/Stumm 1992). Bei zusätzlicher Kenntnis der Reak- tionskinetik können Aufenthaltszeit und Konzentration von Stoffen in einem Wasserkörper näherungs- weise vorausgesagt werden: Für den Abbau von Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen in Kläranlagen entwickelten Uhlenhut et al. (2001) das FUKA-Prognosemodell, welches älteren Erklärungsmodellen in einigen Punkten überlegen ist. Mit dessen Hilfe lassen sich auch Zwischenprodukte der Abbauprozesse fassen, so dass es zur Identifizierung entsprechender Wechselwirkungen verwendet werden kann. Das Verhalten der summierten Bakterienaktivität wird auch hier auf Basis des Monod-Modells gefasst. Im FUKA-Modell wird zusätzlich die Veränderung des chemischen Milieus durch die Abbauprozesse be- rücksichtigt, indem der gemessene pH-Wert der Bodenlösung über ein Puffersystem abgebildet wird. Diese Milieuveränderung wird jedoch nicht auf die Mikrobenaktivität zurückgekoppelt. 19 19 gungsfähigkeit (zumindest temporär) hat in der Limnologie eine Entsprechung im so ge- nannten Umkippen eines Sees. Berechnungsansätze gehen dabei meist von der zur Ver- fügung stehenden Sauerstoffmenge und der Sauerstoffzehrung der destruierenden Orga- nismen aus (vgl. etwa Schwoerbel 1999). Bei starker Beladung des Gewässers mit abbaubaren Chemikalien entstehen entlang ei- nes Flussverlaufs so genannte „Opferstrecken“, in denen bei Überschreitung einer maxi- mal möglichen Belastung die Selbstreinigungkapazität ausgeschöpft wird. Sobald sich aber – nach einer gewissen räumlichen Entfernung von einer Abwassereinleitungsstelle aufgrund des dann erfolgten Abbaus von organischen Chemikalien – die Wasserqualität verbessert und wieder „freie“ Selbstreinigungskapazität vorhanden ist, könnte eine weitere Abwassereinleitung geschehen: Das Entsorgungspotential des Gewässers kann wieder aufgefüllt werden. Eine entsprechende Bewirtschaftung der oberirdischen Fließgewässer (und Planung von Einleitungen von ungereinigtem oder teilgereinigtem Abwasser) ist auf- grund dieser Überlegungen zur Regulation der Selbstreinigung möglich und wurde in Ver- gangenheit und Gegenwart auch häufig genug praktiziert. 2.1.3 Zwischenergebnis Die nicht-persistenten organischen Stoffeinträge in das Oberflächengewässer stellen da- mit einen begrenzenden Regulierungsfaktor für die Selbstreinigung des Gewässers dar. Bei Stoffeinträgen oberhalb der Assimilationskapazität bricht die Selbstreinigung zusam- men oder verläuft gestört; der Stoffeintrag kann damit als eine entsprechend wirkende Rückkopplung für den Prozess der Selbstreinigung gefasst werden (bzw. als zentraler Einflussfaktor der zwischenartlichen Regulation im Nahrungsgefüge aufgefasst werden). Die Regulation der biologischen Selbstreinigung im Oberflächengewässer kann damit in erster Näherung nach dem Modell einer Homöostase21 gefasst werden, obgleich unter Umständen auch zeitliche Verzögerungen einbezogen werden müssen. Je nach Gewäs- ser können die Stoffeinträge, die zur Regulation der biologischen Selbstreinigung beitra- gen bzw. diesen regulieren, auch von außerhalb stammen: Ein im wesentlichen gewäs- serinterner Stoffkreislauf existiert nur in Standgewässern, während die anderen aquati- schen Ökosysteme teilweise als außengesteuert charakterisiert werden (vgl. Uhlmann/ Horn 2001: 79). Normalerweise sind Homöostasen dadurch gekennzeichnet, dass physio- logische Vorgänge innerhalb eines bestimmten stofflichen Bereichs aufrechterhalten wer- den. In den Modellen zur Erklärung der Selbstreinigung wird jedoch kein beobachtbarer unterer Grenzwert, unterhalb dessen die Selbstreinigungsprozesse ebenfalls zusammen- brechen, postuliert.22 Es könnte folglich sinnvoller sein, hier mit komplexeren Regulati- 21 Die Homöostase besteht darin, bestimmte physiologische Größen konstant bzw. in gewissen zulässigen Grenzen zu halten. Homöostase im Sinne der Aufrechterhaltung eines „inneren Milieus“ gegen äußere Wirkungen findet sich in Modellen embryonaler Morphogenese ebenso wie in solchen über die Regulati- on der Genaktivität bis hin zu solchen über die Regulation von Ökosystemen wieder. In der Technik wer- den homöostatische Regelungen mit Hilfe von Homöostaten vorgenommen (vgl. Flechtner 1969, Has- senstein 1970, Klaus/Liebscher 1976: 271). 22 Das hängt damit zusammen, dass diese Modelle davon ausgehen, dass immer in ausreichender Anzahl die entsprechenden Destruenten in den Biozönosen vorhanden sind, die für die Ab- und Umbauprozesse verantwortlich sind. 20 onsannahmen – z.B. solchen, die auf den trophischen Beziehungen mehrerer Arten zu- einander beruhen – zu arbeiten. Wird die Selbstreinigung vorrangig als sich regulierender bzw. regulierter Stoffwechsel- prozess in einem Nahrungsgefüge betrachtet, ergeben sich aus dieser Perspektive neue Forschungsfragen, die auch für die Gewässerökologie interessant sein können: Es stellt sich nicht nur die Frage nach der Geschwindigkeit des Stoffumsatzes und das Problem, ob es auch einen unteren Grenzwert für Selbstreinigungsmechanismen gibt, sondern ins- besondere stellt sich das – in den letzten Jahrzehnten vorrangig anlässlich der so ge- nannten Biomanipulaton bei der Gewässerregeneration23 (vgl. Uhlmann/Horn 2001) – aufgeworfene Problem der Regulation von Nahrungsgefügen bzw. vernetzter Populatio- nen und ihres Beitrags zur Stabilisierung bzw. Transformation des Ökosystems: Werden ökologische Prozesse (wie der der Selbstreinigung) stofflich oder durch Organismen regu- liert? Lassen sich diese Vorgänge als Selbstorganisationsprozess beschreiben? Die Re- gulationsperspektive erlaubt damit die Generierung neuer Forschungsfragen, sodass das Problem der Selbstreinigung durch die Umweltwissenschaften wieder bearbeitet werden kann. Die für eine Ressourcennutzung wichtige Funktion der biologischen Selbstreinigung – die Erzeugung sauberen Wassers – wurde historisch kalibriert an den klaren Gebirgsbächen sowie an den stabil geschichteten Alpen- und anderen Gebirgsseen Mitteleuropas, an de- nen die Limnologie ihren Ausgang nahm (vgl. Kluge/Schramm 1986; Schwarz 2003). Ob- wohl diese Gewässertypen weltweit eher Spezialfälle sind und auf anderen Kontinenten hypereutrophe Gewässer dominieren (Lange 2003, mündl.), symbolisieren sie als ideali- siertes Naturbild den Soll-Wert der biologischen Selbstreinigung in der Limnologie24. Wird dieser nicht erreicht, gelten die Naturkräfte (oft auch Ökosysteme oder gar der Natur- haushalt) als gestört. 2.2 Selbstreinigung im Grundwasserkörper Biologische Selbstreinigung „erstreckt sich auf das gesamte mikrobielle Stoffwechselspek- trum und auf alle Biotope der Erde – also auch auf Böden und Grundwasser“ (Hanert et al. o.J.: 3). Derartige Stoffwechselprozesse im Grundwasserleiter haben eine wichtige Funktion für die Sicherung der Ressourcen: „Natürliche Selbstreinigungsprozesse schüt- zen die weltweit wichtigste Trinkwasserressource der Menschheit“, das Grundwasser (Haderlein 2002). 23 Die Überlegungen zur Ausnutzung der biologischen Selbstreinigung sind auf Standgewässer und Stau- gewässer nicht bzw. nur eingeschränkt übertragbar, wie die Erfahrungen bei der Seensanierung zeigen: Noch lange Zeit nach einer erfolgreichen Reduktion der Immissionen (weit unterhalb des Schwellenwer- tes) bleiben die Seen eutroph und stellen sich erst mit einer extremen und unkalkulierbaren Zeitverzöge- rung wieder auf den früheren ökologischen Zustand ein (Uhlmann/Horn 2001, Lange 2003, mündl.). Das weist darauf hin, dass die Regulationsmechanismen und ihr Zusammenwirken mit Strukturveränderun- gen wesentlich komplexer sein könnten als sie bisher in die Modellvorstellungen eingegangen sind. 24 Die niedrigste Stufe der im mitteleuropäischen Saprobiensystem entwickelten Verschmutzungsskala (Klasse I) wird jedoch mit den Selbstreinigungsprozessen selbst in den Fließgewässern Mitteleuropas nur sehr selten „erreicht, weil fast immer das Angebot an Pflanzennährstoffen so hoch ist, dass aus der photosynthetischen Produktion von organischem Material ein bestimmtes Maß an Sekundärverunreini- gung“ resultiert (Uhlmann/Horn 2001: 327). 21 21 Dies ist bei der Erforschung kontaminierter Grundwasserleiter deutlich geworden. Ende der sechziger Jahre wurde auf der Grundlage von Untersuchungsergebnissen an drei Ab- fallhalden erstmals auf die praktische Bedeutung eines Stoffabbaus und einer Stofffestle- gung durch „Selbstreinigungsvorgänge“ im anaeroben und im anaeroben Bereich des Grundwassers hingewiesen. Im Abstrom von Deponien wurde die zentrale Rolle von Mik- roorganismen für den Abbau bzw. die Verminderung deponiebürtiger Schadstoffe erkannt (vgl. Remmler/Schulte-Ebbert 2003). Zahlreiche Grundwasserschadensfälle durch Altablagerungen bzw. Altlasten zeigten aber in der Folge, dass der Untergrund nicht als alles abbauender biogeochemischer Reaktor tätig ist. Daher setzte sich zunächst eine aktive, absichernde und kontrollierende Vorge- hensweise bei Grundwasserschadensfällen durch. Seit Anfang der 1980er-Jahre trat dann im Altlasten-Management neben derartige umwelttechnische Sanierungsverfahren das Konzept der natural attenuation, da sich bei den (vergleichsweise häufig auftretenden) Mineralölschadensfällen zeigte, dass bestimmte Verunreinigung doch durch Vorgänge ei- ner „Selbstreinigung“ abgebaut wurden (vgl. Remmler/Schulte-Ebbert 2003). Prinzipiell werden hier die gleichen Vorgänge zusammengefasst, wie sie auch für die Selbstreini- gung von Fließgewässern beschrieben werden können: „Bei der Beurteilung von Grund- wasserverunreinigungen gewinnen Selbstreinigungsprozesse und darauf aufbauende Sa- nierungsverfahren aus ökologischer wie ökonomischer Notwendigkeit immer mehr an Be- deutung“ (Haderlein 2002). Unter natural attenuation werden „natürlich ablaufende Prozesse in Boden und Grund- wasser“ zusammengefasst, „durch die ohne äußere Eingriffe die Menge, Toxizität, Mobili- tät, das Volumen oder die Konzentration von Schadstoffen in den Umweltmedien verrin- gert werden“ (Odensaß 2000, 2).25 Folgende Prozesse werden damit gemeinsam be- trachtet (vgl. Odensaß 2000; Martus 2003: 6): Biologischer Abbau oder Umbau organischer Schadstoffe Ausfällungs- oder Lösungsprozesse anorganischer Stoffe mit den Effekt der Zerstörung von Schadstoffen (Redoxreaktionen, Dehalogenierung) Advektion (Konvektion), mechanische Dispersion und molekulare Diffusion im Grund- wasser mit dem Ergebnis der Lösung und Verdünnung von Schadstoffen in Sicker- und Grundwasser Verdünnung durch Grundwasserneubildung (Erhöhung der Bioverfügbarkeit der Schadstoffe) Multiphasenströmung Sorption: Adsorption an organischen und anorganischen Bodenbestandteilen (und De- sorption) Ausgasung flüchtiger Stoffe (Volatilisierung). Im Bezug auf das weitere chemische Schicksal der in der Altlast bzw. deren Grundwas- serleiter vorhandenen Umweltchemikalien wird zwischen stoffabbauenden und stofferhal- tenden Prozessen unterschieden (vgl. Remmler/Schulte-Ebbert 2003). Biologischer Ab- 25 „In der Praxis ist ein schlüssiger Nachweis der Selbstreinigung durch biologische oder chemische Ab- bauprozesse wegen der schlechten Zugänglichkeit des Grundwassers meist sehr schwierig“ (Haderlein 2002). 22 bau, chemische Transformation und Zerstörung von Substanzen sowie radioaktiver Zerfall werden als Stoffabbau-Prozesse zusammengefasst26. Dagegen wird bei den Prozessen Sorption, Immobilisierung oder Dispersion zwar die Konzentration der betrachteten Um- weltchemikalien im Grundwasser verringert, ihre chemische Identität aber nicht verändert; bei solchen „stofferhaltenden Prozessen“ kann es unter Umständen später zu Auswirkun- gen, schlimmstenfalls zur erneuten Freisetzung des akkumulierten Stoffdepots, kommen (vgl. auch Kap. 5). Natural attenuation kann als Spezialfall eines Selbstreinigungsprozesses angesehen wer- den. Zwei Bestimmungen sind jedoch an der obigen Definition von natural attenuation27 bemerkenswert: Zunächst sind alle natürlich ablaufenden Prozesse gemeint, deren Wirkungen aber nur dann Gegenstand der natural attenuation sind, wenn sie sich an Schadstoffen vollzie- hen. D.h. die Bestimmung einer Substanz als Schadstoff ist maßgebend dafür, ob die an ihr wirkenden Prozesse Gegenstand der Betrachtung sind oder nicht. In der Defini- tion bleibt offen, auf wen oder was sich die potentielle Schädigung bezieht. Des Weiteren werden unter allen von selbst, ohne das Zutun von Menschen ablaufen- den Prozessen nur diejenigen unter dem Begriff natural attenuation versammelt, die „Menge, Toxizität, Mobilität, das Volumen oder die Konzentration von Schadstoffen in den Umweltmedien verringer[n]“. Die Definition legt nahe, dass durch die Prozesse nicht nur eine quantitative Abnahme der eingebrachten Substanzen (Altlasten) eintritt, sondern darüber hinaus auch eine Abnahme der Toxizität stattfindet. Das ist aber nicht immer der Fall, wie etwa der biologische Abbau von Perchlorethylen verdeutlicht.28 Wenn als Ergebnis einer so gefassten Selbstreinigung z.T. giftigere Stoffe im Grundwas- ser (wie z.B. Vinylchlorid als Abbauprodukt von Perchlorethylen) vorliegen können, so kann aber nicht grundsätzlich von einer ausschließlich positiven Wirkung dieser Prozesse ausgegangen werden kann. D.h. die unter natürlicher Selbstreinigung des Grundwasser- 26 Von diesen Prozessen ist der biologischen Abbau (Biodegradation) der wichtigste. Dabei wird die Nut- zung der organischen Komponenten als primäres Substrat (Fermentation, reduktive Dechlorierung, Oxi- dation) vom Ko-Metabolismus (aus der Stoffumsetzung ziehen die Organismen keine Energie) unter- schieden (vgl. Wolters 2001). 27 Anders als in den USA sind natural attenuation-Prozesse im deutschen Umweltrecht bisher nicht als Sa- nierungsvarianten anerkannt; sie sind jedoch bei der Erarbeitung eines Sanierungsplanes zu berücksich- tigen und können (legitimiert durch eine evtl. Unverhältnismäßigkeit der Sanierung) zum Verzicht auf technische Sanierungsmaßnahmen führen (vgl. Wolters 2001). 28 Der biochemische Abbau des leichtflüchtigen chlorierten Kohlenwasserstoffs Perchlorethylen erfolgt mit- tels Bakterien über die Metaboliten Trichlorethylen, Dichlorethylen und Vinylchlorid hin zu den dechlorier- ten biologischen Abbauprodukten Ethen und Ethan. Die Abbauschritte stellen unterschiedliche Ansprü- che an das Milieu und schließen sich zum Teil aus. Man spricht daher auch von einem sequentiellen Ab- bau. Der Abbau zu Trichlorethylen erfolgt nur unter anaeroben Bedingungen. Die weitere Abspaltung von Chlor aus dem Molekül ist sowohl unter anaeroben als auch unter aeroben Bedingungen möglich. Aufre- gend an diesem Beispiel ist, dass die Toxizität der Stoffe mit dem organischen Abbau nicht geringer wird, sondern hin zum Vinylchlorid zunimmt (vgl. Stupp/Paus 1999). Darüber hinaus ist die Stabilität der Meta- boliten in erster Linie vom Milieu abhängig und wird nicht etwa parallel mit den Abbauschritten geringer. Es ist daher möglich, dass die Gefährdung, die von einer Perchlorethylen-Altlast ausgeht, durch die hö- here Stabilität der Zwischenprodukte nach einem Teilabbau der eingetragenen Substanzen größer ist als ohne derartige Prozesse der „Selbstreinigung“ (die daher im Sinne der obigen Definition nicht als „natural attenuation“ zählen). 23 23 körpers zusammengefassten Prozesse sind nicht notwendigerweise zielgerichtet und füh- ren nicht zwangsläufig zu einer verbesserten Boden- bzw. Grundwasserqualität. Die Analyse des Verständnisses zur natürlichen Selbstreinigung zeigt, dass Wasserwirt- schaft und Altlastenmanagement zwar schon länger diese Selbstreinigungsprozesse aus- genutzt haben, „aber doch nur einen Teil der Prozesse und des Prozessgefüges verstan- den hatte[n]. Der Kenntnisstand ist zwar erheblich gewachsen, aber mit zunehmender Vertiefung werden auch die erkannten Prozesse und deren Zusammenwirken immer komplexer“ (Remmler/Schulte-Ebbert 2003). Die Prozesse sind strukturell und auch in ih- rer physischer Regulierung an den Standort und seine bio- und geochemischen Verhält- nisse (z.B. Übereinstimmung von Redoxmilieus mit den Randbedingungen für die jeweili- gen Abbaumechanismen) gebunden; erst dessen Untersuchung führt zu validen Aussa- gen über die Qualität und Quantität der Selbstreinigung (z.B. stufenweiser Abbau organi- scher Schadstoffe). Wenn die Prozesse beispielsweise im Rahmen eines Altlastenmana- gements genutzt werden, wird der Nachweis der natürlichen Schadstoffminderung im Rahmen eines Monitoring erbracht und erfolgt mittels empirischer Beobachtung und Mes- sung, die in ein „konzeptionelles Standortmodell“ eingebettet sowie gegebenenfalls durch Transport- und Reaktionsmodelle ergänzt werden (Odensaß 2002: 112). 2.3 Zwischenfazit Auch wenn in vielen deutschsprachigen Publikationen der Begriff der Selbstreinigung – vor allem in der Debatte um natural attenuation, aber auch bezogen auf Prozesse, die bei der Uferfiltration und der künstlichen Grundwasseranreicherung (vgl. Remmler/Schulte- Ebbert 2003) – regelmäßig Verwendung findet, wird hiermit lediglich ein Teil der bio- und geochemischen Vorgänge im Grundwasserkörper charakterisiert. Mit „Selbstreinigung“ könnte der Totalabbau organischen Materials über verschiedene Metaboliten bezeichnet werden.29 Diese Begrifflichkeit wird aber weder für die Oberflächengewässer noch für die Grundwasserkörper durchgehalten, da unterschiedliche normative Setzungen aus den je- weiligen Anwendungsbereichen eingehen. Teile der Umweltnaturwissenschaften versuchen, aufgrund seiner Nähe zu Nutzungskon- texten nicht das Selbstreinigungskonzept zu verwenden. Es ist jedoch festzuhalten, dass dieses Konzept erkenntnisleitend wirken kann: Seine Verwendung erlaubt es, die unter- schiedlichen biologischen, chemischen und physikalischen Prozesse, die am Stoffabbau beteiligt sind, gemeinsam zu betrachten. Das Konzept der Selbstreinigung erlaubt inso- fern eine Spezialdisziplinen übergreifende Integration, die für die Erforschung der biogeo- chemischen Vorgänge im Gewässer (z.B. des Spezialfalls natural attenuation) und ihrer Verknüpfung mit den Stoffkreisläufen heuristisch genutzt werden kann und so auch ein- 29 Der Mineralisierungsprozess kann aber nach Remmler/Schulte-Ebbert (2003) auch zu Veränderungen in der anorganischen Belastung des Gewässers führen: Daher kann „auch die Reduktion unerwünschter anorganischer Wasserinhaltsstoffe [...] als Selbstreinigung des Grundwassers angesehen werden. Das ist z.B. der Fall bei der Reduktion hoher Nitrat- oder Sulfatgehalte im Grundwasser. Dies ist natürlich schon an sich eine Selbstreinigung des Grundwassers, auch wenn es sich bei der dabei oxidierten Sub- tanz nicht um Schadstoffe an sich, sondern um anderweitige organische Substanz handelt (z.B. mit Hu- minsäuren assoziierte Saccharide)“ . 24 gesetzt wird (von Gunten, fernmündl. Mitteilung 2003). Bei entsprechenden Anwendungs- kontexten kann eine enge Zielorientierung (z.B. im Fall der natural attenuation oder auch für wasserwirtschaftliche Zwecke etwa die Uferfiltration) eingeführt werden; das Konzept kann aber auch wesentlich breiter verstanden werden.30 In der umweltwissenschaftlichen Forschung ist es jedoch bisher nicht üblich, die Selbstreinigungsprozesse systematisch auf die Regulation des Wasserkreislaufs (oder auf biogeochemische Kreisläufe) zu bezie- hen und als dessen Regulierungsprozesse zu erforschen. Das (bisher unzureichend operationalisierte) Konzept kann jedoch – insbesondere wenn es in popularisierender Absicht verwendet wird – scheinbar selbsterklärende Wirkungen entfalten und damit zugleich davon ablenken, dass für die damit gebündelten Prozesse bisher analytisch noch kein umfassendes Prozessverständnis erreicht ist und beispiels- weise kaum etwas über die physischen Grenzen der Regulierung einer natural attenuation oder über mögliche Zusammenbrüche der Selbstreinigungskapazität bekannt ist.31 Insbesondere für Selbstreinigungsprozesse im Grundwasserkörper wird jedoch – den Er- gebnissen von Lotz (2004) zufolge – kaum eine Regulationsperspektive bemüht. Es ist beispielsweise kaum untersucht, wieweit die Abhängigkeitsrelationen einseitig, d.h. rück- kopplungsfrei verlaufen. Zudem könnten neben herkömmlichen Rückkopplungen auch Reihenkopplungen vorkommen (vgl. Klug/Lang 1983: 58). Es ist fraglich, ob sich mit dem Konzept der Selbstregulation – wie lange Zeit (insbeson- dere in der biologischen Kybernetik) unterstellt – charakteristische Kerneigenschaften („Identitäten“) des betrachteten Systems auszeichnen lassen. Da aber die Frage nach den „Identitäten“ immer mitschwingt, kann die Rede von der Selbstregulation zu einer Verwir- rung im Diskurs - und eventuell auch zu seiner Ideologisierung – eher beitragen als zu ei- ner Klärung. Das sollte auch dann bedacht werden, wenn mit dem Begriff der Selbstregu- lation Vorgänge physischer Regulation von Vorgängen gesellschaftlicher Regulation un- terschieden werden sollen. 30 Der Terminus der Selbstreinigung erlaubt es in der Forschung, disziplinär unterschiedliche Untersuchun- gen über Grundwasserleiter (Chemismus, Mikrobiologie usw.) aufeinander zu beziehen und gemeinsam ein verbessertes Verständnis eines biogeochemischen Grundwassersystems zu entwickeln (vgl. von Gunten fernmündl. 2003). Der Selbstreinigungsbegriff kann damit – ähnlich wie bei Kölle 1989, von Gun- ten 2000 oder Haderlein 2002 – auch weiter verstanden werden als in der wissenschaftlichen Diskussion um „natural attenuation“, wo er alleine auf anthropogen verursachte und gesellschaftlich definierte Scha- densfälle bezogen wird. Vielmehr geht es um eine „Selbstreinigungskapazität“ (von Gunten 2000) der Grundwasserleiter mit Störungen und Schwankungen im Sinne einer maintenance „fertigzuwerden“ und sich „zu stabilisieren“, also um eine integrierende Sicht auf eine Vielzahl unterschiedlicher Prozesse auf biologischer, chemischer, physikalischer sowie geowissenschaflticher Ebene. Grundwasserleiter werden damit nicht alleine als ein hydrogeologisches, sondern auch als ein biogeochemisches und damit ökolo- gisches System (mit Biozönose) verstanden. Die Selbstreinigungskapazität des Grundwasserleiters könnte – auf diesen Überlegungen aufbauend – auch als Potential eines Mensch/Umwelt-Systems ge- fasst werden (vgl. hierzu auch die weitergehenden Überlegungen im nächsten Kapitel). 31 Insbesondere ist unklar, ob sich die als Selbstreinigung bzw. natural attenuation gebündelten Prozesse nach dem Modell einer Homöostase beschreiben lassen. Im konventionellen Fall, so wie er auch für die Selbstreinigungskapazität der Oberflächengewässer zu gelten scheint, erfolgt die Konstanthaltung der betreffenden Größen durch einfache oder vermaschte Regelkreise. Es könnte hier jedoch auch eine so genannte regulative „Ultrastabilität“ vorhanden sein, bei der nur eine sprunghafte Transformation von ei- ner Struktur (sofern diese wegen Überschreitung der Belastungsgrenzen die Konstanthaltung der betref- fenden biogeochemischen Größen nicht mehr sichern kann) zu einer anderen Struktur, bei der die Kon- stanthaltung wieder gesichert ist, geschehen kann (vgl. Klaus/Liebscher 1976: 271). 25 25 3. Regulation in sozial-ökologischen Systemen Mit Hilfe des Konzeptes einer „ecosystem health“ (vgl. Rapport 1998), welches vor allem im US-amerikanischen Umweltmanagement und der dortigen Umweltplanung angewen- det wird, lassen sich medizinische Begriffe – wie Stress, Krankheit oder Gesundheit – auf Ökosysteme übertragen, so dass unmittelbar an organismische Regulierungsvorstellun- gen angeknüpft werden könnte32. In das Konzept einer „ecosystem health“ wurde auch die Perspektive der Bedeutung und Nützlichkeit von Funktionen des Naturhaushaltes für menschliche Gesellschaften aufgenommen, wie sie insbesondere im Konzept der „eco- system services“ (vgl. Daily et al. 2002) und – systematischer ausgeführt – im Konzept der Naturraumpotentiale (vgl. 3.1.3 f.) für die hier besonders interessierenden Mensch/ Umwelt-Systeme betont wird. Die Perspektive richtet sich hier folglich nicht auf Ökosys- teme oder einen Naturhaushalt „an sich“, sondern auf sozial-ökologische Systeme, in die immer auch Gesellschaft (oder ein Teil davon) mit einbezogen ist. Diese Systeme haben sowohl natürliche als auch gesellschaftliche Bestandteile, die durch Relationen verbunden sind (vgl. Becker/Schramm 2002; Hummel/Kluge 2004).33 Ein (noch sehr) einfaches sozial-ökologisches System kann z.B. ein Geosystem sein, in das durch Menschen zur Ressourcenbewirtschaftung ein Regler eingebaut wurde, „der ein bestimmtes Element kontrolliert (z.B. Schleuse, Abfluss). In solchen Systemen ver- zahnen sich dann der künstlich geschaffene Regelkreis und die Feedbacks des natürli- chen Systems; dies erfordert eine detaillierte Untersuchung der komplexen Zusammen- hänge (Klug/Lang 1983: 39). 3.1 Neefs Hybridsystem und dessen Regelkreise Der Geograph Ernst Neef, einer der Wegbereiter der Landschaftsökologie, hat sich be- reits frühzeitig konzeptionell mit sozial-ökologischen Systemen in der Landschaft beschäf- tigt und dabei auch Aussagen zu Regulierungsaspekten getroffen. Landschaften mit ihrem Stoffhaushalt hat er als „Compositum Geographicum“ (Neef 1967: 130) bzw. als materielle Geosysteme mit hoher Komplexität (vgl. Neef 1968) charakterisiert. „Sie wurden auch schon als ‚hybride’ Systeme bezeichnet, weil sie in sich Teilsysteme vereinigen, die ver- schiedenen Kausalitätsformen unterworfen sind, nämlich aus Physiosphäre (physikalische und chemische Gesetze), Biosphäre (physiologisch-biologische Gesetze) und Soziosphä- re (Gesetzmäßigkeiten der Gesellschaft)“ (Neef et al. 1979: 13). Gesellschaftliche Handlungen, die in die Landschaft wirken, bedeuten demnach „einen Eingriff in ein dynamisches hybrides System, in dem gesellschaftliche Aktivitäten und Na- turvorgänge physikalischer und biologischer Kausalität in kompliziertester Weise mitein- 32 Gleichzeitig würden damit aber Ökosysteme organizistisch (z.B. als Super-Organismus) interpretiert wer- den und unter der Hand (ohne spezielle Explikation) medizinisch orientierte Normen in die sozial- ökologische Forschung eingeführt. 33 Wenn kein Rückgriff auf eine sozial-ökologische Terminologie gemacht werden soll bzw. solange dieser (in der Vergangenheit) noch nicht möglich war, können bzw. konnten diese Systeme auch als „hybride Systeme“ verstanden werden, da sie sich weder vollständig naturwissenschaftlich noch vollständig ge- sellschaftswissenschaftlich verstehen lassen. 26 ander verknüpft sind. Es bestehen also unterschiedliche Teilsysteme“, die auch jeweils für sich betrachtet werden können und müssen (vgl. Neef et al. 1979: 13). Andererseits darf dieses Hybridsystem nicht als „durch die einfache Kombination anderer Systeme“ (Neef 1968) additiv „Zusammengesetztes verstanden werden, da ja die Landschaft nicht Sum- me ihrer Teilglieder ist, sondern erst durch Integration aller ihrer Glieder zur höheren geo- graphischen Einheit wird.“ (Neef 1967: 130). Diese Integration führt – beispielsweise durch Vereinigung von kleineren Systemen durch Kopplung – „zu einer neuen Gestalt mit anderem Systemcharakter“ (Neef 1968).34 Relativ früh verweist Neef (1966) systematisch darauf, dass Aktivitäten im Naturraum auch zu Veränderungen in diesem führen und damit zugleich Änderungen der Natur- raumpotentiale (vgl. systematisch 3.1.3) hervorrufen können. „Der Abbau der Braunkoh- lenlagerstätten führt zur Zerstörung der Grundwasserkörper und ändert damit ein Potenti- al von großem Nutzungswert. Das kann in den so genannten Absenkungstrichtern unmit- telbar als Nahwirkung erscheinen, aber als Fernwirkung alle Areale in Mitleidenschaft zie- hen, die bisher von dem Grundwasserstrom berührt wurden.“ Das Hybridsystem verändert sich folglich nicht nur durch Weiterentwicklungen im gesellschaftlichen Teilsystem und durch eine physisch-ökologische Dynamik, sondern auch durch Wechselwirkungen zwi- schen beiden Teilsystemen. Dabei ist „die horizontale Verflechtung der Erscheinungen von großer Bedeutung. Durch die Bewegung von Substanz längs der Erdoberfläche bil- den sich gebietswirtschaftliche Verflechtungen heraus, die natürlich in erster Linie Nach- bargebiete aneinander binden, aber auch weiter entfernte Gebiete einbinden können. Diese Bewegungen können ein in einem bestimmten Gebiet entstehendes Potential in ein anderes Gebiet übertragen und dort zu einer Potentialerhöhung führen“ (Neef 1966). Die Ableitung, Absperrung (z.B. Überbauung) oder Wertminderung eines bisher verfügbaren Potentials kann auch zu – u.U. erheblichen – konflikthaften interregionalen Beziehungen führen (vgl. etwa Adam/Blab 1996). Anthropogene Eingriffe können im Einzelfall erst sehr spät – als Rückwirkungen auf den Physiotop (als Teil des Geosystems) – „über länger währende Umbildungsprozesse in Erscheinung“ treten (Neef 1968). Neef führt jedoch an keiner der Stellen, an denen er sein Hybridsystem entfaltet (1967, 1968, 1969, 1976, 1979), systematisch aus, wie dieses Hybridsystem und seine Teilsys- teme reguliert werden bzw. was er im einzelnen unter Regulation versteht. Neef kann in seinem Hybridsystem jedoch einerseits zwischen natürlichen und gesellschaftlichen Pro- zessketten35 unterscheiden, andererseits – teilweise implizit – auch zwischen natürlichen und gesellschaftlichen Regelkreisen. Insbesondere nicht-intendierte Folgewirkungen 34 „Solange das nicht der Fall ist, sondern nur Modifikation eines Zusammenhangs bestehen ohne Verän- derungen des Systemcharakters, haben wir es nicht mit einer neuen Integration, einer neuen geographi- schen Gestalt zu tun. Es handelt sich um invariante Systeme, und solange Elemente und Relationen nicht den Charakter der Invarianz aufheben, entsteht auch keine neue geographische Gestalt.“ (Neef 1968) Folglich ist zu fragen, „welche menschlichen Eingriffe diese Invarianz brechen und daher zu Ent- wicklungslinien Anlass geben, die zu völlig neuen ökologischen und unter Umständen wirtschaftlich au- ßerordentlich bedeutsamen Folgen führen.“ 35 „Da es sich hierbei jedoch um ganz andere Kategorien mit anderen Systemzusammenhängen und an- dersartigen Parametern handelt, sollte man begrifflich die gesellschaftliche Parallelreihe von Maßnahmen von den natürlichen Folgeprozessen unterscheiden. Es wird vorgeschlagen, die natürlichen Abläufe [...] als Reaktionsketten zu bezeichnen und die Folge der gesellschaftlichen Maßnahmen [...] als Konse- quenzenreihen.“ (Neef 1976). 27 27 menschlicher Aktivitäten in Natursystemen werden in seiner Konzeption auffällig und wir- ken unter Umständen störend: Dabei „erfolgt eine Rückkopplung von Natursystemen auf die Gesellschaft und ihre speziellen Anliegen“ (Neef et al. 1979: 32) Neef (1976, 1979) betont, dass eine systematische Beschäftigung mit den gesellschaftli- chen Regelkreisen erst durch diese Probleme zweiter Ordnung (die von Neef et al. (1979) als „Nebenwirkungen“ kategorisiert und nur teilweise auch in ihrem Zusammenspiel mit den intendierten „Hauptwirkungen“ erster Ordnung analysiert werden) erforderlich wird: Zunehmend wird „die Rolle der Nebenwirkungen bei der Gestaltung der Produktions- und Lebensverhältnisse so groß, dass sie in die Planung einbezogen werden muss“ (Neef 1976). Gegenmaßnahmen zu den durch die Nebenwirkungen verursachten sozial-öko- logischen Problemen zweiter Ordnung „wirken in der Regel als Kostenfaktoren auf die Ef- fektivität der Volkswirtschaft ein und treten daher in einen anderen Regelkreis ein als die spontanen Folgeprozesse der Reaktionsketten im Naturgeschehen.“ Entsprechend sind grundsätzlich verschiedene Gegenmaßnahmen möglich, „sowohl in technologischer Hin- sicht als auch in der Wahl des Zeitpunktes der Maßnahme und der Festlegung des Stand- rotes der erforderlichen Einrichtungen“. Bestenfalls zieht damit die Gesellschaft (bzw. zie- hen spezifische gesellschaftliche Akteure) Folgerungen aus den räumlich und z.T. auch zeitlich ‚verschobenen’ Wirkungen. Dann könnte sie versuchen, „das Spiel der Natur mit entsprechenden Gegenzügen zu parieren“ (wobei eventuell sogar ein Anwendungsfall „für spieltheoretische Ansätze“ zur Entscheidungsfindung gegeben sein könnte; Neef 1976). Neef bleibt disziplinär verhaftet und ist kein Vordenker interdisziplinärer Umweltforschung (bzw. sozial-ökologischer Forschung), indem er betont: „Die Rückkoppelung der von der Gesellschaft ausgelösten Veränderungen im Natursystem auf die Gesellschaft zu unter- suchen ist nicht die Aufgabe der Physischen Geographie. Die Transformation der Natur- erscheinungen in gesellschaftsrelevante Kategorien ist ausschließlich ein gesellschaftli- cher Prozess, der von der Wahrnehmung der Veränderung ausgeht und ihre Bedeutung für die Produktions- und Lebensbedingungen für die Gesellschaft nach verschiedenen Maßstäben beurteilt und bewertet, um daraus Entscheidungen abzuleiten“ (Neef et al. 1979: 40), die sich auf die „Regulierung der eingetretenen Umweltveränderung“ richten (Neef et al. 1979: 32). Neefs Regulationskonzept erscheint wegen dieser disziplinären Beschränkung zunächst als konventionell, da systematische (gesellschaftswissenschaftli- ches Wissen einschließende) Aussagen ausgeklammert werden (müssen) und insofern der Anspruch der (prognostischen) Erforschung eines Hybridsystems bezogen auf die Regulation nicht durchgehalten werden konnte. Allerdings bleibt Neefs Konzeption der Rückkopplungen der von der Gesellschaft ausge- lösten physischen Veränderungen auf die Gesellschaft insofern interessant, als sie sich nicht auf den Bereich der Gesellschaft alleine beschränkt; vielmehr ist die Perzeption von natürlichen Phänomenen (und ihre Interpretation als Nebenfolgen oder Hauptfolgen ge- sellschaftlicher Aktivitäten im Naturraum) in diesen Regelkreis eingeschlossen (vgl. Abb. 1).36 36 Das hat Folgen für eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Gesellschafts- und Naturwissenschaften: „Um die richtige Entscheidung zu treffen, ist die Kenntnis der Naturvorgänge, der daraus entstandenen Nebenwirkungen und des Trends der weiteren Entwicklung unentbehrlich. Die soziologische Betrach- 28 Abbildung 1: Regelkreise im monodynamischen Modell des Neefschen Hybridsystems (aus Neef et al. 1979: 33) Neef et al. (1979: 33) verdeutlicht, dass die Entscheidung über bestimmte Regulierungs- maßnahmen auf zwei Zielebenen verlaufen kann: „Sie kann erstens die Ursachen der Störung beheben wollen, sie kann zweitens die Symptome bekämpfen, indem sie uner- wünschte Erscheinungen durch Abwehr- und Sicherungsmaßnahmen in erträglichen Grenzen zu halten versucht.“ Die erste Strategie lässt sich auch als direkte Rückkopplung begreifen, da sie „zur Auf- gabe der neuen Nutzungsform und Rückkehr zu der alten Landnutzung führen“ kann. Damit kann sie „einen Teil der Auswirkungen der Innovation, also ein auslösendes Moment betreffen, [...] z.B. die anfänglich völlige Freihaltung des Bodens von Vegetati- on.“ Sie zielt darauf, die ursprüngliche Dynamik wiederherzustellen, um so die „als nachteilig erkannten Folgeprozesse“ und damit die Probleme zweiter Ordnung mög- lichst abzustellen (Neef et al. 1979: 33).37 tungsweise geht in der Regel von der Wahrnehmung aus und bedient sich des Begriffes ‚perceived envi- ronment’. Will man die genannte Notwendigkeit, den Charakter der Naturvorgänge zu berücksichtigen, auf eine kurze Formel bringen, so könnte man sagen, dass die Aufgabe gestellt ist, ‚perceived environ- ment’ und ‚real environment’ soweit wie möglich zur Deckung zu bringen“ (Neef et al. 1979: 40). 37 Hier ist nicht zu diskutieren, dass das zugrunde liegende Modell Neefs – Wiederherstellung einer Dyna- mik durch „Beseitigung der Störung des Gleichgewichts“ – heute sehr einfach anmutet. Avancierter las- sen sich Eindämmungen problematischer Dynamiken z.B. mit Hilfe von Selbstorganisationsansätzen oder der Theorie komplexer Systeme fassen. 29 29 In der zweiten Strategie wird nur ein Teil der Symptome abgeschwächt, sodass der zu den sozial-ökologischen Problemen zweiter Ordnung führende Prozess, wenn auch in modifizierter Weise, erhalten bleibt. Das bedeutet, dass zusätzliche Maßnahmen zur Kompensation der Probleme zweiter Ordnung bzw. der sie evozierenden Folgewirkun- gen ergriffen werden müssen. „Diese treten wiederum als Initiatoren auf, sodass sich an das erste Glied ein analog geartetes weiteres Glied anschließt. Führt auch das nicht zum endgültigen Ziel, so setzt sich die Reihe der gesellschaftlichen Maßnahmen fort“ (Neef et al. 1979: 33 f.; dabei entsteht eine Reihe von weiteren Problemen (dritter, vier- ter usw. Ordnung). „Neben der gesellschaftlichen gelenkten Reihe von Maßnahmen zur Regulierung von Nebenwirkungen besteht noch ein direkter Weg zur Ausbildung einer Reaktionskette, nämlich dann, wenn die Summierung von Einzelwirkungen im Laufe der Zeit über be- stimmte Schwellenwerte hinaus fortschreitet. Im landschaftlichen Geschehen erschei- nen dann neue Qualitäten, z.B. bisher nicht bekannte Eigenschaften, Wandlungen in der Struktur, Verschärfung der bisherigen oder auch das Auftreten neuartiger Folge- prozesse“ (Neef et al. 1979: 34). Beispiele für solche, meist mit einer erheblichen Zeit- verzögerung eintretenden Spätwirkungen sind die Minderung der Bodenfruchtbarkeit, die Verringerung der Ackerkrume, erheblicher Befall mit Fadenwürmern („Bodenmü- digkeit“), die Anreicherung von Düngesalzen (Nitrat) und Pestiziden im Boden- und im Grundwasser, das Durchbrechen von Schadstoffen ins Grundwasser (z.B. aufgrund der Erschöpfung von Abbauleistungen bei der Bodenpassage oder im Grundwasserlei- ter selbst), die anthropogene Eutrophierung von Gewässern. Selbst wenn die gesellschaftlichen Regulierungsentscheidungen darauf abzielen, die Ur- sache der Probleme zweiter Ordnung auszuschalten „und damit den Kreis im Sinne der ursprünglichen Beziehungen zu schließen“, werden die im Natursystem initiierten Regulie- rungsprozesse die beabsichtigte Zielstellung nur teilweise erreichen. In den meisten Fäl- len wird damit die erzielte Regulierung unvollkommen sein, „so dass die ausgelösten Fol- geprozesse zwar weiter bestehen, aber wesentlich verlangsamt gegen die Nebenwirkun- gen ergriffen und damit neue Initiatoren geschaffen [werden können], für die sich in ent- sprechender Weise Folgeprozesse ergeben. Sie können sich verbinden mit Auswirkungen der ursprünglichen Vorgänge, so daß sich insgesamt eine Wirkungskette [...] ergibt“ (Neef et al. 1979: 40 f.). 3.1.2 Naturräumliche Regulationsfunktionen Wie bereits erwähnt, entfaltet Neef in seinen konzeptionellen Aufsätzen, in denen er die Anschauung vom Hybridsystem entwickelt, den Regulationsaspekt nur teilweise systema- tisch. Insbesondere führt er nicht explizit aus, ob es in diesem Hybridsystem auch einen natürlichen Regelkreis (bzw. einen biologischen und einen physikalischen Regelkreis) gibt. Zumindest wenn eine funktionalistische Perspektive eingenommen wird, könnte die- se Annahme bejaht werden. Dann kann auch an das Konzept der Regulationsfunktionen 30 der Landschaft angeschlossen werden, das die Landschaftsökologen in den letzten Jahr- zehnten entwickelt haben (vgl. Bastian/Schreiber 1999: 38).38 Dieses Konzept bezieht sich einerseits auf die Regulation von Stoff- und Energiekreisläu- fen, andererseits aber auch auf die Regulation (und auch Regeneration) von Populationen und Bizönosen (vgl. Bastian 1997; Bastian/Schreiber 1999: 39 f).39 Für die im Projekt netWORKS betrachtete Thematik ist von besonderem Interesse, dass in dieser land- schaftsökologischen Perspektive Wasser- bzw. Stoffkreisläufe und Energieflüsse durch die Landschaft bzw. ihre Bestandteile reguliert werden. Nach Bastian/Schreiber (1999: 39) lassen sich bezogen auf Stoffkreisläufe und Energieflüsse die folgenden Regulationsfunk- tionen der Landschaft unterscheiden: Pedologische Funktionen (Bodenschutz vor Erosion, vor Vernässung, vor Austrock- nung, vor Verdichtung und der Fremdstoffabbau) Hydrologische Funktionen (Grundwasserneubildung/Versickerung, Wasserrückhalt/ Abflussausgleich, Selbstreinigung von Oberflächengewässern) Meteorologische Funktionen (Temperaturausgleich, Erhöhung der Luftfeuchte/Verdun- stung und Windfeldbeeinflussung) Damit umfassen diese verschiedenen ökologischen Regulationsfunktionen die Stoffhaus- haltsregime ebenso wie auch das Wasserhaushaltsregime, Daneben können sie aber auch zur Ermittlung von Zustand und Dynamik der Landschaft dienen und zur Bestim- mung der Tragfähigkeit und Belastbarkeit der in der Landschaft vorhandenen Ökosysteme herangezogen werden (vgl. Haase/Mansfeld 2002: 120). 3.1.3 Exkurs: Das Naturraumpotential – Voraussetzung für das Konzept der Regulationsfunktionen der Landschaft „Die Feststellung von Naturpotentialen, die von der Gesellschaft als Naturressourcen ge- nutzt werden (und auch die zum Teil nachteilige Minderung dieser Potentiale durch die Tätigkeiten der Menschen im Territorium) kann als eine Brücke verstanden werden, die Naturausstattung und menschliche Arbeit verbindet“ (Neef et al. 1979: 10). Mit Hilfe des aus dieser Anschauung entwickelten landschaftsökologischen Konzeptes der Naturraum- potentiale40 kann die Leistungsfähigkeit der Landschaft gegenüber gesellschaftlichen 38 Ein von Bastian (1991, in Bastian/Schreiber 1999) in Anlehnung an Niemann (1977, 1982), van der Maa- rel/Dauvellier (1978) und Kontris (1978) entworfenes hierarchisches Gliederungsschema benennt neben ökonomischen oder Produktionsfunktionen und sozialen (Lebensraum-) Funktion ökologische oder Regu- lationsfunktionen (vgl. Bastian 1997). Plachter (1990) verwendet den Begriff der „Leistungsfähigkeit“ für die Wirksamkeit dieser Selbstregulationsmechanismen in Ökosystemen und Landschaften. 39 Wichtig ist darauf hinzuweisen, dass die Einteilung der Naturraumpotentiale nach Haase et al. (1991) und insbesondere die Sprechweise von den „biotischen Regulationsfunktio