Description: Räumlich differenzierte Quantifizierung der Nähr- stoffeinträge in Grundwasser und Oberflächenge- wässer in Sachsen-Anhalt unter Anwendung der Modellkombination GROWA-WEKU-MEPhos Endbericht Stand 25.04.2014 Petra Kuhr, Ralf Kunkel, Björn Tetzlaff, Frank Wendland Forschungszentrum Jülich Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG 3: Agrosphäre) 52425 Jülich Tel.: 02461 61-8964 E-mail: p.kuhr@fz-juelich.de Kurzfassung Kurzfassung Das übergeordnete Ziel des Projektes ist eine flächendeckende und zugleich räumlich hoch differenzierte Analyse und Bewertung der N- und P-Einträge in Grund- und Oberflächenwas- ser in Sachsen-Anhalt unter besonderer Berücksichtigung diffuser landwirtschaftlicher Quel- len und der Bedeutung unterschiedlicher Eintragspfade. Die Modellierungsarbeiten basieren auf dem Wasserhaushaltsmodell GROWA (Großräumiges Wasserhaushaltsmodell) und den reaktiven N-Transportmodellen DENUZ (Denitrifikation in der ungesättigten Zone) und WE- KU (Verweilzeiten und reaktiver N-Transport im Grundwasser) sowie dem P-Transportmodell MEPhos (Modell zur Ermittlung des Phosphoreintrags). Mit diesen Modellen werden die dif- fusen Nährstoffeinträge ins Grundwasser und die Oberflächengewässer getrennt nach den wichtigsten hydrologischen Abflusskomponenten flächendifferenziert berechnet. Weiterhin werden die punktuellen Einträge aus kommunalen Kläranlagen sowie die Nährstoffrückhalte und -verluste in den Oberflächengewässern berücksichtigt. Daten- und Informationsgrundla- ge des Projektes bilden aktuelle, von offiziellen Landeseinrichtungen erhobene Datenbe- stände, die flächendeckend digital (Vektor- oder Rasterformat) für Sachsen-Anhalt verfügbar sind. Mit dem Wasserhaushaltsmodell GROWA wurde die räumliche Variabilität der mittleren lang- jährigen –und damit regional typischen– hydrologischen Verhältnisse in Sachsen-Anhalt und die damit verbundene regional unterschiedliche Relevanz der einzelnen Abflusskomponen- ten für den Nährstoffeintrag abgebildet. Die Gesamtabflusshöhen liegen in weiten Teilen des Landes bei unter 250mm/a, lediglich im Harz und in urbanen Regionen treten Werte von 350mm/a und mehr auf. Unter grundwasserfernen Höhenzügen der Lockergesteinsregion, wie z.B. der Colbitz-Letzlinger Heide und dem Fläming, entspricht die Grundwasserneubil- dungshöhe weitestgehend der Gesamtabflusshöhe, weil das in den Boden einsickernde Nie- derschlagswasser ungehindert dem Aquifer zufließen kann. Ebenfalls kaum Direktabflüsse treten in den mächtigen Deckschichten im nördlichen Harzvorland und in der Magdeburger Börde auf. Die Grundwasserneubildung liegt dort aber aufgrund der geringen Gesamtabflüs- se bei weniger als 50mm/a. In grundwasser- und staunässebeeinflussten Niederungsregionen, wie z.B. dem Elbtal und dem Drömling, wird bis zu 50% des Gesamtabflusses als Direktabfluss abgeführt, vor allem über künstliche Entwässerungssysteme (Dränagen). In weiten Teilen des Harzes und dem östlichen Harzvorland liegt der Direktabflussanteil über den natürlichen Zwischenabfluss bei mehr als 80%. Dementsprechend liegen die Grundwasserneubildungshöhen dort verbreitet unter 50mm/a liegt. Für den Harz ergeben sich (rechnerisch dennoch) Grundwasserneubil- dungshöhen bis zu 200mm/a; bedingt sind diese durch die Gesamtabflusshöhen über 550mm/a. Ein Vergleich der Modellergebnisse mit gemessenen Abflüssen von 41 Teileinzugsgebieten ergab in den meisten Fällen Abweichungen zwischen weniger als 10% und ca. 20%, was eine gute Übereinstimmung darstellt. Ausgangsgröße für die Modellierung der Nitrateinträge in die Oberflächengewässer und ins Grundwasser waren die von der LLFG bereitgestellten mittleren Stickstoffbilanzüberschüsse für die Böden der Hauptnutzungsformen Ackerland, Grünland und Wald der Jahre 2007- 2009. Hierbei wurde abweichend von der üblichen Bilanzierungsmethode der durch Stoffum- sätze im Boden freigesetzte Stickstoff zusätzlich einbezogen. Das sind im Landesmittel im- merhin ca. 5 kg N (ha a). Weiterhin wurde die mittlere atmosphärische Deposition nach Gauger für die Periode 1999 – 2007 berücksichtigt. Dieser Datensatz wurde über das Um- weltbundesamt für die Projektarbeiten bereitgestellt. Gemittelt über die gesamte Landesflä- che Sachsen-Anhalts ergab sich hierbei ein Wert von ca. 17 kg N/(ha a). Insgesamt ergab sich im Mittel für die drei Hauptnutzungsformen ein Stickstoffüberschuss von ca. 43 kg N/(ha a), bezogen auf die gesamte Landesfläche ein Stickstoffüberschuss von ca. 36 kg N/(ha a). Kurzfassung Das Ausmaß des Nitratabbaus im Boden wird mit dem DENUZ-Modell abgebildet. Eine wich- tige Ausgangsgröße hierfür ist die Verweilzeit des Sickerwassers im durchwurzelten Boden- bereich. Im Berichtszeitraum wurde diese Größe aus Angaben zur Feldkapazität in der durchwurzelten Bodenzone und Informationen zur Sickerwasserhöhe aus dem GROWA- Modell abgeleitet. Hierbei zeigte sich, dass die Verweilzeit im Boden in den meisten Regio- nen Sachsen-Anhalts zwischen ca. 6 Monaten und drei Jahren liegt. Verweilzeiten von drei Jahren und mehr sind vor allem in der Magdeburger Börde sowie im Lößgürtel zu erwarten und stehen in Zusammenhang mit den dort vorherrschenden geringen Sickerwasserhöhen und dem hohen Wasserspeichervermögen der Böden. Verweilzeiten von unter 6 Monaten sind dagegen auf Regionen beschränkt, in denen Böden mit geringer Feldkapazität (z.B. städtische Bereiche und Sanderregionen) sowie Sickerwasserhöhen über 150mm/a auftre- ten. Die vor allem in den Bördelandschaften und im Lößgürtel auftretenden hohen Verweil- zeiten des Sickerwassers im durchwurzelten Bodenbereich haben zur Folge, dass ein Groß- teil der Stickstoffbilanzüberschüsse der Landwirtschaft im Boden abgebaut werden, obwohl die Nitratabbaubedingungen in den Böden Sachsen-Anhalts nur in den Niederungsregionen als gut bezeichnet werden können. Im Landesmittel betrug der so ermittelte N-Austrag aus dem Boden ca. 14 kg N/(ha a), was einer Gesamtsumme von ca. 28600 t N/a entspricht. Da Denitrifikationsprozesse in der ungesättigten Zone unterhalb des durchwurzelten Be- reichs vernachlässigt werden, entspricht die mittlere auswaschungsgefährdete Nitrat-N- Menge im Boden unterhalb der durchwurzelten Bodenzone der Nitratmenge, die über die Komponenten des Abflusses ins Grundwasser bzw. die Oberflächengewässer eingetragen werden. Während der Eintrag von Nitrat ins Grundwasser immer an die Grundwasserneubil- dung gebunden ist, erfolgt der Eintrag in die Oberflächengewässer über die Direktabfluss- komponenten natürlicher Zwischenabfluss und Dränageabfluss bzw. über den Grundwas- serabfluss. Die Nitratmenge teilt sich dabei nach dem Verhältnis Direktab- fluss/Grundwasserneubildung auf die einzelnen Abflusskomponenten auf. Ein Teil gelangt über die Direktabflusskomponenten ohne weitere Denitrifikation in die Oberflächengewässer, der andere Teil gelangt über die Grundwasserneubildung in den Aquifer. Bei den N-Austrägen in die Oberflächengewässer über den Direktabfluss treten die Regio- nen mit hohen Direktabflussanteilen hervor. In den südlichen Landesteilen machen sich die Gebiete mit einem hohen Anteil an natürlichem Zwischenabfluss (z.B. der Harz) mit Austrä- gen zwischen 10 und 25 kg N/(ha a) bemerkbar, in den nördlichen Landesteilen vor allem die künstlich entwässerten Niederungsregionen. Gemittelt über die ganze Landesfläche liegen die N-Einträge über den Direktabfluss bei ca. 10820 t N/a. Die Gesamttonnagen, die dabei über künstliche Entwässerungssysteme abgeführt werden liegen bei ca. 5120 t N/a, während über den natürlichen Zwischenabfluss ca. 5700 t N/a in die Oberflächengewässer eingetra- gen werden. In die Grundwasserleiter werden mit der Grundwasserneubildung im Landesmittel ca. 8 kg N/(ha a) eingetragen, was einer Gesamttonnage von ca. 16450 t N/a entspricht. Auf seinem Transport im Grundwasserraum können weitere Abbauprozesse auftreten, die die Nitratein- träge in die Vorfluter über den Grundwasserabfluss unter Umständen deutlich reduzieren. Der reaktive N-Transport im Grundwasser wurde für die Ermittlung der grundwasserbürtigen N-Einträge in die Vorfluter mit dem WEKU-Modell simuliert. Es zeigte sich, dass im Nordteil Sachsen-Anhalts verbreitet sauerstofffreie reduzierte Aquifere mit geringen Fließgeschwin- digkeiten des Grundwassers auftreten. Dort kann ins Grundwasser eingetragenes Nitrat auf dem Weg zum Vorfluter abgebaut werden, selbst wenn diese Regionen als Hotspot- Regionen für den N-Eintrag ins Grundwasser gelten. Für die südlichen Landesteile entspre- chen die grundwasserbürtigen N-Austräge in die Oberflächengewässer aufgrund des Feh- lens signifikanter Denitrifikationskapazitäten in den grundwasserführenden Gesteinseinheiten dagegen im Wesentlichen den N-Einträgen in das Grundwasser. Im Mittel Sachsen-Anhalts liegt der grundwasserbürtige N-Eintrag bei ca. 3,7 kg N/(ha a), was einem Gesamteintrag von ca. 7100 t N/a entspricht. Neben den diffusen Stickstoffeinträgen tragen auch punktförmige Einträge zur Gesamt – N - Fracht in Oberflächengewässern bei. Relevante N-Einträge aus punktförmigen Quellen in 3
Origin: /Land/Sachsen-Anhalt/LHW
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Language: Deutsch
Issued: 2014-04-25
Modified: 2014-04-25
Time ranges: 2014-04-25 - 2014-04-25
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