Nährstoffeinträge und Nährstofftransport in den
Vorflutern zweier landwirtschaftlich genutzter
Gewässereinzugsgebiete

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Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
des Fachbereichs Agrarwissenschaften
(Landwirtschaftliches Fakultät)
der Georg-August-Universität Göttingen

ZUSAMMENFASSUNG

In zwei Gewässereinzugsgebieten mit intensiver landwirtschaflicher Nutzung wurden Untersuchungen an insgesamt drei Vorflutern mit dem Ziel durchgeführt, hierin die Dynamik des Eintrags und des Transports gelöster und in fester Form gebundener Stoffe zu charakterisieren und zu quantifizieren. Das "Eisenbachgebiet" weist hauptsächlich leichte Sandböden auf. Hier werden Abflußmenge und chemische Zusammensetzung des Drän- und Eisenbachwassers wesentlich durch seitlichen Grundwasserzustrom in das oberirdische Einzugsgebiet beeinflußt. Im "Krummbachgebiet" herrschen dagegen Lößböden vor. Der dortige Vorfluter Ohebach ist ausschließlich landwirtschaflich, der Krummbach dagegen zusätzlich durch die Stoffeinträge einer Kläranlage beeinflußt. Die Dräne in diesem Gebiet fiihren zum größten Teil periodisch gestautes Sickerwasser ab. Neben Drän- und Vorfluterwässern sowie abfiltrierten Schwebstoffen wurden die Stoffgehalte der Sedimente im Benthalbereich dieser Vorfluter untersucht. Entsprechend der Zielsetzung wurden folgende Ergebnisse erzielt:

1. Die durchschnittlichen Nitratgehalte im Dränabfluß schwankten im Eisenbachgebiet zwischen 4 und 8 mg NO₃-N/I. An grundwasserfernen Standorten traten auch Konzentrationen bis zu 50 mg NO₃-N/I auf. Im Lößgebiet bewegten sich die Nitratgehalte zwischen 6 und 34 mg NO₃-N/I. Phosphat trat im Dränwasser beider Gebiete kaum auf. Die geogen bedingten Stoffgehalte (Ca, Mg, HCO₃) lagen im Lößgebiet höher. Die Nitratkonzentrationen waren sowohl kurz- als auch langfristig eng mit der Abflußmenge korreliert. Letztere bestimmte im wesentlichen den N-Austrag. Die Nitratkonzentration im Dränwasser zeigte eine signifikante Beziehung zum N_min-Gehalt der Bodenschicht 60-90 cm, jedoch ausnahmslos keine zum N-Düngungsüberschuß (N-Saldo) der gedränten Fläche.

2. Die durchschnittlichen Nitratgehalte in den Vorfluterwässern stiegen vom Eisenbach (3,5 mg NO₃-N /1) über den Krummbach (6 mg NO₃-N /1) zum Ohebach (9 mg NO₃-N /1) an. Phosphat trat nur im Krummbach in nennenswerter Konzentration (0,38 mg P0₄-PÄ) auf. Die Gehalte an Ca, Mg, S0₄, und HCO₃ waren im wesentlichen pedogenetisch geprägt. Im Jahresverlauf veränderte sich die Konzentration des Nitrats gleichsinnig, die des Phosphats gegensätzlich zur Abflußrate. Nach Oberflächenabflüssen, infolge starker Niederschläge, stieg dagegen mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung (3 Stunden) auch der P-Gehalt im Vorfluter an.

Der auf das jeweilige Einzugsgebiet der Vorfluter bezogene Austrag an Nitratstickstoff lag mit ca. 10 kg/ha im Krummbach und Ohebach etwa gleich hoch. Die Frachten der anderen gelösten Nährstoffe waren dagegen im Krummbach wesentlich höher. Die jährlichen N-Austräge werden unmittelbar, die P-Austräge mittelbar vom Gesamtabfluß der einzelnen Jahre geprägt. Im Eisenbach werden die Austräge gelöster Stoffe durch die geohydrologische Situation im dortigen Gebiet in unrealistischem Ausmaß überschätzt. Eine Beziehung zwischen den jährlichen N-Austrägen und N-Düngungsüberschüssen (N-Salden) war in beiden Gebieten nicht feststellbar.

3. Der durchschnittliche Schwebstoffgehalt lag im Eisenbach bei 0,02 g/l, im Ohebach bei 0,05 g/l und im Krummbach bei 0,2 g/l. Die Schwebstoffgehalte waren sehr variabel und erreichten bei Abflußereignissen kurzfristig Werte bis zu 6 (Ohebach) und 15 g/l (Krummbach). Die mittlere Schwebstofffracht betrug im Ohebach 24, im Eisenbach 73 und im Krummbach 3500 kg/Tag. Diese beträchtlichen Unterschiede zwischen den Vorflutern resultieren aus deren jeweiliger Dynamik hinsichtlich Abfluß und Schwebstoffgehalt. Im Prinzip treten erhöhte Schwebstofffrachten in Jahreszeiten mit höherem Abfluß auf. So wurden beispielsweise im Krummbach allein im Januar und Februar 1993 rund 1500 t Schwebstoff(ca. 90 % der Jahresfracht) ausgetragen. Diese Jahresdynamik wird aber beträchtlich durch einzelne Starkniederschlagsereignisse beeinflußt. Beispielsweise kam es im Ohebach bei einem einzigen dreistündigen Abflußereignis am 02. Juni 1993 zu einem Schwebstoffaustrag von 10 t. Diese kurzfristig auftretenden Frachten können jedoch nur bei entsprechend hoher Probenahmeintensität quantifiziert werden.

Der Schwebstoff im Krummbach und im Eisenbach wies eine durchschnittliche Konzentration an Ges.-Phosphat von 2,4 g P/kg auf, der im Ohebach eine von 0,76 g P/kg. Im Eisenbach erklären sich die höheren P-Gehalte durch Ausfällungen von Eisenphosphaten, im Krummbach durch P-Einträge aus der Kläranlage. Die durchschnittlich höchsten täglichen Austräge an gebundenem Phosphor traten mit rund 5 kg im Krummbach auf, im Ohebach (0,02 kg) und Eisenbach (0,13 kg) lagen sie deutlich darunter. Sie unterliegen, analog zu den Schwebstofffrachten, sehr hohen Schwankungen. Während des Abflußereignisses am 02. Juni 1993 wurden beispielsweise an einem Tag ca. 10 kg Ges.-P im Ohebach ausgetragen. Das resultierte nicht allein aus den hohen Schwebstofffrachten, sondern auch daraus, daß die Konzentrationen von Ges.-P im Schwebstoff während der Abfußwelle ansteigen. Unter Berücksichtigung der Abflußereignisse ergaben sich durchschnittlich mit rund 4 kg P/ha im Krummbach, 0,16 kg P/ha im Ohebach und 0,8 kg P/ha im Eisenbach ungefähr 8-10 fach höhere jährliche Frachten von gebundenem, im Vergleich zu gelöstem Phosphat.

4. In den Sedimenten des Eisen- und Ohebaches lagen die Kationenaustauschkapazität sowie die C- und N-Gehalte über denen der dortigen Ackerböden, die Konzentrationen an lactatlöslichem P₂0₅ und K₂0 dagegen darunter. Das Ohebachsediment wies geringere Mengen an Ges.-P (0,55 g/kg) als das Eisenbachsediment (0,70 g/kg) auf, die Gehalte der Alkali- und Erdalkalielemente lagen jedoch wesentlich höher. Der Phosphor besteht im Eisenbachsediment zu 80 %, im Ohebachsediment dagegen zu 35 % aus Fe/AI-Phosphaten. Im letzteren dominieren mit rund 39 % die Ca-Phosphate.

Die Sedimente aus den drei unterschiedlichen Bereichen des Krummbachgebietes (Wald, Kläranlage, Landwirtschaft) unterscheiden sich deutlich in ihrer stofflichen Zusammensetzung. Im Wald traten die höchsten Ges.-Ca Konzentrationen (160 g/kg) und C-Gehalte (6,95 %, davon 50 % als Carbonat) auf. Die Ges.-P, -K und N-Gehalte waren im Siedlungsbereich am höchsten, Ges.-K lag in vergleichbarer Menge auch im Landwirtschafs-, aber deutlich geringer im Waldbereich vor. Der Phosphor lag im Sediment des Landwirtschafs- und Waldbereiches hauptsächlich als Ca-Phosphat, nach der Kläranlage dagegen überwiegend als Fe/AI-Phosphat vor. Direkt nach der Kläranlage waren vor allem die Gehalte an organisch gebundenen Phosphaten erhöht. Beziehungen zwischen den im Wasser gelösten und den im Sediment gebundenen P-Mengen waren nicht eindeutig zu erkennen.

5. Aus vergleichenden Untersuchungen an Krumenboden. Erosionsmaterial, Sediment und Schwebstoff aus beiden Gebieten wird der Schluß gezogen, daß nach Oberflächenabträgen das sandige und stoffärmere Material am Hangfuß sedimentiert, während das feinere, nährstoffund schwermetallreichere Bodenmaterial in die Vorfluter gelangt.

6. Das Monitoring von Schwebstoffgehalten ist durch die außerordentlich hohe zeitliche Variabilität erschwert. Nur das kontinuierlich arbeitende Trübungsmeßgerät konnte diese Dynamik zufriedenstellend erfassen. Die hieraus abgeleiteten Schwebstofffrachten werden aber, verglichen mit den aus konventionell filtrierten Wasserproben ermittelten Werten, insbesondere bei Abflußereignissen erheblich unterschätzt. Eine Kalkulation der Schwebstofffrachten aus der Regression zwischen Abflußmenge und Schwebstoffgehalt führte nur im Krummbach zu ausreichend verläßlichen Ergebnissen. Im Ohebach und im Eisenbach war dagegen keine statistische Beziehung zwischen diesen beiden Meßgrößen erkennbar.