Demonstrationsvorhaben „Indikatoren zur Früherkennung von Nitratfrachten im Ackerbau“ - Studie „Messprogramme der Bundesländer und angrenzender EU-Staaten (NL, DK) zum Abgleich des Frühindikatorensystems“

Im Demonstrationsvorhaben „Indikatoren zur Früherkennung von Nitratfrachten im Ackerbau“ werden in fünf Bundesländern auf 48 teilnehmenden Betrieben mit 576 Testflächen unter vollständig harmonisierten Vorgaben Stickstoffbilanzen berechnet sowie Stickstoffgehalte in Böden und im Sickerwasser analysiert. Aus diesen Daten soll ein Frühindikatorensystem entwickelt werden, um Zusammenhänge zwischen Bewirtschaftungsmaßnahmen und Nitratbelastungen sowie zeitliche Änderungen frühzeitig aufzuzeigen. Dadurch wird die häufig gegebene zeitliche und räumliche Entkopplung zwischen Bewirtschaftungsänderungen und der Nitratkonzentration in Grundwassermessstellen überwunden. Die Ergebnisse können einen wertvollen Beitrag im Rahmen der Nitratberichterstattung leisten. Ein solches Monitoring-Konzept erfordert eine bundesweit harmonisierte Vorgehensweise, um eine einheitliche Datenerhebung und damit eine Vergleichbarkeit sowie Übertragbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Diese Studie ist ein wichtiger Baustein des Demonstrationsvorhabens und hat das Ziel einen Überblick über das Vorgehen der Bundesländer beim Nitrat-Monitoring auf landwirtschaftlich genutzten Flächen zu geben und relevante Erkenntnisse und Erfahrungen für das zu erarbeitende Frühindikatorensystem hervorzuheben.Dazu wurden mit den Länderministerien und den Fachbehörden für Landwirtschaft und Umwelt Gespräche geführt und Informationsrecherchen betrieben. Des Weiteren wurde vergleichend das Vorgehen in Dänemark und den Niederlanden untersucht. Besonders berücksichtigt wurden Monitoring-Aktivitäten im Zusammenhang mit der Umsetzung der EG-Nitratrichtlinie, der EG-Wasserrahmenrichtlinie, dem Wasserhaushaltsgesetz und der EG-Trinkwasserrichtlinie. Das Vorgehen und die Erfahrungen der Länder beim Nitrat-Monitoring sind - bis auf wenige Ausnahmen - nicht in wissenschaftlich referierten Fachzeitschiften veröffentlicht. Die Herkunft der beschafften Informationen ist aus diesem Grunde sehr vielfältig und setzt sich zusammen aus Behördenmitteilungen, gesetzlichen Berichtspflichten der Länder, Fachartikeln, Abschlussberichten, Jahresberichten, Internetauftritten und Fachvorträgen.In allen Bundesländern gibt es Aktivitäten zur Aufklärung und Quantifizierung des Zusammenhanges zwischen Bewirtschaftungsmaßnahmen und Nitrateinträgen in Sicker- und Dränwasser, in Grundwasserkörper und Oberflächengewässer. In einigen Ländern hat insbesondere die Umsetzungspflicht der EG-Wasserrahmenrichtlinie zu einer deutlichen Ausweitung der Untersuchungen beigetragen, während andere auf bereits etablierte Aktivitäten zur Erfüllung der EG-Nitratrichtlinie und des Wasserhaushaltsgesetzes aufbauen konnten. Seitens der Länder wird verstärkt auf eine zeitnahe Erfassung der Wirksamkeit von Maßnahmen mit Hilfe von Indikatoren hingearbeitet. Überdies liefern Forschungsprojekte und Versuche wichtige Informationen zur zielgerichteten Planung und Durchführung von Grundwasserschutzmaßnahmen, die sich z.B. mit der Ermittlung gebietscharakteristischer bodenkundlicher und hydrogeologischer Daten, der Erfassung der Beschaffenheit und Fließeigenschaften des Wassers oder der Erhebung und Analyse grundwasserschutzrelevanter Daten landwirtschaftlicher Betriebe beschäftigen. Anhand ihrer Monitoring- und Forschungsaktivitäten haben die Länder umfangreiche Erfahrungen über die Anwendbarkeit und Aussagekraft unterschiedlicher Indikatoren gesammelt. Festzustellen ist allerdings auch, dass sich die Ausrichtung, der Fortschritt und die methodische Durchführung der Monitoring- und Untersuchungsaktivitäten zum Teil erheblich unterscheiden. Die Monitoringprogramme der Länder beinhalten meist sowohl kalkulatorische als auch stofflich-analytische Indikatoren. Einige Länder führen z.B. regelmäßig großflächige Nmin-Messkampagnen zur Quantifizierung reaktiver Stickstoffverbindungen im Boden durch, während andere vor allem auf die Auswertung statistischerDaten zur Berechnung von Nährstoffbilanzen unterschiedlicher Skalierung und darauf aufbauender Modellierungen setzen.Nährstoffbilanzen erlauben die Betrachtung sämtlicher landwirtschaftlicher Flächen auf verschiedensten Skalen und sind mit vergleichsweise geringem Aufwand ableitbar. Die Aussagekraft der Ergebnisse in Bezug auf die Nitratbelastung ist allerdings in erheblichem Maße abhängig von der Qualität der erhobenen Daten und der betrachteten Bezugsebene. Auch bei schlagspezifischen Betrachtungen haben Untersuchungen einiger Länder gezeigt, dass ein Zusammenhang von Schlagbilanzüberschüssen mit tatsächlich im Boden befindlichen Stickstoffmengen und den daraus resultierenden Auswaschungsverlusten häufig nur bei der Betrachtung langjähriger Zeitreihen, jedoch nicht jahresscharf abgeleitet werden kann. Dies kann vor allem auf die Faktorkombination aus Bewirtschaftung, Standort und Witterung und die dadurch bedingte Stickstoffdynamik im Boden zurückgeführt werden.Häufig wird die Herbst-Nmin-Methode für das Monitoring von Einzelmaßnahmen aber vereinzelt auch beim Gebietsmonitoring verwendet. Die Herbst-Nmin-Methode erlaubt eine vergleichsweise einfache Erhebung von Messwerten unter Einbeziehung der Stickstoffdynamik. Unter Berücksichtigung des Sickerwasseraufkommens lassen sich aus den Messwerten Nitratkonzentrationen im Sickerwasser prognostizieren. Die Methode ist zu diesem Zweck allerdings nicht für alle Standorte gleichermaßen geeignet. Zudem weichen Vorgaben der Länder für den Beprobungszeitpunkt, die Probengewinnung, den Transport sowie die Analyse bislang zum Teil voneinander ab, so dass die Vergleichbarkeit der Messergebnisse nicht immer sichergestellt ist.In einigen Ländern werden zudem auf repräsentativen Standorten Nitrat-Tiefenprofile eingesetzt. Nitrat-Tiefenprofile eignen sich zur Abbildung der Nitratkonzentrationen im Sickerwasser für mehrere zurückliegende Jahre und erlauben die Validierung der aus Nmin-Untersuchungen prognostizierten Nitratkonzentrationen im Sickerwasser. Weiterhin werden Saugkerzenanlagen sowie Unterflurlysimeter zur genauen Bestimmung des Nährstoffaustrags mit dem Sickerwasser in Versuchen, zum Teil aber auch zu Monitoringzwecken, betrieben. Die Systeme liefern zwar sehr genaue Daten und eignen sich daher gut zur räumlich begrenzten Bewertung der Wirksamkeit von Grundwasserschutzmaßnahmen, lassen jedoch kaum flächenhafte Betrachtungen zu.Die Ergebnisse aus den Ländern weisen darauf hin, dass ein effizientes Nitratmonitoring idealerweise sowohl kalkulatorische (N-Bilanzen) als auch stofflich-analytische (Nmin-Methode und Nitrat-Tiefenprofile) Indikatoren beinhalten sollte. Dabei sind für die Gewinnung repräsentativer Aussagen, die Etablierung eines geeigneten Testbetriebsnetzes und die Formulierung länderübergreifend harmonisierter Regelungen zur Datenerhebung und Messung Voraussetzungen. Die Erhebungen sollten nach Möglichkeit um Modellrechnungen erweitert werden, um ein besseres Prozessverständnis zu erreichen und die Ergebnisse auf größere räumliche Skalen übertragen zu können. Das Demonstrationsvorhaben schafft mit dem kombinierten Ansatz aus einheitlich angewandten kalkulatorischen und analytischen Verfahren perspektivisch die Grundlage für ein Monitoring, welches die aktuelle Situation der Nitratbelastung zuverlässig abbilden kann und dadurch einen wichtigen Beitrag zur Nitratberichterstattung leistet. Dazu ist im Fortlauf des Vorhabens die Anwendung und Überprüfung des Indikatorensets in weiteren Testgebieten mit anderen Betriebsstrukturen und Standortverhältnissen erforderlich.In the demonstration project „Indicators for the early detection of nitrate loads in soil under crop production”, data on nitrogen balances as well as mineral nitrogen concentrations in soil profiles and percolating waters are collected in five federal states of Germany with a total of 48 farms and 576 test sites. Data collections and analyses are conducted under consideration of strictly harmonised guidelines. The project aims at testing the early indicators to directly show the effects of adjusted agricultural practices on nitrate loads. Furthermore, the indicators are supposed to be transferred into a monitoring system. By this means, a temporal or spatial decoupling between adjustments of agricultural management practices and nitrate concentrations in ground water wells can be overcome. This might help to better achieve the goals of the EU Nitrates Directive. Such a monitoring concept requires a harmonised approach across the federal states to enable the comparability of the results across farms and test regions. The present study is a meaningful step stone of the demonstration project. It provides an overview on current activities in nitrate monitoring of the German federal states as well as Denmark and the Netherlands. Furthermore, relevant insights and results for the development and implementation of an early detection monitoring of nitrate loads by different indicators are highlighted.Federal state ministries and associated professional authorities for agriculture and environment were interviewed and literature was reviewed. For a comparison of the monitoring activities with neighbouring EU member states, ministries of Denmark and the Netherlands were also involved. A special focus was laid on activities linked to the implementation of the EU Nitrates Directive, the EU Water Framework Directive and the EU Directive on the Quality of Water intended for human consumption as well as the German Water Ressources Act. Considering German monitoring efforts, insights and results are predominantly not available in peer-reviewed academic journals. The origin of information therefore is manifold, consisting of information from public authorities, legal obligations to report, professional articles, project reports, annual reports and internet articles or specialist’s presentations.In all Federal states comprehensive efforts to investigate and assess the relationship between agricultural management and nitrate loads in leachate, drainage water, ground water, and surface water have been made or are in progress. In some Federal states especially the implementation of the EU Water Framework Directive led to an intensification of monitoring efforts, while other Federal States concentrate on monitoring networks already established for the implementation of the EU Nitrates Directive and the Federal Water Act. There are several different approaches utilised by the federal states to reach an early detection of nitrate loads by different indicators. Research projects, e.g. assessing regional pedo-geological and hydrological properties as well as the acquisition of agricultural data relevant for ground water quality, deliver valuable additive data for a target-oriented planning and conduction of measures for ground water protection. The federal states have collected comprehensive experience and knowledge for the applicability and use of different indicators in nitrate monitoring. Monitoring programmes mostly consist of both, calculative and analytical indicators. However, it must also be noted that the monitoring and research approaches often differ markedly between states regarding content alignment, state of work or methodical procedures. For example, some states conduct measurements of mineral nitrogen (Nmin) on large scales for quantifying residual nitrogen in soil in autumn, while other states concentrate on the assessment of nitrogen balances based on agricultural surveys and accountancy data. Sometimes these approaches are combined with the use of geo-hydrological model approaches at different spatial and temporal scales.Nutrient balances allow to estimate nitrogen surpluses at diverse spatial scales, i.e., from the field over the farm towards whole agricultural regions, with comparably little effort. The predictive power of these balances depends markedly on the quality of the collected data and on the degree of data aggregation. However, even considering a field-specific assessment of nitrate loads from nitrogen balances, results of some states show a sufficient relationship to nitrate concentrations in ground water only, if long time data series are available. The comparably low correlation of single-year data is mainly attributable to the year-specific interactions of agricultural practices, weather and soil conditions and the underlying nitrogen dynamics in the soil.In most states, Nmin-measurements in autumn are part of monitoring programmes at the field scale and to lesser extend at the regional scale, too. Nmin-measurements can be conducted with comparatively little effort and the values include year-specific information on nitrogen dynamic. Considering the amount of percolating water, Nmin values can be used to predict nitrate concentrations in leachate. However, for these predictions, the Nmin-method is not necessarily reliable under all possible site conditions. Furthermore, timing and method of sampling, as well as the way of transport, storage, and analysis need to be specified to ensure comparability of measured values. These methods and conditions sometimes differ between states.Depth profiles of nitrate are used for monitoring purposes at representative sites by several states in addition to Nmin-root-zone measurements.. Nitrate measurements in the leaching zone are suitable for illustrating nitrate loads from recent years and enable the validation of calculated nitrate loads from Nmin-measurements. Furthermore, suction plates or suction cups as well as lysimeters are used for more exact measurements of nitrate concentrations in leachate in experiments but for monitoring purposes, too. Although, these measurements provide exact data on nitrate leaching at a certain site, a large-scale representative monitoring is practically not feasible due to the high technical efforts.The results from the federal states and the neighbour states, The Netherlands and Denmark indicate that an efficient nitrate monitoring should be ideally based on both, calculative (N-balances) and analytical indicators (e.g. Nmin-measurements and nitrate depth profiles) surveyed from representative farm networks and according to standardised methods. Additionally, these data should be used in process-based as well as aereal material-flow models.With the present demonstration project, a combined and harmonized approach of calculative and analytical procedures is created, which can illustrate the actual status of nitrate pollution reliably and provides helpful information for nitrate reporting. To achieve this objective, the indicator system of the demonstration project should be applied in additional test regions with other agricultural structures and site conditions to proof the adequacy of the monitoring concept

Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel

In diesem Open Access Buch werden erstmals übergreifend die Entwicklungen bis 2030 in den Sektoren in Deutschland, welche die größte Fläche beanspruchen – Land- und Forstwirtschaft sowie Siedlung und Verkehr – aufgezeigt und die Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel analysiert. Aufbauend auf einem akteursgestützten Diskurs von Handlungsoptionen zur Minderung von Treibhausgasemissionen sowie zur Anpassung an den Klimawandel werden unterschiedliche Landnutzungsstrategien entwickelt. Dabei wird auf die verschiedenen Schwerpunkte wie Klimaschutz, Bioenergie, Natur- und Umweltschutz sowie Klimaanpassung eingegangen. Die möglichen Auswirkungen der verschiedenen Strategien auf Nahrungs- und Rohstoffproduktion, Bioenergie, Umwelt und Natur sowie sozio-ökonomische Konsequenzen werden modellgestützt analysiert. Anhand der Ergebnisse zeigen die Autorinnen und Autoren sowohl auf, wie die Landnutzung in Deutschland zum Klimaschutz beitragen kann, als auch die Konflikte, die mit anderen gesellschaftlichen Zielen bestehen. Das Buch liefert eine Grundlage für die Debatte um eine klimawandeloptimierte Landnutzung in Deutschland