Entwicklung und Anwendung der Selbst-Integrierenden Akkumulatoren: Eine Methode zur Erfassung der Sickerfrachten umweltrelevanter Stoffe

Zusammenfassung Die Messung der Stoffverlagerung in Böden ist für vieles bedeutsam. Ökosysteme verlieren einen Teil ihrer Nährstoffe durch Auswaschung. Der durchwurzelte Boden mit seiner biologischen Aktivität ist die Hauptsenke, die das Grundwasser vor der Belastung mit umweltgefährdenden Stoffen schützt. Mehrere Methoden mussten bisher kombiniert werden, um die Stoffverlagerung in einer bestimmten Tiefe im Gelände messen zu können. Das Ziel der Arbeit war daher, die Methode der Selbst-Integrierenden Akkumulatoren (SIA) zu entwickeln, zu validieren und ihre Anwendung zu erproben. Die Methode soll die Stoffverlagerung mit dem Bodenwasser als [Masse*Fläche-1*Zeit-1] erfassen und dabei flächenrepräsentativ sein. Validierung In den SIA wurden Adsorber für die Messung von Cl, Br, Nitrat, Ammonium, K, Mg, Ca, Spurenmetallen, Zinnorganika, Pflanzenschutzmitteln und Mineralölkohlen-wasserstoffen erfolgreich eingesetzt. Der Erfolg wurde mit Aufstockungsver-suchen im Gelände, Säulendurchbruchs- und Inkubationsexperimenten belegt. Aus Feldversuchen mit Chlorid als konservativem Tracer ergibt sich, dass die SIA im Mittel 92 % des tatsächlich verlagerten Tracers wieder finden. Mit einer Kombinationsanalyse wurde errechnet, wie der Zusammenhang zwischen Anzahl der Wiederholungen und Schätzfehler des Mittelwerts ist. Es sollten zumindest 10 SIA-Wiederholungen pro ‚homogener’ Fläche / Variante eingesetzt werden, um einen Schätzfehler von unter 20 % zu erreichen. Feldversuche bei trockenen Bedingungen, mit stark sorbierenden Stoffen und mit ei-nem Farbtracer haben gezeigt, dass SIA auch ‚preferential flow’ im Boden beproben. Anwendungen In Feldversuchen wurden die Nitratverluste bei unterschiedlicher Landnutzung gemessen. Dazu wurden in sieben Jahren auf 47 Feldern unterschiedlicher Landwirte mit insgesamt 120 Varianten Praxisversuche durchgeführt. Der Datensatz besteht aus 3.048 Nitratauswaschungsmessungen. Dabei steht jede Messung für den kumulativen Nitratverlust aus sechs Monaten. Die hohe Gesamtzahl der Wiederholungen konnte erreicht werden, weil die SIA mit geringem Aufwand ein- und ausgebaut werden können und während der Messung keinerlei Wartung bedürfen. Verallgemeinert stellt der Gemüsebau mit Nitratverlusten von 120 kg N*ha-1*Jahr-1 das größte Risiko für die Grundwasserqualität dar. Auch der Ackerbau verliert noch 43 kg N*ha-1*Jahr-1 aus der durchwurzelten Zone und kann ein Risiko sein. Demgegenüber ist der Wald mit nur 8 kg N*ha-1*Jahr-1 unter dem Grundwasser-schutzaspekt die nachhaltigste Landnutzung. Diese Mittelwerte unterliegen natürlich Differenzierungen in Abhängigkeit von Fruchtfolge, Bodenbearbeitung etc.. Dabei gibt es erhebliche Optimierungsreserven. Aus dem gleichen Datensatz wurden statistische Informationen über die Heterogenität der Stoffflüsse in Abhängigkeit vom Maßstab und der Jahreszeit extrahiert. Etwa 70 % des Nitrats wurde in der Phase der Grundwasserneubildung (Oktober – April) ausgewaschen. Während dieser Phase steigt der normierte Variationskoeffizient, ein relatives Maß für die Heterogenität, von 62 % innerhalb eines Profils auf 99 % auf der Regionalskala. Im Sommer ist die Variation höher und steigt zunächst von 104 % im Profil auf 135 % innerhalb eines Feldes. Weitere Entfernungen erhöhen die Heterogenität der Stoffflüsse nicht mehr. Die Skalenabhängigkeit im Winter wird als Veränderung der Standortsfaktoren (Boden, Klima, Bewirtschaftung) verstanden. Die erhöhte Variation im Sommer ohne räumliche Abhängigkeit wird als Funktion der Regenverteilung (Intensität und Menge) gedeutet, wobei Starkregen zu einer präferenziellen Stoffverlagerung durch Sekundärstrukturen führen. Die Resultate zeigen auch die Bedeutung von ‚preferential flow’ für mobile Stoffe wie Nitrat in trockenen Böden. In weiteren Feldexperimenten wurde Klärschlamm auf landwirtschaftliche Flächen aufgebracht. Ziel war es, die Gefährdung des Grundwassers durch organische Schadstoffe und pathogene Keime aus Klärschlamm abzuschätzen. Mit einer Kombination aus SIA für Zinnorganika und einem Tracerversuch sowie Säulenversuchen für Indikatororganismen konnte gezeigt werden, dass beide Gruppen aus dem Hauptbereich der Sorption und Degradation in tiefere Horizonte gespült werden. Dies geschieht trotz der jeweils hohen Sorptivität entlang von präferenziellen Fließwegen. Daraus wurde geschlossen, das unter unseren Versuchsbedingungen vom Klärschlamm eine Gefährdung für das Grundwasser ausgeht. Zusammenfassend hat die SIA-Methode ihren Wert für die Quantifizierung verschiedener Stoffflüsse unter praktischen Geländebedingungen gezeigt. Die Methode wurde patentiert (Patent Nr. 197 26 813). Die Standardisierung für eine breitere Anwendung wurde begonnen und die Methode ist Teil des Entwurfs zur DIN-Norm 19715 (Sickerwasserprognose).Summary The measurement of solute fluxes in soils is important in many ways: Ecosystems lose nutrients by leaching. The root zone with its biological activity is a main sink and sorbent to protect the groundwater from the leaching of contaminants. So far, no single method was able to measure the downward flux of solutes through a given depth at the field scale. Combinations of methods had to be used. The objective was to develop, validate and apply the Self-Integrating Accumulator (SIA) method. It is a field method, which should measure solute fluxes on a [mass*area-1*time-1] basis and is representative for the area of measurement. Validation Adsorbers have been used as part of the SIA to measure Cl, Br, Nitrate, Ammonia, K, Mg, Ca, heavy metals, tin organics, several pesticides and mineral oil hydrocarbons successfully. This has been shown by field spike, soil column breakthrough and batch incubation experiments. The SIA method represents the water fluxes of an area with a mean of 92 % recovery from several chloride field tracer experiments. A relation of replicate number and standard error of mean was established by combinatorial statistics. The accuracy is strongly dependent on the replication number. It is suggest to use at least 10 replicates per homogeneous site or treatment to obtain a standard error of mean of about 20 %. The SIA method has shown its ability to sample under preferential flow conditions in the field with dye tracers, under dry soil conditions and for strongly sorbing solutes. Applications Nitrate leaching losses under different land uses were quantified. Experiments were made in a period of seven years on 47 different fields of practical farmers with about 120 treatments The data set consists of 3048 nitrate loss measurements. Each measurement represents the integrative value of a six month leaching period. The large number of measurements was possible only due to the limited effort to install and recover the SIA and to the fact that no maintenance is required during the measurement period In general, grocery poses the highest risk to groundwater with a mean loss of 120 kg N*ha-1*year-1. Agriculture is still a risk for groundwater with a mean of 43 kg N*ha-1*year-1 leaching losses from the root zone. On average, forest is the most sustainable land use with regard to groundwater quality loosing only 8 kg N*ha-1*year-1 from the root zone. These mean values cannot reflect the differentiations which are due to different cultures, management practices etc. and potential for optimization exists. From the same data set we extracted information on the heterogeneity of mass fluxes in relation to scale and season. About 70 % of the nitrate losses occur during the groundwater recharge period (October – April). During the recharge period, the coefficient of variation, which is a relative measure of heterogeneity, rises from 62 % at the profile scale to 99 % at the regional scale. In summer, there is a rise from the profile to the field scale (104 % vs. 135 %), but seems to become an independent constant at higher scale levels. We attribute the scale dependency of winter fluxes to changes in the environment (soil, climate, management), whereas we suppose that summer heterogeneity is due to rainfall distribution (intensity and amount) finding its way through secondary soil structures as preferential flow. The results also point at the importance of preferential flow for mobile solutes like nitrate under dry soil conditions. In other field experiments sewage sludge was applied to agricultural fields. The objective was to assess the risk that organic contaminants and pathogens from sewage sludge may pose to groundwater. It could be shown by a combination of the SIA for tin organics and a tracer test and soil column experiments for indicator organisms, that both are leached out of the main adsorption zones into deeper horizons by preferential flow in spite of their high sorptivity. It can be concluded that under the conditions of our experiments the application of sewage sludge posed a risk to groundwater. To sum up, the SIA method has shown its value for the quantification of solute mass fluxes under practical field conditions. The method has been patented (Patent No. 197 26 813). The standardization for a broader application has been initiated and the method is part of the industrial norm DIN 19715 draft

Pflanzenschutzmittel im Sickerwasser und in Bewässerungskanälen im Red River Delta: Methodenentwicklung und Monitoring

Das Red River-Delta wird sehr intensiv landwirtschaftlich genutzt, was auch einen starken Einsatz von Pflanzenschutzmitteln (PSM) umfasst. Die Be- und Entwässerung über ein Kanalsystem führt zu einer großflächigen Verteilung der PSM zwischen den Feldern. Zu diesen Stoffflüssen liegen bisher kaum Daten vor, auch gibt es keine geeigneten Methoden, um sie zu messen. Es sollte daher u.a. untersucht werden, ob PSM im Kanalsystem zwischen Red River und Meer angereichert werden und ob es eine Kreuzkontamination mit PSM zwischen unterschiedlichen Schlägen gibt. Es konnten robuste Methoden zur zeitintegrierten Erfassung der PSM-Belastung in verschiedenen Kompartimenten im Red River-Delta entwickelt werden. Das PSM-Muster in den Kanälen scheint v.a. von der lokalen Applikationssituation beeinflusst zu werden. Der vermutete Gradient zwischen Fluss und Meer konnte nicht beobachtet werden. Bei einem hohen Anteil an Überflutungsbewässerung (Überstaubewässerung in der Trockenzeit) gelangte ein breites PSM-Spektrum mit dem Kanalwasser auf die Flächen und führte dort zu einer hohen Belastung des Sickerwassers. Bei gezielter Bewässerung mit Pumpen bzw. bei einem hohen Niederschlagsanteil an der Bewässerung in der Regenzeit nahm die PSM-Belastung deutlich ab. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass über die Bewässerungskanäle eine Kreuzkontamination mit PSM und anderen Schadstoffen stattfindet, und verdeutlicht die allgegenwärtig hohe PSM-Belastung in diesem agrarisch intensiv genutzten System

Einfluss von Witterung und Standortseigenschaften auf die Nitratbelastung des Grundwassers in einem Wasserschutzgebiet

Die Nitratkonzentration in einem Brunnen liegt seit Beginn der Förderung zwischen 80 und 100 mg/L. In dieser Untersuchung sollte geklärt werden, ob und wenn ja, wann die Konzentration unter den Grenzwert von 50 mg/L sinkt. Dazu wurde die derzeitige Nitratauswaschung aus Acker und Wald vier Jahre lang mit Selbst-Integrierenden Akkumulatoren (SIA) gemessen. Die Nitratverluste sind unter landwirtschaftlichen Flächen höher als unter Stilllegung oder Wald (32; 2 bzw. 4 kg N/(ha a)). Die Nitratauswaschung aus Raps und Mais liegt mit etwa 50 kg N/(ha a) deutlich höher als aus Getreide oder Zuckerrüben (ca. 20 kg N/(ha a)). Während trockener Winter akkumulieren Nitratüberschüsse im Boden, die in Wintern mit hoher Nettosickerung ausgewaschen werden. Daher schwankt die jährliche Nitratverlagerung stark. Die mittlere Nitratkonzentration im neu gebildeten Sickerwasser liegt unter dem Trinkwassergrenzwert von 50 mg/L. Durch die Verweilzeit im Boden wird der Grenzwert im Förderwasser erst in ca. 30 Jahren unterschritten

Besteht ein Zusammenhang zwischen dem Herbst-Nmin-Wert und der gemessenen Nitratauswaschung?

Einführung und Motivation: Mit dem Herbst-Nmin-Wert wird der Restgehalt an mineralischem Stickstoff (Nmin) im Boden zum Ende der Vegetationsperiode bestimmt, in der Regel zwischen Mitte Oktober und Mitte November. Dieser wird häufig mit der N-Auswaschung während des Winterhalbjahres gleichgesetzt. So hängt in Baden-Württemberg die Höhe der Ausgleichszahlungen für Landwirte in Wasserschutzgebieten vom Herbst-Nmin-Wert ab (SchALVO, 2001). In anderen Bundesländern existieren ähnliche Regelungen. In einem 3-jährigen Düngeversuch im Landkreis Breisgau-Hochschwarzwald zeigte sich jedoch, dass die tatsächliche N-Auswaschung während des Winterhalbjah-res für Lösse deutlich niedriger, für alluviale Kiese und Sande hingegen deutlich höher lag als durch den Herbst-Nmin-Wert prognos-tiziert. Daher stellte sich die Frage, wie eng der Zusammenhang zwischen dem Herbst-Nmin-Wert und der N-Auswaschung tatsächlich ist. Zusammenfassung Auf sandigen Böden lag die N-Auswaschung meist höher als aus den Herbst-Nmin-Werten vorhergesagt, es bestand nur ein schwacher Zusammenhang zwischen dem Herbst-Nmin-Gehalt und der tatsächlichen Auswaschung. Dies deutet darauf hin, dass die Nmin-Methode das Auswaschungspotenzial aufgrund des frühen Beginns der Auswaschung und der hohen Wasserleitfähigkeit nicht vollständig erfasst. Unter reinen Schluffen (Löss) wurde das N-Auswaschungspotenzial aufgrund der hohen Wasserspeicherfähigkeit selten vollständig ausgeschöpft, sodass die Auswaschung niedriger lag als durch den Herbst-Nmin-Wert abgeschätzt. Für Lösslehme (tonige Schluffe) wurde die N-Auswaschung im Mittel zufriedenstellend vorhergesagt. Es scheint ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Wasserleitfähigkeit und Wasserspeicherfähigkeit vorzuliegen. Auf Schlagebene war aufgrund von standörtlichen Heterogenitäten und dem Einfluss der Witterung keine korrekte Vorhersage des Auswaschungspotenzials möglich, was sich in der starken Streuung der Datenpaare widerspiegelt. Schlussfolgerungen Der Herbst-Nmin-Gehalt ist allenfalls eingeschränkt als Schätzer für die N-Auswaschung geeignet: Für schlecht strukturierte Böden (Sande, reine Lösse) ist keinerlei Prognose der N-Auswaschung möglich. Der Einfluss von Naturraum, Textur und Witterung führt bei sandigen Böden meist zur Unterschätzung und bei unstrukturierten, reinen Lössböden zur Überschätzung des Risikos von Nitratauswaschung. Hingegen kann für gut strukturierte Böden bei einer ausreichend großen Stichprobenanzahl (z.B. regional und/oder über mehrere Jahre) die mittlere N-Auswaschung mit dem Herbst-Nmin-Gehalt abgeschätzt werden. Auf Schlagebene für einzelne Jahre ist hingegen grundsätzlich keine sichere Prognose der N-Auswaschung möglich. Daher ist es als sehr problematisch zu bewerten, dass verschiedene Förderleistungen, z.B. in Wasserschutzgebieten, an der Höhe des Herbst-Nmin-Wertes bemessen werden. Herbst-Nmin-Werte sind nach unseren Ergebnissen als Indikator zur Belastung des Grundwassers nur geeignet, wenn landschaftliche, standörtliche und klimatische Gegebenheiten in die Bewertung mit einbezogen werden. Außerdem sollten die starken Jahreseinflüsse berücksichtigt werden, indem ein langjähriges (gleitendes) Mittel betrachtet wird, das über verschiedene Kulturen und Witterungsschwankungen hinweg die starke Variabilität ausgleicht

Spektralphotometrische Bestimmung des pflanzenverfügbaren Nitrats in der Bodenlösung: Entwicklung einer in-situ Messmethode zur Optimierung der Fer-tigation im intensiven Gemüsebau

Es wird eine neue Feldmethode entwickelt, mit der Nitrat direkt in der Bodenlösung in-situ gemessen werden kann. Das Messergebnis wird online auf einen PC übertragen, welcher in Kommunikation mit einem Fertigationssystem steht. Auf diese Weise kann eine vollautomatische, angepasste Düngung vorgenommen werden. Vor allem im intensiven Gemüsebau können so Nitratüberschüsse eingedämmt werden

In-situ-Messung von Nitrat im Bo-den zur Erfassung der zeitlichen Dynamik und zur Düngesteuerung im Gemüsebau (NITROM)

Stickstoff ist, besonders in Form von Nitrat, eines der wichtigsten Nährelemente für Pflanzen. Bei einem Überangebot kann das leicht lösliche Anion jedoch schnell ausgewaschen werden. Es existiert bisher noch keine Feldmethode zur in-situ-Bestimmung der Nitratkonzentration in der Bodenlösung. Daher soll mit dem neu entwickelten NITRat-Online-Messsystem (NITROM) die Nitratkonzentration im Feld direkt in der Bodenlösung und ohne Einsatz von Reagenzien fortlaufend bestimmt werden können. Auf Grundlage dieser Daten soll ein vollautomatisches Fertigationssystem gesteuert werden. Somit kann zu jedem Zeitpunkt auf den Stickstoffbedarf einer Kultur reagiert werden. Der Prototyp des NITROM wurde in verschiedenen Labor-, Gewächshaus- und Freilandversuchen erfolgreich eingesetzt. Eine Kalibrierung mit einem Multiwellenlängenansatz und die anschließende Validierung waren erfolgreich. Die Messungen können auch über lange Zeitintervalle mit einer hohen zeitlichen Auflösung, z.B. halbstündig, durchgeführt werden. Durch den Einsatz des NITROM konnte in einem Gewächshausversuch die Düngemenge in Paprika von 125 auf 80 kg N/ha deutlich reduziert werden, so dass diese neue vollautomatische Methode sich eignet, die N-Überschüsse im intensiven Gemüsebau deutlich zu reduzieren. Während beim bisher verwendeten NITROM die Datenübertragung via Kabel erfolgte, wird im Nachfolger (NITROM II) eine Datenfernübertragung über GPRS umgesetzt. Bisher wird die Referenzwellenlänge lediglich genutzt, um Interferenzen durch gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) zu eliminieren. Künftig soll auch eine Quantifizierung der DOC-Konzentrationen in der Bodenlösung möglich sein

Klärschlammapplikation in Grundwasserschutzgebieten – ein kalkulierbares Risiko?

Im Einzugsgebiet eines Brunnens, das noch nicht als Wasserschutzgebiet ausgewiesen wurde, wird seit ca. 30 Jahren Klärschlamm auf landwirtschaftlich genutzte Flächen ausgebracht. Klärschlamm ist einerseits ein Bodenverbesserer und Nährstofflieferant, andererseits aber auch Träger einer Vielzahl von unterschiedlichen Schadstoffen. Daher wurde in dieser Studie durch Literaturrecherchen, Modellierungen und Messungen untersucht, ob und in welcher Höhe von der Klärschlammausbringung lokal eine Gefahr für das Grundwasser ausgeht. Während der 7-jährigen Messungen im Sickerwasser in 1 m Tiefe wurde insbesondere für Blei (Pb), Benzo[a]pyren und den Summenparameter PAK eine Gefährdung der Grundwasserqualität festgestellt. Diese Ergebnisse stehen im Widerspruch zu den Modellierungen. Zu einer verstärkten Mobilität dürften beigetragen haben: die Adsorption der Schadstoffe an (z.T. leicht lösliche) organische Substanz; strukturreiche, pfluglos bearbeitete Böden mit einem erhöhten Risiko für preferential flow sowie die Ausbringung im Spätsommer, teilweise in Phasen mit Gewittern und Starkregenereignissen. In Übereinstimmung mit den Modellierungen waren auch Standorte auf Flugsand (niedriger pH-Wert, geringer Humusgehalt) auswaschungsgefährdet. Durch die Klärschlammausbringung wird daher die Grundwasserqualität beeinträchtigt, lokal werden in einzelnen Jahren im Sickerwasser Grenzwerte nach TrinkwV (2018) überschritten. Aufgrund von Verdünnungseffekten ist mit keiner Grenzwertüberschreitung im Grundwasser zu rechnen. Um die negative Beeinträchtigung des Grundwassers zu reduzieren, empfehlen wir, auf gefährdeten Standorten auf eine Ausbringung von Klärschlamm zu verzichten. Die Klärschlammapplikation sollte im Frühjahr und nicht mehr im Spätsommer erfolgen. Aufgrund einer Novelle der AbfKlärV (2017) ist die Ausbringung von Klärschlämmen in Wasserschutzgebieten grundsätzlich verboten. Nach einer erfolgreichen Ausweisung des Einzugsgebietes als WSG muss die Klärschlammausbringung daher beendet werden

Strukturierte Sickerwasserprognose in der Orientierenden Untersuchung nach BBodSchG/V

Mit SIWA-SP kann eine verbal-argumentative Sickerwasserprognose im Rahmen der OU nach BBodSchV für den Pfad Boden – Grundwasser erstellt werden. Durch die Standardisierung der Eingabeparameter und der Bewertung können die zugrundeliegenden Verwaltungsabläufe vereinfacht werden. Zudem lassen sich Anforderungen an Gutachter und an die Erhebung von Daten klar definieren. Durch die Vergleichbarkeit der verbal-argumentativen Bewertung kann eine höhere Einzelfallgerechtigkeit erzielt werden. Grundlage für SIWA-SP sind die drei Kategorien Schadstoffeigenschaften, Schad-stoffbelastung und Standortspezifischer Grundwasserschutz. Anhand von quantitativen Eingabeparametern erfolgt eine Zuordnung zu Klassen. Die Kombination der Bewertung in diesen drei Kategorien ergibt die qualitative Bewertung als Grundlage für eine verbal-argumentative Sickerwasserprognose

Spargelanbau und Grundwasserschutz - Ist Grundwasser schonender Spargelanbau möglich?

Sandige Böden sind bei Spargelanbauern und Wasserversorgern gleichermaßen beliebt: Die leichten Böden ermöglichen qualitativ hochwertige Spargelstangen und eine hohe Grundwasserneubildung. Sande besitzen jedoch nur eine geringe Filterleistung für Nähr- und Schadstoffe. Ist daher ein Interessenskonflikt vorprogrammiert? Der Versuch zeigt, dass Grundwasser schonender Spargelanbau möglich ist, wobei die Nitratkonzentrationen im Sickerwasser vergleichbar zu denen von Ackerbaukulturen sind. Bei optimierter Bewirtschaftung liegen sie bereits in 1 m Tiefe unter dem Grenzwert der Trinkwasserverordnung. Die Nitratauswaschung kann durch folgende Maßnahmen reduziert werden: • Kompost mit weitem C/N-Verhältnis zur Neuanlage, • starkzehrende Kultur (z.B. Ölrettich) direkt nach Rodung mit Abfuhr und Nutzung, • durchgehende Begrünung in den Folgejahren nach Rodung