1

Wassergüte von Söllen in Agrarlandschaften Ost-Brandenburgs

Zentrum für Agrarlandschafts- und Landnutzungsforschung

Thomas Kalettka1 & Catrin Rudat2

1 ZALF, Institut für Landschaftswasserhaushalt, tkalettka@zalf.de2 Umweltplan Stralsund Gmbh, cr@umweltplan.de

2

3

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800M

rz 9

5

Apr

95

Mai

95

Jun

95

Jul 9

5

Aug

95

Sep

95

Okt

95

Nov

95

Dez

95

Jan

96

Feb

96

Mrz

96

Apr

96

Mai

96

Jun

96

Jul 9

6

Aug

96

Sep

96

Okt

96

Nov

96

Dez

96

Jan

97

Feb

97

Lei

tfäh

igke

it u

S/c

m

B_BAP E_20 E_19 E_6 L_17f B_205

Dynamik der Wassergüte-Parameter von Söllen

- Leitfähigkeit -

elektrolytarme Sölle: B_BAP, E_20, E_19

elektrolytreiche Sölle: E_6, B_205, L_17f

4

0,0

5,010,0

15,0

20,0

25,030,0

35,0

40,0

sehrw eich

w eich mittelhart ziemlichhart

hart sehr hart

An

teil

(%)

Gesamthärte Carbonathärte

sehr weich: 0-4°dHweich: 4-8°dHmittelhart: 8-12°dHziemlich hart: 12-18°dHHart: 18-30°dHsehr hart: >30°dH

Wassergüte-Parametervon Söllen

- Elektrolytbelastung -

y = 0,0257x + 0,7571R2 = 0,7423

0

10

20

30

40

50

60

0 500 1000 1500 2000

Leitfähigkeit (uS/cm)

GH

(°d

H)

5

dominating hydrophytes: L. min. = Lemna minor; C. sub. = Ceratophyllum submersum

0 182,5 365 547,5 730 912,5 1095 1277,5 1460 1642,5

Day (zero=1.1.1994)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3NH4, SRP, O2 [mg/l]

0

100

200

300

400

500

600Chl a [µg/l]

NH4-N SRP Chl a O2 x 0,1 ice

60 % L.min.

20 % L. min.80 % C. sub.

30 % L.min. 60 %C.sub.

70 % C. sub.

dry

Dynamik der Wassergüte-Parameter von Söllen

- Bioproduktion und Stoffdynamik -

Kennzeichen der Eutrophierung von Söllen:- Sommerperiode: dichte artenarme Makrophytenbestände - Winterperiode: Maximum des Phytoplanktons- Zyklische Sauerstoffzehrung: interne Düngung aus dem Sediment

Polytrophes

Soll B-BFA

1993-1998

6

B- S

PF

B- 2

07c

B- 2

03

B- I

I /8

L-2

0

L-1

9

L-1

8b

L-1

8

L-1

3

B- 2

05

B- B

Fa

B- K

LA

PF

BA

PF

0

20

40

60

80

100

120C

hlor

ophy

ll a

[µg /

l ]

MW März-Nov. MW Juni-Sept.

Beziehung von Phytoplankton und Makrophyten

Makrophyten

dominant

Makrophyten nicht

dominant

7

Analyse der Bioverfügbarkeit von Phosphor aus Sedimenten

Extraktions-mittel

Extraktion Zeit [h] / Temp. [°C]

Bindungsformen von P

NH4Cl (1 M) 0,5 / 20-25 SRP / NRP Gelöste, unmittelbar verfügbare Phosphate

= im Interstitialwasser und labil an Oberflächen gebunden

BD (0,11 M) 0,5 / 40 SRP

NRP

Reduktant lösliche anorg. Phosphate = an Fe- und Mn-Hydroxide adsorptiv gebunden: Fe(OH)3, FeOOH, MnOOH

An Fe- und Mn-Hydroxide gebundener org. P

NaOH (1 M) 16 / 20-25 SRP

NRP

Baselösliche Phosphate = an Metalloxide von Fe und Al gebunden und gegen OH- austauschbar (Fe2O3, Al2O3)

P in Mikrorganismen, Detritus und Huminstoffen

HCl (0,5 M) 16 / 20-25 SRP

NRP

Säurelösliche Phosphate = Ca- u. Mg-P, Apatit-P

Säurelabiler org. P, hydrolysierter org. P

Rest-P TP Schwer abbaubare bzw. nicht verfügbare Phosphate

= Refraktärer überwiegend org. P

SRP = Soluble Reactive P NRP = Not Reactive P (NRP= TP-SRP) TP = Total P

Bioverfügbarkeit a) unmittelbar verfügbarer P SRP des NH4Cl-Extraktes

des P b) reduktiv verfügbarer P SRP des BD-Extraktes

c) gesamt bioverfügbarer P Summe SRP der Extrakte

d) nicht verfügbarer P Rest-P

8

Stoffeintragsdisposition BD-SRP (oberer 1 cm) [mg/g TM]

Redoxsensitives Eutrophierungspotenzial

hoch bis sehr hoch (4-6) > 1.0 sehr hoch

mittel (2-4) 0.2-1.0 mittel bis hoch

gering (0-2) 0.1-0.2 gering

Sehr gering (<0) 0-0.1 sehr gering

Klassifizierung des Eutrophierungspotenzials aquatischer Sedimente

10

9

11

3

8

67

1

2 45

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0,5 1 1,5 2 2,5

BD-SRP (mg/gTM)

BD

-Fe

(mg

/g T

M)

1: B-BAP; 2: B-II/8; 3: B-KP;

4: E-19; 5: L-18b; 6: E-6;

7:E.20; 8: L-18; 9: B-BFA;

10: B-207c; 11: B-203

Ansteigendes redoxsensitives Potenzial für P-Freisetzung

Interne Eutrophierung durch Freisetzung von Phosphor

Redoxlöslicher Fe(III)-gebundener Phosphor im Sediment

9

Variablen Faktor 1 Faktor 2

LF 0,95 0,09

SO4 0,87 -0,27

Cl 0,89 0.19

Ca 0,98 -0,01

Mg 0,96 0,01

GH 0,97 0,05

pH 0,08 0,82

O2 0,15 0,91

TP 0,14 -0,64

Erklärte Varianz(Eigenwert)

5,36 2,00

Anteil an der Gesamtvarianz %

60 22

Extraktion: Hauptkomponenten; Faktorrotation: varimax; Ergebnisse: Faktorladungen der Variablenmarkierte Ladungen 0,65

(Gruppe 3)

(Gruppe 4)

(Gruppe 1)

(Gruppe 2)

Komponente 2

Komponente 1

-1.5 +1.5

-1.0

+1.5

Cl

Mg

GH.

LFCa

SO4

pHO2

TP

E-32

L-19

L-21 a

L-16

B-207d

E-6

B-II.4

B-II.10

L-18

L-21b

E-50a

B-BFB

B-KP

E-24

E-19

E-12

E-25 L-18b

B-206

B-BAP

L-17c

E-9a

B-BFA

B-SPAL-7

E-3

B-203

E-60

B-207c

L-13

E-31

B-153

L-20

L-17f

E-5

B-300a

Hydrochemische Leitparameter von Söllen der AgrarlandschaftHohe, signifikante Korrelationen (p < 0,05) bei 9 von 16 Parametern

PCA-Ordinationsdiagramm der extrahierten Parameter im Verhältnis zu 39 Söllen

Gruppe 1: P-reich Mineralstoff-armGruppe 2: P-arm Mineralstoff-armGruppe 3: P-reich Mineralstoff-reichGruppe 4: P-arm Mineralstoff-reich

10

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Lietzen Eggersdorf Müncheberg

An

teil

(%)

2,5-2,9 3,0-3,4 3,5-3,9 4,0-4,5

Wassergüte von Söllen der Agrarlandschaft

(modifizierte Methode nach Klapper 1992)

Lietzen (n=15), Eggersdorf (n=15), Müncheberg incl. Eggersdorf (n=59)

(2,5-2,9 = eutroph; 3,0-3,4 = hoch eutroph; 3,5-3,9 = polytroph; 4,0-4,4 = hoch polytroph)

Geringer Trophie-Grad = Geringe Stoffeintragsdisposition      Große Sölle mit breiten Pufferzonen (hohe Pufferkapazität)      Kleine Sölle in schwach welligem Einzugsgebiet (geringe Bodenerosion)      Fehlen von Zuflüssen aus Dränagen      Randverwallungen an der Böschungoberkante (hohe Pufferkapazität)

11

Beziehung zwischen Trophiegrad und Stoffeintragsdisposition von Söllen

Bewertung der Stoffeintragsdisposition (SED) mittels Punktesystem:

SED = Summe (Stoffeinträge) – Summe (Pufferkapazität des Solls)

Summe der Punkte Summe der Punkte

Einzugsgebietsgröße (1-5)

Relief des Einzugsgebietes (1-5)

Input Drainagen (1-3)

Input Wassererosion (1-4)

Breite des Uferrandstreifens(1-5)

Breite des Ufers (1-5)

Randverwallung des Ufers (1-5)

Sollfläche (1-5)

n = 29

y = 0,09x + 3,34

R2 = 0,63

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

-6 -4 -2 0 2 4 6 8

Stoffeintragsdisposition

Was

serg

üte

(Tr

op

hie

)

n = 29; r = 0,79; signifikant p < 0,001

12

Trophie

Kriterien oligo-troph

meso-troph

schwach eutroph

hoch eutroph

schwach polytr.

hoch polytr.

hyper-troph

1,0-1,4 1,5-2,5 2,5-2,9 3,0-3,4 3,5-3,9 4,0-4,4 4,5-5,0

Nährstoffverhältnisse

Frühjahr, MW 3-4, nach Eisaufbruch [mg/l]

a) SRP

b) TP

c) anorg. N (wenn TN/TP < 7)

</= 0,005

</= 0,015

</= 0,3

</= 0,015

</= 0,045

</= 0,5

</= 0,2

</= 0,3

</= 1,0

</= 1,2

</= 1,5

</= 1,5

> 1,2

> 1,5

> 1,5

Sommer, MW 6-9 [mg/l]

a) SRP

b) TP

c) anorg. N (wenn TN/TP < 7)

</= 0,002

</= 0,015

</= 0,01

</= 0,005

</= 0,04

</= 0,03

</= 0,1

</= 0,3

</= 0,1

</= 0,5

</= 0,5

</= 0,5

> 0,5

> 0,5

> 0,5

Bioproduktion in der Vegetationsperiode

Chl. A, MW 3-11, nach Eisaufbruch [mg/l]

nur wenn Makrophyten nicht dominant 1* </= 3 </= 10 </= 40 </= 60 > 60

Makrophyten/fädige Grünalgen 2*

Sichttiefe, MW 3-11 [m]

Nach Eisaufbruch, nur bei ganzjährig ausreichender Wassertiefe

- >/= 4 >/= 1,5 >/= 1,0 >/= 0,5 >/= 0,2 < 0,2

Klassifikation der Trophie von Söllen (modifiziert nach Klapper 1992)

1* - Summe Deckungsgrad Makrophyten + fädige Grünalgen </= 50 %

2* - Deckung % an der Gesamtwasseroberfläche mit Litoralcharakter (Maximum in der Vegetationsperiode), Trophieindikation nach Artenkombinationen, anwenden wenn Summe Deckungsgrad Makrophyten/Fadenalgen >/= 25 %

13

Artname Trophie N* NO3 NH4 P I°

Schwimmdecken /Pleustophyten

Lemna gibba 3-4 8 reich reich reich

Lemna minor 2,5-3-4 6 5,0

Spirodela polyrhiza (2)-3 6 reich 5,0

Wolffia arrhiza 3 6

Schwebematten / Pleustophyten

Lemna trisulca (2)-3-(4) 5 mäßig

Ceratophyllum submersum (2)-3, 4 7

Ceratophyllum demersum (2)-3, 4 8 reich reich

Fadengrünalgen 3-4

Riccia fluitans 2-2,9 arm mäßig

Utricularia vulgaris 2-3 4 arm-mäßig

Wurzelnde Schwimmblattrasen /Rhizophyten

Nuphar lutea 2-3-4 6

Potamogeton natans 1-3 5 2,5

Ranunculus aquatilis 3 6

Polygonum amphibium 2-3-4 4 nicht reich

Tauchfluren /Rhizophyten

Potamogeton crispus 3-4 5 4,5

Potamogeton acutifolius 3 6

Myriophyllum spicatum 2,5-3-4 7 nicht reich 3,0

Hottonia palustris 2-3 4 nicht hoch

Trophie-indikation von Stand-gewässern mittels Hydro-phyten (Literatur)

N* = Ellenberg et al. (1991) I° = Melzer (1988)

14

Lem

na gibba

Lem

na minor

Lem

na trisulca

Spirod.

polyrhiza

Cer.

submersum

Cer. dem

ersum

Utric. vulgaris

Fadengrünalgen

Riccia fluitans

Nuphar luta

Nym

phaea alba

Pol. am

phibium

Pol. natans

Pol. crispus

Pot. acutifolius

Chara fragilis

4,5 Cer. submersum

Fadengrünalgen

25-75

25-75

25 25 1

4,0 Lemna gibba 25-100 25 5

4,0 Cer. submersum 50-100 25 50 10 10 25 5

3,5 Lemna minor Spirodela polyrhiza

50-100 0-100

10 10

3,5 Wolffia arrhiza 25-75 50 50 50 10 25 5

3,5 Cer. submersum 25-50 25 25 5 10 10 10

3,0 Cer. submersum 10-25 25 50 25 25 5 25 25 25 50 10

3,0 Lemna minor Spirodela polyrhiza

5-50

0-50

25 10 10

3,0 Myr. Spicatum Nuphar lutea

5-50

5-25

50 25 10 10 10

3,0 Ran. aquatilis 10-75 10 25 10

3,0 Hottonia palustris 10-50 25

Tro-phie

Dominanzarten *Deckung [%]

Begleitarten*max. Deckung [%]

Vorläufige Trophieindikation von Söllen mittels Hydrophyten-Kombinationen

*Deckung in % der Gesamtwasserfläche mit Litoralcharakter (Maximum Mai bis September)

15

y = -0,0395x + 3,8965

R2 = 0,14330

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20

Artzahl Hydrophyten

Tro

ph

ie

Korrelation von Stoffeinträgen und Biodiversität von Makrophyten

y = -0,0005x2 - 0,0152x + 3,9785

R2 = 0,35260

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40

Artzahl Helophyten

Tro

ph

ie

Problem: Mangel an schwach eutrophen Referenzstandorten in der Agrarlandschaft

n = 32; r =0,59; signifikant p < 0,001n = 32; r = 0,64; signifikant p < 0,001

n = 32; r = 0,38; signifikant p < 0,02n = 32; r = 0,19; nicht signifikant

y = -0,0101x2 + 0,0875x + 3,908

R2 = 0,4068-10

-5

0

5

10

0 10 20 30 40

Artzahl Helophyten

Sto

ffe

intr

ag

sd

isp

os

itio

n

y = -0,1551x + 3,2373

R2 = 0,0368-10

-5

0

5

10

0 5 10 15 20

Artzahl Hydrophyten

Sto

ffe

intr

ag

sd

isp

os

itio

n

16

Korrelation von Wasserqualität und Belastung der Sedimentoberfläche

n = 22; r = 0,76; signifikant p < 0,001

n = 22; r = 0,66; signifikant p < 0,005

n = 22; r = 0,54; signifikant p < 0,01

Probleme:

• Einfluß der Bodenerosion und des zeitweiligen Trockenfallens auf die Muddenbildung (Silikatmudden)

• Mangel an schwach eutrophen Referenzstandorten in der Agrarlandschaft

1 mg/kg = 0,0001 %

y = 0,00x4,65

R2 = 0,58

0

0,05

0,1

0,15

0,2

2,5 3,0 3,5 4,0

Trophie

TP

[%

TM

]

1 mg/kg = 0,0001 %

y = 0,01x3,02

R2 = 0,29

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

2,5 3,0 3,5 4,0

Trophie

TN

[%

TM

]

y = 43,42x-1,04

R2 = 0,44

0

5

10

15

20

25

2,5 3,0 3,5 4,0

Trophie

C/N

17

1 2 3 4 3 1

Einfluss des Oberflächenzuflusses in der Winterperiode auf den Trophiegrad von Söllen der Agrarlandschaft (mittlere bis hohe Stoffeintragsdisposition)

1 = Zufluss gering 3 = Schneeschmelze, Zufluss hoch, Frostboden2 = Regen, Zufluss hoch, kein Bodenfrost 4 = Schnee/Regen, Zufluss mittel, tauender Boden

n = 18

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

1993 1994 1995 1996 1997 1998

Tro

ph

ie

MW-Frühjahr MW-Sommer