Nährstoffeinträge über Dränagen und Maßnahmen zu ihrer ... · PDF...

5. Dialog Wasserrahmenrichtlinie in MV, 15. Oktobe r 2015

Nährstoffeinträge über Dränagen und Maßnahmen zu ihrer Minderung

Tauchnitz, N. 1; Bednorz, D. 2; Bischoff, J. 1; Schrödter, M. 1; Wiese, F. 3; Meißner, R. 4

[1]

Martin-Luther-UniversitätHalle-Wittenberg

[2]Agrar -Genossenschaft "Altmärkische Höhe" eG

Lückstedt

[3] [4] Förderung:

� EG-WRRL (2000): guter ökologischer und chemischer Z ustand europäischer Gewässer bis 2015

� Sachsen-Anhalt: 21 % der Oberflächenwasserkörper u nd 52 % der Grundwasserkörper in einem schlechten chemische n Zustand

Hauptursache: diffuse Nährstoffeinträge aus der Fläche- verursachen 89 % der Stickstoff- und 73 % der Phosphor-Einträge in die Gewässer Sachsen-Anhalts (MLU, 015)

� Dränagen : hohes Risiko diffuser

11 Hintergrund

� Dränagen : hohes Risiko diffuser Nährstoffeinträge in die Gewässer auch bei Einhaltung Guter landwirtschaftlicher Praxis

verkürzte Bodenpassage verminderter Nährstoffrückhalt

AbbauprozesseNährstoffaufnahme

- beschleunigter Abfluss

� in Sachsen-Anhalt 25 % (297.000 ha) der gesamten l andwirtschaftlichen Nutzfläche potenziell entwässerungsbedürftig

− davon etwa die Hälfte (142.000 ha) Dränungen, v.a. Gley- und Pseudogleyböden im nördlichen Landesteil (Altmark, D römling, Fläming)

21 Hintergrund

31 Hintergrund

Nährstoffmodellierung durch das FZ Jülich für ST mi ttels Modellkombination GROWA-WEKU-MEPhos

� Zielstellung:

Erfassung der Nährstoffausträge über den Dränagepfa d am

Beispiel landwirtschaftlich genutzter Flächen in de r Altmark

Einflussfaktoren (Klima, Standort, Bewirtschaftung)

Ableitung geeigneter Maßnahmen zur Reduktion der Nä hrstoffausträge

41 Hintergrund

� Potenzielle Reduzierungsmaßnahmen:

� Düngemanagement, Fruchtfolge

� Zwischenfrüchte, Untersaaten

� Reduzierte Bodenbearbeitung (z.B. Strip-Till, Direktsaat)

� Verlustarme Düngeverfahren (z.B. Platzierung des Düngers in

51 Hintergrund

Wurzelnähe, Depotdüngung, Einsatz von Nitrifikationshemmstoffen)

� Maßnahmen zur Nährstoffretention und Förderung des Nährstoffabbausin Dränagesystemen(z.B. Dränteiche, Filter, Denitrifikationswälle, reaktive Gräben, Wasserstandsmanagement, etc.)

Fotos: J. Bischoff

Untersuchungsstandort (Lückstedt)

Lage: nördliche Altmark (Sachsen- Anhalt), Landkreis Stendal

Klima: mittlere langjährige Niederschlagsmenge: 541 mm

Jahresdurchschnittstemperatur: 8,5 °C

Boden: Pseudogley-Braunerde aus lehmigem Geschiebedecksand

(schwach bis mittel lehmiger Sand) über Geschiebele hm

Dränage: seit 1976, Entwässerungstiefe ca. 80 cm unter Flur,

62 Methode

Abstand der Sauger zueinander: 10 m

Dränmessfeld

23 ha

26 ha

72 Methode

Dränmessfeld

Bednorz, 2014

Schlag I II I II I II I II

Horizont-tiefe [cm]

kf [cm/d] Sand [%] Schluff [%] Ton [%]

0-6 79,6 12,8 47,3 48,6 46,4 45,7 6,3 5,7

16-22 79,9 48,5 48,1 57,9 44,1 37,0 7,8 5,1

24-30 33,3 20,6 51,3 40,6 41,6 51,1 7,2 8,3

32-38 18,2 18,5 52,4 54,8 40,9 38,8 6,8 6,3

42-48 11,0 22,1 61,2 50,6 31,8 42,9 7,0 6,5

Bodenphysikalische Parameter

82 Methode

42-48 11,0 22,1 61,2 50,6 31,8 42,9 7,0 6,5

60-68 17,4 9,9 63,3 53,8 30,3 35,4 6,4 10,9

80-86 4,8 8,2 48,3 42,2 37,7 43,0 14,0 14,9

110-116 27,7 4,1 64,9 38,6 30,6 45,6 4,5 15,8

Schlag 2 : homogene Verteilung Geschiebedecksand über Geschi ebelehm, stauwasserbeeinflusst

Schlag 1 : Wechsellagerungen von sandigen und tonigen Schich ten, grundwasserbeeinflusst

Witterungsverlauf im Untersuchungszeitraum

10

15

20

25

80

100

120

140

160

T [°C]NS [mm]Niederschlag (Versuchszeitraum) Langjähriger Niederschlag (1961-1990)

Temperatur (Versuchszeitraum) Langjähriges Temperaturmittel (1961-1990)

∑ NS (Versuchszeitraum 1): 554 mm

∑ NS (langjährig): 542 mm

Ø T (Versuchszeitraum 1): 10,1 °CØ T (langjährig): 8,5 °C

93 Ergebnisse

1 Hydrologische Jahre 2013 und 2014

-5

0

5

10

0

20

40

60

80

80

100

120

140

[mm] Abfluss (mm) Niederschlag (mm)

∑ Niederschlag (HJ 2014): 576 mm∑ Abfluss (HJ 2014): 84 mm

15 % vom Niederschlag

70 % Abfluss im hydrologischen Winterhalbjahr

Dränabfluss und Niederschlag

103 Ergebnisse

HJ: Hydrologische Jahre

0,5

4,9

24,0

45,7

11,4

6,6

9,6

11,2

16,2

9,9

4,7

5,9

3,3

10,5

3,6

2,6

3,7

3,0

2,4

12,3

34,1

3,1

7,6

6,1

4,2

1,4

20,0

0

20

40

60

Nov

12

Dez

12

Jan

13

Feb

13

Mrz

13

Apr

13

Mai

13

Jun

13

Jul 1

3

Aug

13

Sep

13

Okt

13

Nov

13

Dez

13

Jan

14

Feb

14

Mrz

14

Apr

14

Mai

14

Jun

14

Jul 1

4

Aug

14

Sep

14

Okt

14

Nov

14

Dez

14

Jan

15

Feb

15

Mrz

15

Apr

15

Mai

15

Jun

15

Jul 1

5

Aug

15

MW Min Max MWWHJ

MWSHJ

Nitrat [mg/l] 92,7 1,5 227,7 109,4 77,4

Nitrit [mg/l] 0,6 0,0 8,7 0,2 0,9

Ammonium [mg/l] 0,02 0,0 0,4 0,01 0,03

Gesamt-Stickstoff [mg/l] 24,1 5,5 52,5 27,1 22,0

Kalium [mg/l] 1,4 0,2 4,2 1,5 1,4

Stoffkonzentrationen Dränwasser

113 Ergebnisse

Kalium [mg/l] 1,4 0,2 4,2 1,5 1,4

Magnesium [mg/l] 19,3 7,0 35,4 17,5 21,0

Calcium [mg/l] 150,0 44,7 272,6 166,7 134,0

Sulfat [mg/l] 110,6 8,0 258,6 110,5 110,8

Gesamt-Phosphor [mg/l] 0,02 0,0 0,23 0,03 0,02

Gelöster org. Kohlenstoff [mg/l] 6,7 0,0 151,3 3,9 9,2

pH 8,0 7,4 8,5 8,1 8,0

MW: Mittelwert, WHJ: Winterhalbjahr, SHJ: Sommerhalbjahr

MWWHJ

Korrel. zu Q (r)

MWSHJ

Korrel. zu Q (r)

Nitrat [mg/l] 109,4 0,5 77,4 0,1

Nitrit [mg/l] 0,2 -0,3 0,9 0,9

Ammonium [mg/l] 0,01 0,4 0,03 0,6

Gesamt-Stickstoff [mg/l] 27,1 0,4 22,0 0,3

Kalium [mg/l] 1,5 0,7 1,4 0,3

Korrelationen (r) zur Abflussmenge (Q)

Kalium [mg/l] 1,5 0,7 1,4 0,3

Magnesium [mg/l] 17,5 -0,4 21,0 0,6

Calcium [mg/l] 166,7 0,3 134,0 0,2

Sulfat [mg/l] 110,5 0,7 110,8 0,1

Gesamt-Phosphor [mg/l] 0,03 0,3 0,02 0,1

Gelöster org. Kohlenstoff [mg/l] 3,9 0,5 9,2 0,5

pH 8,1 0,4 8,0 0,1

123 Ergebnisse

MW: Mittelwert, WHJ: Winterhalbjahr, SHJ: Sommerhalbjahr

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0

NO2- [mg/l]

0,00 0,20 0,40 0,60

NH4+ [mg/l]

N-Parameter im Sickerwasser (SW), Grund(GW)- und Dränwasser (DW)

0 100 200 300

SW (30 cm)

SW (60 cm)

SW (85 cm)

GW

DW

NO3- [mg/l]

NO3- Abbau

133 Ergebnisse

y = 1,0387x - 12,025R² = 0,5648

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200

NO

3-[m

g/l]

DW

NO3- [mg/l] GW

0

50

100

150

200

250

300

0 100 200 300

NO

3-[m

g/l]

DW

NO3- [mg/l] SW 30 cm

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250

NO

3-[m

g/l]

DW


050

100150200250300350400

0 50 100 150 200 250

NO

3-[m

g/l]

DW


HJ 2014

% WHJ

% SHJ

Nitrat-Stickstoff [kg/ha] 20,41 73,5 26,5

Nitrit-Stickstoff [kg/ha] 0,15 28,0 72,0

Ammonium-Stickstoff [kg/ha] 0,01 37,0 63,0

Gesamt-Stickstoff [kg/ha] 22,70 73,6 26,4

Kalium [kg/ha] 1,24 72,0 28,0

Magnesium [kg/ha] 15,0 66,0 34,0

Stoff-Frachten im Dränabfluss

Magnesium [kg/ha] 15,0 66,0 34,0

Calcium [kg/ha] 139,5 72,2 27,8

Sulfat-Schwefel [kg/ha] 31,3 68,6 31,4

Gesamt-Phosphor [kg/ha] 0,02 82,5 17,5

Gelöster organischer Kohlenstoff

[kg/ha] 4,11 60,0 40,0

143 Ergebnisse

HJ: Hydrologisches Jahr, WHJ: Winterhalbjahr, SHJ: Sommerhalbjahr

Auswaschung: Calcium > Sulfat > Nitrat > Magnesium

Nmin -Boden

36

15

19 10150

200

250Nmin [kg N/ha] 30 cm 60 cm 90 cm

Organische Düngung (Rindergülle)Mineralische Düngung (KAS, ASS)

36

15

19 10

-1,5 -4,1

-9,7

-12,

4

-13,

7

-15,

0

-15,

7

-18,

3

-19,

0

-19,

3

-19,

9

-20,

4

-0,4 -3,0

-16,

9

-17,

0

-19,

0

-20,

5

-21,

0

-21,

1

23,6 -20

-15

-10

-5

0

150

200

250NO3-N [kg N/ha]Nmin [kg N/ha] 30 cm 60 cm 90 cm NO3-Auswaschung

N-Salden [kg N/ha]2013: -242014: -1472015: +45

153 Ergebnisse

1Landsberger Gemenge/Winterroggen

7 18 15 106 27 22 7 12 44 127 17 34 12 36 279

17 13

36

12 26

1010

11

11

25

13

79

8

79

7

13

1711

20

12

7

18

87

0

50

100

Okt

12

Nov

12

Dez

12

Jan

13

Feb

13

Mrz

13

Apr

13

Mai

13

Jun

13

Jul 1

3

Aug

13

Sep

13

Okt

13

Nov

13

Dez

13

Jan

14

Feb

14

Mrz

14

Apr

14

Mai

14

Jun

14

Jul 1

4

Aug

14

Sep

14

Okt

14

Nov

14

Dez

14

Jan

15

Feb

15

Mrz

15

Apr

15

Mai

15

Jun

15

Jul 1

5

Aug

15

N-Entzug -149 kg/ha

N-Entzug-298 kg/ha

N-Entzug-138 kg/ha

7 18 15 106 27 22 7 12 44 127 17 34 12 36 279

17 13

36

12 26

1010

11

11

25

13

79

8

79

7

13

1711

20

12

7

18

87

-23,

6

-40

-35

-30

-25

0

50

100

Okt

12

Nov

12

Dez

12

Jan

13

Feb

13

Mrz

13

Apr

13

Mai

13

Jun

13

Jul 1

3

Aug

13

Sep

13

Okt

13

Nov

13

Dez

13

Jan

14

Feb

14

Mrz

14

Apr

14

Mai

14

Jun

14

Jul 1

4

Aug

14

Sep

14

Okt

14

Nov

14

Dez

14

Jan

15

Feb

15

Mrz

15

Apr

15

Mai

15

Jun

15

Jul 1

5

Aug

15

Brache Silomais ZWF1 Silomais Winterweizen

[%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

WHJSHJ

27 41

3425

39 34

[%] 30 cm 60 cm 90 cm

Tiefenverteilung Smin und Nmin im BodenSmin

20 21 25 69 57 31 10 14 26 22 38 45 22 49 38

33 3031

20

23

44

3959

3024

28

29

28

19

22

47 4845

11

1925

51

28

44

53

33

26

50

32

40

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100[%] 30 cm 60 cm 90 cm

� Geringe Anionensorption

schnelle Verlagerung von Sulfat in tiefere Bodenschichten

� Nachlieferung von Sulfat durch Oxidation von pedogenen oder geogenenSulfiden (z.B. Pyrit) bei gleichzeitiger Reduzierung von Nitrat unter anaeroben Bedingungen

Negativer Zusammenhang zwischen Sulfat- und Nitrat-Konzentrationen im Dränwasser und Sickerwasser in 85 cm Tiefe

163 Ergebnisse

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

WHJSHJ

43 57

31

24

27 19

WHJSHJ20 21 25 69 57 31 10 14 26 22 38 45 22 49 38

0

29 43 41 66 59 36 21 36 59 84 43 52 28 71 63

38

40 35

22

27

43

29

32

14

10

28

38

30

14

2133

17

24

1214

21

50

3227

6

29

11

42

16 16

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Okt

12

Nov

12

Dez

12

Jan

13F

eb 1

3M

rz 1

3A

pr 1

3M

ai 1

3Ju

n 13

Jul 1

3A

ug 1

3S

ep 1

3O

kt 1

3N

ov 1

3D

ez 1

3Ja

n 14

Feb

14

Mrz

14

Apr

14

Mai

14

Jun

14Ju

l 14

Aug

14

Sep

14

Okt

14

Nov

14

Dez

14

Jan

15F

eb 1

5M

rz 1

5A

pr 1

5M

ai 1

5Ju

n 15

Jul 1

5A

ug 1

5

Nmin

050

100150200250300350

0 50 100 150 200

SO42-

[mg/l]

NO3- [mg/l]

SHJr=-0,75

WHJ: Winterhalbjahr, SHJ: Sommerhalbjahr

050

100150200250300350

0 100 200 300 400

SO42-

[mg/l]

NO3- [mg/l]

Sickerwasser 85 cm r=-0,27

050

100150200250300350

0 100 200 300

SO42-

[mg/l]

NO3- [mg/l]

WHJr=-0,45

Reduzierungsmaßnahmen Nitrat-Auswaschung -Gülle-Strip -Till-

Parzellenversuche an drei Standorten in ST

173 Ergebnisse

Lückstedt(LK Stendal)

Burgsdorf(LK Mansfeld-Südharz)

Quellendorf (LK Anhalt-Bitterfeld)

Kolluvisol-Tschernosem (Lehm)

Salmtieflehm-Gley(lehmiger Sand)

Pseudogley-Braunerde(schwach bis mittel-lehmiger Sand)

Varianten: Kontrolle (ohne Gülle), Strip-Till mit NI, Strip-Ti ll ohne NI, Ganzflächige Gülle-ausbringung mit NI, Ganzflächige Gülleausbringung o hne NI

- 20 – 30 m³/ha Gülle/Gärreste im Frühjahr zu Mais, 5 l/ha NI

NI: Nitrifikationsinhibitor

0102030405060708090

100

34 56 68

% Nitrat am Nmin Lückstedt (2014)

Strip-Till mit NI

Strip-Till ohne NI

0102030405060708090

100


Stabilität der Ammonium -Depots bei Strip -Till-Varianten Bei Strip-

Till-

Varianten

mit NI sind

Ammon-

ium-

Depots mit

einem

183 Ergebnisse

34 56 68Tage nach Gülleausbringung


0102030405060708090

100

26 91 174

% Nitrat am Nmin

Tage nach Gülleausbringung

Burgsdorf (2015)

Strip-Till mit NI

Strip-Till ohne NI

0102030405060708090

100

38 88 116

% Nitrat am Nmin


Quellendorf (2015


geringen

Nitrat-

Anteil von

etwa 30 %

bis ca. 30

Tage nach

der Gülle-

Ausbringu

ng stabil.

Stabilität der Ammonium -Depots bei ganzflächiger Gülle-Ausbringung

0102030405060708090

100

34 56 68


GanzflächigeGülleausbringungmit NI

GanzflächigeGülleausbringungohne NI

0102030405060708090

100

7 26 40


Bei

ganzfläch-

iger Gülle-

Ausbring-

ung kaum

193 Ergebnisse



0102030405060708090

100

26 91 174

% Nitrat am Nmin


Burgsdorf (2015)

GanzflächigeGülleausbringungmit NI

GanzflächigeGülleausbringungohne NI

0102030405060708090

100

38 88 116

% Nitrat am Nmin


Quellendorf (2015)


ung kaum

Effekte

des Nitrifi-

kations-

inhibitors

sichtbar.

Quellendorf

29,024,7

18,820,6 23,6

16,7 16,113,1

16,4 14,6

40

50

60

70

80

90

100

[%] 0-30 cm 30-60 cm 60-90 cm

22,1

19,9

16,5 15,7

21,4

23,819,1

13,615,9

19,5

40

50

60

70

80

90

100

[%]

Lückstedt

Tiefenverteilung Nmin im Boden

203 Ergebnisse

54,4 59,3 68,1 63,1 61,80

10

20

30

Nullvariante GF ohne NI STR mit NI STR ohne NI GF mit N I

54,1 61,0 69,9 68,4 59,10

10

20

30

Nullvariante GF ohne NI STR mit NI STR ohne NI GF mit N I

Geringerer Nmin-Anteil in tieferen Bodenschichten bei stabilisierter Strip-Till-Variante im Vergleich zu anderen Varianten

Geringere Nitrat-Verlagerung

GF: Ganzflächige Gülleausbringung, STR: Strip-Till, NI: Nitrifikationsinhibitor

� Nährstoff-Auswaschung über den Dränagepfad in der Re ihenfolge:

− Calcium > Sufat > Nitrat > Magnesium (Düngemanagement!)

� höchste Auswaschung im Winterhalbjahr bei hohen Abf lüssen (Nmin-Herbst ↓)

� Nitrat-Abbau in tieferen Bodenschichten :

− geringere NO3-Konzentrationen im Drän- und Grundwasser im Vergleich zum Sickerwasser

− Hinweise auf Denitrifikationsprozesse: NO2-↑, SO4

2-↑, DOC↑, negative Korrelation zwischen NO3

- und SO42-(Sulfid-Oxidation bei gleichzeitiger NO3

-Reduktion) insbesondere im Sommerhalbjahr

� Zusammenfassung

1

214 Zusammenfassung und Ausblick

insbesondere im Sommerhalbjahr

� Minimierung der NO 3-Verlagerung in tiefere Bodenschichten durch platzierte Gülle-Depot-Düngung im Strip-Till-Verfahr en

− Stabilisierung der NH4-Depots bis ca. 30 Tage nach Gülle-Ausbringung im Frühjahr

� Ausblick

� Fortsetzung der Untersuchungen im Dränagemessfeld bei Optimierung von Bewirtschaftsmaßnahmen

� Projekte: Nährstoffretention (Nährstoffabbau ↑), Erfassung partikulärer P-Austräge

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