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Wassergüte von Söllen in Agrarlandschaften Ost-Brandenburgs
Zentrum für Agrarlandschafts- und Landnutzungsforschung
Thomas Kalettka1 & Catrin Rudat2
1 ZALF, Institut für Landschaftswasserhaushalt, [email protected] Umweltplan Stralsund Gmbh, [email protected]
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 %
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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
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