stat99

Gebietswasserhaushalt und Stoffhaushalt in der Lößregion des
Elbegebietes als Grundlage für die Durchsetzung einer nachhaltigen
Landnutzung (BMBF FKZ: 0339586)
Statusbericht
Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH
Sektion Angewandte Landschaftsökologie, Leipzig
Sektion Bodenforschung, Halle
Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg
Landwirtschaftliche Fakultät
Institut für Acker- und Pflanzenbau
Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie
Staatliche Umweltbetriebsgesellschaft, Lysimeterstation Brandis
Bearbeiter:
Prof. Dr. sc. R. Krönert (Projektleiter)
Dr. habil U. Franko (Teilprojektleiter)
Dipl.-Hydrol. U. Haferkorn (Teilprojektleiter)
Dr. agr. K.-J. Hülsbergen (Teilprojektleiter)
Dipl.-agr. J. Abraham
Dr. agr. S. Biermann
Dipl.-Geogr. U. Hirt
Dipl-Hydrol. U. Mellenthin
Dipl.-Geogr. M. Ramsbeck-Ullmann
Dr. rer. nat. U. Steinhardt
Leipzig, Halle, Dresden 30.4.1999
I
Inhaltsverzeichnis
INHALTSVERZEICHNIS............................................................................................................................II-III
ABBILDUNGSVERZEICHNIS..................................................................................................................IV-V
TABELLENVERZEICHNIS...........................................................................................................................VI
KARTENVERZEICHNIS...............................................................................................................................VII
1.
EINLEITUNG ...........................................................................................................................................1
2.
FORSCHUNGSANSATZ UND ZIELSTELLUNG..................................................................................3
3.
MATERIAL UND METHODEN ..............................................................................................................7
3.1. Gebietskennzeichnung (ALOE) ............................................................................................................1
3.1.1.
Lößfazies und Böden ....................................................................................................................7
3.1.2.
Klima, Hydrologie und Hydrogeologie ........................................................................................8
3.1.3.
Relief und Gewässernetz ..............................................................................................................9
3.1.4.
Hauptarten der Landnutzung ......................................................................................................10
3.1.5.
Untersuchungsstandorte und Referenzbetriebe ..........................................................................11
3.2. Methoden und Datengrundlagen .........................................................................................................11
3.2.1.
Hierarchischer genesteter Ansatz (ALOE) .................................................................................11
3.2.2.
Datengrundlagen und Datenaufbereitung (ALOE, BOFO, LA, MLU) ......................................14
3.2.3.
Bilanzierungsmodell REPRO (MLU).........................................................................................25
3.2.4.
Bodenprozeßmodell CANDY (BOFO) ......................................................................................31
3.2.5.
Niederschlags-Abfluß-Erosionsmodell ASGi (ALOE) ..............................................................32
3.2.6.
Grundwassermodell PART (LA) ................................................................................................35
3.3. Modellkopplungen ..............................................................................................................................38
3.3.1.
Kopplung der Modelle REPRO -CANDY (MLU, BOFO) ........................................................38
3.3.2.
Kopplung der Modelle REPRO - ASGi (MLU, ALOE) ............................................................41
3.3.3.
Kopplung der Modelle CANDY - PART (BOFO, LA) ............................................................42
3.3.4.
Kopplung der Modelle CANDY – ASGi (BOFO, ALOE).........................................................43
II
4.
ERGEBNISSE .........................................................................................................................................44
4.1. Modellverifizierung auf Versuchsparzellen und Testflächen (MLU).................................................44
4.1.1.
Simulation des Bodenwasser- und Stickstoffhaushalts auf Praxisschlägen ...............................44
4.1.2.
Modellierung des Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalts in einem Dauerfeldversuch ................46
4.1.3.
Stickstoff-Bilanzierung mit dem Modell REPRO ......................................................................50
4.2. Modellverifizierung CANDY auf Grundlage der Lysimetermessungen Station Brandis (BOFO) ....51
4.3. Zwischenergebnisse Einzugsgebiet Parthe (ALOE) ...........................................................................57
4.3.1.
Landnutzung (ALOE) .................................................................................................................57
4.3.2.
Bewirtschaftung und Nährstoffhaushalt in Referenzbetrieben (MLU) ......................................59
4.3.3.
Arbeitsstand Landoberflächenabfluß, Bodenerosion und Phosphataustrag (ALOE) .................63
4.3.4.
Stickstoffaustrag aus der ungesättigten Zone (BOFO) ...............................................................64
4.3.5.
Arbeitsstand Ganglinienseparation und grundwassergebundener Stoffausstrag (LA) ...............68
4.3.6.
NO3-Gehalt an Grundwasserpegeln im Einzugsgebiet der Parthe (LA).....................................71
4.4. Arbeitsstand Mittlere Mulde ...............................................................................................................73
4.4.1.
Stand der Datenbeschaffung (ALOE).........................................................................................73
4.4.2.
Prozeßbezogene Typisierung von Teileinzugsgebieten (ALOE) ...............................................77
4.4.3.
Methode der Ableitung gebietstypischer Modellbetriebe (MLU) ..............................................79
4.5. Historische Flächennutzung, Stoffhaushalt und Nitrataustragspotential im Lößgebiet (MLU) .........80
4.5.1.
Struktur und Intensität der Landwirtschaft .................................................................................80
4.5.2.
Produktionsverfahren der Landwirtschaft ..................................................................................83
4.5.3.
Flächendeckende, räumlich differenzierte Beschreibung des Nährstoffhaushaltes ...................83
4.6. Aktuelle Flächennutzung, Stoffhaushalt und Nitrataustragspotential im Lößgebiet (MLU) ..............85
4.6.1.
Struktur und Intensität der Landwirtschaft .................................................................................85
4.6.2.
Produktionsverfahren der Landwirtschaft ..................................................................................88
4.6.3.
Flächendeckend und räumlich differenzierte Beschreibung des Stickstoffhaushaltes ...............90
4.7. Austrag von N und P an ausgewählten Pegeln des Muldegebietes (ALOE).......................................91
5.
SCHLUßFOLGERUNGEN .....................................................................................................................94
51. Auswahl realitätsnaher Szenarien und Umweltziele zur Minderung des Stickstoffaustrages(ALOE)...94
5.2. Ableitung von Szenarien zur Bewirtschaftung des Lößgebietes (MLU) ............................................96
5.3. Raum- und Zeitskalen, Übertragung der Untersuchungen auf die Lößregion (ALOE, LA) .............100
6.
LITERATUR .........................................................................................................................................104
III
Abbildungsverzeichnis
Abb. 3.2-1: Elementare Regionalisierungsoperationen
Abb. 3.2-2: Streuung der Meßwerte einzelner Lysimeter am Beispiel der Lysimetergruppe 4 (GW=Grundwasserbildung,
N=Stickstoffaustrag)
Abb. 3.2-3: Auswirkung von Bodenparameteränderungen auf das Simulationsergebnis für Grundwasserbildung (GW)
(Lysimeter 8)
Abb.3.2-4: Einfluß unterschiedlicher Gehalte an reproduktionswirksamen Kohlenstoff im Boden auf den StickstoffAustrag (Lys. 8)
Abb. 3.2-5: Modularer Aufbau des PC-Programms REPRO
Abb. 3.2.-6: Komplexe Bewertung landwirtschaftlicher Betriebssysteme, Beispielsbetriebe im Schwarzerdegebiet
Abb. 3.2-7: Grobschema des Datenflusses im Modellsystem ASGi
Abb. 3.2-8: Vergleich von berechnetem und mittels Ganglinienseparation am Pegel Thekla ermitteltem Basisabfluß
Abb. 3.3-1: Schematische Darstellung der Beziehung zwischen effektiver Grundwasserneubildung und
Grundwasserflurabstand für Böden aus Sandlöß über Geschiebelehm unter landwirtschaftlicher Nutzung
Abb. 3.3-2: Landnutzung, Bodenart und Flurabstandsklassen im Einzugsgebiet der Parthe
Abb. 4.1.1: Bodenfeuchte-Dynamik in Seeben auf Schlag a, Vergleich von Meß- und Simulationswerten
Abb. 4.1.2: Nmin-Dynamik in Seeben auf Schlag a, Vergleich von Meß- und Simulationswerten
Abb. 4.1-3: Nmin-Dynamik in Seeben auf Schlag b, Vergleich von Meß- und Simulationswerten
Abb. 4.1-4: Entwicklung der Nt-Gehalte, Düngungs-Kombinationsversuch Seehausen
Abb. 4.1-5: Entwicklung der Ct- und Nt-Gehalte, Düngungsversuch Seehausen)
Abb. 4.1-6: Nitratkonzentration im Sickerwasser, Düngungs-Kombinationsversuch Seehausen
Abb. 4.1-7: Entwicklung der Nt-Gehalte, Düngungs-Kombinationsversuch Seehausen
Abb. 4.2-1: Lysimetergruppe 8
Abb. 4.2-2: Lysimetergruppe 4
Abb. 4.2-3: Lysimetergruppe 1
Abb. 4.2-4: Lysimetergruppe 5
Abb. 4.2-5: Lysimetergruppe 7
Abb. 4.2-6: Beziehungen zwischen gemessenen und berechneten Werten für alle Lysimeter aus dem Parthegebiet
Abb. 4.3-1: Stickstoffkreislauf im Referenzbetrieb IFU (1995-1997), berechnet mit REPRO und CANDY
Abb. 4.3-2: Langjährige Monatsmittel von Temperatur und Niederschlag am Standort Brandis
Abb. 4.3-14: Mittlere Wasserhaushaltskomponenten und Abflußbilödung am Pegel Thekla
Abb. 4.3-17: Lageplan der Gütemeßstellen im Raum Naunhof und deren Nitratgehalte (mg/l) im Herbst 1997
IV
Abb. 4.5-1: Mittleres Produktionsverfahren im Zuckerrübenanbau, Lößgebiet (1982-1989)
Abb. 4.6-1: Mittleres Produktionsverfahren im Zuckerrübenanbau, Lößgebiet (1996-1998)
Abb. 4.7-1: Mittlere zweimonatige NO3-Gehalte)
Abb. 4.7-2: Mittlere zweimonatige o-PO4-Gehalte
Abb. 5.2-1: Szenariotrichter
Abb. 5.2-2: Prinzip-Skizze zur Ableitung und Bewertung von Szenarien
V
Tabellenverzeichnis
Tab. 3.1-1: Klimatisch – hydrologische Werte für die Lößregion des Elbeeinzugsgebietes
Tab. 3.2-1: Fruchtfolge und Stickstoffeintrag (nasse Deposition) am Standort Brandis
Tab. 3.2-2: Profilbeschreibungen der verwendeten Bodeneinheiten
Tab. 3.2-3: Bodenphysikalische Parameter der Horizonte (optimiert)
Tab. 3.2-4: Sensitivität einzelner Parameter hinsichtlich des Merkmals „Grundwasserbildung“
Tab. 3.2-5: Datengrundlage für Modellrechnungen in der Lößregion auf einzelnen Skalenebenen, Modell REPRO in
Kopplung mit den Modellen CANDY und ASGI (Auswahl, stark aggregiert)
Tab. 3.2-6: Charakterisierung ausgewählter Untersuchungsstandorte im Lößgebiet
Tab. 3.2-7: Meßreihen und Bewirtschaftungsdokumentation für die Standorte Seeben, Seehausen und Canitz
Tab. 3.2-8: Datengrundlage zur Charakterisierung der Landwirtschaft in der Lößregion
Tab. 3.2-9: Ausgabeoptionen von ASGi
Tab. 3.3-1: Datentransfer REPRO – CANDY (Standortparameter)
Tab. 3.3-2: Datentransfer REPRO – CANDY (Bewirtschaftungsdaten)
Tab. 4.1-1: Vergleich gemessener und simulierter Kohlenstoffgehalte (%) verschiedener Düngungsstufen
Tab. 4.1-2: Meß- und Simulationswerte zum Nitrataustragspotential verschiedener Düngungsvarianten
Tab. 4.2-1:Vergleich der gemessenen und berechneten Werte für Grundwasserbildung (GW) und aktuelle
Evapotranspiration (AET) im Mittel der Jahre 1980-1992, Stickstoffaustrag (N) 1982-1992,
Tab. 4.2-2: Standardabweichungen (sd) für Grundwasserbildung (GW in mm a-1), monatlichen N-Austrag (N in kg ha-1
a-1) und aktuelle Evapotranspiration (AET in mm a-1)
Tab. 4.3-1: Verteilung der Hauptlandnutzungsformen im Parthegebiet 1992/93
Tab. 4.3-2: Schlaggrößenveränderungen im Einzugsgebiet der Parthe zwischen 1989 und 1996
Tab.4.3-3: Struktur und Intensität der Landwirtschaft, Referenzbetriebe im Parthegebiet (1996-1998)
Tab.4.3-4: Humus- und Nährstoffbilanzen, Referenzbetriebe im Parthegebiet (1996-1998)
Tab. 4.3-5: Bewirtschaftungsszenarien
Tab. 4.3-6: Simulationsergebnisse
Tab. 4.3-7: „Mittlere Bilanz“ nach der Ganglinienseparation mit DIFGA
Tab. 4.5-1: Struktur und Intensität der Landwirtschaft, historische Bewirtschaftung (1986-1989)
Tab. 4.5-2: Humus- und Nährstoffbilanzen
Tab. 4.6-1: Struktur und Intensität der Landwirtschaft in Landkreisen des Freistaates Sachsen (1995-1997)
Tab. 4.6-2: Entwicklung des Kuhbesatzes und der Milchleistung im Muldegebiet
Tab. 5.2-1: Beschreibung möglicher Szenariorechnungen im Lößgebiet
VI
Kartenverzeichnis
Karte 3.1-1: Verbreitung und Mächtigkeit der Löße, Sandlöße und Lößderivate in der DDR
Karte 3.2-2: Lößregion – Ausschnitt aus der Bodenübersichtskarte der BRD 1 : 1 000 000
Karte 3.1-3: Geologische Substratherkünfte im Land Sachsen-Anhalt nach Gemeinden, erarbeitet nach Standorttypen der
MMK
Karte 3.1-4: Lage der Testbetriebe in den Gemeinden der Länder Sachsen und Sachsen-Anhalt
Karte 4.3-1: Potentielle Gefährdungsflächen mit lateralem Stoffaustrag
Karte 4.3-2.: Schlaggrößenveränderungen im Parthegebiet 1989 - 1996
Karte 4.3-3: Schlagbezogene Stickstoffzufuhr (kg ha-1a-1), Referenzbetrieb IFu (1995-1997) berechnet mit REPRO,
Karte 4.3-4: Schlagbezogener Stickstoffentzug (kg ha-1a-1), Referenzbetrieb IFu (1995-1997) berechnet mit REPRO,
Karte 4.3-5: Schlagbezogener Stickstoff-Saldo (kg ha-1a-1), Referenzbetrieb IFu (1995-1997) berechnet mit REPRO,
Karte 4.3-6: Schlagbezogener Nmin-Vorrat (0-60 cm), Referenzbetrieb IFu, Beprobung im Frühjahr 1996
Karte 4.3-7: Teilschlagbezogener Nitrat-N-Austrag, Referenzbetrieb IFu (1995-1997 berechnet mit CANDY,
Karte 4.3-8: Teilschlagbezogene Nitratkonzentration des Sickerwassers, Referenzbetrieb IFu (1995-1997 berechnet mit
CANDY
Karte 4.3-9: Teilschlagbezogene Sickerwasserbildung, Referenzbetrieb IFu (1995-1997 berechnet mit CANDY
Karte 4.3-10: Hangneigungen im Schnellbach-Einzugsgebiet
Karte 4.3-11: Retentionsvermögen der Gewässerrandstreifen im Parthe-Gebiet
Karte 4.3-12: Risikokarte für oberflächliche Stoffeinträge
Karte 4.3-13: Ergebnisse der Realszenarios 1990 bis 1997
Karte 4.5-1: Stickstoffentzüge in Ernteprodukten, Landwirtschaftliche Nutzflächen im Land Sachsen-Anhalt (1986-89)
nach Landwirtschaftsbetrieben
Karte 4.5-2: Salden der Stickstoffbilanz, Landwirtschaftliche Nutzflächen im Land Sachsen-Anhalt (1986-89) nach
Landwirtschaftsbetrieben
Karte 4.6-1: Stickstoffentzüge in Ernteprodukten, Landwirtschaftliche Nutzflächen im Land Sachsen-Anhalt (1995) nach
Verwaltungsgemeinschaften
Karte 4.-6-2: Salden der Stickstoffbilanz, Landwirtschaftliche Nutzflächen im Land Sachsen-Anhalt (1995) nach
Verwaltungsgemeinschaften
Karte 4.6-3: Humusbedarf ackerbaulich genutzter Flächen im Land Sachsen-Anhalt (1995) nach
Verwaltungsgemeinschaften
Karte 4.6-4: Salden der Humusbilanz, Landwirtschaftliche Nutzflächen im Land Sachsen-Anhalt (1995) nach
Verwaltungsgemeinschaften
VII
1 Einleitung
Das Projekt ist für den Zeitraum vom 01.03.1998 bis 28.02.2001 bewilligt. Da die Ausschreibungen
für die 4 Doktorandenstellen erst nach Eingang des Zuwendungsbescheides erfolgen konnten, gab es
zeitliche Verzögerungen für deren Einstellung bis zu mehreren Monaten.
Der Zuwendungsbescheid enthält als Nebenbestimmungen unter anderem:
1. die Verpflichtung zur Kooperation mit der Projektgruppe „Elbe-Ökologie“ und dem PotsdamInstitut für Klimafolgenforschung sowie zur Abstimmung mit dem Informationssystem „ELISE“
2. die Verpflichtung, „Mitte 1999 den Projektfortschritt - insbesondere zum Stand der Modellverknüpfungen und der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die gesamte Lößregion sowie Methoden
und aufgetretene Probleme - dem wissenschaftlichen Beirat des BMBF und weiteren externen
Gutachtern zur Zwischenbegutachtung darzulegen. Dazu ist ein aussagekräftiger Statusbericht zu
erstellen. Die Zwischenbegutachtung ist in Abstimmung mit dem Projektträger zu organisieren.“
3. Verpflichtung zur Teilnahme an Statusseminaren.
Kassenmäßig gesperrt wurden in der Position 0823 beim Auftragnehmer MLU Gesamtausgaben in
Höhe von 140.816,- DM. Über eine Aufhebung der Sperre soll nach der Zwischenbegutachtung im
Juni 1999 entschieden werden.
Im Statusbericht wird zunächst die kurzgefaßte Zielstellung vorangestellt. Die folgende Gebietskennzeichnung will vor allem auf die regionale Differenzierung der Lößregion aufmerksam machen.
Im Kapitel Methoden und Datengrundlagen wird auf den hierarchischen, genesteten Ansatz hingewiesen, weil sich aus dessen Verständnis die Übertragbarkeit von groß- und mittelmaßstäbigen
Testgebietsuntersuchungen auf die Lößregion als Ganzes erklären läßt. Die Darstellung der Datengrundlagen ist notwendig zur Erläuterung von Inhomogenitäten und Fehlern in den Datengrundlagen und von Problemen ihrer Überwindung bzw. Kompensation. Die Kurzkennzeichnung der
Modelle, die im Antrag bereits erfolgt ist, wird wiederholt, um die Aussagen zur Modellkopplung
verständlich zu machen.
Bei der Ergebnisdarstellung handelt es sich um Zwischenergebnisse unterschiedlicher Tiefe. Die
Erfahrungen in der Modellkopplung sind soweit vorangeschritten, daß diese besser als im
Projektantrag
sichtbar
gemacht
werden
kann.
Am
weitesten
vorangeschritten
sind
Zwischenergebnisse aus den Untersuchungen im Parthegebiet sowie zur historischen und aktuellen
Landnutzung in ihrer Wirkung auf den Stoffhaushalt. Der Arbeitsstand im Einzugsgebiet der
mittleren Mulde läßt Aussagen zur Ableitung prozeßorientierter Landschaftseinheiten zu. Die Aus1
sagen zum Austrag von N und P an ausgewählten Pegeln und zum NO3-Gehalt im Grundwasser
sollen zunächst auf die regionale Differenzierung des Nährstoffaustrages und die Relevanz des
Problems aufmerksam machen, weil die Daten hierzu im einzelnen noch nicht ausgewertet wurden.
Obwohl die Diskussion von Szenarien von Landnutzungsänderungen erst in der zweiten Phase des
Projektes vorgesehen ist, erfolgen hier bereits einige Grundsatzüberlegungen, insbesondere zur Begründung der Realitätsnähe von Szenarien. In den Schlußfolgerungen werden außerdem einige
wenige Arbeitsschwerpunkte der Zukunft hervorgehoben und Arbeitsansätze zur Übertragbarkeit
der Ergebnisse auf die ganze Lößregion erörtert.
2
2 Forschungsansatz und Zielstellung
Das Projekt ist ind den Aufgabekomplex „Landnutzung im Einzugsgebiet“ der Forschungskonzeption „Ökologische Forschung in der Stromlandschaft Elbe (Elbe-Ökologie)“ eingebunden. Es dient
der Erarbeitung von Konzepten zur dauerhaft umweltgerechten Landnutzung in unterschiedlichen
Natur- und Wirtschaftsräumen im Elbegebiet unter Berücksichtigung ihrer Auswirkungen auf den
Gebietswasser- und Stoffhaushalt. Untersuchungsobjekt ist in diesem Verbundprojekt die Lößregion
des Elbegebietes.
Untersucht werden die Auswirkungen der Landnutzung und von Landnutzungsänderungen auf den
Gebietswasserhaushalt und die wassergebundenen Stoffausträge (vor allem Stickstoff) aus den
Landschaften der Lößregion in Abhängigkeit von den differenzierten Standortbedingungen und von
der landwirtschaftlichen Bodennutzung. Ausgegangen wird dabei von einigen, im Arbeitsprozeß
weiter zu präzisierenden Hypothesen:
-
Das Verhältnis der Hauptnutzungsarten ist seit Jahrzehnten relativ stabil. Die Landnutzung wird
sich in der Lößregion auch in absehbarer Zukunft nicht grundlegend verändern. Das betrifft
sowohl das Verhältnis der Hauptnutzungsarten (Landwirtschaftsfläche, Wald, Siedlungen,
Gewässer) als auch die Landnutzungsstruktur mit der Dominanz von großen Ackerschlägen in
der Agrarflur.
-
Geringfügige Änderungen werden sich durch die Fortsetzung der Suburbanisierung, durch den
Bergbau und eventuell durch die Entwicklung von Biotopverbünden sowie durch die Bewaldung
von Steilhängen der Flußtäler ergeben.
-
Der Gebietswasserhaushalt wird sich daher ebenfalls in den Grundgrößen als relativ wenig
verändert erweisen.
-
Der Stickstoffaustrag aus dem Elbegebiet in die Nordsee ist insgesamt zu hoch und soll von ca.
6 mg Gesamt-N pro Liter im Jahresdurchschnitt auf wenigstens 3 mg/l halbiert werden.
-
Die Intensität der landwirtschaftlichen Bodennutzung hat sich verändert (Anbaustruktur, Düngeintensität) Der Rückgang der Tierhaltung bei Rindern auf die Hälfte und bei Schweinen auf ein
Drittel nach 1989 - und damit verbunden eine Abnahme des Gülleanfalls - macht sich im
diffusen Stickstoffaustrag noch nicht bemerkbar.
-
Die Bodenerosion ist in den Lößhügelländern relativ hoch und trägt damit zum diffusen
Phosphataustrag wesentlich bei. Die Bodenerosion muß vermindert werden.
Der Gebietswasserhaushalt und die die Stoffflüsse prägenden Standortbedingungen sowie die landwirtschaftliche
Bodennutzung
sind
im
Löß-Schwarzerdegebiet,
Löß-Parabraunerdegebiet,
Lößpseudogleygebiet und Sandlößgebiet signifikant voneinander unterschieden. Die regional
3
differenzierten Wasser- und Stoffflüsse und ihre Ursachen zu untersuchen und zu erkennen, gehört
zu den Zielen des Projektverbundes. Es gehört weiter zu den Zielen, Leitbilder und
Umweltqualitätsziele zur Minimierung der diffusen Nährstoffausträge zu formulieren und
Instrumentarien für deren Realisierung vorzuschlagen.
Als Untersuchungsraum wird das Einzugsgebiet der Parthe für großmaßstäbige Untersuchungen
gewählt. Die Basiseinheiten für die Prozeßmodellierung und -beschreibung sind Tope und Ackerschläge. Die Parthe liegt vorwiegend im Sandlößgebiet. Die Daten der Lysimeterstation Brandis
werden genutzt. Sie repräsentieren das Sandlößgebiet und das Löß-Parabraunerdegebiet. Für
mittelmaßstäbige Untersuchungen wird das Einzugsgebiet der mittleren Mulde, soweit es in der
Lößregion liegt, gewählt. Es hat Anteil am Sandlößgebiet, am Löß-Parabraunerdegebiet und am
Lößpseudogleygebiet.
Basiseinheiten
sind
Landschaftsteile
in
Kleineinzugsgebieten
(Hydrotopgefüge) und Agrarbetriebe. Für das Löß-Schwarzerdegebiet kann auf Untersuchungen des
UFZ und der MLU Halle-Wittenberg, an denen die Projektpartner beteiligt sind, zugegriffen
werden. Eigenständige Untersuchungen im Löß-Schwarzerdegebiet werden in diesem Projekt nicht
durchgeführt.
Aktueller Arbeitsstand:
Parthe
1.1 Bestimmung des zeitvariablen und flächendifferenzierten Oberflächenabflusses und der daran
gebundenen Stofflüsse (N und P)
T.: II/98 - IV/98
teilweise abgeschlossen; Zeitverzug, weil gekauftes Digitales Geländemodell unbrauchbar
1.2 Modellierung des Wasser- und Stickstofftransportes in der ungesättigten Bodenzone mittels
Modell CANDY
T.: II/98 - II/00
teilweise abgeschlossen, Vorlauf im Zeitplan
T.:1.3 Bestimmung des Nitratstromes Bodenwasser - Grundwasser - Oberflächenwasser mittels
Modellen CANDY und PART
T.: II/98 - II/00
im Zeitplan liegend, weil Zugriff auf Ergebnisse aus anderen Projekten möglich; Doktorand konnte
erst 8 Monate nach Projektbewilligung eingestellt werden.
4
1.4 Optimierung des Kohlenstoff- und Nährstoffhaushaltes landwirtschaftlicher Betriebe zur Verminderung umweltbelastender Nährstoffeinträge in die Gewässer
T.: II/98 - II/00
im Zeitplan liegend
1.5 Berechnung von Landnutzungszenarien zur Minimierung der N und P-Austräge in die Gewässer
T.: IV/99 - III/00
Vorarbeiten
1.6 Ableitung von Leitbildern und Umweltqualitätszielen zur Minderung von Nährstoffeinträgen in
die Gewässer
T.: IV/99 - III/00
Vorarbeiten
Mittlere Mulde
2.1 Landschaftsgliederung und Zusammenstellung der landschaftsbezogenen Leitbilder
T.: IV/98 - I/99 und III/00 - I/01
im Zeitplan, Datenbeschaffung weitgehend abgeschlossen, Landschaftsgliederung in Arbeit
2.2 Bestimmung der Indikatoren für die Landnutzung, den Gebietswasserhaushalt und die Stoffflüsse
T.: I/00 - I/01
Vorarbeiten
2.3 Nährstoffbilanzen von repräsentativen Betrieben
T.: I/00 - I/01
wurde begonnen
2.4 Berechnung von Grundgrößen des Gebietswasserhaushaltes und der daran gebundenen
Stofflüsse (N und P)
T.: II/99 - III/99 und IV/99 - I/01
wurde begonnen
5
2.5 Berechnung von Landnutzungsszenarien zur Minimierung von N und P-Austrägen
T.: III/00 - I/01
noch nicht begonnen
2.6 Ableitung von Leitbildern und Umweltqualitätszielen für Landschaftseinheiten
T.: II/99 - III/99 und IV/99 - I/00 und IV/00 - I/01
Vorarbeiten
3. Übertragung der Aussagen auf die Lößregion als Ganzes
T.: IV/99 - I/01
Teilergebnisse liegen aus anderen Projekten vor. Vorlauf im Zeitplan
6
3 Material und Methoden
3.1
Gebietskennzeichnung
Im Projektantrag wurde die Gebietskennzeichnung sehr kurz gehalten. Im Hinblick auf die angestrebte Übertragung der Untersuchungen im großen Maßstab im Parthegebiet und der
Untersuchungen im mittleren Maßstab im Muldegebiet auf die Lößregion als Ganzes wird die
Berücksichtigung der inneren Differenzierung der Lößregion sehr wichtig, zumal das LößSchwarzerdegebiet mit diesen Testgebieten nicht repräsentiert wird.
3.1.1
Lößfazies und Böden
Die Lößregion des Elbeeinzugsgebietes ist nach den Lößfazies und den Böden außerordentlich
differenziert (Karten 3.1-1 und 3.1-2). Karte 3.1-3 zeigt u.a. die lößbestimmten und sandlößbestimmten Standorte auf Gemeindebasis im Land Sachsen-Anhalt.
In der Magdeburger Börde, dem Nördlichen und Östlichen Harzvorland, dem Weißenfelser Hügelland sowie im Thüringer Becken herrschen Schwarzerde-Bodenformengesellschaften auf den meist
geschlossenen Lößdecken vor. Sie greifen nach Osten, insbesondere östlich Halle, auf Sandlöße
über. Die mittlere jährliche Niederschlagshöhe beträgt im Löß-Schwarzerdegebiet zwischen 450
und 550 mm.
In Nordsachsen (Leipziger Land, Nordsächsisches Platten- und Hügelland, Großenhainer Pflege)
sind auf Sandlössen und sandigen Lössen Parabraunerde-Bodenformengesellschaften ausgebildet.
Eine Sandlößinsel befindet sich auch auf dem Hochfläming. Auf dichtem Untergrund, z.B. Grundmoränen, sind die Böden pseudovergleyt. Die mittleren Jahresniederschläge liegen im Bereich von
550 - 650 mm.
Auf geschlossenen, zum Teil mächtigen Lößdecken sind im Zeitz-Altenburger-Lößhügelland und
im Mittelsächsischen Lößhügelland sowie im Oberlausitzer Gefilde um Bautzen bei mittleren
Niederschlagswerten von 600 - 700 mm Parabraunerde-Bodenformengesellschaften ausgebildet.
Insbesondere im Mulde-Lößhügelland sind auf geschlossenen Decken von Lößderivaten Pseudogley-Bodenformengesellschaften ausgebildet. Die mittleren Jahresniederschläge übersteigen 700
mm. In der westlichen Oberlausitz und in der östlichen Oberlausitz findet man einen relativ
engräumigen Wechsel von Parabraunerde- und Pseudogley-Bodenformengesellschaften.
Im Übergangsbereich zu den Mittelgebirgen sind auf den geringmächtigen, zum Teil lückigen Lößderivaten im vogtländisch-erzgebirgisch-oberlausitzer Bereich Braunerde-Pseudogley-Bodenformengesellschaften ausgebildet. Dagegen sind in den das Thüringer Becken umrandenden
Hügelländern auf geringmächtigen, zum Teil lückigen Lößderivaten Braunerde-Bodenformengesell7
schaften vorherrschend. Die Ursache für die Bodenunterschiede ergeben sich aus den um ca. 100
mm höheren Jahresniederschlägen im sächsischen Mittelgebirgsvorland gegenüber den Thüringer
Hügelländern und aus dem unterschiedlich verwitternden und durchlässigen Grundgebirge. Im
sächsischen Mittelgebirgsvorland sind dies Schiefer, Gneise und Granite, im thüringischen Hügelland Buntsandstein und Muschelkalke.
Die Zuordnung der Gebiete mit geringmächtigen, zum Teil lückigen Lößderivaten zur Lößregion
wird unterschiedlich gehandhabt. In der Karte „Naturräume“ (RICHTER, o. J.) werden diese Gebiete
der
Lößregion
zugerechnet.
Nach
der
BODENÜBERSICHTSKARTE
DER
BUNDESREPUBLIK
DEUTSCHLAND 1:1.000.000 (1995) gehören diese Areale nicht mehr zu den Böden der Lößgebiete.
Dagegen werden die Sandlößgebiete in beiden Fällen der Lößregion zugerechnet. Wir orientieren
uns an der Bodenübersichtskarte der Bundesrepublik Deutschland 1:1.000.000. In den Testgebietsuntersuchungen im mittleren Muldeeinzugsgebiet beziehen wir Teile des Erzgebirgsbeckens aus
pragmatischen Gründen ein, um im Erzgebirgsbecken liegende Pegel als „Startpegel“ für die
hydrologischen Analysen verwenden zu können.
3.1.2
Klima, Hydrologie und Hydrogeologie
Die in KUNKEL und WENDLAND (1998) enthaltenen Übersichtskarten und Darstellungen lassen die
vier Teilgebiete der Lößregion in ihrer klimatischen, hydrologischen und hydrogeologischen Differenzierung gut erkennen. Wesentliche Merkmale sind in Tab. 3.1-1 zusammengefaßt. Die Werte
wurden den Karten entnommen und dienen lediglich dem orientierenden Vergleich.
Aus den Daten ist ersichtlich, daß mit steigendem Niederschlag sowohl die reale Verdunstung als
auch der Gesamtabfluß sowie der Basis- und Direktabfluß (einschließlich schnellem Zwischenabfluß) zunehmen. Damit ist mit einer klimatisch-hydrologisch bedingten Zunahme der N- und PAusträge vom Löß-Schwarzerdegebiet bis zum Löß-Pseudogleygebiet über die Gewässer zu rechnen, sofern man von gleichen Nährstoffüberschüssen ausgeht. Näher untersucht werden muß, ob das
pflanzenverfügbare
Bodenwasser
im
Löß-Pseudogleygebiet
höher
ist
als
im
Löß-
Parabraunerdegebiet und ob die reale Verdunstung von Ackerflächen 500 mm übersteigt. Der
Gesamtabfluß dürfte vermutlich im Löß-Pseudogleygebiet etwas höher sein als in der Tabelle angegeben. Die reale Verdunstung von den größeren Waldgebieten wird für die Lößregion mit über 525
mm angegeben, so daß folglich für Wälder der Abfluß niedriger ist als von Landwirtschaftsflächen.
8
Direktabflußhöhe
Ø 1961 – 1990 in mm
175 –
200
< 475
< 100
< 50
< 50
< 0,5/a
Sandlößgebiet
550 –
650
580 –
600
150 –
175
450 –
475
100 –
150
25 –
100
25 –
100
0,5 –
1/a
Lößparabraunerdegebiet
600 –
700
580 –
600
175 –
200
475 –
500
150 –
200
100 –
150
50 –
75
0,5 –
1,0/a
Lößpseudogleygebiet
700 –
800
540 –
580
200 –
250
500 –
525
200 –
300
100 –
200
50 –
100
1–
2/a
Austauschhäufigkeit des
Bodenwassers
Basisabflußhöhe
Ø 1961 – 1990 in mm
580 –
600
Gesamtabflußhöhe
Ø 1961 – 1990 in mm
>550
Reale Verdunstung
Ø 1961 – 1990 in mm
Potentielle Verdunstung
in mm
Pflanzenverfügbares Bodenwasser
in mm
Jährliche Niederschlagshöhe
Ø 1961 – 1990 in mm
Lößschwarzerdegebiet
Tab. 3.1-1: Klimatisch – hydrologische Werte für die Lößregion des Elbeeinzugsgebietes (nach KUNKEl u. WENDLAND
1998)
Die Lößregion gehört auf Grund ihres geologischen Gesteinsaufbaus nach WENDLAND und KUNKEL
(1999) zum überwiegenden Teil zu den Gebieten, die nicht nitratabbauend sind. Ausgenommen
davon ist das Sandlößgebiet, das vorwiegend nitratabbauend ist bzw. dem Mischtyp von nicht
nitratabbauend und nitratabbauend zugerechnet wird. Die Gründe liegen darin, daß die die Sandlösse vorwiegend unterlagernden Moränenablagerungen als nitratabbauend eingestuft werden. Der
Mischtyp resultiert aus der Einstufung der magmatischen Ergußgesteine Nordsachsens und der
Sandablagerungen unter den Sandlößen bzw. geringmächtigen Lössen des Köthener Ackerlandes
zum Mischtyp des Nitratabbaus. Diese Aussage bedeutet, daß das mit dem Sickerwasser ins
Grundwasser ausgetragene Nitrat im Parthegebiet und auch im nördlichen Teil des mittleren
Muldegebietes teilweise abgebaut wird, während im Parabraunerde- und Pseudogleygleygebiet des
Muldeeinzugsgebietes das ins Grundwasser eingetragene Nitrat weitgehend zeitverzögert in die
Flüsse gelangt.
3.1.3
Relief und Gewässernetz
Die Lößregion ist zum überwiegenden Teil Hügelland, in dem Flachriedel und Dellensysteme vorherrschen. Die Übergänge zu den Tälern der Flüsse mit mäßig geneigten Hängen vollziehen sich
meist über kurze Distanzen von wenigen hundert Metern. Die Täler der Hauptflüsse und ihrer
9
größeren Nebenbäche weisen vielfach Steilhänge auf, die von kürzeren Kerbtälern zerschnitten sind.
Das Sandlößgebiet weist großflächige Ebenen geringer Hangneigung auf. Aus dieser Reliefsituation
folgt, daß vertikale wassergebundene Stofflüsse zwar die vorherrschenden Transportwege für den
Stickstoffeintrag in das Grundwasser sind, daß aber gleichzeitig laterale Transportprozesse zu beachten sind. Letztere machen sich vor allem in der hohen Erosionsdisposition der Lößhügelländer
durch beschleunigten Oberflächenabfluß bemerkbar. Höhendifferenzen und damit die Reliefenergie
sind in den Teilräumen der Lößregion unterschiedlich. Sie sind im Sandlößgebiet mit 50-100 m am
geringsten. Sie erreichen, immer bei Ausschluß von Einzelbergen und herausgehobenen
Höhenrücken, in der Magdeburger Börde, im Nördlichen Harzvorland, dem Altenburg-Zeitzer Lößhügelland und im Mittelsächsischen Lößhügelland 150 m, im Thüringer Becken 175 m, im
Östlichen Harzvorland und im Weißenfelser Lößhügelland 225 m. Das Mulde-Lößhügelland, das
dem Löß-Pseudogleygebiet entspricht, weist eine Reliefenergie von bis zu 250 m auf.
Die Genese des Gewässernetzes ist durch das wechselhafte Akkumulations- und Erosionsgeschehen
während des Pleistozän bestimmt. Hinzu kommen die Auswirkungen des Kupferschieferbergbaus
im östlichen Harzvorland und des großflächigen Braunkohlenbergbaus im Raum Leipzig-HalleBitterfeld in der jüngsten Vergangenheit und bis in die Gegenwart hinein mit ihren großflächigen
Grundwasserabsenkungen. Die Folge davon ist, daß die unterirdischen Einzugsgebiete vielfach
nicht den oberirdischen Einzugsgebieten entsprechen. Die Einzugsgebiete bis zu den Pegeln der
Flüsse sind daher nur bedingt als Bilanzräume für den Gebietswasserhaushalt und die wassergebundenen Stoffflüsse zu verwenden. Das gilt um so mehr, je kleiner die Einzugsgebiete sind.
3.1.4
Hauptarten der Landnutzung
Für die Lößregion gelten mit Ausnahme des trockenen Schwarzerdegebietes als Faustzahlen für die
Evapotranspiration für versiegelte Siedlungsflächen 350 mm, für Landwirtschaftsflächen 450 mm
und für Wald 550 mm. Die Landnutzung kann also bei Landschaftshaushaltsbetrachtungen nicht
vernachlässigt werden. Die Lößregion wird von Landwirtschaftsflächen dominiert. Der Anteil des
Dauergrünlandes nimmt mit dem Niederschlag zu. Das Dauergrünland ist auf die Talauen der
Haupt- und Nebentäler sowie auf Talhänge beschränkt. Das bis in die 50iger Jahre vielfach noch
anzutreffende Dauergrünland auf den Dellensohlen wurde mit den großflächigen Meliorationsmaßnahmen der 60iger und 70iger Jahre in Ackerland umgewandelt. Größere geschlossene Waldflächen
gibt es lediglich als Inseln auf den Riedeln im Löß-Pseudogleygebiet, auf den Granitrücken der
Lausitz, auf den Porphyrrücken im Leipziger Land (Sandlößgebiet) und staunassen Böden über
Grundmoränen innerhalb des Sandlößgebietes. Bewaldet sind die Steilhänge der Haupt- und
10
Nebentäler. Die Siedlungsstruktur ist außerordentlich differenziert und nimmt ca. 10% der
Gesamtfläche ein. In Bergbaufolgelandschaften ist zwischen den rekultivierten Flächen (Landwirtschaftsflächen, Forstflächen, Wasserflächen) und devastierten, vegetationsfreien Flächen sowie
Flächen mit Spontansukkzessionen zu unterscheiden. Siedlungs- und Bergbauflächen bleiben
bezüglich ihres Landschaftshaushaltes außerhalb des Projektes.
3.1.5
Untersuchungsstandorte und Referenzbetriebe
Die Referenzbetriebe, für die Buchführungsdaten vorliegen, sind über die Lößregion breit gestreut
(Karte 3.1-4). Da unterschiedliche Betriebsformen erfaßt werden, sind die vier Teilräume der
Lößregion repräsentativ in ihren Stoffbilanzen erfaßbar. Die Bearbeitung der Referenzbetriebe ist zu
einem Teil erfolgt. Sie wurde für alle abgebildeten Betriebe zumindest begonnen.
3.2
3.2.1
Methoden und Datengrundlagen
Hierarchischer genesteter Ansatz
Die Landnutzung und deren Änderung beeinflußt landschaftliche Wasser- und Stoffflußbedingungen vom Ackerschlag bis zur Großlandschaft. Zudem ist die Landschaft häufig einer Mehrfachnutzung unterworfen, d.h. unterschiedliche Interessen (beispielsweise die der Landwirtschaft und die
des Grundwasserschutzes) konkurrieren im gleichen Gebiet. Um diesen Konflikt zu lösen und so
eine ressourcenschonende und umweltverträgliche Nutzung zu gewährleisten, ist eine maßstabsabhängige Herangehensweise erforderlich, in der Wasser- und Stoffflüsse auf unterschiedlichen
Skalen untersucht werden können.
Entsprechend der Zielstellung des Projektes sind Indikatoren für nachhaltige Landnutzungssysteme
auf den Ebenen (Groß-)Landschaft, Kleineinzugsgebiet, landwirtschaftlicher Betrieb und Schlag zu
definieren. Bedingt durch die Tatsache, daß in die Problemlösung abiotische, biotische und
sozioökonomische Aspekte integriert werden müssen, sind Eingangsdaten auf sehr unterschiedlichen räumlichen, zeitlichen und sachlichen Ebenen erforderlich. Dies erfordert sowohl die Anwendung unterschiedlicher skalenspezifischer Lösungsansätze als auch die Anbindung der Ergebnisse
der unterschiedlichen Skalen aneinander. Zu diesem Zweck wird das von BACH & FREDE (1999)
vorgestellte Regionalisierungskonzept aufgegriffen. Die eher formale Herangehensweise entspricht
jedoch den Erfordernissen eines interdisziplinären Forschungsansatzes. Dabei wird von der
Prämisse ausgegangen, daß Daten durch die drei Attribute Bezugsobjekt (z.B. Boden, Klima,
Vegetation), Merkmal (z.B. Körnungsart, nutzbare Feldkapazität bzw. Jahressumme des Nieder11
schlages) und Skalenebene (Mikro-, Meso- und Makroskala) gekennzeichnet sind. Regionalisierung
wird dann definiert als "die Modifikation (Übertragung) von Daten, bei der aus einem oder
mehreren Ausgangsdaten ein oder mehrere Zieldaten generiert werden, wobei sich das Zieldatum
mindestens in einem der drei Attribute "Bezugsobjekt", "Merkmal" oder "Skalenebene" vom
Ausgangsdatum unterscheidet" (BACH
UND
FREDE, 1999, S.63). Vor diesem Hintergrund werden
drei elementare Regionalisierungsoperationen unterschieden - je nachdem, welches der drei
Attribute eines Datensatzes modifiziert wird:
1. Mit Translokation wird die Übertragung des gleichen Merkmals von einem Objekt einer Skalenebene auf andere Objekte der gleichen Objektklasse und gleichen Skalenebene bezeichnet.
Infolgedessen gelangt man zu einer Verdichtung von Informationen.
2. Von Transformation spricht man, wenn aus einem oder mehreren Merkmalen für Objekte einer
Skalenebene ein anderes Merkmal für identische Objekte der gleichen Skalenebene abgeleitet
wird.
3. Ein Skalenwechsel (Up- oder Downscaling) tritt ein, wenn das gleiche Merkmal von den
Objekten bzw. der Objektklasse einer Skalenebene auf das gleiche Objekt mit einer anderen
Skalierung übertragen wird.
Diese drei Regionalisierungsoperationen, die separat oder in Kombination durchgeführt werden
können, sind in Abbildung 3.2-1 graphisch dargestellt. Für die Umsetzung dieser Regionalisierungsoperation stehen methodische Ansätze bisher nur teilweise zur Verfügung. Die Entwicklung
weiterer solcher Ansätze wird eine der Hauptaufgaben der landschaftsökologischen Forschung der
nächsten Jahre bleiben. An dieser Stelle sei auf einige bereits existierende Übertragungsregeln hingewiesen.
Das grundsätzliche landschaftsökologische Problem der Übertragung von punkthaft gewonnenen
Daten auf die Fläche ist nach dem o.g. Begriffsverständnis mit dem Prozeß der Translokation zu
lösen. Dafür stehen teilweise einfache statistische Verfahren zur räumlichen Interpolation wie das
Thiessenpolygonverfahren, die Isohyethenmethode oder das ordinary bzw. trendbereinigtes Kriging
zur Verfügung. Bei Transformationen wird nach Methoden gesucht, die eine Ableitung nicht
vorhandener Informationen mittels geeigneter Indikatoren oder Transferfunktionen erlauben.
Beziehungen zwischen Modellparametern und Basisdaten werden dann mit diesen Transferfunktionen parametrisiert. Anschließend werden die Parameter anhand dieser Funktionen und der flächenbzw. raumdeckend vorliegenden Basisdaten regionalisiert. Beispiele für die erfolgreiche
Realisierung dieses Problems sind u.a. in der Geomorphologie das Sedimentanreicherungsverhältnis
(sediment delivery ratio; SDR), in der Hydrologie die Einheitsganglinie (unit hydrograph) und in der
12
Bodenkunde sogenannte Pedo-Transfer-Funktionen (TIETJE & TAPKENHINRICHS 1993). Die mit dem
Skalenwechsel verbundene Aggregierung bzw. Disaggregierung (Distribution) von Informationen
kann am Beispiel der Ableitung von Speicherkoeffizienten veranschaulicht werden, wo das gleiche
Merkmal (Grundwasserspende) von einem Objekt (Pegel) auf ein anderes Objekt höherer Skalierungsebene (Einzugsgebiet) übertragen wird (Fohrer et al. 1999). In diesem Fall handelt es sich um
Upscaling. Ein Skalenwechsel liegt aber auch dann vor, wenn Daten aus agrarstatistischen
Erhebungen beispielsweise zum Düngungsniveau auf der administrativen Ebene des Kreises auf
einzelne landwirtschaftliche Betriebe übertragen werden (Downscaling).
Dieser Regionalisierungsansatz liefert das theoretisch-methodische Konzept für die vorgesehenen
Untersuchungen, die auf die Prozeßbeschreibung für Einzugsgebiete abzielen. Das Gesamtproblem
wird dabei in verschiedene hierarchisch aufeinander abgestimmte Ebenen mit definierten Schnittstellen zerlegt, wobei durch eine Kombination von Buttom-Up- und Top-Down-Ansätzen eine
kontinuierliche Betrachtung des Gesamtraumes vom Kleinsteinzugsgebiet bis hin zum in der
Lößregion gelegenen Teil des Elbeeinzugsgebietes ermöglicht wird. Damit ist sowohl die
Skalenebenen
Datum Dijk definiert durch
Up-, Downscaling
Merkmale
Oi Objekt i
Mj Merkmal j
Sk Skalenebene k
Transformation
S2
M2
Translokation
M1
S1
O1
O2
Objekte
Abb. 3.2-1: Elementare Regionalisierungsoperationen (nach BACH & FREDE 1999)
großräumige Ausweisung von Flächen mit Stoffausträgen möglich als auch die Bereitstellung von
Informationen über die Wasser- und Stoffflüsse in kleineren Gebieten. Die entwickelte Lösung
beruht auf dem Einsatz von Modellen, die in Geoinformationssysteme integriert werden. Diese
13
können einerseits bei der Analyse von Nutzungskonflikten und andererseits bei der Ausweisung von
Vorrang-, Vorsorge- und Schutzgebieten als zusätzliches Entscheidungsmittel verwendet werden.
Am Beispiel von Klein- und Kleinsteinzugsgebieten (Parthe und deren Teileinzugsgebiete) wird die
Anwendbarkeit unterschiedlicher Modellansätze getestet (vgl. Kap. 3.3), in deren Ergebnis Indikatoren für nachhaltige Landnutzungssysteme abgeleitet werden können. Diese Indikatoren bilden die
Basis für den Übergang in die nächsthöhere Betrachtungsebene (Einzugsgebiet der
mittleren Mulde). Zur Validierung dieses Indikatorenkonzeptes wird im Gegenzug auf dieser Ebene
durch eine prozeßbezogene Typisierung von Landschaftseinheiten in Kombination mit gebietstypischen Modellbetrieben (vgl. Kap. 4.4) eine Quantifizierung von Wasser- und Stoffflüssen
bereitgestellt.
Somit werden durch den Top-Down Ansatz großräumige Wasserhaushaltsbilanzierungen
ermöglicht, auf deren Grundlage potentielle Gefährdungsflächen für laterale und vertikale Stoffausträge ausgewiesen werden, auf denen dann großräumige Nutzungsempfehlungen beruhen. Für die so
identifizierten Konfliktbereiche kommen dann vertiefende Modellansätze zur Anwendung.
Die kleinräumigen Untersuchungen konkreter Wechselwirkungen konzentrieren sich dagegen auf
die Analyse des Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserhaushaltes für landwirtschaftliche Ackerschläge in Abhängigkeit und im Rahmen von konkreten Bewirtschaftungspraktiken.
3.2.2
Datengrundlagen und Datenaufbereitung
Lysimeterdaten:
Die Lysimeterstation Brandis befindet sich südöstlich von Leipzig in der nordwestsächsischen
Altpleistozänlandschaft. Hier werden acht wägbare Lysimetergruppen, d.h. jeweils drei Lysimeter
pro Bodenform bewirtschaftet. Fünf dieser Lysimetergruppen repräsentieren typische Böden des
Parthegebietes, die ca. 52% der Böden des Gebietes beschreiben. Seit 1980 liegen Meßreihen
sowohl zur Sickerwasserbildung als auch zum N-Austrag vor. Zudem wird eine eigene
Wetterstation betrieben. Die Meßergebnisse der Station dienten als Zielgröße für den Simulationsoutput des Modells CANDY.
14
Tab. 3.2-1: Fruchtfolge und Stickstoffeintrag (nasse Deposition) am Standort Brandis (nach KEESE & KNAPPE 1995)
Jahr
Anbaufrucht
N-Düngung kg/ha
N-Immission kg/ha
1980
Silomais
140
44
1981
Zuckerrübe
160
53
1982
Winterweizen
120
28
1983
Wintergerste
120
33
1984
Weidelgras
175
42
1985
Kartoffeln
100
69
1986
Winterweizen
120
35
1987
Kartoffeln
100
37
1988
Winterweizen
140
46
1989
Wintergerste
120
46
1990
Zuckerrübe
140
44
1991
Winterweizen
140
37
1992
Wintergerste
120
29
1993
Weidelgras
26
1994
Weidelgras
32
Mittel
130
40
Ableitung der standorttypischen Immission und der Startwerte für den Gehalt des Bodens an
organischer Substanz
CANDY benötigt als Eingabeparameter eine Angabe über den mittleren jährlichen Stickstoffeintrag
aus der Luft in das System. Für die Angabe der Stickstoffimmission wurde abweichend von den in
Brandis gemessenen Raten (Tab. 3.2-1) der Wert von 50 kg N/ha*a gewählt, da Untersuchungen
von RUSSOW ET AL. (1995) eine atmogene Gesamtdeposition (nasse und gasförmige Deposition) von
46 kg N/ha*a für die Jahre 1993-1994 ergaben. Somit liegt der Gesamteintrag über den in Brandis
gemessenen nassen Depositionsraten.
Ableitung der Bodenparameter
Den Ausgangspunkt für die Beschreibung der Bodenprofile und deren bodenphysikalische Kennwerte bilden die Profilbeschreibungen der Lysimeter. Dazu existiert ein experimentell bestimmter
Parametersatz je Bodenform. Der Versickerungsparameter Lambda wurde nach GLUGLA geschätzt
(CANDY- ANWENDERDOKUMENTATION 1997). Pro Bodenform existieren 3 wägbare Lysimeter, d.h.
15
auf einen Parametersatz bodenphysikalischer Kennwerte kommen drei Meßwerte. Abb. 3.2-2 zeigt
die Schwankungsbreite dieser Meßergebnisse. Dies läßt auf Bodeninhomogenitäten (natürliche
Lagerung, Rißbildungen v.a. am Rand der Lysimeter, Tiergänge, Wurzelbahnen) schließen, die
durch eine einzelne Profilbeschreibung nur unzureichend beschrieben sind. Zusätzlich ist bei
experimentellen Untersuchungen ein Meßfehler zu unterstellen, einmal bei Bestimmung der Bodenkenngrößen, zum anderen bei der Erfassung der Meßwerte. Einer Optimierung der Bodenparameter
um maximal 20% sind demzufolge sowohl Bodeninhomogenitäten als auch mögliche Meßungenauigkeiten zuzuschreiben.
Für die Validierung muß demnach ein Parametersatz gefunden werden, der in der Lage ist, den
Mittelwert der drei Messungen möglichst genau abzubilden. Das zu erwartende künstliche Profil
kann nur ein Mittel der Eigenschaften der Böden der einzelnen Lysimeter sein, wobei das analy-
2000
1000
1800
900
1600
800
1400
700
1200
600
1000
500
800
400
600
300
400
200
200
100
11/92
12/91
01/91
02/90
03/89
04/88
05/87
06/86
07/85
08/84
09/83
10/82
11/81
12/80
0
01/80
0
Kumulativer Stickstoff-Austrag
in kg/ha
Kumulative
Grundwasserbildung in mm
sierte Profil einen wesentlichen Anhaltspunkt bietet (Tab. 3.2-2, Tab. 3.2-3).
Datum
4/6(GW)
4/7(GW)
4/8(GW)
4/6(N)
4/7(N)
4/8(N)
Abb. 3.2-2: Streuung der Meßwerte einzelner Lysimeter am Beispiel der Lysimetergruppe 4 (GW=Grundwasserbildung,
N=Stickstoffaustrag)
16
Tab. 3.2-2: Profilbeschreibungen der verwendeten Bodeneinheiten
Name
Definition des Profils
Horizontbezeichnung
Tiefe (bis
dm)
BR1
2
Bvg
BR12
4
Etg
BR13
8
Bt/rG
BR14
13
rGo
BR15
30
Ap
BR41
3
BvEt
BR42
6
Bt
BR43
12
Bt
BR44
22
Bt
BR45
24
Bt
BR46
25
C
BR47
30
Ap
BR51
3
C1
BR52
17
C2
BR53
30
Ap
BR61
3
BvEg
BR62
6
Bg1
BR63
14
Bg2
BR64
22
C
BR65
30
Ap
BR81
3
EtBv
BR82
7
fBt
BR83
15
C
BR84
30
Brandis, Lys.gr.6/7:Boden:Beucha-Zweenfurth(sö/lS)
Sandlößtieflehm-Pseudogley
BR8
BR11
Brandis, Lys.gr.5: Boden: Brandis-Beucha (sö/dB)
gekappte Decksandlöß-Braunerde
BR6/7
Ap
Brandis, Lys.gr.4: Boden: Pomßen-Acker (a/dF)
Decksandlöß-Fahlerde
BR5
CANDY
Brandis, Lys.gr.1: Boden: Naunhof-Acker (sö/lS)
Schotterunterlagerter Sandlößtieflehm-Pseudogley
BR4
MMK
Brandis, Lys.gr.8: Boden: Beucha-Brandis (Sö/dB)
Decksandlöß-Braunerde
17
Tab. 3.2-3: Bodenphysikalische Parameter der Horizonte (optimiert)
NAME PV
TRD TSD
FKAP PWP LAMBDA FAT CT
KRUME NIN0 K_NIN
BR11
47,08 1,45
2,74
38,0
9,2
0,433 16,0
2,36
1
10,0
3,0
BR12
41,92 1,51
2,60
33,0
8,0
0,433 16,0
0,86
0
4,0
1,0
BR13
36,19 1,71
2,68
30,0 15,0
0,300 20,8
0,29
0
4,0
1,0
BR14
32,96 1,79
2,67
29,0 12,0
0,400 20,0
0,10
0
4,0
1,0
BR15
29,86 1,55
2,21
4,1
1,0
1,519
1,4
0,05
0
4,0
1,0
BR41
49,61 1,30
2,58
32,2
6,2
0,360 15,5
1,32
1
10,0
3,0
BR42
41,04 1,58
2,68
26,0
6,0
0,350 16,9
0,29
0
4,0
1,0
BR43
34,88 1,68
2,58
18,0
8,0
0,475 12,4
0,04
0
4,0
1,0
BR44
46,04 1,43
2,65
12,0
1,5
1,045
3,7
0,01
0
4,0
1,0
BR45
38,95 1,63
2,67
21,0
8,0
0,401 13,1
0,02
0
4,0
1,0
BR46
43,87 1,51
2,69
31,0
5,0
0,520 10,5
0,02
0
4,0
1,0
BR47
45,88 1,51
2,79
10,0
1,0
1,280
3,7
0,00
0
4,0
1,0
BR51
40,00 1,56
2,60
21,0
7,0
0,410 15,3
1,17
1
10,0
4,0
BR52
35,00 1,69
2,60
14,0
2,0
0,980
5,6
0,00
0
4,0
1,0
BR53
40,08 1,57
2,62
18,0
4,0
1,310
6,2
0,00
0
4,0
1,0
BR61
34,88 1,68
2,58
20,0
9,0
0,299 14,0
1,26
1
10,0
3,0
BR62
40,38 1,58
2,65
31,0
8,1
0,325 16,0
0,50
0
4,0
1,0
BR63
29,62 1,83
2,60
26,0 17,2
0,168 20,2
0,10
0
4,0
1,0
BR64
30,74 1,87
2,70
28,0 20,0
0,204 20,3
0,00
0
4,0
1,0
BR65
35,38 1,68
2,60
11,0
1,5
1,580
2,0
0,00
0
4,0
1,0
BR81
33,20 1,69
2,53
24,5
5,5
0,527 11,5
0,90
1
10,0
3,0
BR82
48,28 1,54
2,55
32,9
6,8
0,427 13,8
0,28
0
10,0
3,0
BR83
38,25 1,50
2,69
17,9
5,9
0,416 13,4
0,00
0
4,0
1,0
BR84
42,08 1,50
2,59
11,0
1,5
0,787
0,00
0
4,0
1,0
3,4
Erläuterung:
PV = Porenvolumen Vol%
FKAP = Feldkapazität Vol%
TRD = Lagerungsdichte g/cm³
TSD = Reindichte g/cm³
PWP = Permananter Welkepunkt Vol%
K_NIN = Nmin-Anstieg je dm
FAT = Feinanteilgehalt = Feinschluff + Ton M%
Ct = Corg.
Nin0 = normaler Nmin-Gehalt je 10 cm Boden
18
Bildung des Vergleichsmeßwertes
Die Ausgangsbasis für die Validierung des Modells bilden die Einzelergebnisse der Lysimeter, d.h.
für jede Bodenform liegen drei Meßreihen vor, um der Streuung der Bodeneigenschaften zu entsprechen. Aus den Einzelergebnissen wurde jeweils der Mittelwert gebildet1 sowie der
Maßnahmenkatalog entsprechend geändert (Mittelung der Erträge, Stickstoffentzüge und
Düngungsmaßnahmen), da nicht jedes einzelne Lysimeter, sondern die Bodenform als solche nachgebildet werden sollte.
Sensitivitätsanalyse
Nach einer ersten Simulation stellte sich heraus, daß eine Optimierung der Bodenparameter erforderlich ist, um die Simulationsergebnisse an die Meßwerte anzupassen. Dabei zeigte sich der unterschiedliche Einfluß einzelner Parameter auf das Simulationsergebnis (Tab. 3.2-4).
Tab. 3.2-4: Sensitivität einzelner Parameter hinsichtlich des Merkmals „Grundwasserbildung“
PARAMETERNAME
STEP
IVAL
R_VAL
H_VAL
L_VAL
S_IX
FKAP 1. Schicht
0,510
25,500
1898,704
1889,23
1915,21
-0,342
FKAP 2. Schicht
0,658
32,900
1898,704
1897,32
1902,18
-0,064
FKAP 3. Schicht
0,358
17,900
1898,704
1898,11
1900,46
-0,031
FKAP 4. Schicht
0,220
11,000
1898,704
1898,49
1898,90
-0,005
PWP 1. Schicht
0,110
5,500
1898,704
1901,40
1896,34
0,067
PWP 2. Schicht
0,136
6,800
1898,704
1898,82
1898,57
0,003
PWP 3. Schicht
0,118
5,900
1898,704
1898,75
1898,63
0,002
FAT 1. Schicht
0,230
11,500
1898,704
1898,69
1898,69
0,000
FAT 2.Schicht
0,276
13,800
1898,704
1898,69
1898,69
0,000
FAT 3. Schicht
0,268
13,400
1898,704
1898,69
1898,69
0,000
FAT 4. Schicht
0,068
3,400
1898,704
1898,69
1898,69
0,000
LAMBDA 1. Schicht
0,011
0,527
1898,704
1899,67
1897,90
0,022
LAMBDA 2. Schicht
0,009
0,427
1898,704
1898,79
1898,59
0,002
LAMBDA 3. Schicht
0,008
0,416
1898,704
1898,73
1898,65
0,001
LAMBDA 4. Schicht
0,016
0,787
1898,704
1898,66
1898,72
-0,001
TRD 1. Schicht
0,034
1,690
1898,704
1903,93
1899,84
0,054
TSD 1. Schicht
0,051
2,530
1898,704
1899,94
1903,85
-0,051
Erläuterung: Step=Schrittweite der ersten Variation, R_Val=Funktionswert des Referenzlaufes, H_Val, L_Val=Werte der Simulation bei
Erhöhung/Erniedrigung des Parameters, S_IX=Sensitivitätsindex nach LAROCQUE/BANTON (1994)
1
außer Lysimetergruppe 7, Lysimeter 7/6 entfällt (zu große Streuung)
19
Im Gegensatz zur Natur hängt dabei das Verhalten nur von denjenigen Parametern ab, die den
Prozeß im Modell beschreiben.
Je höher S_IX, desto sensibler reagiert der Parameter bei Änderung. D.h., das Simulationsergebnis
ändert sich entsprechend. Das Vorzeichen gibt an, in welche Änderungsrichtung der Parameter am
stärksten reagiert. Aus Tab. 3.2-4 wird zudem deutlich, daß im Modell der Feinanteilgehalt (FAT)
keinen Einfluß auf die Grundwasserbildung ausübt, jedoch die Feldkapazität (FKAP) sehr sensibel
reagiert (siehe auch Abb. 3.2-4 im Vergleich mit Abb. 3.2-3 hinsichtlich des Auftretens von
Inhomogenitäten im Boden). Der Stickstoff-Austrag ist im Modell eng an den Wassertransport
geknüpft. Hinsichtlich des Merkmals „N-Austrag“ bedingt eine Änderung des Feinanteils jedoch
eine Änderung des Simulationsergebnisses.
Der Stickstoff-Austrag wird zum anderen sehr stark von den Startwerten beeinflußt, so vom Gehalt
an reproduktionswirksamen Kohlenstoff, der aus den Angaben der vorangegangenen Bewirtschaftung abgeleitet werden muß. Wenn diese nicht bekannt ist, muß die Ableitung aus dem
gegenwärtigen Management erfolgen. Zum anderen wird der Stickstoff-Austrag mit dem Sickerwasser vom Stickstoff-Immissionswert (s.o.) als jährlichem Input beeinflußt. Insgesamt ist eine
abnehmende Beeinflussung des Ergebnisses durch Parameter unterer Schichten festzustellen.
2000
GW-Bildung in mm
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
31.12.91
31.12.90
31.12.89
31.12.88
31.12.87
31.12.86
31.12.85
31.12.84
31.12.83
31.12.82
31.12.81
31.12.80
31.12.79
0
Meßwert
Bodenkennwerte Labor
optimierter Datensatz mit Änderung der Feldkapazität um 10%
Abb. 3.2-3: Auswirkung von Bodenparameteränderungen auf das Simulationsergebnis für Grundwasserbildung (GW)
(Lysimeter 8)
20
400
N-Austrag in kg/ha
350
300
250
200
150
100
50
31.12.91
31.12.90
31.12.89
31.12.88
31.12.87
31.12.86
31.12.85
31.12.84
31.12.83
31.12.82
31.12.81
31.12.80
31.12.79
0
Meßwert
Crep 9,0 dt/ha (=reproduktionswirksamer Kohlenstoff)
Optimalwert Crep 7,0 dt/ha
Abb. 3.2-4: Einfluß unterschiedlicher Gehalte an reproduktionswirksamen Kohlenstoff im Boden auf den StickstoffAustrag (Lys. 8)
Lößregion:
Für Modellrechnungen in der Lößregion wurden Daten für verschiedene Skalenebenen erschlossen
(Tabelle 3.2-5), die sich bezüglich ihrer Herkunft und Qualität, des Erfassungsaufwandes und der
Repräsentanz unterscheiden.
Höchste Genauigkeitsanforderungen erfüllen punktuelle Messungen. Für die ausgewählten
Parzellenversuche und Testflächen auf Praxisschlägen (mit 1 – 100 m2 Größe) liegen mehrjährige
(bis zu 30jährige) Meßreihen in hoher zeitlicher Auflösung vor, jedoch nur für eine begrenzte Zahl
von Bewirtschaftungsvarianten und Standortbedingungen, so daß die Übertragbarkeit auf größere
Gebiete eingeschränkt ist.
Auf Schlagebene (0,01 – 1 km2) werden Meßdaten zumeist als integrale Werte erfaßt, die Variabilität der Bodenparameter kommt hierin nicht zum Ausdruck. Kleinräumige Standortdifferenzierungen können auf dieser Skalenebene aber bereits beachtlich sein. Schlagbezogene Angaben zur Verfahrensgestaltung sind Ackerschlagkarteien zu entnehmen.
Für größere Flächeneinheiten (Referenzbetriebe, Teileinzugsgebiete und Lößregion) ist es nur noch
möglich, aus flächendeckend vorhandenen Standortinformationen – z.B. der Reichsbodenschätzung,
Parameter abzuleiten. Als Bewirtschaftungsdaten werden zunächst statistische Daten herangezogen.
In der weiteren Projektbearbeitung wird, ausgehend von standort- und bewirtschaftungstypischen
Modellbetrieben, eine Hochrechnung auf die Lößregion angestrebt.
21
Tab. 3.2-5: Datengrundlage für Modellrechnungen in der Lößregion auf einzelnen Skalenebenen, Modell REPRO in
Kopplung mit den Modellen CANDY und ASGi (Auswahl, stark aggregiert)
Kennzahl
Parzelle
Schlag
Betrieb
Teilgebiet
Lößregion
historisch
Fläche
aktuell
1- 100 m²
0,01 - 1 km² 0,5 - 70 km² > 350 km²
> 10 000 km² > 10 000 km²
Horizontabfolge
M
M+A
A
A
A
A
Horizontmächtigkeit
M
M+A
A
A
A
A
Textur, Porenvolumen
M
M+A
A
A
A
A
Wasserspeicherung
M
M+A
A
A
A
A
Nmin-Gehalt, P-Gehalt
M
M
Corg-Gehalt, Chwl-Gehalt
M
M
M+S
M+S
S
S
E
E+S
S
S
E
E+S
S
S
1 Bodenparameter
1.1 Profildaten
Parameter je Horizont
1.2 Bodenchemie
2 Witterungsdaten (Tageswerte)
Globalstrahlung, NiederSchlag, Lufttemperatur
M
M+S
3 Bewirtschaftungsdaten
3.1. Strukturdaten
Acker-/Nutzflächenverhältnis
Fruchtfolge
E
E
Tierbestände
E+S
3.2. Intensitätsdaten
Mineraldüngung
E
E
E
E+S
S
S
Organische Düngung
M+E
E
E
E+S
S
S
E
E+S
S
S
E
E+S
S
E+S
E
E+S
S
E+S
Fütterungsintensität
3.3. Verfahrensablauf
Arbeitsgänge, Termine
E
E+A
M
E
3.4. Produktionsleistungen
Erträge und Qualität
Tierische Leistungen
M – Meßwert, E - Erhebungsdaten aus Versuchsprotokollen und betrieblicher Datenerfassung
S - statistische Daten aus Betriebsanalysen und Ämtern für Landwirtschaft
A - Abgeleitete Daten auf Grundlage von Kartenmaterial bzw. Betriebsdaten
22
Parzellen in Dauerversuchen und auf Praxisschlägen
Zur Modellvalidierung werden Dauerversuche am Standort Seehausen bei Leipzig (Sandlöß), Teilschläge des Wassergutes Canitz (Sandlöß, Auenlehm) im Gebiet der Mittleren Mulde und des
Ökohofes Seeben (Schwarzerde) nördlich von Halle genutzt. Für diese Standorte liegen Wetterdaten
in Tageswerten sowie detaillierte Bodenprofil-Daten vor. Eine Übersicht der klimatischen Bedingungen sowie des Spektrums untersuchter Bodentypen gibt Tabelle 3.2-6.
Die Bewirtschaftungsmaßnahmen sind in Versuchsprotokollen langjährig dokumentiert.
Tab. 3.2-6: Charakterisierung ausgewählter Untersuchungsstandorte im Lößgebiet
Standort
Seeben (bei Halle/Saale)
Seehausen (bei Leipzig)
Canitz (bei Wurzen)
9,1 °C
8,6 °C (Schkeuditz)
8,9 °C (Brandis)
475 mm
529 mm (Schkeuditz)
578 mm (Brandis)
Schwarzerde, Parabraunerde
Parabraunerde-Pseudogley
Pseudogley-Parabraunerde
Löß über Geschiebemergel
Sandlöß ü. Geschiebemergel
Sandlöß
Lufttemperatur
Niederschlag
Bodentyp
Substrat
Bodentyp II
Substrat II
Braunerde-Tschernosem
Brauner Auenvega
Kolluviallöß über Formsand
Auenlehm
Je nach Versuchsfrage wurden auf den einzelnen Standorten umfangreiche Messungen zum Humusund Stickstoffhaushalt durchgeführt (Tabelle 3.2-7).
Tab. 3.2-7: Meßreihen und Bewirtschaftungsdokumentation für die Standorte Seeben, Seehausen und Canitz
Seeben
Seehausen2
Canitz
1994 – 1999
1967 - 1999
1995 - 1999
96
64
24
Bodenparameter, Ap
Corg, Norg (2x jährlich)
Corg, Norg (jährlich)
Corg, Norg (jährlich)
Bodenparameter, Ap
Cmik (2x jährlich)
Cmik (jährlich seit 1995)
-
Bodenparameter, Ap
PDL, KDL (2x jährlich)
PDL, KDL (je Fruchtfolge)
PDL, KDL (jährlich)
Schicht 0 - 90 cm
Nmin (monatlich)
Nmin (jährlich seit 1995)
Nmin (monatlich)
Schicht 0 – 7,50 m
NH4, NO3, DOC (2x)
NH4, NO3, DOC (2x)
NH4, NO3, DOC (2x)
Pflanzenparameter
FM- und TM-Ertrag
FM- und TM-Ertrag
FM- und TM-Ertrag
Pflanzenparameter
NPK-Gehalte (jährlich)
NPK-Gehalte (jährlich)
NPK-Gehalte (jährlich)
Ackerschlagkartei mit
ausgewählten
Arbeitsgängen und
Terminen
Versuchsprotokolle mit
allen Arbeitsgängen und
Terminen seit 1967
Ackerschlagkartei mit
ausgewählten
Arbeitsgängen und
Terminen
Untersuchungszeitraum
Anzahl Parzellen
Parameter zur
Verfahrensgestaltung
2
Bezogen auf den bisher bearbeiteten Düngungs-Kombinationsversuch F1-70
23
Datengrundlage auf Schlag- und Betriebsebene
In 13 Referenzbetrieben wurden mit dem Modell REPRO für über 1000 Teilschläge mehrjährige
Bewirtschaftungsdaten erfaßt. Die Auswahl der Referenzbetriebe konzentrierte sich gemäß dem
genesteten Ansatz des Projektes auf das Einzugsgebiet der Parthe und Mulde, aber auch auf die von
den Standortbedingungen stark abweichenden Gebiete der Querfurter Platte, der Oberlausitzer Lößregion und der Magdeburger Börde3. Über die Digitalisierung der Teilschlaggrenzen erfolgt für die
Referenzbetriebe eine eindeutige räumliche Zuordnung, die eine Verschneidung von Standortdaten
(Boden, Relief) mit der landwirtschaftlichen Flächennutzung erlaubt. Zusätzlich wurden Ackerschlagkarteien aus 32 Betrieben, die am Programm „Umweltverträgliche Landwirtschaft“ (UL) teilnehmen, mit REPRO ausgewertet. Für die Referenzbetriebe stehen Daten für den Zeitraum 1995 –
1997 mit einer bewirtschafteten Fläche von annähernd 264 km² und für die UL-Betriebe für 1 bis 2
Jahre zwischen 1995 und 1997 mit einer Fläche von annähernd 185 km² zur Verfügung.
Datengrundlage auf Ebene von Teilgebieten und der gesamten Lößregion
Die Lößregion im Elbe-Einzugsgebiet setzt sich aus Teilgebieten zusammen, die sich durch Standortunterschiede und demzufolge auch in der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung voneinander
unterscheiden. Für die Projektbearbeitung ergibt sich die Notwendigkeit, die Auswirkungen der
naturräumlichen Gliederung auf die Agrarstruktur, die historische und aktuelle Bewirtschaftung zu
berücksichtigen sowie bei der Erstellung von Szenarien einzubeziehen.
Für den historischen Zeitraum (1982-1989) stehen flächendeckend für das gesamte Lößgebiet
betriebsbezogene Daten (mittlere Betriebsgröße 4720 ha LF) zur Verfügung, die jährlich nach
exakten Erfassungsvorschriften erhoben wurden. Die Bewirtschaftungsdaten umfassen Primärdaten
wie Anbauflächen und Erträge, Tierbestände und –leistungen, fruchtartenbezogene organische und
mineralische N-Düngung sowie abgeleitete Sekundärdaten wie N-Entzüge und N-Salden bzw.
Humusversorgung der Ackerschläge. Die Informationen sind in einer PARADOX-Datenbank
abgelegt und können auch räumlich zugeordnet werden, da eine Karte der Betriebsgrenzen im Arc
view-Format erstellt wurde.
Ein vergleichbares Datenmaterial ist für die aktuelle Bewirtschaftung flächendeckend nicht zu
erbringen. Es wurden verschiedene Datenquellen erschlossen (Tabelle 3.2-8); je nach Erfassungsmodus sind die Daten unterschiedlich belastbar. Verhältnismäßig genau werden auf Gemeindeebene
Anbaustrukturen
und
Tierbestände
erfaßt
–
hier
liegen
Anträge
der
Landwirte
auf
Ausgleichszahlungen zugrunde. Angaben zu Erträgen und Leistungen basieren auf Erhebungen in
24
Testbetrieben und sind nur auf Kreisebene auswertbar. Größte Unsicherheiten bestehen hinsichtlich
des Düngungsniveaus. Hierzu existieren keine verläßlichen Daten, so daß im Projekt bei Vorliegen
einer ausreichenden Zahl von Untersuchungsbetrieben eine standort- und bewirtschaftungsdifferenzierte Hochrechnung auf das Lößgebiet erfolgen soll.
Tab. 3.2-8: Datengrundlage zur Charakterisierung der Landwirtschaft in der Lößregion
Daten
Quelle
Anbauverhältnis und Tierbestände Sächsisches Staatsministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Forsten;
(Daten auf Gemeindeebene)
Ministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Sachsen-Anhalt
Erträge und tierische Leistung
Staatliche Ämter für Landwirtschaft (Daten auf Kreisebene),
(Kreisebene, flächendeckend;
Referenzbetriebe, Programm Umweltverträgliche Landwirtschaft,
Betriebsebene, n > 50)
Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft
Düngung
Referenzbetriebe, Programm Umweltverträgliche Landwirtschaft,
Betriebsebene, n > 50)
Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft
3.2.3
Bilanzierungsmodell REPRO
Zur Modellierung des Stoffhaushaltes im Lößgebiet, vor allem zur Beschreibung des standort- und
nutzungsabhängigen Nitrataustrags(-potentials) unter landwirtschaftlichen Flächen wird das Modell
REPRO in Kopplung mit dem Modell CANDY eingesetzt. Die unter REPRO verwalteten Standortund Bewirtschaftungsdaten des Lößgebietes stehen allen Projektpartnern zur Verfügung, derzeit
wird der Datentransfer zum Modell ASGi vorbereitet.
REPRO ist für die Bilanzierung von Stoff- und Energieflüssen auf der Ebene von Landwirtschaftsbetrieben konzipiert (HÜLSBERGEN & DIEPENBROCK, 1997). In den letzten Jahren vorgenommene
inhaltliche Erweiterungen und Modellkopplungen4 hatten die komplexe Bewertung landwirtschaftlicher Betriebssysteme und ihrer Umweltwirkungen zum Ziel.
Mit dem Modell werden schlag-/teilschlag-, fruchtfolge- und betriebsbezogene Analysen an Standorten, die auf das gesamte Lößgebiet verteilt sind, durchgeführt. Die Szenariorechnungen werden
ebenfalls in Kopplung der Modelle REPRO – CANDY erfolgen.
3
4
Es konnten Daten aus anderen laufenden Forschungsprojekten einbezogen werden, so daß der Datenerfassungs- und
Berechnungsaufwand vermindert und eine größere Untersuchungsfläche realisiert wurde.
Das Modell REPRO wird im Institut für Acker- und Pflanzenbau der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg,
gefördert durch das Ministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten des Landes Sachsen-Anhalt, zu einer
praxisanwendbaren Software weiterentwickelt. REPRO läuft unter dem Betriebssystem WINDOWS 98. Die
Modellentwicklung erfolgt mit DELPHI 4-Professional von BORLAND, die Daten des Programmes werden im Format
des relationalen Datenbanksystems PARADOX abgelegt.
25
Für die Übertragung auf größere Regionen - Teileinzugsgebiete und die gesamte Lößregion - sind
GIS-gestütze Untersuchungen erforderlich. Es ist vorgesehen, flächendeckend verfügbare agarstatistische und standortbezogene Daten mit Informationen der REPRO-Anwendung zu verschneiden (Kapitel 5.1). Dieser methodische Ansatz sieht die Konstruktion standort- und bewirtschaftungstypischer Modellbetriebe und deren Übertragung auf die Lößregion vor.
Struktur und Inhalt des Modells
An dieser Stelle kann nur ein Überblick zur grundlegenden Modellstruktur und zu einzelnen
Komponenten, die für die Modellierung im Verbundprojekt „Elbe-Ökologie, Lößgebiet“ bedeutsam
sind, gegeben werden5.
Aufgrund der komplexen Struktur und des modularen Aufbaus (Abbildung 3.2.5) ist das Modell
vielseitig einsetzbar und über Schnittstellen zu anderen Modellen erweiterbar.
Bei der Entwicklung des Modells REPRO wurden folgende methodische Grundlagen der Stoff- und
Energiebilanzierung einbezogen: die Humusbilanzmethode nach LEITHOLD et al. (1997), die
Energiebilanzierung nach KALK et al. (1995), KALK & HÜLSBERGEN (1996 u. 1997), die Nährstoffbilanzierung nach BIERMANN (1995), KALK et al. (1995), die Bilanzierung betrieblicher Trockenmasseflüsse und Stickstoffkreisläufe in Anlehnung an SIEGERT (1982) und HÜLSBERGEN (1990).
Das REPRO-Konzept (HÜLSBERGEN & DIEPENBROCK, 1997, DUBSKY et al., 1997) läßt sich gegenüber anderen Umweltindikatoren- und Bewertungsansätzen abgrenzen durch
-
den Systemansatz: Der Betrieb wird als vernetztes System mit innerbetrieblichen Stoff- und
Energieflüssen beschrieben. Stoff- und Energieflüsse und die sie steuernden Größen (Betriebsstruktur, Betriebsmitteleinsatz, Verfahrensgestaltung) werden als dominierend bei der Beurteilung von Umweltwirkungen der Landwirtschaft angesehen.
-
die Bezugsebene: Es erfolgt eine disaggregierte Analyse von Produktionsverfahren mit schlag/teilschlag- bzw. fruchtarten-/produktbezogener Auflösung6.
5
Eine ausführliche Modellbeschreibung geben DIEPENBROCK, HÜLSBERGEN & ROST (1999).
6
Landwirtschaftsbetriebe können stark vereinfacht als „Black Box“ betrachtet werden, mit Inputs und Outputs als Zuund Abflußgrößen. Deutlicher wird die starke Vernetzung der Betriebe mit ihrer Umwelt bei präziser disaggregierter
Analyse von Produktionsprozessen, die durch die Vielzahl der verschiedenartigsten zu- und abfließenden Stoff- und
Energieströme entsteht (DOLUSCHITZ 1997).
26
Modul Bewirtschaftungssystem
Datenspeicher
Pflanzenbau
Betriebsmittel
Schlagverwaltung
Standard-Verfahren
Erträge und Verwendung
Bilanzkoeffizienten
Betriebsmitteleinsatz
Indikatoren, Zielwerte
Anbauverfahren
Ökonomische Kennzahlen
Tierhaltung
Tierbestände und -leistungen
Futterbedarf
Datenspeicher
Exkrementanfall
Bodendaten
Produktionsverfahren
Klima-/ Witterungsdaten
Geo-Informationssystem
Modul Stoff- und Energieflüsse
TM-Flüsse und -Bilanz
C-/N-Bodenprozeßmodell
C-, N-, P-, K-Flüsse u. -Bilanz
Humusbilanz
Erosionsmodell
Futterbilanz
Energie-Flüsse und -Bilanz
Modul Ökologische Bewertung
mit Pressure Indikatoren
mit State Indikatoren
Modul Ökonomische Bewertung
DB- und Vollkostenrechnung
LP-Modell
Umweltkosten und -leistungen
Abb. 3.2-5: Modularer Aufbau des PC-Programms REPRO
27
Im Modul “Bewirtschaftungssystem” erfolgt die Definition der Betriebsstruktur, die Abbildung der
Produktionsverfahren sowie die Darstellung der Produktströme. Die Eingangsdaten sind betrieblich
zu ermitteln oder aus vorhandener Agrarsoftware (z.B. der Ackerschlagkartei) zu übernehmen. Dem
Anwender werden umfangreiche Datenspeicher mit Bilanzkoeffizienten, Indikatoren und Zielwerten
zur Verfügung gestellt. Zur Zeit wird für das Lößgebiet Sachsen-Anhalts ein Datenspeicher mit
Klima-, Witterungs- und Bodendaten aufgebaut, der die Standortkennzeichnung unterstützen soll.
Im Modul „ökologische Bewertung” kommen Pressure-/State-Indikatoren7 (vgl. OECD, 1998) mit
standort-/ bewirtschaftungsspezifischen Zielwerten zur Anwendung. Zur “ökonomischen Bewertung“ wird in Zusammenarbeit mit dem Institut für Agrarökonomie und Agrarraumgestaltung an der
Universität
Halle die Deckungsbeitragsrechnung, später eine Vollkostenrechnung realisiert. In
einem speziellen Modul sollen Umweltkosten und -leistungen ermittelt werden; hierzu sind noch
umfangreiche Forschungsarbeiten notwendig.
Anwendungsbeispiel
Das Modell erlaubt ökologisch-ökonomische Gesamtbewertungen von Betriebssystemen. Die
Ergebnisse sind als Netzdiagramme darstellbar. In Abbildung 3.2-6 werden beispielhaft zwei
Betriebe aus dem Schwarzerdegebiet Sachsen-Anhalts bewertet (Quelle: DIEPENBROCK,
HÜLSBERGEN & ROST, 1999). Das Verfahren ist prinzipiell auch im Projekt „Elbe-Ökologie“
anwendbar, speziell bei der Beurteilung von Szenarien und Bewirtschaftungsalternativen.
In die Diagramme sind die sechs Bereiche Betriebsstruktur, Ertragsleistungen, Bewirtschaftungsintensität, Bodenfruchtbarkeit, Umwelt und Ökonomie mit insgesamt 18 Kriterien einbezogen, so
daß Aussagen zur Nachhaltigkeit von Betriebssystemen möglich werden. Da die Diagramm-Achsen
7
Seit Anfang der 90er Jahre wird an der Entwicklung und Harmonisierung von Umweltindikatoren auf internationaler
Ebene gearbeitet. Von der OECD wurde das sogenannte „Pressure - State - Response – Modell“ entwickelt, das
mittlerweile in internationalen Gremien eine hohe Akzeptanz gefunden hat (MÜNCHHAUSEN, V. & NIEBERG 1997).
Hierbei werden drei Bereiche unterschieden:
„Pressure-Indikatoren“ beschreiben den potentiellen Druck auf die Umwelt. Es handelt sich um indirekte
Indikatoren, d.h. umweltrelevante Aktivitäten im Landwirtschaftsbereich werden bewertet.
„State-Indikatoren“ (Zustandsindikatoren) messen die Umweltwirkungen. Sie werden auch als direkte Indikatoren
bezeichnet.
Die mit Indikatoren gewonnenen Informationen können zu einer Reaktion („Response“) der Gesellschaft führen, zur
Veränderung von Rahmenbedingungen, der Förderpolitik oder Gesetzgebung.
28
einheitlich skaliert sind, war es notwendig, Bezugswerte zu definieren. Die betrieblichen Werte
können relativ zum Bezugswert (dimensionslos) im Wertebereich von 0 bis 200 dargestellt werden8.
Im ausgewählten Betrieb I_ (Integrierter Landbau) wurde eine überhöhte Nitratkonzentration
berechnet - dies korrespondiert auch mit dem ermittelten N-Saldo. Vergleichbare Ergebnisse
wurden in einer Reihe von Betrieben im Schwarzerdegebiet gefunden. Bei der Interpretation sind
die standortbedingt geringen Sickerwassermengen und die Jahreseinflüsse zu beachten. Der Betrieb
des ökologischen Landbaus (ÖL_) zeichnet sich durch ein geringes Risiko des Nitrataustrags aus.
Neben den systembedingten Differenzen (wie z.B. fehlender PSM- und Mineral-N-Einsatz in den
ÖL-Betrieben oder höheres Ertrags- und Energiebindungsvermögen in den I-Betrieben) zeigen sich
in den bisherigen Untersuchungen erstaunliche „betriebsindividuelle“, z.T. auch subjektiv geprägte
Unterschiede. Hierin kommt einerseits der Einfluß standörtlicher Gegebenheiten, andererseits aber
auch der Gestaltungsspielraum der Landwirtschaft zum Ausdruck. Man kann hieraus aber auch
ableiten, daß eine Landbauform (zum Beispiel der ökologische Landbau) hinsichtlich der
Umweltverträglichkeit nicht von vornherein einer anderen überlegen sein muß, es kommt vielmehr
auf die konkrete Ausgestaltung an.
8
Die bisherigen Bezugswerte sind nicht als Richtwerte zu interpretieren, sondern sie stellen hinsichtlich der Erträge,
der Intensität und der ökonomischen Leistungen lediglich mittlere Verhältnisse dar. Die Kriterienauswahl orientiert
sich in erster Linie an der derzeitigen Methoden- und Datenverfügbarkeit. Im weiteren Bearbeitungsablauf sind die
Kriterien zu komplettieren.
Ferner ist zu beachten, daß hohe oder niedrige Werte ganz unterschiedlich zu interpretieren sind (hohe
Energiebindung, Erträge, Deckungsbeiträge, Humusversorgung... positiv; hohe N-Salden, Nitratkonzentration,
Energieintensität... negativ).
29
Ertrag
TM-Ertrag
Energie-Bindung
200
N-Entzug
175
Schlaggröße
Mineral-N-Einsatz
150
125
Struktur
Getreidekonzentration
PSM-Einsatz
100
Intensität
75
50
Fruchtartendiversität
Energie-Einsatz
25
0
Arbeitskraftbesatz
Humusversorgung
Deckungsbeitrag II
Ökonomie
Boden
Deckungsbeitrag I
Energieintensität
N-Saldo
Nitratkonzentration
Umwelt
Bezugsbasis
Betrieb I_ 96/97
Ertrag
TM-Ertrag
Energie-Bindung
200
N-Entzug
175
Schlaggröße
Mineral-N-Einsatz
150
125
Struktur
Getreidekonzentration
PSM-Einsatz
100
Intensität
75
50
Fruchtartendiversität
Energie-Einsatz
25
0
Arbeitskraftbesatz
Humusversorgung
Deckungsbeitrag II
Ökonomie
Erosion
Deckungsbeitrag I
Bodenstruktur
Energieintensität
Boden
N-Saldo
Nitratkonzentration
Umwelt
Bezugsbasis
Betrieb ÖL_ 96/97
Abb. 3.2.-6: Komplexe Bewertung landwirtschaftlicher Betriebssysteme, Beispielsbetriebe im Schwarzerdegebiet (oben:
Betrieb I_ = integrierter Landbau, unten: Betrieb ÖL_ = ökologischer Landbau)
30
Anlage zu Abb. 3.2-6: Bezugswerte für die Netzdiagramme zur Beurteilung der Nachhaltigkeit von
Bewirtschaftungssystemen
Bewertungsbereich Kriterium
Maßeinheit Bezugswert
Bemerkungen
(= rel. 100)*
Struktur
Ertrag
% der AF
50
Getreideanteil (% der AF)
Schlaggröße
ha
15
Schlaggröße (im Mittel der AF)
60
Trockenmasse-Ertrag (je ha AF)
Umwelt
Ökonomie/Soziales
-1
-1
TM-Ertrag
dt ha a
Energie-Bindung
GJ ha a
N-Entzug
kg ha a
PSM-Einsatz
Bodenfruchtbarkeit
Diversitätsindex (Hauptfrüchte der AF)
Index
Getreidekonzentration
Mineral-N-Einsatz
Intensität
2
Fruchtartendiversität
-1
-1
125
Energiebindung im Ertrag (je ha AF)
-1
-1
120
N-Entzug in den Ernteprodukten (je ha AF)
-1
-1
100
Mineraldünger-N-Einsatz (je ha AF)
250
Aufwand PSM + Applikation (je ha AF)
kg ha a
-1
DM ha a
-1
-1
-1
15
Einsatz fossiler Energie (je ha AF)
Energie-Einsatz
GJ ha a
Humusversorgung
%
100
Relative Humusbedarfsdeckung (je ha AF)
Wasser-Erosion
%
100
Abtrag, relativ zu Toleranzwert
Bodenstruktur
Boniturnote
-1
N-Saldo
kg ha a
Nitratkonzentration
mg l
Energieintensität
MJ GE
3
-1
-1
-1
50
Flächenbezogener N-Saldo (je ha AF)
50
Nitrat im Sickerwasser (Mittel der Teilschläge)
200
Energieeinsatz je Produkteinheit (je ha AF)
DB ohne Ausgleichszahlung (Mittel der FA)
-1
-1
750
-1
-1
1250
Deckungsbeitrag I
DM ha a
Deckungsbeitrag II
DM ha a
Arbeitskraftbesatz
AK 100 ha
-1
Boniturnote der Spatendiagnose
1,5
DB mit Ausgleichszahlung (Mittel der FA)
Arbeitskraftbesatz (je ha LF)
* Im Netzdiagramm werden Relativwerte bis maximal 200 angezeigt. Höhere Werte werden gleich 200 gesetzt,
um einen einheitlichen Skalenbereich und die Vergleichbarkeit der Diagramme zu gewährleisten.
3.2.4
Bodenprozeßmodell CANDY
Das Simulationsmodell CANDY (Carbon and Nitrogen Dynamics) (FRANKO) wurde mehrfach im
Hinblick
auf
Modellstrukturen
und
Anwendungsergebnisse
beschrieben
FRANKO
und
OELSCHLÄEL 1993, 1995, FRANKO ET. AL 1997). Es ist ein eindimensionales Modell, das die
Prozesse des C- und N-Umsatzes, die Bodentemperatur und Bodenwassergehalt bis in drei Meter
Tiefe beschreibt. Antrieb des Modells sind Wetterdaten, die als Tageswerte für Lufttemperatur,
Niederschlag und Globalstrahlung vorliegen müssen. Desweiteren benötigt das Modell Eingangsdaten zu Bewirtschaftung (Düngung, Beregnung, Bodenbearbeitung, Aufgang, Ernte), Meßwerte
und Startwerte (Festdaten) für die Simulation.
In CANDY wird die Bodenwasserbewegung nach GLUGLA (1969) modelliert. Die Berechnung
funktioniert nach dem Prinzip eines Mehrschichtenmodells. Die Berechnung der Verdunstung
erfolgt nach KOITSCH UND GÜNTHER (1990), s.a. BOHNE UND KOITSCH (1986).
Der N-Austrag wird beschrieben durch Auswaschung mit dem Sickerwasser abhängig von der
Niederschlagsmenge und Feuchtedynamik im Boden und den gasförmigen Verlusten. Die NAufnahme der Pflanzen wird durch eine S-förmige Kurve abgebildet, die den mittleren N-Anspruch
31
des Pflanzenbestandes zu bestimmten Zeiten beschreibt. Dabei erfolgt zu Vegetationsbeginn eine
kontinuierliche Aufnahme, die in der Hauptvegetationszeit in eine gleichmäßige N-Aufnahme übergeht.
Mit Hilfe der Kopplung von CANDY und einem Geographischen Informationssystem (GIS) ist es
möglich, Simulationsrechnungen auch für größere Gebiete durchzuführen. Dazu müssen die
erforderlichen Standortangaben aus vorhandenen Unterlagen abgeleitet werden. Durch Überlagerung verschiedener Informationsebenen (Boden, Klima, Bewirtschaftung) entsteht eine Vielzahl
homogener Teilflächen (Patches), auf welche eindimensionale Modelle anwendbar sind. Jedes
Landschaftselement wird dabei beschrieben durch Topographie (Schlageinheit, Landnutzungstyp),
Bodencharakteristik, Klimatyp, Niveau der Stickstoff- und Humusversorgung. Als Probleme stellen
sich hierbei allerdings die Übertragung von punkthaft gewonnenen Bodendaten auf die Fläche und
die flächendeckende Festlegung der Startwerte dar. Bei der Bestimmung der Startwerte für die
umsetzbare organische Substanz wird aus mittleren Erträgen und dem mittleren Anfall organischer
Dünger eine Angabe des mittleren jährlichen Kohlenstoffinputs der bisherigen Bewirtschaftung
abgeleitet.
3.2.5
Niederschlags-Abfluß-Erosionsmodell ASGi
Zur Bestimmung des zeitvariablen und flächendifferenzierten Oberflächenabflusses und daran
gekoppelter Stoffströme (N, P) sollte ursprünglich das den modifizierten USLE-Ansatz aufgreifende
Modell AGNPS (Agricultural Nonpoint Source Pollution Model) zur Anwendung kommen. Seit
Mai 1998 stand neben der bisherigen Version, die die Berechnung von oberirdischen Abflußkomponenten und daran gekoppelte Stoffströme für Einzelereignisse erlaubt, auch eine kontinuierliche Version zur Verfügung. Die vom US Department for Agriculture bereitgestellte Modellvariante ist jedoch nach eingehender Analyse für die im Projekt vorgesehenen Untersuchungen nicht
einsetzbar. Dies ist vor allem auf die nicht vorhandene GIS-Kopplung zurückzuführen. Das modular
aufgebaute Programmsystem greift die Modellkomponenten TOPAZ (topographische Reliefanalyse), SCS-Curve-Number (Wasserfluß), CREAMS (wassergebundene Stoffflüsse) und RUSLE
(Erosion) auf.
Es wurde zunächst versucht, das Modell im ca. 10 km² großen Einzugsgebiet des Schnellbachs,
einem Teileinzugsgebiet der Parthe, zu testen. Als Ergebnisse der topographischen Analyse dieses
Gebietes wurden knapp 400 sogenannter subareas gebildet, die die Basiszellen der Modellierung der
Wasser- und Stoffflüsse darstellen. Für diese sind dann alle erforderlichen Eingangsparameter
32
(Boden, Landnutzung, Bewirtschaftung) über eine Eingabemaske zu erfassen. Aufgrund der
fehlenden Schnittstelle zu einem GIS ist der damit verbundene Aufwand nicht zu rechtfertigen.
Bei der Suche nach alternativen Modellansätzen fiel die Wahl auf das nun für Forschungszwecke
verfügbare mathematische Modellsystem ASGi (KLEEBERG ET AL., 1998), das in den Jahren 1993
bis 1997 am Institut für Wasserwesen der Universität der Bundeswehr München auf Initiative der
Bayerischen Wasserwirtschaftsverwaltung in enger Zusammenarbeit mit dem Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft entwickelt wurde. Das GIS-gestützte modulare Modellsystem erlaubt die
rasterorientierte Berechnung von Wasser- und Stoffströmen in hydrologisch mesoskaligen Flußgebieten. Kern des Modellsystems ist das Wasserflußmodell WaSiM-ETH (SCHULLA 1997), das abgestimmt auf die jeweilige Datenlage konzeptionelle und physikalisch basierte Modellansätze enthält.
Daneben wurde das Stoffaustragsmodell AGNPS (YOUNG et al. 1982, 1989) integriert, das die
mesoskalige Simulation des Sediment-, Stickstoff- und Phosphataustrages im Gefolge von Starkregenereignissen ermöglicht. Das Modell ist in eine Arc/Info-Umgebung mit Datenbank, Prä- und
Postprozessoren eingebettet und kann über definierte Schnittstellen vom GIS angesprochen werden.
Beide Teilmodelle lassen sich der Gruppe der distributed models zuordnen und vermögen Flußgebiete in einer hohen räumlichen Auflösung rasterorientiert abzuarbeiten (Abbildung 3.2-7,
Tabelle 3.2-9).
Abb. 3.2-7: Grobschema des Datenflusses im Modellsystem ASGi
33
Tab. 3.2-9: Ausgabeoptionen von ASGi
Ziel
Wasserfluß:
Umsetzung
(Abflußkontinuum)
ereignissen
anzen für das Gesamteinzugsgebiet und seine Teileinzugsgebiete
für die Hochwassersimulation
(Anfangsspeicherfüllungen)
nen Effektivniederschlägen zur
Erosionsberechnung
- oder Gridelement
Zustandsinformationen für alle Modellausgaben (als Ganglinien-,
Tabellen- oder Kartendarstellung):
- Niederschlag
- Temperatur
- Luftfeuchte
- Windgeschwindigkeit
- Sonnenscheindauer
- Globalstrahlung
- potentielle und reale Verdunstung
- Schneedeckenabfluß und Schneespeicher
- Bestandesniederschlag
- Interzeptionsverdunstung
- Infiltrationsexzeß
- Inhalt des Boden-, Drain- und Zwischenabflußspeichers
- Sättigungsdefizit
- Grundwasserneubildung
- Oberflächen- und Zwischenabfluß
- Grundwasser- und Gesamtabfluß1
- Aggregation von Zeitreihen für wählbare Datenarten, Teilgebiete und für beliebige Zeitdauern (z.B. Tag, Monat, Jahr)
- Quantilberechnung
- Dauerlinien
- Schwellwertanalyse
- klimatische Wasserbilanz
statistik:
- Summen- oder Mittelwertgrids über vorgebbare Zeiträume
- statistische Kennwerte
- Zonen- oder Teileinzugsgebietsstatistik
element
1
keine Informationen für einzelne Gridelemente, sondern nur
für Teileinzugsgebiete und das Gesamtgebiet
Stofftransport:
von Erosion (Sediment) und
Stoffaustrag (Phosphor)
Tabellen- und Griddarstellung von:
Deposition und Phosphor-Austrag (gelöst und
partikulär gebunden)
- als Absolutbetrag (kg)
- als bezogene Werte (kg/ha)
- für Einzelereignisse
- für mehrere (wählbare) Ereignisse
- für ein Einzeljahr oder als langjähriges Mittel
34
3.2.6
Grundwassermodell PART
Bisherige Modelle, die im mesoskaligen Bereich zur Bewirtschaftung des Grund- oder Oberflächenwassers in den Einzugsgebieten - meist unabhängig voneinander - verwendet wurden, weisen
keine zeitgleiche Bilanzierung der Grund- und Oberflächengewässer auf und können bei Verwendung langjähriger Mittelwerte als hydrologische Eingangsgrößen das Schwankungsverhalten und
die Extremwerte der Grund- und Oberflächenwasserabflüsse nicht prognostizieren.
Das seit mehreren Jahren in der Entwicklung und Anwendung befindliche PS PCGEOFIM
SAMES, BOY (1997) berücksichtigt diese Aspekte und ermöglicht sowohl eine zeitgleiche bilanzwirksame Berechnung von Grund- und Oberflächenwasserabfluß als auch die Verarbeitung von
orts-, zeit- und flurabstandsabhängigen Grundwasserneubildungsraten zur Nachbildung epignostischer hydrologischer Verhältnisse.
Das PS PCGEOFIM selbst ist ein Programm zur Modellierung der Geofiltration und Migration. Es
ermöglicht die Simulation mehrerer Grundwasserleiter, die gekoppelt oder durch grundwasserstauende Schichten getrennt sein können. PCGEOFIM ist ein physikalisch-basiertes deterministisches
Modell auf der Basis der Finite-Volumen-Methode, wobei eine relativ flexible Gitterstruktur zur
Nachbildung besonders sensibler Bereiche mittels lokaler Netzverfeinerung (Lupen) vereinbart
werden kann.
Zur Erstellung des geometrischen Teilmodells (Ortsdiskretisierung) und des Parametermodells
(stoffliche Kennzeichnung des Strömungsraumes) waren umfangreiche hydrogeologische Vorarbeiten notwendig.
Für den überwiegenden Teil des Parthegebietes wurden neue hydrogeologische Schnitte erarbeitet und, um die Lagerungsverhältnisse und die Verbreitung der einzelnen Grundwasserleiter zu veranschaulichen, für jeden Grundwasserleiter die Liegendisolinien konstruiert. Für diese Grundlagenarbeiten wurden ca. 10 000 Schichtenverzeichnisse gesichtet und ca. 4500 für die Bearbeitung ausgewählt. Neben dem Archiv des Sächsischen Landesamtes in Freiberg stellten hierzu auch die
MIBRAG bzw. MBS GmbH und die ehemalige SDAG Wismut ihre Bohrungen zur Verfügung.
Im Ergebnis der Untersuchungen wurden 5 Modellgrundwasserleiter ausgehalten, für die elementweise neben den geometrischen Daten (Lage der Sohle, Mächtigkeit und Kopplungsstellen der
Grundwasserleiter), der kf-Wert, das Porenvolumen und der Speicherkoeffizient ermittelt wurden.
Die Detailliertheit des geologischen Modells und die Berechnungsmöglichkeit instationärer Strömungsprozesse im Untergrund ermöglichen die Verfolgung der Fließwege des Wassers und des
gelösten Nitrates auf den Grundwasserpfad bis zum Vorfluter und zum Auslaß des Einzugsgebietes.
35
In Abhängigkeit vom hydrologischen Regime wurden Fließzeiten (auch Verweilzeiten in Standgewässern) und Herkunftsräume ermittelt.
Grundlage für die Modellierung bildete ein Orthogonalnetz mit einer Netzweite von 500 m * 500 m.
Für die beiden besonders interessierenden Bereiche östlich des Tagebaues Espenhain und im Bereich der Wasserwerke Naunhof erfolgte eine lokale Netzverfeinerung (Lupen) mit Elementgrößen
von 250 m * 250 m und 125 m * 125 m.
Zur Einbindung der Fließgewässer muß für jedes Element, das einen Flußabschnitt abbildet, Breite,
Länge, Sohlhöhe und Kolmationsbeiwert des Fließgewässers bekannt sein. Von diesen Parametern
ist die Sohlhöhe der Wert, der die Berechnungsergebnisse am meisten beeinflußt. Leider waren
Meßwerte der Sohlhöhe und auch des Kolmationsbeiwertes nicht in ausreichendem Umfang verfügbar. Zur Verbesserung der Modellanpassung ist die Durchführung eines Nivellements der Parthe
und ihrer Nebenflüsse vorgesehen. Eine Verbesserung der vorliegenden Kolmationsbeiwerte kann,
in Abhängigkeit von verfügbaren finanziellen Mitteln, durch Pumpversuche, Bohrstockkartierungen
und Laboruntersuchungen erreicht werden. Bisher wurden durch das Landesamt für Umwelt und
Geologie bereits 20 Bohrstockuntersuchungen im Flußbett der Parthe durchgeführt.
Derzeitig sind die Grundwasserentnahmen und Abwasserrückleitungen bis 1998 aktualisiert, die im
Modell als innere Randbedingung 2. Art Berücksichtigung finden.
Die Modellkalibrierung im Einzugsgebiet der Parthe erfolgte vorerst für den Zeitraum Oktober 1988
bis April 1994. Die hydrologischen Bedingungen über diesen Zeitraum konnten durch das Modell
nachvollzogen werden. Der Vergleich zwischen Meß- und Berechnungsergebnissen erfolgt anhand
von Hydroisohypsenplänen, Grundwasser- und Abflußganglinien.
Der Vergleich der aus Meßwerten konstruierten Hydroisohypsen mit den berechneten weist neben
den Bereichen mit guter Übereinstimmung auch Bereiche mit tieferen (im Raum Glasten) oder höheren Wasserständen (im Bereich der Naunhofer Wasserfassung II) aus. Diese Abweichungen werden u.a. auf die Unsicherheiten bei der Bestimmung der Grundwasserneubildung unter Wald und
die teils noch mangelhafte Berücksichtigung der prätertiären Hochlagen zurückgeführt. Die Ursache
für zu hoch berechnete Grundwasserstände im Bereich der Naunhofer Wasserfassung II beruht auf
Diskrepanzen zwischen dem tatsächlichen (zu geringe zeitliche Auflösung) und dem modellierten
Förderregime der Wasserwerke zum Stichtag.
In den anderen Modellgebieten zeigte sich, daß die Grundwasserstände mit einer Genauigkeit von
10 - 40 cm - häufig auch besser als 10 cm berechnet wurden. Mittels der Modellrechnungen ist es
möglich, gleichzeitig die sich überlagernden Einflüsse anthropogener Maßnahmen auf das Grund-
36
wasserdargebot (z.B. Grundwasserentnahmen der Wasserwerke Naunhof) und das Abflußgeschehen
der Parthe zu quantifizieren.
Im Ergebnis der bisherigen Modellrechnungen kann eingeschätzt werden, daß das Modell den gestellten Anforderungen gerecht wird. Besonderes Augenmerk wird auf die bilanztreue Nachbildung
des grundwasserbürtigen Abflusses als Grundlage der Modellierung des Nitratumsatzes im Grundwasserleiter gelegt.
Zur Beurteilung der Genauigkeit der für die Parthe (und ihre Nebenflüsse) berechneten Basisabflüsse erfolgte eine Ganglinienseparation an den gemessenen Partheabflüssen der Pegel Glasten,
Schnellbach und Thekla. Der hohe Anteil des Basisabflusses am Gesamtabfluß (s. Abb. 3.2-8)
macht die Bedeutung der Untergrundpassage für eine Quantifizierung der diffusen Nitratausträge
deutlich.
Anforderungen wie an ein komplexes Wasserhaushaltsmodell können nicht gestellt werden, da das
Modell (noch) von zwei wesentlichen Vereinfachungen ausgeht:
1. Es erfolgt keine Modellierung der Abflußbildung im Sinne der Niederschlags-AbflußModelle, d.h. es gibt keinen Direktabfluß (Landoberflächen- und hypodermischer Abfluß).
2. Der instationäre Fließvorgang, d.h. der Wellenablauf im Vorfluter wird nicht modelliert.
Mittels der Kopplung des Modells PART mit dem Modell CANDY und dem Erosionsmodell ASGi
wird auch eine Quantifizierung des Direktabflusses im Einzugsgebiet möglich. Die instationären
Fließvorgänge im Vorfluter sind für die Aufgabenstellung nicht relevant.
Neben der Qualifizierung der Modellparameter (Präzisierung der Kolmationsbeiwerte der Fließgewässer und der Daten zur Gewässergeometrie) wird an einem Modellkonzept für den reaktiven NTransport gearbeitet. Die Basis dafür sind unter anderem seit 1996 halbjährlich durchgeführte
Analysen zu 66 Grundwassergütemeßstellen im Einzugsgebiet der Parthe und Rohwasseranalysen
der Wasserwerke.
37
3.3
3.3.1
Modellkopplungen
Kopplung der Modelle REPRO -CANDY
Der methodische Ansatz im Verbundprojekt sieht die Kopplung der Modelle REPRO und CANDY
sowie CANDY und PART zur durchgängigen Modellierung des Nitratstroms vom Verursacherbereich Landwirtschaft über die ungesättigte Zone bis zum Aquifer vor.
Hierzu sind anspruchsvolle konzeptionelle und programmiertechnische Arbeiten zu leisten. Der
Datenaustausch gestaltet sich kompliziert, da die Modelle auf unterschiedlichen räumlichen und
zeitlichen Ebenen laufen (REPRO: flächenbezogene Bilanzierungen in Jahresschritten, Verwaltung
von Bewirtschaftungsdaten in Tagesschritten; CANDY: punktuelle Simulationen in Tagesschritten),
eine unterschiedliche Datenstruktur und Programmierumgebung aufweisen. Das Konzept sieht vor,
bei vollständiger Modellkopplung von REPRO aus CANDY zu starten, alle für Berechnungen notwendigen Standort- und Bewirtschaftungsdaten zu übergeben und nach dem Simulationslauf
Modellergebnisse zu übernehmen.
Transfer von Standortparametern
REPRO und CANDY sind einzeln lauffähige Programme. Sie führen separat die für
Simulationen/Bilanzierungen notwendigen Standortparameter. Um konsistente Berechnungen zu
gewährleisten, wurde in einem ersten Schritt die Übergabe von Standortparametern von REPRO
nach CANDY realisiert. Die in Tab. 3.3-1 ausgewiesenen Boden- und Klimadaten sind eine Teilmenge der unter REPRO auf Teilschlagebene geführten Daten. Die für schlagbezogene Modellierungen notwendigen Bodenparameter stehen in den Untersuchungsbetrieben nur in Ausnahmefällen
zur Verfügung. Für Sachsen-Anhalt wurde daher ein Verfahren entwickelt, aus flächendeckend verfügbaren Standortinformationen die Eingangsparameter abzuleiten9.
Für die Aufgabenstellung wurden folgende Karten mit bodenkundlichen Aussagen genutzt: MMK
Maßstab 1:25.000/1:100.000 (Ausgrenzung der Standortregionaltypen mit Bodenformengesellschaften), Karten der Reichsbodenschätzung Maßstab 1:10.000 (Ausgrenzung von Klassenflächen
mit Angabe der Durchschnittsbodenart, Zustandsstufe und geologischer Herkunft), Bodenkarten
Maßstab 1:50.000 des Geologischen Landesamtes Sachsen-Anhalts mit Ausweisung der Boden-
9
Das Verfahren wurde im FE-Projekt „Integration ökologisch-ökonomischer Analyse- und Bewertungsmethoden in
das Modell REPRO“, gefördert durch das Ministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten des Landes
Sachsen-Anhalt, entwickelt und ist im Projekt „Elbe-Ökologie“ nutzbar.
38
formengesellschaften. Die für die Modellberechnungen erforderlichen bodenkundlichen Parameter
werden auf Bodenformen bezogen10.
Tab. 3.3-1: Datentransfer REPRO – CANDY (Standortparameter)
Kennzahlenbereich
Parameter
ME
Bemerkungen
Horizontmächtigkeit
dm
Bodendaten werden unter REPRO
1. Standortdaten
1.1 Bodendaten
- Profilaufbau
- Kennwerte je Horizont Bodenart KA4
Feinanteil (< 6,3µm)
Grobbodenanteil
%
%
Festsubstanzdichte
Trockenrohdichte
Porenvolumen
g cm
g cm-3
%
Feldkapazität
permanenter Welkepunkt
V%, mm/dm Die Standortdaten werden von REPRO
V%, mm/dm in einen Datenspeicher geschrieben,
nutzbare Feldkapazität
V%, mm/dm der von CANDY lesbar ist
Wärmekapazität
Corg
- Drainagetiefe
1.2 Witterungsdaten
- Tageswerte
teilschlagbezogen geführt.
Für den Anwender werden Standardprofile
mit mittlerer Horizontabfolge und
-3
mittleren Parametern bereitgestellt,
die schlagbezogen spezifiziert
werden können.
(Datenexport nach CANDY).
%
dm
Globalstrahlung
-2
Niederschlag
J cm
mm
mittlere Lufttemperatur
°C
Klima- und Witterungsdaten werden für
ausgewählte Wetterstationen bereitgestellt.
Transfer von Bewirtschaftungs- und Bilanzdaten
Die für C-/N-Simulationen relevanten Bewirtschaftungsdaten (Tab. 3.3-2)sollen künftig komplett
vom Modell REPRO bereitgestellt werden. Dies hat folgende Vorteile:
-
Für unterschiedliche Zeiträume und Bewirtschaftungsszenarien können die unter REPRO
erfaßten und bilanzierten Daten übernommen werden. Dies senkt den Erfassungsaufwand und es
wird sichergestellt, daß mit den gleichen Datensätzen gearbeitet wird.
-
Die Qualität der Eingangsdaten wird erhöht. Die Betriebsdaten werden unter REPRO auf
Plausibilität geprüft. Kennzahlen zu betrieblichen C- und N-Flüssen (z.B. N-Entzüge,
symbiontische N-Fixierung, Menge und Inhaltsstoffe organischer Dünger) werden aus dem
jeweiligen Betriebssystem abgeleitet; dies gewährleistet eine höhere Genauigkeit, Detailliertheit
10
Die Karten der Standortregionaltypen (MMK) sind Übersichtskarten, die die Bodenformengesellschaften in nicht
genügender Genauigkeit ausgrenzen. Die Karten der Bodenschätzung beinhalten andererseits keine Bodenformen.
Allerdings bestehen Beziehungen zwischen den Klassenzeichen der Bodenschätzung (Durchschnittsbodenart,
Zustandsstufe, Geologische Herkunft) und den Bodenformen.
39
und Konsistenz der Daten.
-
Die
umfangreichen
REPRO-Datenspeicher
werden
nutzbar,
z.B.
Kennzahlen
zu
Standardproduktionsverfahren (Maßnahmen und Termine für die wichtigsten Fruchtarten).
-
Mit REPRO können Modellbetriebe konstruiert und Bewirtschaftungsvarianten abgeleitet
werden.
Tab. 3.3-2: Datentransfer REPRO – CANDY (Bewirtschaftungsdaten)
Kennzahlenbereich
Parameter
ME
Bemerkungen
2. Bewirtschaftungsdaten
Bewirtschaftungsdaten werden unter REPRO
2.1 Düngung
- Düngerart
teilschlagbezogen geführt.
- Düngermenge
- Düngerqualität
Stalldung, Gülle, ...
-
TM-Gehalt
kg FM ha
% TM in FM
Düngermengen werden nach Teilgaben
-1
verwaltet.
Die Inhaltsstoffe der organischen Dünger
N-Gehalt
C-Gehalt
NH4-N-Gehalt
% N in TM
werden in Abhängigkeit von der Tierart und
% C in TM
Haltungsrichtung, der Tierleistung, dem
% NH4-N in TM Fütterungsregime, der Aufstallungsart,
Norg-NH4-N-Verhältnis Norg/NH4-N
der Lagerungsdauer und der Lagerungs-
- Düngungstermin
C-N-Verhältnis
Ct/Nt
C-Norg-Verhältnis
Ct/Norg
bedingungen berechnet.
Datum
Für jede Düngungsmaßnahme wird der
Termin vermerkt.
Die Bewirtschaftungsdaten werden von REPRO
2.2 Bodenbearbeitung
- Bearbeitungstiefe
cm
in einen Datenspeicher geschrieben,
- Bearbeitungstermin
Datum
der von CANDY lesbar ist
(Datenexport nach CANDY).
Rechentechnische Realisierung und Bearbeitungsstand
Die Modellkopplung wird über Exportfunktionen (Export von Tabellen mit Stammdaten und
Teilergebnissen aus Berechnungen von Stoffkreisläufen) und über Steuerungsparameter realisiert.
Entscheidend für die Funktion der Modellkopplung ist, daß von beiden Modellen gemeinsam benötigte Parameter abgestimmt sind und innere Widersprüche vermieden werden.
Die Programmierungsarbeiten zur Übergabe von Bodenprofildaten und von Meßwerten zum
Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt sind bereits abgeschlossen. Die in den Referenzbetrieben erfaßten
und unter REPRO verwalteten bodenchemischen Meßwerte (Nmin) werden zur Modellanpassung
oder zum Vergleich mit Simulationswerten genutzt.
40
Einbeziehung von Simulationsergebnissen in erweiterte Bilanzierungsansätze und in die Bewertung
der Umweltwirkungen von Landwirtschaftsbetrieben
Eine wesentliche Größe für den Stickstoffhaushalt des Bodens stellen der Auf- und Abbau
organischer Bodensubstanz und somit die Stickstoff-Mineralisierung und -Immobilisierung dar. Mit
der Einbeziehung dieser Größen in die Stickstoffbilanz wird eine qualitative Verbesserung hinsichtlich der Standortspezifität und Bewertung des N-Saldos erreicht. Die Bewertung von Umweltwirkungen wird mit der flächenspezifischen Simulation der Sickerwasserbildung, der Stickstoffverlagerung und der Nitratkonzentration des Sickerwassers verbessert.
Künftig wird es möglich sein, je nach Genauigkeitsanforderungen und Datenverfügbarkeit vereinfachte oder anspruchsvolle Bilanzierungsrechnungen in Kombination mit Simulationsrechnungen
durchzuführen. Die differenzierten Anforderungen an die Modellierung auf den einzelnen Skalenebenen können hierdurch berücksichtigt werden.
3.3.2
Kopplung der Modelle REPRO - ASGi
Sowohl das Wasserfluß- als auch das Stofftransportmodell benötigen eine Vielzahl von landnutzungs- und bodenartabhängigen Parametern, deren spezifische Wertebereiche oftmals sehr stark
variieren können. Zusätzlich werden zur Modellierung des Stofftransportes noch Parameter
verlangt, die die landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsaktivitäten auf Gemeindeebene beschreiben.
Die Kopplung der beiden Modellansätze umfaßt die Übernahme von schlagbezogenen Bewirtschaftungsparametern (Fruchtfolge, Düngeniveau, Bodenbearbeitung) für ASGi aus REPRO. Dazu
werden die im folgenden beispielhaft zusammengestellten Informationen übergeben:
Schlag 16 (4.3)
14,57 ha
Mühlenplan
Stoppelumbruch
08.10.94
11 cm
Scheibengrubber
Saatfurche
17.10.94
21 cm
B200 + B206
Saatbettbereitung
21.10.94
5 cm
Geominator
Aussaat
22.10.94
Aufgang
08.11.94
1. N-Düngung
20.03.95
45 kg N/ha
NPK
P-Düngung
20.03.95
20 kgP/ha
NPK
2. Düngung
06.05.95
35 kg N/ha
KAS
3. Düngung
09.06.95
35 kg N/ha
KAS
Ernte
10.08.95
61,8 dt/ha
organ. Düngung
09.10.95
135 kg N/ha
Winterweizen
41
Accord DF2
Stalldung (300dt/ha)R+S
organ. Düngung
Stoppelumbruch
05.09.95
Aussaat
07.10.95
33 kgP/ha
Stalldung (300dt/ha)R+S
12 cm
Scheibengrubber
Winterroggen
Kreiselegge/Drillkombinatio
(ZWF)
n
Aufgang
20.10.95
Ernte
03.04.96
90 dt/ha
Saatfurche
09.04.96
25 cm
B201 + B206
1.N- Düngung
20.04.96
60 kg N/ha
N/P20/20
P-Düngung
20.04.96
26,4 kgP/ha
Saatbettbereitung
21.04.96
6 cm
Aussaat
22.04.96
Ernte
12.11.96
organ. Düngung
N/P20/20
Geominator
Körnermais
57 dt/ha
91,2 dt/ha
Herbstfurche
25.11.96
28 cm
Saatbettbereitung
05.03.97
3 cm
Aussaat
06.03.97
Maisstroh
Pflug
Geominator
Sommergerste
Kreiselegge/Drillkombinatio
n
Aufgang
18.03.97
1. N-Düngung
06.03.97
45 kg N/ha
NPK
P-Düngung
06.03.97
20 kgP/ha
NPK
Ernte
08.08.97
60,64 dt/ha
Stoppelumbruch
10.08.97
10 cm
3.3.3
Scheibengrubber
Kopplung der Modelle CANDY - PART
Die ungesättigte Zone wird durch das Modell CANDY abgebildet. Das Grundwassermodell PART
benötigt die Grundwasserneubildung einschließlich der Stoffkonzentration als äußere Randbedingung in Abhängigkeit von Ort, Zeit und Grundwasserflurabstand. Die Grundwasserneubildung und
Stoffkonzentration wird aus dem Modell CANDY durch die simulierten Zeitreihen für den
Modellierungszeitraum von 1981 bis 1996 off-line an das Modell PART übergeben. Die Übertragung der am Standort mit CANDY validierten Modelle auf homogene Teilgebiete des Einzugsgebietsmaßstabes wird anhand der Grundwasserflurabstände, Landnutzung (Landwirtschaft, Wald,
Festgestein) und Bodenarten vorgenommen (s. Abb. 3.3-2).
Die Dynamik der Grundwasserstände führt aber in Teilgebieten ständig oder zeitweise zu flurnahen
Wasserständen und damit zu anderen Grundwasserneubildungsraten. Deshalb sind im Modell
PART für die verschiedenen Standortverhältnisse Beziehungen zwischen effektiver Grundwasserneubildung und dem Grundwasserflurabstand zu ermitteln (s. Abb. 3.3-1).
42
Mit der Nitratkonzentration im Sickerwasser wird gleichzeitig der Nitrateintrag ins Grundwasser
realisiert. Eine kritische Größe ist dabei die Denitrifikation in der ungesättigten Zone unterhalb des
Wurzelraumes. In der Fläche ist die Genauigkeit von Faustwerten für ein potentielles Denitrifikationspotenial der ungesättigten Zone unterhalb des Wurzelraumes in Abhängigkeit von Bodentyp
und Feuchteregime als Maßstab anzusehen. Eine Kalibrierung für die simulierten Nitratfrachten in
der Grundwasserneubildung ist im Einzugsgebietsmaßstab nicht möglich.
3.3.4
Kopplung der Modelle CANDY – ASGi
Die Kopplung dieser beiden Modellansätze ist in zwei verschiedenen Varianten angedacht. Generell
werden zunächst boden- und pflanzenspezifische Parameter aus der CANDY-Datenbank in die
Zuordnungstabellen des Wasser- und Stofftransportmodells übernommen, um eine Konsistenz der
Datengrundlage bei allen Modellanwendungen zu gewährleisten. Darüber hinaus ist auch die Übernahme von Startwerten zur Bodenfeuchte aus CANDY vorgesehen, um so eine Initialisierung der
Speichergrids in ASGi zu ermöglichen.
Im Ergebnis der Anwendung von ASGi können dann die Ergebnisgrids von CANDY übernommen
werden, insbesondere, um die Niederschlagsmenge um den im jeweiligen Grid erfolgten Oberflächenabfluß zu reduzieren. Bisher geht CANDY davon aus, daß die gesamte Niederschlagsmenge
dem Versickerungsprozeß zur Verfügung steht.
Denkbar ist jedoch auch eine Kopplung im Sinne eines preprocessing von ASGi für CANDY,
indem durch die Anwendung von ASGi Raum- und Zeiteinheiten ausgewiesen werden, die für
Oberflächenabfluß prädestiniert sind. Nur für diese Gebiete und Zeitschnitte wird dann in CANDY
mit um den Oberflächenabfluß reduzierten Niederschlagsmengen gerechnet.
43
4 Ergebnisse
4.1
Modellverifizierung auf Versuchsparzellen und Testflächen
Für die Modellverifizierung wurden Meßreihen aus Dauerversuchen und von Praxis-Testflächen
genutzt. Die Untersuchungen haben zum Ziel,
-
die Anpassungsgüte der Simulationswerte an Meßwerte in unterschiedlichen Bewirtschaftungssystemen (mit abgestufter Düngungsintensität, variierten Fruchtfolgen mit/ohne Leguminosen,
im integrierten und ökologischen Landbau) auf Lößstandorten zu prüfen und ggf. zu verbessern.
Die Standortauswahl orientierte sich an der Datenverfügbarkeit und Repräsentanz für das Lößgebiet.
-
die geprüften Varianten mit jenen Zielgrößen und Indikatoren vollständig zu bewerten, die im
Projektverbund als prioritär eingestuft wurden (z.B. Nitratgehalt im Sickerwasser),
-
Grundlagen für geplante Simulations- und Variantenrechnungen zu schaffen.
Nachfolgend können nur ausgewählte Ergebnisse mitgeteilt werden.
4.1.1
Simulation des Bodenwasser- und Stickstoffhaushalts auf Praxisschlägen
Am Standort Seeben, nördlich von Halle/Saale, bestand die Möglichkeit, die Bodenwasser- und NDynamik nach Umstellung auf ökologischen Landbau zu untersuchen.
Bei den Szenariorechnungen (siehe Kapitel 5) ist vorgesehen, den ökologischen Landbau als eine
Option zu berücksichtigen. Es war daher zu prüfen, ob das Modell CANDY prinzipiell unter den
Bedingungen des ökologischen Landbaus bzw. anderer N-extensiver Systeme einsetzbar ist (ob
beispielsweise die N-Mineralisierung richtig beschrieben wird).
Seeben wurde aber auch aufgrund der sehr guten Datenlage in die Modellverifizierung einbezogen.
Es lagen Meßwerte zum Bodenwasser- und Temperaturregime in 6 Tiefenstufen bis 82,5 cm in
hoher zeitlicher Auflösung vor, die durch eine automatische bodenphysikalische Station gewonnen
wurden (KREISCHE & KÖRSCHENS, 1996). Nmin wurde monatlich bis 90 cm Tiefe gemessen. Die
Bewirtschaftung des Betriebes wird langjährig dokumentiert; die Standortbedingungen sind gut
erfaßt. Auf 24 Testflächen innerhalb größerer Praxisschläge werden kontinuierlich Bodenparameter
erfaßt (DIEPENBROCK & HÜLSBERGEN, 1996).
Die Bodennutzung der ausgewählten Testflächen (Abbildung 4.1-1 und 4.1-3) war durch
mehrmaligen Getreideanbau gekennzeichnet; die letzte organische Düngung erfolgte im Jahr 1994.
im Untersuchungszeitraum war der N-Saldo negativ.
44
Bodenfeuchte (Vol%)
40
Gerste
Winterweizen
Winterroggen
Hafer
30
20
10
25. Jun 98
05. Mai 98
20. Mrz 98
4
31. Jan 98
15. Dez 97
3
2
25. Okt 97
05. Sep 97
25. Jul 97
Meßreihe
05. Jun 97
15. Apr 97
25. Feb 97
05. Jan 97
Simulation
20. Nov 96
30. Sep 96
10. Aug 96
25. Jun 96
05. Mai 96
15. Mrz 96
25. Jan 96
10. Dez 95
20. Okt 95
01. Sep 95
20. Jul 95
31. Mai 95
10. Apr 95
20. Feb 95
01. Jan 95
0
5
Abb. 4.1.1: Bodenfeuchte-Dynamik in Seeben auf Schlag a, Vergleich von Meß- und Simulationswerten
Unter diesen Bedingungen werden die Ertragsbildung und N-Aufnahme der Kulturpflanzen, aber
auch das Nitrataustragspotential wesentlich von der N-Nachlieferung bestimmt. Auf Schlag a ist
von einem hohen Mineralisierungspotential auszugehen, da die Fläche bis 1993 mit hohen Güllegaben versorgt wurde und entsprechende Gehalte an umsetzbarer organischer Substanz aufwies.
Schlag b wurde bis 1992 als Intensivobstfläche genutzt.
Die Bodenfeuchtedynamik zeigt weitgehende Übereinstimmung zwischen Meß- und Simulationswerten (Abbildung 4.1-1). Größere Differenzen ergeben sich bei der Nmin-Dynamik (Abb. 4.1-2).
Nm in (kg/ha)
150
Gerste
Winterweizen
Winterroggen
Hafer
125
100
75
50
25
14 Jun 1998
5 Apr 1998
25 Jan 1998
Meßwerte
16 Nov 1997
7 Sept 1997
29 Jun 1997
20 Apr 1997
Meßreihe
9 Feb 1997
1 Dez 1996
22 Sept 1996
14 Jul 1996
Simulation
5 Mai 1996
25 Feb 1996
17 Dez 1995
8 Okt 1995
30 Jul 1995
21 Mai 1995
12 März 1995
1 Jan 1995
0
Serie 7
Sickerwasserbildung: 51 l m-2 a-1, Nitrat-Konzentration: 12,5 mg l-1, Nettomineralisation: 75 kg N ha-1 a-1
Abb. 4.1.2: Nmin-Dynamik in Seeben auf Schlag a, Vergleich von Meß- und Simulationswerten
45
Nm in (kg/ha)
200
Gerste
Winterroggen
Winterweizen
Luzerne
175
150
125
100
75
50
25
14 Jun 1998
5 Apr 1998
25 Jan 1998
Meßwerte
16 Nov 1997
7 Sept 1997
29 Jun 1997
20 Apr 1997
Meßreihe
9 Feb 1997
1 Dez 1996
22 Sept 1996
14 Jul 1996
Simulation
5 Mai 1996
25 Feb 1996
17 Dez 1995
8 Okt 1995
30 Jul 1995
21 Mai 1995
12 März 1995
1 Jan 1995
0
Serie 7
Sickerwasserbildung: 36 l m-2 a-1, Nitrat-Konzentration: 13,9 mg l-1, Nettomineralisation: 24 kg N ha-1 a-1
Abb. 4.1-3: Nmin-Dynamik in Seeben auf Schlag b, Vergleich von Meß- und Simulationswerten
Die Verminderung der Vorräte an löslichem N unter Sommergerste wird auf beiden Schlägen
richtig beschrieben, jedoch fällt der Anstieg der simulierten Nmin-Werte unter Winterweizen zu
gering aus (Abbildung 4.1-2 und 4.1-3), wenngleich auf die nicht unbeträchtliche Variabilität der
Meßwerte hingewiesen werden muß.
Die N-Mineralisierung (24 bzw. 75 kg N ha-1 a-1 im Mittel des Untersuchungszeitraums als
Simulationswerte) wurde offenbar unterschätzt, wodurch auch die berechnete Nitratkonzentration
im Sickerwasser beeinflußt sein könnte. Unter den Standortbedingungen treten geringe Sickerwassermengen auf. Für die in Seeben praktizierte Form des ökologischen Landbaus ist das
Nitrataustragspotential als gering einzustufen.
Obwohl in Seeben zahlreiche bodenphysikalische Parameter als Meßwerte vorliegen, sind nicht
unbedeutende Diffenzen zwischen Nmin-Meß- und Simulationswerten festzustellen, was
verschiedenste Ursachen haben kann. Zur Modellvalidierung sind weitere Datensätze aus ökologisch wirtschaftenden Betrieben einzubeziehen.
4.1.2
Modellierung des Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalts in einem Dauerfeldversuch
Für Modellvalidierungen unter den Bedingungen ackerbaulich genutzter Sandlößböden wurde der
im Leipziger Land gelegene Düngungs-Kombinationsversuch Seehausen (Versuchsbetreuung durch
die MLU) ausgewählt. Für den seit 1967 durchgeführten Versuch liegen für alle geprüften Varianten
Bewirtschaftungsdaten, C- und N-Meßdaten sowie Witterungsdaten über mehr als 30 Jahre in hoher
46
zeitlicher Auflösung vor. Somit waren ideale Vorraussetzungen zur Modellierung der langfristigen
C- und N-Dynamik gegeben.
Eine genaue Standortbeschreibung wurde von ALTERMANN (1992) vorgenommen. Zum Verständnis
der Simulationsrechnungen sind folgende Angaben zur Versuchsdurchführung zu beachten (ausführliche Versuchsbeschreibung siehe HÜLSBERGEN et al., 1992):
-
Fruchtfolge: Kartoffeln – Winterweizen – Wintergerste – Zuckerrüben – Sommergerste
-
zweifaktorielle Anlage im lateinischen Rechteck mit
4 Stallmist-Stufen: 0, 50, 100, 150 kg N ha-1 a-1 und 4 Mineral-N-Stufen 0, 50, 100, 150 kg N ha-1 a-1
= 16 Varianten in 4 Wiederholungen = 64 Parzellen (Einzel- und Kombinationsanwendung organischer und
mineralischer Dünger). Die verwendeten Variantenbezeichnungen (150/150) beziehen sich auf die im Mittel der
Jahre applizierten Mengen an Stallmist-N/Mineral-N.
Die Entwicklung der Nt-Gehalte ausgewählter Düngungsvarianten wird in Abb. 4.1.4 und 4.1.5
anhand von Meß- und Funktionswerten (e-Funktionen, nichtlineare Regression) beschrieben. Trotz
der nicht unbeträchtlichen Variabilität der Meßwerte bestehen signifikante Unterschiede zwischen
den Varianten. Nach zunächst fast linearer N-An- bzw. Abreicherung in der Initialphase deutet sich
in den letzten Jahren die Einstellung neuer Gleichgewichtszustände an, wenngleich der
1
4
0
1
4
0
1
2
0
-1 Boden)
-1 Boden)
1
5
0
/1
5
0
8
0
6
0
1
9
6
7
1
5
0
/0
1
2
0
1
0
0
Nt (mg100g
Nt (mg100g
1
0
0
1
5
0
/1
5
0
0
/0
8
0
6
0
1
9
9
8
0
/1
5
0
0
/0
1
9
6
7
1
9
9
8
Abb. 4.1-4: Entwicklung der Nt-Gehalte, Düngungs-Kombinationsversuch Seehausen (Meßwerte und e-Funktionen)
Differenzierungsprozeß noch nicht abgeschlossen ist (HÜLSBERGEN et al., 1992).
Die Meß- und Simulationswerte zeigen übereinstimmend die deutliche C- und N-Anreicherung bei
langjähriger Stallmistanwendung sowie absinkende Gehalte bei unterlassener organischer Düngung.
Mineral-N hatte nur marginalen Einfluß auf die C- und N-Gehalte (Tab. 4.1-1).
47
Tab. 4.1-1: Vergleich gemessener und simulierter Kohlenstoffgehalte (%) verschiedener Düngungsstufen
Variante, Stalldung-N/Mineral-N (kg ha-1 a-1)
0/0
0/150
100/100
150/0
150/150
Ausgangswert Messung (1967)
0,95
0,93
0,92
0,91
0,94
Ausgangswert Simulation (1967)
0,97
0,97
0,97
0,97
0,97
Wert Simulation (1998)
0,89
0,90
1,20
1,30
1,33
Wert Messung (1996-1998)
0,83
0,91
1,26
1,31
1,41
Nt (mg/100 g Boden)
Ct (%)
150
1,4
130
1,2
110
1
90
0,8
70
0/0
0/150
150/0
0/0
150/150
0/150
150/0
150/150
Abb. 4.1.5: Entwicklung der Ct- und Nt-Gehalte, Düngungsversuch Seehausen (Simulationswerte, Modell CANDY)
Die C-/N-Langzeitdynamik wird mit dem Modell CANDY unter den Versuchsbedingungen sehr
genau beschrieben (Abb. 4.1-5 und 4.1-6), daher ist anzunehmen, daß wesentliche Stoffumsatzprozesse ebenso wie die Bodenwasser- und –temperaturdynamik richtig abgebildet werden. Auch
die berechneten Sickerwassermengen und Nitratkonzentrationen (Abb. 4.1-6) sind plausibel.
Letztere korrespondieren sowohl mit ermittelten langjährigen N-Salden als auch mit den auf ausgewählten Parzellen gemessenen Nitratvorräten der ungesättigten Zone (Tab. 4.1-2).
48
mg NO 3/l
250
200
150
100
0
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1988
1989
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
50
0/0
6
11
0/150
7
12
Abb. 4.1.6:
100/100
8
13
150/0
9
14
150/150
10
15
Stalldung-N / Mineral-N (kg/ha)
Nitratkonzentration im Sickerwasser, Düngungs-Kombinationsversuch Seehausen (Simulationswerte)
Tab. 4.1-2: Meß- und Simulationswerte zum Nitrataustragspotential verschiedener Düngungsvarianten
Variante, Stalldung-N/Mineral-N (kg ha-1 a-1)
-1
-1
N-Saldo (kg ha a ), Bilanzwert
Nitrat-Vorrat (kg ha-1), Meßwert1
-1
Nitrataustrag (kg N ha ), Simulationswert
2
Nitratgehalt (mg l-1), Simulationswert3
0/0
0/150
100/100
150/0
150/150
4,5
52,7
64,6
47,4
120,8
62,9
142,3
144,2
108,0
284,1
35,6
519,0
107,9
80,7
450,4
1,2
31,5
24,5
21,7
102,8
1
Messungen 1993 und 1994; Schicht 1 – 7,5 m ,
3
Mittlerer Nitratgehalt im Zeitraum 1988-1998 (nach Einschwingen des Modells)
2
Kumulativer Nitrataustrag im Versuchszeitraum
Übereinstimmend zeigen alle Parameter die geringste potentielle Nitratverlagerung auf den ungedüngten Parzellen, die höchste auf der Variante 150/150. Die hoch mineralisch gedüngte Variante
(0/150) schnitt ungünstiger ab als die ausschließlich organisch gedüngte (150/0), allerdings verschoben sich im Versuchsablauf die Relationen (Abbildung 4.1-6). Die Simulation weist für
Variante 0/150 in der Initialphase eine beträchtliche Nettomineralisation (Abnahme der Nt-Gehalte)
aus, die in Verbindung mit nicht ausgenutztem Dünger-N zu hohen Nitratausträgen führte. Mit
Abklingen der N-Nachlieferung gingen auch die sickerwassergebundenen N-Verluste zurück.
Demgegenüber baute sich auf den Stallmistvarianten allmählich ein erhöhtes Mineralisierungspotential auf. Im letzten Versuchsabschnitt werden keine signifikanten Unterschiede zwischen den
49
Varianten 0/150, 100/100 und 150/0 ausgewiesen (Abbildung 4.1-6), hingegen stiegen die NVerluste der Variante 150/150 drastisch an.
Die simulierte Sickerwasserbildung betrug langjährig im Mittel aller Varianten 114,2 l m-2 a-1,
wobei auch einzelne Jahre ohne Sickerwasserspende auftraten.
Die Simulationsergebnisse zur C-/N-Langzeitdynamik sind insgesamt gut interpretierbar. Bei
ausreichend langen Simulationszeiträumen sind belastbare Modellaussagen zu erwarten.
4.1.3
Stickstoff-Bilanzierung mit dem Modell REPRO
Mit dem Modell REPRO wurden detaillierte Nährstoff- und Humusbilanzen für den Dauerversuch
Seehausen berechnet und in Beziehung zu den Meßwerten gesetzt. Beispielhaft wird die
Entwicklung der Nt-Werte dargestellt (Abb. 4.1-7).
1
3
0
S
t
a
lld
u
n
g
(
1
5
0
k
g
N
/h
a
)
,B
ila
n
z
w
e
r
t
S
ta
lld
u
n
g
(
1
5
0
k
g
N
/h
a
)
,M
e
ß
w
e
r
t
Nt (mg/100gBoden)
1
1
0
9
0
7
0
u
n
g
e
d
ü
n
g
t
,B
ila
n
z
w
e
r
t
u
n
g
e
d
ü
n
g
t,M
e
ß
w
e
r
t
5
0
1
9
6
7
Abb. 4.1-7:
1
9
9
8
Entwicklung der Nt-Gehalte, Düngungs-Kombinationsversuch Seehausen (Meßwerte und Bilanzwerte)
Der zugrundeliegende Modellansatz geht über einfache N-Bilanzierungen, bei denen bekanntlich
konstante Boden-N-Vorräte unterstellt werden (BIERMANN, 1995), hinaus. Unter Berücksichtigung
düngungsabhängiger Erträge und N-Entzüge, standortspezifischer N-Ausnutzungsraten u.a.
Faktoren werden modellintern Veränderungen des organisch gebundenen Boden-N bilanziert.
Zumindest unter den Versuchsbedingungen zeigte sich eine gute Übereinstimmung von Meß- und
Bilanzwerten. Auch die Rhythmik der An- und Abreicherungsphasen ist nachvollziehbar (NAkkumulation nach Stallmistdüngung und allmählicher N-Entzug unter den Folgefrüchten). Die
Aussage wird z.Z. noch durch den linearen Ansatz eingeschränkt (Auseinanderdriften der Meß- und
50
Bilanzwerte der 0/0-Variante im letzten Versuchsabschnitt), so daß die Bilanzierung besonders für
Zeitspannen unmittelbar nach Bewirtschaftungsänderungen geeignet erscheint.
Auch in bezug auf das Modell REPRO gilt, daß weitere Lößstandorte und Bewirtschaftungsvarianten zur Validierung einbezogen werden sollten.
4.2
Modellverifizierung CANDY auf Grundlage der Lysimetermessungen Station Brandis
Nach ersten Sensitivitätsstudien erfolgte eine gezielte Anwendung der Erkenntnisse bei
Abweichungen der Simulationsergebnisse von den Meßwerten. Dabei bestand die Option, einzelne
Parameter nicht mehr als 20% zu variieren, um eventuelle Abweichungen durch Bodeninhomogenitäten und mögliche Meßfehler zu erklären. Eine Anpassung der Modellwerte erfolgte dabei an die
Meßwerte für Grundwasserbildung, Verdunstung und Stickstoff-Austrag. Im Ergebnis wurden dabei
gute Übereinstimmungen zwischen gemessenen und berechneten Werten gefunden (vgl. Abb.4.2-1
bis 4.2-5).
Abb. 4.2-1 – 4.2-5: Gegenüberstellung gemessener (Brandis) und berechneter (CANDY) Werte für
Grundwasserneubildung (GW), Stickstoff-Austrag (N) und aktuelle Evapotranspiration (AET)
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
-100
Lysimeter 8
-200
-200
Jahr
N-Brandis
GW-Brandis
AET-Brandis
Abb. 4.2-1:
-100
N-Candy
GW-Candy
AET-Candy
Lysimetergruppe 8
51
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
-100
Lysimeter 4
-200
-100
-200
Jahr
N-Brandis
GW-Brandis
AET-Brandis
N-Candy
GW-Candy
AET-Candy
Abbildung 4.2-2: Lysimetergruppe 4
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
-100
Lysimeter 1
-200
-100
-200
Jahr
N-Brandis
GW-Brandis
AET-Brandis
N-Candy
GW-Candy
AET-Candy
Abbildung 4.2-3: Lysimetergruppe 1
52
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
-100
Lysimeter 5
-200
-100
-200
Jahr
N-Brandis
GW-Brandis
AET-Brandis
N-Candy
GW-Candy
AET-Candy
Abbildung 4.2-4: Lysimetergruppe 5
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
-100
Lysimeter 7
-200
-100
-200
Jahr
N-Brandis
GW-Brandis
AET-Brandis
N-Candy
GW-Candy
AET-Candy
Abbildung 4.2-5: Lysimetergruppe 7
53
Alle Bodenformen mit Ausnahme der Lysimetergruppe 7 zeigen eine gute Übereinstimmung (siehe
auch Tab. 4.2-1). Es ist nicht möglich, für die Lysimetergruppe 7 innerhalb der vorgegebenen
Grenzen (Änderung der Parameter um 20%) ein besseres Ergebnis zu finden. Dabei ist nicht nachvollziehbar, ob der Fehler in der experimentellen Bestimmung der Bodenparameter liegt, oder ob
das Modell nicht in der Lage ist, diesen Bodentyp abzubilden.
Insgesamt wird die Grundwasserneubildung mit einer Korrelation von 0,9 recht gut abgebildet
(Abb.4.2-6). Die Standardabweichungen liegen annähernd im selben Schwankungsbereich (Tab.4.22). Ebenfalls wird die aktuelle Evapotranspiration mit einem Korrelationskoeffizienten von 0,8 gut
abgebildet. Die Unsicherheit der Berechnung liegt wie bei der Grundwasserbildung bei ca. 50-70
mm. Die Tatsache, daß die berechnete aktuelle Verdunstung von den Meßwerten abweicht, ist darin
begründet, daß im Candy der Hellmann-Niederschlag mittels einer Formel auf bodengleich korrigiert ist und die Meßwerte auf gemessenem bodengleichen Niederschlag beruhen. Die Differenz
gemessener bodengleicher Niederschlag minus Hellmann-Niederschlag beträgt im Mittel der Jahre
rund 30 mm.
Für den Vergleich der Stickstoffausträge wurden die Anfangswerte außer acht gelassen, da das
Modell erst nach etwa zwei Jahren eingeschwungen ist und die vorangegangene Bewirtschaftung
keinen so starken Einfluß mehr auf das Simulationsergebnis hat. Der Korrelationskoeffizient liegt
dabei im Mittel bei 0,7. Als Unsicherheit der Berechnung werden 10-20 kgN/ha*a angenommen.
54
N_CANDY = 4,0673 + ,89424 * N_BRAND
Correlation: r = 0,73
120
300
100
240
80
N_CANDY
GW_CANDY
GW_CANDY = 10,013 + ,93402 * GW_BRAND
Correlation: r = 0,93
360
180
120
40
60
0
60
20
0
60
120
180
240
300
360
Regression
95% confid.
0
0
GW_BRAND
10
20
30
40
50
60
70
Regression
95% confid.
N_BRAND
AET_CAND = 41,941 + ,94698 * AET_BRAN
Correlation: r = 0,77
660
AET_CAND
600
540
480
420
360
360
420
480
540
600
660
Regression
95% confid.
AET_BRAN
Abb. 4.2-6: Beziehungen zwischen gemessenen und berechneten Werten für alle Lysimeter aus dem Parthegebiet
Diskussion
Die Modellanwendung auf die Lysimeter in Brandis zeigt, daß das Modell CANDY auf die
klimatischen und bodenphysikalischen Verhältnisse im Parthe-Gebiet anzuwenden ist. Allerdings
wurde deutlich, daß das Auftreten stauender Schichten mitunter nur unzureichend nachvollzogen
werden kann (Lysimetergruppe 7).
Nach etwa zwei bis drei Jahren hat sich dabei das Modell eingeschwungen, d.h. die Wirkung der
Anfangsbedingungen, die ja nicht bekannt waren, ist vermindert. Somit kann davon ausgegangen
werden, daß die Prozesse in den Lysimetern auch unter anderen Bedingungen (Bewirtschaftung,
Klimawandel) langfristig nachvollzogen werden können und wichtige Ergebnisse zur Auswirkung
von Landnutzungsänderungen liefern können.
55
Tab. 4.2-1:Vergleich der gemessenen und berechneten Werte für Grundwasserbildung (GW) und aktuelle Evapotranspiration (AET) im Mittel der Jahre 1980-1992,
Stickstoffaustrag (N) 1982-1992, Korrelationskoeffizient (r =)
Bodenform
gem. N-
(Lysimetergruppe)
Decksandlöß-Braunerde
r=
ber. N-
gem. GW-
Austrag
Austrag
(kg ha-1a-1)
r=
ber. GW-
gem. AET
Bildung
Bildung
(mm a-1)
(kg ha-1 a-1)
(mm a-1)
(mm a-1)
r=
ber. AET
(mm a-1)
21,1
0,72
29,8
142,4
0,95
145,5
475,7
0,95
498,9
29,0
0,85
18,8
133,9
0,95
131,6
479,8
0,97
512,4
21,2
0,80
20,7
108,9
0,89
114,4
492,8
0,88
524,4
36,1
0,82
42,5
170,1
0,97
168,5
436,1
0,93
472,4
12,8
0,28
16,0
103,3
0,76
105,2
516,3
0,91
475,0
24,0
0,7
35,3
131,7
0,9
133,0
480,1
0,8
496,6
(8)
Decksandlöß-Fahlerde
(4)
schotterunterlagerter
SandlößtieflehmPseudogley (1)
gekappte DecksandlößBraunerde (5)
SandlößtieflehmPseudogley (7)
Mittel
56
Tab. 4.2-2: Standardabweichungen (sd) für Grundwasserbildung (GW in mm a -1), monatlichen N-Austrag (N in kg ha-1
a-1) und aktuelle Evapotranspiration (AET in mm a-1)
Lysimetergruppe
4.3
sd N-
sd N-
sd GW-
sd GW-
sd AET-
sd AET-
gemessen
berechnet
gemessen
berechnet
gemessen
berechnet
8
10,7
21,4
77,5
80,3
37,5
60,0
4
13,7
12,3
67,4
76,3
44,4
60,3
1
16,2
17,7
64,4
66,7
48,2
56,6
5
18,9
22,5
78,6
83,6
38,8
53,0
7
10,3
11,0
63
44,7
38,8
58,3
Mittel
14,0
17,0
70,2
70,3
41,5
57,6
Zwischenergebnisse Einzugsgebiet Parthe
Das ca. 366 km2 große Einzugsgebiet der Parthe befindet sich südöstlich von Leipzig und stellt
einen charakteristischen Ausschnitt aus der nordwestsächsischen Landschaft dar. Der Fluß entspringt 208 m über NN am „Gossenborn“ im Colditzer Forst und mündet als größerer rechter
Zufluß in Leipzig bei 105 m über NN in die Weiße Elster. Mündungspegel ist der Pegel Thekla mit
einem Einzugsgebiet von 315 km². Im Bereich der Stadt Leipzig unterhalb des Pegels Thekla ist das
Einzugsgebiet zunehmend urban geprägt und im Bereich des Leipziger Hauptbahnhofes ist die
Parthe sogar verrohrt. Mit 0,5 km/km² ist die Flußdichte gering. Sowohl die Parthe selbst als auch
Zuflüsse der Parthe sind z.T. begradigt. Die Breite des Einzugsgebietes schwankt zwischen 4 und 20
km, die Länge beträgt etwa 70 km.
Größtenteils liegt das zwischen den Flußgebieten der Mulde und der Weißen Elster gelegene
Einzugsgebiet in der Leipziger Tieflandsbucht, deren nach NW geneigte Fläche im Osten in die
lößlehmüberdeckten Porphyrkuppen des Oschatzer Hügellandes übergeht. Im Norden wird die
Geschiebelehmebene von den Endmoränen der Dieskau-Eilenburger Randlage begrenzt, im Süden
rahmen einige Porphyrkuppen und die flachen Kiesmoränen der Wachau-Grimmaer Eisrandlage das
oberirdische Einzugsgebiet ein. Insgesamt ist das Gebiet relativ eben, es wird nur durch einige
Porphyrkuppen und Endmoränenzüge im Osten und Südosten gegliedert. Höchste Erhebung ist der
Küchenberg bei Großbardau mit 228m über NN.
4.3.1
Landnutzung
Basisinformationen zur Landnutzung im Einzugsgebiet der Parthe bilden die Ergebnisse der
Biotoptypenkartierung. Sie geben den Stand von 1992/93 wieder. Demzufolge ist im
57
Untersuchungsgebiet von der in Tabelle 4.3-1 dokumentierten Verteilung der Hauptarten der
Landnutzung auszugehen, die sich auch in der in Karte 4.3.-1 dargestellten räumlichen Verteilung
widerspiegelt.
Tab. 4.3-1 Verteilung der Hauptlandnutzungsformen im Parthegebiet 1992/93
Hauptart der Landnutzung
Fläche [km²]
Flächenanteil [%]
Gewässer
3,95
1
Moore, Sümpfe
0,02
0
41,95
11
1,49
0
2,11
0
48,73
12
186,05
48
99,17
28
Grünland, Ruderalflur
Magerrasen, Felsfluren,
Zwergstrauchheiden
Baumgruppen, Hecken, Gebüsch
Wälder und Forsten
Acker, Sonderstandorte
Siedlung, Infrastruktur, Grünflächen
Die mittlere Vegetationsperiode im Leipziger Land beträgt 230 Tage, so daß Zwischen- und Nachfrüchte angebaut werden können. Von der Mündung bis zur Quelle verzögert sich der Beginn der
Vegetationsperiode um 3-4 Tage, das Ende erfolgt jedoch ungefähr gleichzeitig (SPENGLER 1973).
Das Landschaftsbild im Parthegebiet ist zunehmend urban geprägt. Nur im Quellgebiet bis Kleinbardau ist ein Vorherrschen des Waldes aufgrund für den Ackerbau schlechter Böden zu erkennen.
Zudem sind auch die Porphyrkuppen und Teile des Mittellaufes von Wald bedeckt. Vor 200 Jahren
wurde der herabgewirtschaftete nordwestsächsische Wald (niederwaldartige Birken mit einigen
Eichen) in Nadelholzforsten umgewandelt (v.a. Kiefern), um die Flächen überhaupt wieder nutzbar
zu machen. Später sollte eine landwirtschaftliche Nutzung folgen, die aber aufgrund der höheren
Einnahmen, v.a. durch Fichtenforste im Süden verworfen wurde. Seit den 30er Jahren ist man
bestrebt, zusätzlich Laubbäume anzusiedeln, um den natürlichen Mischwald zu fördern
(WIEDEROTH 1964). Allerdings ist der Waldanteil seit 1973 um 3% zurückgegangen. Der Auenbereich wird zum großen Teil von Grünland und kleinflächig durch Erlenwälder eingenommen. Mehr
als die Hälfte des Gebietes wird von Ackerflächen bestimmt, die im wesentlichen wenig strukturiert
sind und sich durch große Schläge auszeichnen. Ein weiteres Charakteristikum ist die zunehmende
Versiegelung (seit 1973 mehr als Verdopplung), durch Gewerbe- und neu entstandene Wohnge-
58
biete. Knapp ein Drittel der Fläche ist heute schon überbaut, ein großer Teil davon gehört zur Stadt
Leipzig, die mehr und mehr in die peripheren Bereiche wächst.
Darüber hinaus wurden die landwirtschaftlich genutzten Flächen einer detailierteren Untersuchung
auf der Basis von Satellitendaten aus den Jahren 1989 und 1996 unterzogen, deren Ziel es war, Veränderungen in den Schlaggrößen im Zusammenhang mit den gesellschaftlichen Veränderungen aufzuzeigen. Das Ergebnis dieser Untersuchung ist in Tabelle 4.3-2 sowie in Karte 4.3.-2 zusammengestellt. Datengrundlage der Erhebung war eine Satellitenszene Landsat-TM vom 07.07.1989 sowie
eine Satellitenszene IRS-1C vom 23.08.1996.
Tab. 4.3-2 Schlaggrößenveränderungen im Einzugsgebiet der Parthe zwischen 1989 und 1996
Statistische Größe
1989
1996
Anzahl der Ackerschläge
999
1277
Mittlere Schlaggröße [ha]
25,0
19,3
25 004,2
24 596,7
0,3
0,2
Größter Ackerschlag [ha]
196,1
344,4 1)
Standardabweichung [ha]
27,0
24,5
Gesamtfläche landwirtschaftlicher Nutzung
Kleinster Ackerschlag [ha]
1)
bei dem hier ausgewiesenen Schlag handelt es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um mehrere nebeneinanderliegende
abgeerntete Ackerschläge, deren Grenzen nicht eindeutig definierbar sind
4.3.2
Bewirtschaftung und Nährstoffhaushalt in Referenzbetrieben
Das Konzept zur durchgängigen Modellierung des Nitratstroms vom Verursacherbereich bis zum
Aquifer wird im Parthe-Einzugsgebiet beispielhaft umgesetzt. Der hierzu notwendige Datenaustausch zwischen den Modellen REPRO und CANDY wurde bereits realisiert; die weiteren Modellkopplungen sind in Vorbereitung.
Die Untersuchungen erfolgen mit hoher räumlicher Auflösung. Schlag- und teilschlagbezogene
Analysen werden mit der betrieblichen Modellierung kombiniert. Die landwirtschaftlichen Primärdaten wurden direkt in den Betrieben erfaßt oder betrieblichen Datenspeichern (z.B. Ackerschlagkarteien) entnommen.
Nachfolgend werden erste Ergebnisse präsentiert, die sich vorwiegend auf den integriert wirtschaftenden Betrieb IFu beziehen. Zur besseren Interpretation werden Bewirtschaftungs- und Bilanzdaten
weiterer im Untersuchungsgebiet gelegener Betriebe mitgeteilt (Tabelle 4.3-3 und 4.3-4).
Die Betriebe im Parthegebiet setzten ganz unterschiedliche Bewirtschaftungskonzepte um. IKÖ steht
59
für Marktfruchtbetriebe mit dominierendem Getreide-Ölfruchtanbau, IFu zeichnet sich durch stärkere tierische Veredlung aus. Dementsprechend unterscheiden sich die betrieblichen Stoffflüsse und
–bilanzen deutlich, letztlich auch die schlagbezogenen acker- und pflanzenbaulichen Maßnahmen
(Fruchtfolge, Bodenbearbeitung, Düngung), damit aber auch Zufuhr und Umsatz organischer Substanzen, Bodenbedeckungs- und Teilbrachezeiten, Nährstoffentzüge u.a. Faktoren. Entsprechend
den Standort- und Bewirtschaftungsbedingungen treten größere Differenzen im Ertragsniveu auf.
Die für IFu getroffenen Aussagen sind daher nicht auf das gesamte Parthegebiet übertragbar.
Für den Betrieb IFU wurden positive Humus- und P-Bilanzen berechnet; die betrieblichen N-Salden
sind generell positiv (Tabelle 4.3-4).
Tab.4.3-3: Struktur und Intensität der Landwirtschaft, Referenzbetriebe im Parthegebiet (1996-1998)
Betrieb
IFU
IPO
IKÖ
Standort
D5
D5
D5
Ackerzahl
57
46
44
km2
12,84
9,54
2,10
% AF
51,8
54,7
59,3
% AF
27,1
21,6
19,6
% AF
14,3
17,5
22,3
% AF
3,1
3,4
3,6
% AF
11,8
15,3
0,0
% AF
% LF
6,2
0,0
0,0
4,4
0,8
0,0
je ha LF
0,59
0,32
0,0
je ha LF
0,29
0,47
0,0
je ha LF
0,21
0,10
0,0
dt TM ha-1
68,4
72,7
44,4
GJ
118,7
132,4
87,9
ha-1
78,3
73,1
59,6
540,0
431,7
397,0
6348
6700
-
Fläche
Einheit
Anbaustruktur
Getreide
davon Winterweizen
Winterraps
Kartoffeln / Zuckerrüben
Mais
Klee / Luzerne
Grünland
Tierbesatz
GV
Rind
davon Kühe
Erträge und Leistungen
TM-Ertrag
Energiebindung
4.3.2.1
Getreideertrag
Zuckerrübenertrag
dt ha
-1
dt ha-1
Milchleistung
kg je Kuh
60
Tab.4.3-4: Humus- und Nährstoffbilanzen, Referenzbetriebe im Parthegebiet (1996-1998)
Kennzahl
Mineral-N-Düngung
Einheit
Betrieb
kg N ha-1 LF
-1
Organische N-Düngung
kg N ha LF
Symbiontische N-Fixierung
kg N ha-1 LF
N-Entzug
kg N ha-1 LF
-1
IFU
IPO
IKÖ
102,3
78,1
117,3
71,2
16,3
50,0
39,7
5,2
11,2
128,5
133,6
34,6
64,7
161,0
58,8
N-Saldo
kg N ha LF
Humus-Saldo
HE ha-1 AF
0,30
- 0,32
- 0,04
Mineral-P-Düngung
kg P ha-1 LF
23,0
18,9
15,4
P-Saldo
kg P ha-1 LF
7,4
6,0
-3,5
Abbildung 4.3-1 zeigt stark vereinfacht den betrieblichen Stickstoffkreislauf mit den wichtigsten Inund Outputs sowie das abgeleitete N-Verlustpotential. Relevante N-Zufuhrgrößen sind die mit 30 kg
N/ha*a angenommenen Immissionen, die symbiontische N-Fixierung, der Futter- und
Mineraldüngerzukauf. Beträchtliche N-Mengen zirkulieren innerbetrieblich. Bei den N-Verlusten
sind Schwankungsbreiten angegeben, um die Unsicherheit der Abschätzung und die schlagbezogene
Variabilität zu verdeutlichen11.
11
Strenggenommen sind alle in Abbildung 4.3-1 ausgewiesenen N-Flüsse mit mehr oder weniger großen
Unsicherheiten behaftet, so daß man mit gleicher Berechtigung alle Positionen als Schwankungsbreite angeben
könnte. Allgemein üblich ist aber die Angabe absoluter Bilanzwerte.
61
Innerbetrieblicher Kreislauf
Nährstoffzufuhr
Nährstoffabfuhr
0,0
pflanzlich
83,6
Futterzukauf
22,5
Marktprodukte
Verluste
Gesamtbilanz
Tierzukauf
Futterbestand
0,0
Naturalertrag 132,0
Futter
Stroh 45,5
Konservierung
Lagerung
2,9
Tier
Pflanze
Stallbilanz
Mineraldünger
102,3
tierisch
Stroh- Gründüngung
Nährstoffentzug
9,6
29,0
161,0
Stalldung
42,2
16,3
organische Dünger
0,0
Immission
30,0
Lagerung
Rotte
Boden
5,4
Nt
58,8
Saldo
Bodenbilanz
Dünger-NH3 - Verluste
0-20,8
Denitrifikation
n.b.
Auswaschung
symb. N-Fixierung
1,3-50,2
16,3
Nährstoffmenge [kg N/ha LF]
Abb.4.3-1: Stickstoffkreislauf im Referenzbetrieb IFU (1995-1997), berechnet mit REPRO und CANDY
Für die Schläge des Referenzbetriebes IFU wurden thematische Karten (4.3-3 bis 4.3-9) angefertigt,
die die bewirtschaftungs- und standortbedingte Variabilität des N-Umsatzes sowie des sickerwassergebundenen N-Austrags dokumentieren. Es wurde ein Untersuchungszeitraum von drei Jahren
zugrunde gelegt, der sowohl für Bilanz- als auch für Simulationsrechnungen als sehr kurz einzuschätzen ist; weitere Daten standen aber noch nicht zur Verfügung.
Die Bilanzgrößen N-Zufuhr, N-Entzug und N-Saldo (Karten 4.3-3 bis –5) schwanken in weiten
Bereichen, ebenso die aus einer Frühjahrsbeprobung (1996) resultierenden Nmin-Vorräte. Schläge
mit sehr hohen N-Salden wiesen auch hohe Nmin-Werte auf. Enge Beziehungen zwischen diesen
Größen sind aber kaum zu erwarten, da die Nmin-Vorräte stark durch Jahres- und Witterungseinflüsse überprägt sind, von zahlreichen Bodeneigenschaften beeinflußt werden und auch die Vorbewirtschaftung widerspiegeln. Die Nmin-Frühjahrswerte sind letztlich eine „Momentaufnahme“, die
noch nichts über die N-Nachlieferung, die Nmin-Jahresdynamik oder die tatsächlichen N-Austräge
aussagt.
62
Die CANDY-Simulationen zur Sickerwasserbildung und den Nitratausträgen (Karten 4.3-7 bis 9)
berücksichtigen Standortunterschiede innerhalb der Teilschläge. Die in Tagesschritten berechneten
Werte wurden als mittlere Jahreswerte zusammengefaßt.
Die theoretische N-Auswaschung beträgt demnach < 10 bis > 50 kg N/ha*a, die simulierte Nitratkonzentration des Sickerwassers in Einzelfällen bis über 125 mg/l. Es wurden Sickerwassermengen
von unter 50 bis über 175 l/m*a ermittelt.
Alle Werte sind in der weiteren Bearbeitung auf Plausibilität und Sicherheit zu prüfen.
4.3.3
Arbeitsstand Landoberflächenabfluß, Bodenerosion und Phosphataustrag
Die Bearbeitung der Problematik des Landoberflächenabflusses und der daran gekoppelten
Stoffströme ist noch in den Anfangsstadien. Das ist einerseits in der in Kapitel 3.2.5 begründeten
Wahl eines neuen Modellansatzes begründet, zum anderen aber auch durch die unzureichende
Qualität der vom Landesvermessungsamt Sachsen erworbenen digitalen Reliefdaten. Diese
entsprechen nicht im geringsten den erwarteten Anforderungen bezüglich ihrer horizontalen Auflösung, denn die im Netzpunktabstand von 25m vorliegenden Daten, die aus der militärtopographischen Karte 1:50.000 abgeleitet wurden, vermitteln den Eindruck einer terassierten Landschaft
(Karte 4.3.10a). Dies ist auf eine mangelnde bzw. völlig fehlende Interpolation zwischen den
digitalisierten Höhenlinien zurückzuführen. Jedoch ist vom Landesvermessungsamt bisher keine der
diesbezüglichen Anfragen beantwortet worden. Es wurde begonnen, im Rahmen einer Diplomarbeit
für das Einzugsgebiet des Schnellbach ein neues Höhenmodell aus der TK10(N) abzuleiten. Das so
generierte Digitale Geländemodell wiederspiegelt den tatsächlichen Charakter des Raumes und kann
für weitere Bearbeitungen genutzt werden. Karte 4.3.10b zeigt auf sehr eindrucksvolle Weise den
Unterschied der Nutzbarkeit der beiden unterschiedlichen Datenbasen. Die Nutzung der Daten des
Landesvermessungsamtes ist aufgrund der hier demonstrierten Sachlage völlig ausgeschlossen. Es
muß nach einer anderweitigen Lösung gesucht werden, um zu nutzbaren digitalen Höhendaten für
den Gesamtraum zu kommen.
Im Gegenzug zu diesem buttom up orientierten Ansatz wurde versucht, potentielle
Gefährdungsflächen für laterale Stoffausträge aus der Landschaft zu identifizieren. Parallel dazu
entstand eine Diplomarbeit, die sich mit dem Einfluß von Gewässerrandstreifen auf Stoffflüsse in
Landschaften auseinandersetzt (RAU 1999). Darin wird für die Parthe das potentielle Retentionsvermögen der Gewäserrandstreifen im Ergebnis einer digitalen Feldkartierung bewertet. Da das
Bewertungsergebnis das potentielle Retentionsvermögen der Gewässerrandstreifen wiedergibt, ist es
63
von Interesse, dieses den potentiellen Eintragspfaden gegenüberzustellen. Dies wird am Beispiel der
potentiellen Erosionsgefährdung durch Wasser dargestellt. Neben den on - site Schäden auf den
erodierten Flächen selbst (Abtrag fruchtbarer Bodenkrume) sind insbesondere off - site Schäden
durch partikelgebundenen Stoffeintrag (Phosphor) in die Vorfluter als Erosionswirkungen zu
berücksichtigen. Treten Gebiete mit hoher potentieller Gefährdung durch Wassererosion in unmittelbarer Nähe oder Nachbarschaft zu Gewässerabschnitten mit eher geringem Retentionsvermögen
gegenüber Stoffeintrag auf, so ist hier mit verstärkt diffusem Stoffeintrag aus der Landschaft ins
Gewässer zu rechnen. Zur Ausweisung solcher Gefährdungsflächen eignen sich Geographische
Informationssysteme sehr gut. So wurde zunächst für das gesamte Einzugsgebiet eine Bewertung
der potentiellen Erosionsgefährdung (nach FRIELINGHAUS, M. & B. WINNIGE
IN:
BEHRENDT, H. et
al., 1995, S. 68) durchgeführt. Dazu wurden die klassifizierten Eingangsdatenebenen Boden und
Relief verschnitten und die entstehenden Verschneidungsflächen dann entsprechend klassifiziert
(vgl. Karte 4.3.-11). Zur Untersuchung der Nachbarschaft von Flächen mit potentiellem lateralen
Stoffaustrag und Gewässerrandstreifen mit geringem Retentionspotential wurden diese beiden
Datenebene im Anschluß wie folgt gekoppelt: An beiden Ufern des Flusses wurde ein 100 m breiter
Pufferstreifen berechnet. Durch Verschneidung der Fläche dieser Pufferstreifen mit denen der
potentiellen Erosionsgefährdung konnten dann Fließgewässerabschnitte definiert werden, in denen
mit einem diffusen Stoffeintrag gerechnet werden muß (vgl. Karte 4.3.-12). Die Definition dieser
Risikoflächen beruht auf dem gleichzeitigen Vorkommen von Gewässerabschnitten mit mäßigem
bis geringem Retentionsvermögen gegenüber Stoffeinträgen und Flächen mit mäßiger bis sehr
starker potentieller Gefährdung durch Wassererosion.
4.3.4
Stickstoffaustrag aus der ungesättigten Zone
Für die flächendeckende Berechnung des Stickstoffaustrags aus der ungesättigten Zone mit dem
Modell CANDY sind neben den Informationen zur Land- und Bodennutzung Informationen über
Böden und Klima nötig.
Böden
Rund die Hälfte des Parthegebietes wird von alt- und mittelpleistozänen 15-20 m mächtigen Muldeschottern eingenommen, in die sich die Parthe eingeschnitten hat. Darüber lagert Geschiebelehm,
der von geringmächtigem Sandlöß verhüllt ist. In den Gebieten südwestlich und nordöstlich der
Schotterebene stehen Geschiebesande und -lehme über tertiären Tonen an, die zur Ausbildung von
Pseudogleyen geführt haben. (SPENGLER 1964 ,1973, LAUCKNER 1964).
64
Das Parthegebiet ist durch häufigen Substratwechsel gekennzeichnet. Vorherrschende Bodentypen
sind Braunerden, Pseudogleye, Parabraunerden und Gleye. Seit dem Bau der Wasserwerke Naunhof
1887und 1895 durch A.THIEM sank der Grundwasserspiegel ab, so daß teilweise kein Anschluß
mehr an das Grundwasser bestand (SPENGLER 1973). In den letzten Jahren allerdings stieg der
Grundwasserspiegel aufgrund geringerer Fördermengen der Wasserwerke.
Klima
Die Jahresdurchschnittstemperatur am Standort Brandis beträgt im Mittel 9,3°C, der mittlere
Jahresniederschlag 605 mm (1980-1994), wobei v.a. die Sommermonate niederschlagsreich sind
(Abb.: 4.3.-2). Von NW nach SO zeigt sich eine klimatische Differenzierung im Anstieg der
Niederschläge. Das Niederschlagsverhalten ist dabei gleich. Bei SW-Lagen kann es gelegentlich zu
Föhnerscheinungen mit geringen Niederschlägen kommen.
Aufgrund der geringen Niederschläge und bei Grundwasserentnahmen kommt es gelegentlich zum
Absinken des Grundwasserspiegels. In solchem Fall kommt es zur Infiltration vom Vorfluter in das
Grundwasser und die Parthe trocknete zeitweilig aus.
Klimadiagramm der Station Brandis (1980 - 1994)
Lufttemperatur = 9,1 °C, Jahresniederschlag = 580 mm
80
70
20
NIED
LTEM
60
15
50
40
10
30
20
5
10
0
0
Monat
Abb. 4.3-2: Langjährige Monatsmittel von Temperatur und Niederschlag am Standort Brandis
65
Simulationsergebnisse
Der Stickstoffaustrag wurde für die landwirtschaftlichen Nutzflächen für die Szenarien 1980 – 1989
und 1990 – 1997 berechnet. Aufgrund der guten Korrelationen zwischen gemessenen und berechneten Werten (vg. Kap. 4.2) kann davon ausgegangen werden, daß das Modell die Verhältnisse im
Parthegebiet hinreichend widerspiegelt. Auf dieser Grundlage wurden für Flächen, denen kein
Lysimeter zugeordnet werden konnte, weitere Bodenprofile parametrisiert und diese Informationen
konnten mit der Niederschlagskarte und der Landnutzungskarte verschnitten werden. Unter
Verwendung betrieblicher Statistiken für DDR-Betriebe und amtlicher Statistiken des Freistaates
Sachsen wurden auf Kreisebene gebietstypische Bewirtschaftungsfolgen für die Perioden 1980-89
und 1990-97 erarbeitet.
Auffallend dabei ist die drastische Reduzierung des Viehbestandes nach 1990 um mehr als die
Hälfte. Damit einher geht eine Verringerung der organischen Düngung während die mineralische
Düngung auf etwa dem gleichen Niveau bleibt. Daraus ergibt sich ein Stickstoffüberschuß für die
80er Jahre von 90 kg N/ha*a und für die 90er Jahre von 20 kg N/ha*a. Gewisse Änderungen sind
auch beim Anbauverhältnis auszumachen. Während in den 80er Jahren größtenteils noch Hackfrüchte angebaut wurden, kommen in den 90ern Winterraps und Winterroggen hinzu und es gibt
zudem eine große Zahl an Stillegungsflächen (Tab.4.3.-5).
Tab. 4.3-5: Bewirtschaftungsszenarien
Szenario
1
2
Zeitraum
1980-89
1990-97
Viehbesatz
1 GV
0,4 GV
Organische Düngung
70 kg N/ha*a
30 kg N/ha*a
Mineralische Düngung
130 kg N/ha*a
110 kg N/ha*a
Stickstoffentzug
160 kg N/ha*a
170 kg N/ha*a
N-Immission
50 kg N/ha*a
50 kg N/ha*a
N-Überschuß
90 kg N/ha*a
20 kg N/ha*a
Anbauverhältnis
23% Winterweizen
24% Winterweizen
21% Wintergerste
17% Wintergerste
11% Mais
14% Winterraps
10% Kartoffeln
12% Stillegung
9% Zuckerrübe
8% Winterroggen
66
Grundsätzlich wäre in den 90er Jahren ein geringerer Stickstoffaustrag zu erwarten gewesen, die
Austragsraten sind allerdings z.T. noch höher als in der vorangegangenen Periode (Tab.4.3.-6). Dies
ist aber, wie aus der Regressionsanalyse abzuleiten war, nicht Ausdruck der aktuellen Bewirtschaftung, sondern auf die Überdüngung in den 80er Jahren zurückzuführen. Das bestätigen auch
Simulations-Untersuchungen zum Puffervermögen, wobei unabhängig von der Höhe des Überschusses und des Bedeckungsgrades je nach Boden mit Nachwirkungen von 5-7 Jahren zu rechnen
ist, wobei sich die Höhe der Nachwirkung aus der Höhe des Überschusses ableitet. Beachtet werden
sollte dies v.a. bei der Bewertung von Nutzungsumstellungen, wo immer ein ausreichend langer
Zeitraum in die Interpretation eingehen sollte. Die Ergebnisse dieser Realszenarien stellen für die
Bewertung alternativer Nutzungsformen einen Maßstab dar.
Tab. 4.3-6: Simulationsergebnisse
Merkmal
Szenario 1980-89
Szenario 1990-97
Grundwasserzufuhr (mm)
110
100
N-Auswaschung (kg/ha)
50
70
gasf. N-Verluste (kg/ha)
50
50
Nmin 0-90 cm (kg/ha)
260
200
N-Mineralisierung (kg/ha)
110
70
umsetzbarer
Kohlenstoff 30000
29000
(kg/ha)
Die Karte 4.3-13 zeigt die mit CANDY berechnete Stickstoffauswaschung aus der ungesättigten
Bodenzonesowie die Grundwasserneubildung für das Szenario 1990-1997.
67
4.3.5
Arbeitsstand Ganglinienseparation und grundwassergebundener Stoffausstrag
Für die zwei Parthepegel Glasten und Thekla sowie den Schnellbachpegel, der ebenfalls im Einzugsgebiet der Parthe liegt, wurde eine Ganglinienseparation durchgeführt. Dazu wurde DIFGA, ein
Verfahren zur kontinuierlichen und bilanzgestützten Durchflußganglinienanalyse, angewandt.
Die Ganglinienseparation ermöglicht eine auf die einzelnen Abflußkomponenten spezifizierte Analyse der Gebietsreaktion. Die Einflußfaktoren wirken sich auf die Gebietsreaktion integral aus. Zur
Interpretation der Separationsergebnisse sind vor allem die Hydrogeologie, die Niederschlagsverteilung, die Gebietsgröße, die Bodenverhältnisse, die Landnutzung und die Gefälleverhältnisse zu berücksichtigen.
Mit der Separation wird zunächst die Frage beantwortet, welcher Anteil am Pegeldurchfluß grundwasserbürtig ist. Durch die kontinuierliche Separation können auch Aussagen zur Verschiebung der
Anteile der Durchflußkomponenten mit Veränderung des Niederschlagsdargebotes gegeben werden.
Dies ist Voraussetzung für eine Abschätzung des komponentengebundenen N-Austrages, unterschieden nach dem langsamen Basisabfluß und den schnellen Abflußkomponenten. An die Separation der Komponenten schließen sich unmittelbar Bilanz- und Regimevergleiche zwischen den gebietsintegralen Pegeldaten und den am Standort erhobenen, auf das Einzugsgebiet extrapolierten
Daten an. Die Unterschiede bestehen in einem im Herbst deutlich später einsetzenden Sickerwasseraustritt am Lysimeter (3 m Tiefe) als im Vergleich zum Durchflußanstieg am Gebietsauslaßpegel zu
beobachten ist und in einem geringeren Gebietsabfluß, als er sich aus den Sickerwassermessungen
ergibt. Bilanzunterschiede zwischen den gemessenen Sickerwassermengen als GWN und dem gemessenen Gebietsabfluß begründen sich dabei in den ca. 28 mm/a Grundwasserentnahme durch die
Wasserwerke im Einzugsgebiet (s. Abb. 4.3.-14).
Die Interpretation dieser Unterschiede ermöglicht eine Charakterisierung des Systemverhaltens im
Einzugsgebiet und stellt ein Prüfkriterium für eine adäquate Modellbildung im Einzugsgebietsmaßstab dar. Dabei zeigt sich, daß für die Modellierung des Gebietsverhaltens die Superponierung eines
zutreffend modellierten Standortverhaltens nicht ausreicht. Es steht die Frage, für welche Flächen
die Standortbetrachtung repräsentativ ist, ob die maßgebenden Prozesse der einzelnen Standorten
abgebildet werden (z.B. kapillarer Aufstieg, Dominanz lateraler Flüsse) und ob mit dem räumlichen
und zeitlichen Skalenwechsel Effekte hinzukommen oder unbedeutend werden. Die Regionalisierung von Standortuntersuchungen zur Grundwasserneubildung kann durch ein in PESCHKE
u.a. (1998) beschriebenes Instrument zur rechnergestützten Bestimmung von Landschaftseinheiten
mit gleicher Abflußbildung begründet erfolgen.
68
Tab. 4.3-7: „Mittlere Bilanz“ nach der Ganglinienseparation mit DIFGA
Glasten / Parthe
S13 / Schnellbach
Thekla / Parthe
AE [km²]
3,50
8,02
314,00
Bilanzzeitraum
2/74 - 1/97
11/71 - 11/971)
2/51 - 1/98
Q [mm / a]
199,7
79,9
92,3
QGL [mm / a]
33,8 (16,9 %)
32,7 (41,1 %)
42,1 (45,6 %)
QGS [mm / a]
96,1 (48,1 %)
30,4 (38,1 %)
29,1 (31,5 %)
QD [mm / a]
69,8 (35,0 %)
16,6 (20,8 %)
21,1 (22,9 %)
1)Meßlücke
von 1/90 bis 12/93
Q ...
mittlerer Jahresabfluß
QGL ...
mittlerer langsamer Basisabfluß
QGS ...
mittlerer schneller Basisabfluß
QD
mittlerer Direktabfluß
...
Die drei untersuchten Pegel zeigen eine deutliche Differenzierung der Abflußkomponentenzusammensetzung in Folge der geologischen Bedingungen im jeweiligen Einzugsgebiet. Der Pegel Glasten steht für das Festgestein, der Schnellbachpegel S13 für Sandlöß über geringmächtigen tertiären
und quartären Grundwasserleitern. Am Pegel Thekla sind beide Prägungen integriert, wobei erkennbar ist, daß der Festgesteinsanteil das Abflußregime im Gesamteinzugsgebiet nicht dominant
bestimmt.
Der Jahresniederschlag liegt im Einzugsgebiet der Parthe i.d.R. unterhalb des potentiellen Verdunstungsanspruches. Unter diesen Bedingungen bestimmt die Fähigkeit der Aerationszone zur
Bodenwasserspeicherung wesentlich, in welchen Maße während des Winterhalbjahres Niederschlag
nach der prioritären Auffüllung des nur durch Verdunstung ausschöpfbaren Bodenwasserspeichers
zur
Grundwasserneubildung gelangt.
Eine
daraus
resultierende vergleichsweise geringe
Grundwasserneubildung spiegelt sich in den Durchflüssen am Pegel S13 und Thekla wieder. An
diesen Pegeln liegt der mittlere Jahresabfluß unter 100 mm/a.
Am Pegel Glasten beträgt der mittlere Jahresabfluß ungefähr das Doppelte des Wertes der beiden
anderen Pegel. Während der langsame Basisabfluß noch in etwa mit dem des Schnellbachgebietes
quantitativ vergleichbar ist, rührt der Unterschied von einem viel dynamischeren Wasserumsatz
von den schnellen Abflußkomponenten her. Im Einzugsgebiet des Pegels Glasten sind Speicher69
räume mit einem geringen hydraulischen Rückhaltevermögen stärker beanspruchbar als dies im
Lockergesteinsgebiet des Schnellbachpegels möglich ist. Im Lockergesteinsbereich führen
- höhere verdunstungswirksame Speicherkapazitäten in der ungesättigten Zone
- höheres Energieangebot zur Verdunstung als im Oberlauf (Pegel Glasten)
- topographisch bedingt niedrigere Gebietsniederschläge
- größerer Gebietsspeicher für den langsamen Basisabfluß
- abflußvermindernde Zehrungen in den Auenbereichen
zu einer sehr viel geringeren effektiven Grundwasserneubildung und somit Gebietsabflußspende als
im Festgesteinsbereich zu beobachten ist. Aspekte der Landnutzung treten hier für die Abflußkomponentenaufteilung in den Hintergrund.
Die Verweilzeiten und Fließwege des Wassers bestimmen den daran gebundenen Stoffumsatz in
einem Einzugsgebiet.
Auswertungen zu den Nitratkonzentrationen und -frachten an neun Gütemeßstellen entlang der
Parthe von Glasten bis Thekla ergaben eine Abnahme der Nitratkonzentrationen in der Parthe mit
dem im Längsschnitt zunehmenden Anteil von Lockergesteinsgrundwasserleitern (s. Abb. 4.3.-15).
Die Nitratfrachten aus dem oberen Teil des Partheeinzugsgebietes (Festgestein und Teileinzugsgebiete mit geringmächtigen Lockergesteinsgrundwasserleitern) sind zwar höher als aus dem Lockergesteinsbereich (unterschiedliche Denitrifikationspotentiale), jedoch nehmen die Konzentrationen
im oberen Teil mit zunehmenden Abfluß ab. Dies wurde für den Gütemeßpegel Großbardau in dem
Zeitraum 1984 bis 1994 in MATOLIN (1998) belegt (s. Abb. 4.3.-16)
Die Ursache scheint darin zu liegen, daß bei der zunehmenden Bildung schneller Abflußkomponenten nach Niederschlägen in die Tiefe verlagertes Nitrat im oberen Gebietsteil nicht proportional
miterfaßt wird und im Fluß somit Verdünungseffekte auftreten, welche im mächtigeren Lockergestein fließwegbestimmt so nicht erfolgen. Dort ist mit den schnellen Abflußkomponenten eine überproportionale Mobilisierung des Nitrates zu beobachten, welches vermutlich hauptsächlich aus der
Aerationszone ausgeschwemmt wird. Im Hochwasserfall nähern sich im Parthegebiet die Nitratkonzentrationen der Abflüsse aus den oberen und unteren Gebietsteilen einander an.
70
4.3.6
NO3-Gehalt an Grundwasserpegeln im Einzugsgebiet der Parthe
Von den Grundwassergütepegeln im Einzugsgebiet der Parthe werden seit 1996 im dreimonatigen
Turnus, mindestens aber in einer Frühjahrs- und Herbstbeprobung, Grundwasserproben gewonnen
und entsprechend dem Analysenprogramm des Sächsischen Landesamtes für Umwelt und Geologie
bzw. dem Analysenprogramm der betreuenden Wasserwerke auf eine Palette von Wasserinhaltsstoffen hin untersucht. Aus den Analysenprotokollen sind für die Arbeiten zum Stickstoffumsatz neben
den Standartparametern die Angaben zu Nitrat, Nitrit, Ammonium, Eisen, Mangan und Sulfat relevant. Die Analyse auf im Grundwasser gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) kann nur auf besondere Veranlassung hin erfolgen.
Die Ammonium- und Nitritgehalte liegen im Grundwasser weitestgehend deutlich unter 1 mg/l.
Dagegen schwankt der Nitratgehalt im Beobachtungszeitraum von 1996 bis 1998 räumlich (s. Abb.
4.3.-17) und zeitlich stark. Die Werte liegen zwischen maximal 208,1 mg/l bis unterhalb der Nachweisgrenze. Die Verteilung ist aus der Eintragssituation für den Stickstoff und dem Nitratabbau im
Grundwasserleiter zu erklären. Die Werte sind vor allem in Beziehung zur Landnutzung, der
Grundwasserleiterbedeckung und dem Entnahmebereich im Grundwasserleiter zu setzen.
Während die Düngeraufwendungen im Einzugsgebiet der Parthe seit 1990 deutlich zurückgegangen
sind, verläuft der Trend der Nitratgehalte im Grundwasser und Rohwasser der Wasserwerke immer
noch gegenläufig. Die Gütedaten wiederspiegeln eine Ende der 70er, Anfang der 80er Jahre einsetzende Zunahme der Nitratgehalte im Rohwasser der Wasserwerke. Die Güteentwicklung in den
zurückliegenden beiden Jahrzehnten wird durch sich ändernde Belastungssituationen und die darauf
folgenden Transport- und Reaktionsprozesse bei der Untergrundpassage bestimmt. Als erster Effekt
ist ein zum Belastungsanstieg verzögerter Durchbruch der Nitratfront festzustellen. Ein weiterer
Effekt sind die trotz der seit 1990 wesentlich verminderten N-Saldos weiterhin zunehmenden
Nitratgehalte im Grund- und Oberflächenwasser. Bilanzen der Austragsfrachten aller N-Bindungsformen mit der Parthe am Pegel Thekla zeigen jedoch einen rückläufigen Trend. Neben dem Auswaschen des N-Pools aus dem Einzugsgebiet scheint mit der Verbesserung des Sauerstoffstatuses
im Einzugsgebiet die N-Bindungsform Nitrat vor allem gegenüber Ammonium Dominanz zu erlangen. Reine Nitratuntersuchungen können somit die Stoffströme des Stickstoffumsatz in einem Gebiet unter sich ändernden Nutzungsbedingungen nicht realistisch beschreiben.
71
Neben der integralen Denitrifikationsleistung im GWL ist aus den vorhandenen Gütedaten abzuleiten, welche Dentrifikationsreaktionen ablaufen, wo sie lokalisiert sind und durch welche Randbedingung sie limitiert werden. In diesem Zusammenhang ist auch zu klären, inwiefern sich das
Denitrifikationspotential erschöpfen kann.
Bei Dominanz einer heterotrophen Denitrifikation wäre ein kinetischer Modellansatz, wie er im
PCGEOFIM implimentiert ist, anzuwenden. Über Batch-Versuche mit Substratproben aus dem
Einzugsgebiet sollen im Labormaßstab Aussagen zu den Reaktionskinetiken gewonnen werden.
Für den Nitratabbau im Grundwasser hat dieser Prozeß eine sehr große Bedeutung. Bakterien, die
zur heterotrophen Denitrifikation befähigt sind, nutzen die organische Substanz sowohl als Wasserstoffquelle (organotroph) als auch als Kohlenstoffquelle (heterotroph). Bei dieser Form der Nitratreduktion sind organische Kohlenstoffverbindungen der Reaktionspartner, welche mikrobiologisch
leicht verfügbar sein müssen. Bei diesem Vorgang ist eine Zunahme der Hydrogenkarbonatkonzentration proportional zur Menge des reduzierten Nitrates zu verzeichnen. Nach ROHMANN &
SONTHEIMER (1985) ergibt sich bei der Annahme von Kohlenhydrat als Kohlenstoffquelle und
Vernachlässigung der Synthese von Biomasse folgende Reaktionsgleichung:
5 Cn(H2O)n + 4n NO3- => 2n N2 + 4n HCO3- + n CO2 + 3n H2O
(1)
Hohe Eisen- und Sulfatgehalte im Rohwasser des Wasserwerkes Naunhof lassen vermuten, das an
der Nitratreduktion im Partheeinzugsgebiet eine Pyritoxidation beteiligt ist. Diese Art der bakteriellen Nitratreduktion beschränkt sich ausschließlich auf anorganische Substanzen als Ausgangsstoffe
für die Reaktion. Bei der Oxidation von Pyrit bzw. Markasit wird im anaeroben, kohlendioxid- und
nitratreichen Grundwasser Sulfid oxidiert und Nitrat gleichzeitig reduziert. Nach ROHMANN &
SONTHEIMER (1985) katalysiert das Bakterium Thiobacillus denitrificans diese Reaktion mit folgender Gleichung:
5 FeS2 + 14 NO3- + 4 H+ => 7 N2 + 10 SO42- + 5 Fe2+ + 2 H2O
(2)
Bei dieser, als autotroph bezeichneten Denitrifikation ist das Transportmodell mit einem Gleichgewichtsmodell zu koppeln.
Aus der Ansprache der im Grundwasserleiter beteiligten Prozesse am Nitratabbau folgen die Überlegungen zur Auswahl des Modellansatzes zur Simulation der Reaktionsprozesse. Praktisch soll die
72
geochemische Interpretation der Gütedaten dazu führen, prozeßhomogene Teilgebiete in Abhängigkeit von Datendichte, Gütezonierung, Böden, Deckschichten, Stratigraphie, Landnutzung und Strömungsverhältnisse auszugrenzen, in denen der reaktive Nitrattransport modelliert wird. Von am
Punkt gewonnen Analysenwerten kann durch eine Kriging-Interpolation die räumliche Verteilung
der Startwerte für Modellrechnungen geschätzt werden BRÄUER (1998).
Erst mit diesem Hintergrund ist eine prozeßadäquate Modellierung des reaktiven Nitrattransportes
möglich, der die angestrebten Szenarien in ihrer Auswirkung auf den Nitratumsatz durch den
Grundwasserpfad begründet.
4.4
4.4.1
Arbeitsstand Mittlere Mulde
Stand der Datenbeschaffung
Topographische Daten
Digitale topographische Karten des Landesvermessungsamtes Sachsen liegen als Rasterkarten im
Maßstab 1:50.000 und 1:100.000 mit vier bzw. sechs Bildebenen vor (Grundriß, Gewässer, Relief,
Vegetation bzw. zusätzlich Gewässerflächen und Kartennamen).
Weiterhin wurde ein digitales Höhenmodell beim Landesvermessungsamt Sachsen mit 200 m Raster beschafft (DHM/M745; Datengrundlage: Reliefdigitalisierung der Militärtopographischen Karte
1:50 000 (M745), Netzpunktabstand: 200m). Mit dieser Datengrundlage können Hangneigung, Höhenstufen und Exposition nach der Integration in ein Geographisches Informationssystem (GIS)
abgeleitet werden. Fraglich ist, ob die Auflösung für die mesoskalige Modellierung im Einzugsgebiet der mittleren Mulde ausreicht. Die Verwendung des vom Landesvermessungsamt vertriebenen DHM mit 25 m Rasterweite wurde nach einer Prüfung auf Plausibilität wegen großer Fehlerhaftigkeit verworfen.
Klimatische Daten
Als klimatische Datengrundlage steht einerseits ein Raster-Klimadatensatz mit langjährigen Mittelwerten (1961-1990) zur Niederschlagshöhe und Verdunstung mit einem 1 km x 1 km Raster zur
Verfügung sowie ein Raster-Klimadatensatz mit 5 km x 5 km Auflösung mit täglichen Werten der
Klimavariablen Niederschlag, mittlere Lufttemperatur, Sonnenscheindauer und relative Luftfeuchte.
Ersterer wurde vom Deutschen Wetterdienst erstellt und uns freundlicherweise von Dr. Frank
Wendland und Dr. Ralf Kunkel vom Forschungszentrum Jülich GmbH nach einer Überarbeitung
zur Verfügung gestellt. Folgende klimatische Daten stehen in einem 1 km x 1 km Raster zur Verfügung:
73
-
Mittlere jährliche Niederschlagshöhe (1961-1990)
-
Mittlere jährliche Niederschlagshöhe im Sommerhalbjahr (1961-1990)
-
Mittlere jährliche potentielle Verdunstung nach Wendling (1961-1990)
Desweiteren wird ein Raster-Klimadatensatz vom Potsdam Institut für Klimafolgenforschung für
den deutschen Teil des Elbeeinzugsgebietes bereitgestellt, der allen Teilprojekten im Projekt Elbeökologie für die mesoskalige hydrologische Modellierung zur Verfügung steht. Damit soll eine
Vergleichbarkeit der Modellergebnisse ermöglicht werden.
Tägliche Werte der folgenden Klimavariablen stehen für den Zeitraum von 1981 bis 1996 zur Verfügung:
-
Niederschlag
-
Mittlere Lufttemperatur
-
Sonnenscheindauer und
-
Relative Luftfeuchte
Für die Dateninterpolation wurde ein orthogonales 5 x 5 km Raster verwendet. Die Niederschlagskorrektur erfolgte nach RICHTER (1995, S. 63ff). Die Interpolation wurde nach dem Ordinary
Kriging Verfahren vorgenommen.
Daten zur Landnutzung
Als Datengrundlage zur Landnutzung steht der vom Statistischen Bundesamt im Auftrag des BMU
aufgebaute Datenbestand „Daten zur Bodenbedeckung für die neuen Länder und Berlin„ zur
Verfügung. Die methodische Konzeption geht auf das Programm CORINE (Coordination of
Information on the Environment) der Europäischen Union zurück. Die Daten beruhen auf der
Auswertung von Satellitendaten aus den Jahren 1989 bis 1992 und liegen im Maßstab 1:100.000
vor.
Da für einige Auswertungen (u.a. die Bestimmung des Versiegelungsgrades bebauter Flächen) die
„Daten zur Bodenbedeckung für die neuen Länder und Berlin„ nicht ausreichend genaue Daten liefern, ist die Hinzuziehung von großmaßstäbigeren Datengrundlagen notwendig. Hier steht die
„Biotop- und Nutzungstypenkartierung„ von Sachsen zur Verfügung. Sie beruht auf einer „Liste der
Biotop- und Nutzungstypen„ und der Interpretation von Colorinfrarot Luftbildern aus dem Jahr
1992 im Maßstab 1:10.000. Da die Daten hierarchisch gegliedert vorliegen (Kartiereinheit, Struktureinheit, Biotopnutzungstyp) können Information in unterschiedlichen Genauigkeitsstufen
abgerufen werden.
74
Bodenkundliche Daten
Bodenkundliche Datengrundlagen sind die Mittelmaßstäbige Landwirtschaftliche Standortkartierung (MMK), die Forstliche Standortkartierung (FSK) und die vom Sächsichen Landesamt für
Umwelt und Geologie erstellte PRODAT (Profildatei).
Die MMK ist als digitale Datengrundlage im Maßstab 1:100.000 vorhanden. Derzeit werden die
Daten, die im Blattschnitt 1:25.000 vorliegen, vom Sächsischen Landesamt für Umwelt und
Geologie überarbeitet (Randabgleich, Reliefanpassung, Erweiterung der Attributtabelle). Von den
44 Blättern sind 27 bereits überarbeitet, bei 17 steht die Überarbeitung noch aus.
Die FSK liegt im Maßstab 1:10.000 vor. Mit ihr sollen die Flächen, die in der MMK als Wald ausgewiesen sind, zur Erstellung einer einheitlichen Bodenkarte durch Aggregierung der FSKEinheiten ergänzt werden. Da die FSK nach einer anderen Systematik kartiert wurde, wird derzeit
eine Methode erarbeitet, wie die Systematik der FSK an die der MMK angeglichen werden kann.
Die PRODAT enthält für 421 Profile in Sachsen mit 1760 Horizonten bodenphysikalische Kennwerte.
Für die Leitbodenformen der MMK wurden folgende, für die Modellierung nach CANDY und
ASGi erforderlichen bodenphysikalischen Parameter horizontweise ermittelt:
 Gesamtporenvolumen
 Trockenrohdichte
 Trockensubstanzdichte
 Feldkapazität
 nutzbare Feldkapazität
 permanenter Welkepunkt
 Ton-, Schluff- und Sandgehalt
 Feinanteil
 Gehalt organisch gebundenen Kohlenstoffs
Dabei wurde folgende Schrittfolge gewählt:
 Erstellen der Ausgangskarte durch Zusammenfügen der Einzelblätter der MMK
 Erfassen sämtlicher auftretender Leitbodenformen
 Erstellen von Standartprofilen unter Zugriff auf in früheren Projekten erstellte Standardprofile
und in Anlehnung an die KA4
 Zuweisung der Parameter zu den Horizonten mittels
 Zugriff auf verfügbare Standardprofil-Beschreibungen
75
 Schätztabellen von KUNDLER und VETTERLEIN
 Profildateien der PRODAT und von KÜHN
Da die bodenphysikalischen Kennwerte von den Landesämtern nicht zur Verfügung gestellt werden
können, blieb nur die eigene, sehr aufwendige Parameterableitung, die zudem eine Reihe von
Unsicherheiten enthält:
 Unterschiedliche Quellen liefern unterschiedliche Kennwerte, keine Quelle enthält Kennwerte
für alle Bodenformen
 Ungenaue Parametrisierung von Auen- und Kolluvialböden
 Ungenaue Parametrisierung von Bodentypen-Mischformen
 Unsichere Wertzuweisung für Schutthorizonte
 Unsicherheiten bei der Wertezuweisung für Standortregionaltypen
Die methodischen Erfahrungen wurden mit der Arbeitsgruppe der TU Dresden ausgetauscht, damit
im Überschneidungsbereich des Muldeinzugsgebietes mit gleichen Parameterwerten gerechnet wird.
Hydrologische Daten
Als digitale hydrologische Datengrundlagen sind das Gewässernetz, eine Karte der Teileinzugsgebiete, Pegel- und Gewässergütedaten, erste Angaben zu Dränageflächen sowie vier Abflußseparationen vorhanden.
Das Gewässernetz wurde am UFZ aus der vom Landesvermessungsamt bezogenen Gewässerkarte
1:200.000 digitalisiert. Eine Karte mit den Teileinzugsgebietsgrenzen wurde uns vom Sächsischen
Landesamt für Umwelt und Geologie zur Verfügung gestellt.
Pegeldaten vom Regierungsbezirk Leipzig wurden vom Staatlichen Umweltfachamt in Leipzig
bezogen. Der Bezug der Pegeldaten des Staatlichen Umweltfachamtes Chemnitz für den
Regierungsbezirk Chemnitz ist noch nicht beendet. Gewässergütedaten liegen vom Regierungsbezirk Leipzig in Form von EXCEL-Tabellen für 48 Meßstellen vor. Daten zu Stickstoff- und
Phosphorwerten wurden in 1-3 monatlichen Abständen erhoben. Für den Regierungsbezirk
Chemnitz werden die Gewässergütedaten, die nur in analoger Form vorliegen, derzeit in
aufwendiger Arbeit digital aufbereitet.
Daten von Grundwassermeßstellen liegen für 18 Meßstellen im Regierungsbezirk Leipzig vor. Der
Meßzeitraum umfaßt zwei bis sechs Jahre, so daß bei einigen noch eine weitere Datenrecherche
aussteht. Auch diese Daten liegen in analoger Form vor, so daß sie für die digitale
Weiterverarbeitung aufbereitet werden müssen. Daten zu Grundwassermeßstellen im Regierungsbezirk Chemnitz werden z.Zt. eingeholt.
76
Abflußseparationen sind für folgende Pegel von dem Institut für Hydrologie und Meteorologie der
TU Dresden aus der Lößregion zur Verfügung gestellt worden:
 Pleisse/Goessnitz
 Unstrut/Naegelstaedt
 Jahna/Seerhausen
 Striegis/Niederstriegis
Da im Einzugsgebiet der mittleren Mulde ein hoher Anteil an vernässten Böden vorliegt, sind
Angaben zu Dränageflächen unerläßlich. Diese werden bei Nachfolgeeinrichtungen der Meliorationsbetriebe und Landwirtschaftsbetrieben recherchiert. Derzeit sind Angaben zu Dränageflächen für
die Altkreis Wurzen eingeholt, digitalisiert und ausgewertet worden.
Hydrogeologische Daten
Die hydrogeologischen Daten werden dem Hydrogeologischen Kartenwerk der DDR im Maßstab
1:50.000 entnommen. Da diese Kartengrundlage nicht digital vorliegt, werden z.Zt. folgende Inhalte
vom UFZ digital erfaßt:
 die Grundwasserflurabstände,
 die unterirdischen Einzugsgebiete und
 der Geschütztheitsgrad des Grundwassers
4.4.2
Prozeßbezogene Typisierung von Teileinzugsgebieten
Ein Ziel des Projektes besteht im Ausweisen derjenigen Areale, die die hauptsächlichen Quellgebiete für den Nitrataustrag in die Gewässer sind, um danach lokalisierbare Vermeidungsstrategien
und Empfehlungen zu entwickeln. Dafür soll ein hybrides Schätzverfahren erprobt werden, das
Aussagen
aus
berechneten
Stickstoffbilanzüberschüssen
(Modell
REPRO),
vertikalen
Stoffausträgen aus der ungesättigten Zone (Modell CANDY) mit der Abschätzung lateraler Wasserund Stoffflüsse verknüpft. Voraussetzung für dieses Vorgehen ist die prozeßbezogene Ausgliederung von Teileinzugsgebieten und eine prozeßbezogene Typisierung von Teileinzugsgebieten. Die
prozeßorientierte Ausgliederung von Teileinzugsgebieten soll über die Verschneidung von im GIS
vorgehaltenen Vektordatensätzen erfolgen. Diese, den Naturräumen und Landschaftseinheiten zuordenbaren Teileinzugsgebiete, sollen als die Basiseinheiten für die Berechnung der Wasserbilanzgrößen und des Stickstoffaustrags dienen. Der Stickstoffaustrag hängt von naturräumlich pedologi77
schen, klimatischen, hydrologischen, hydrogeologischen und Relief- Merkmalen ebenso ab wie von
der Landnutzung und Landnutzungsintensität.
Folgende Vorgehensweise zur Ausweisung von kleinsten Berechnungseinheiten wird gewählt:
 Grundlage bildet eine digital vorliegende Karte der Teileinzugsgebiete, die uns vom Sächsischen
Landesamt für Umwelt und Geologie zur Verfügung gestellt wurde. Die Teileinzugsgebiete
wurden aus der TK 1: 25000 abgeleitet. Die Teileinzugsgebiete haben eine Größe von durchschnittlich 6 km2. Diese Einheiten sind nach Boden und Relief und damit nach dem
Abflußpotential noch recht heterogene Einheiten.
 Deshalb werden diese Kleinsteinzugsgebiete nach klassifizierten Substratflächentypen und
Hydromorphieflächentypen, die der MMK (verschnitten mit der FSK) entnommen werden, und
den Hangneigungsklassen verschnitten. Zur Berechnung der Hangneigungsklassen wurde das
DGM im 200-Meter-Raster des sächsischen Landesvermessungsamtes verwendet. Es ist noch zu
testen, ob dieses DGM für unsere Aufgabenstellung geeignet ist.
Klimatische Parameter werden zunächst nicht einbezogen, da nicht zusätzliche Geometrien
aufgrund des Verlaufs der Grenzlinien der im km-Raster vorhandenen Klimadatensätze entstehen
sollen. Klimadaten werden, wie auch die hydrogeologischen Daten (Grundwasserflurabstand) als
auch die Distanz zum Vorfluter in die Überlegungen zur Typisierung der prozessbezogenen Basiseinheiten einbezogen. Gleiches gilt für die Landnutzung, die als veränderbare Variable insbesondere
im Szenariovergleich eine tragende Rolle spielen wird.
Beim gegenwärtigen Bearbeitungsstand muß offen bleiben, ob das für den Festgesteinsbereich in
Entwicklung befindliche Kaskadenmodell MESO-N (SCHWARZE u.a. 1998) )auf das Einzugsgebiet
der mittleren Mulde angewendet werden kann. Aus jetziger Sicht stehen dafür weder die erforderlichen Ausgangsdaten noch die erforderliche Bearbeitungskapazität zur Verfügung.
Der
kooperative Erfahrungsaustausch über die Modellanwendungen wird fortgesetzt. Anfang Juni wird
ein Arbeitstreffen in Leipzig durchgeführt, auf dem Modellvergleiche am Rechner auf der Grundlage der Lysimeterdaten Brandis durchgeführt werden. Auszuwerten sind auch die Erfahrungen
einer Jenenser Arbeitsgruppe bezüglich der Ableitung und Verwendung von Flächen mit homogener
Systemantwort (Hydrological Response Units) (BONGARTS 1999, STAUDENRAUSCH 1999).
78
4.4.3
Methode der Ableitung gebietstypischer Modellbetriebe
Beginnend mit dem Gebiet der Mittleren Mulde werden für ausgewählte Agrarregionen des Lößgebietes unter Berücksichtigung der dominierenden Standortbedingungen und der vorherrschenden
Bewirtschaftungssysteme Modellbetriebe konstruiert. Ausgangspunkt sind „reale“ Referenzbetriebe,
von deren betriebsindividuellen Besonderheiten auf die regionstypischen Verhältnisse12 abstrahiert
wird. Hierzu sind u.a. zu definieren:
-
eine mittlere Betriebsstruktur (mit standorttypischen Fruchtfolgen),
-
eine mittlere Bewirtschaftungsintensität (mittleres Düngungsniveau),
-
die praxisüblichen Anbauverfahren der Fruchtarten (Arbeitsgänge, Termine),
-
realistische Erträge und Leistungen,
-
die Standortbedingungen (Witterung, Bodenhorizonte und horizontbezogene Parameter).
Die „Modell“-Bewirtschaftungssysteme werden unter REPRO aufgebaut, wobei die Schlüssigkeit
und Plausibilität der unterstellten Parameter geprüft wird. Durch die geschlossene Darstellung der
innerbetrieblichen Stoffkreisläufe ist ein detaillierter Abgleich zwischen Pflanzenbau und Tierhaltung (Futterwirtschaft, Düngeranfall) möglich. Die Systeme werden so ausbilanziert, daß weitgehende Übereinstimmung mit Referenzbetrieben besteht.
Die Verwendung von Modellbetrieben zielt auf die drastische Verminderung des Berechnungsaufwandes und die Verallgemeinerung der Ergebnisse.
Die Modellbetriebe sind die Grundlage für Szenariorechnungen (Kapitel 5). Die grundsätzliche
Reaktion auf geänderte Rahmenbedingungen (agrarpolitische Vorgaben), Verfahrensänderungen
und sonstige Bewirtschaftungsumstellungen soll in Kopplung der Modelle REPRO und CANDY
simuliert werden. Auch wird die Beurteilung gleicher Bewirtschaftungsszenarien unter differenzierten Standortbedingungen (z.B. unterschiedliches standörtliches Nitrataustragspotential) angestrebt.
Bei einer ausreichenden Zahl von Modellbetrieben sind Hochrechnungen auf Teilgebiete der Lößregion möglich. Die Übertragbarkeit des Verfahrens auf das gesamte Lößgebiet ist zu prüfen.
12
Voraussetzung für dieses Verfahren ist eine ausreichende Zahl von Untersuchungsbetrieben unterschiedlicher
Struktur, die möglichst auf das gesamte Lößgebiet verteilt sind.
79
4.5
4.5.1
Historische Flächennutzung, Stoffhaushalt und Nitrataustragspotential im Lößgebiet
Struktur und Intensität der Landwirtschaft
Für die Beschreibung der historischen landwirtschaftlichen Flächennutzung im Lößgebiet steht
umfangreiches und detailliertes Datenmaterial zur Verfügung. Die verwendeten Primärdaten entstammen überwiegend dem Datenspeicher „SBW-Analyse“ (FRÖBE et al., 1988), der auf der
Grundlage flächendeckender jährlicher Erhebungen in Landwirtschaftsbetrieben aufgebaut wurde.
Nach dem bei BIERMANN (1995) und HÜLSBERGEN et al. (1997) beschriebenen Verfahren wurden
Stoffbilanzen berechnet. Alle Daten wurden zuvor Plausibilitätskontrollen unterzogen. Zur Interpretation der Bilanzen werden Kennzahlen zur Struktur, zum Leistungsniveau (Tabelle 4.5-1) sowie
zur Düngungsintensität (Tabelle 4.5-2) angeführt.
Die historischen Daten sind als Eingangsgrößen für langjährige Modellierungen nutzbar, sie dienen
aber auch dem direkten Vergleich zur aktuellen Bewirtschaftung. Betriebsbezogene Aussagen (die
mittlere Betriebsgröße betrug > 5 000 ha) werden durch Angaben zu Produktionsverfahren ergänzt.
Die Daten sind nach Natürlichen Standorteinheiten der MMK (LIEBEROTH, 1982) gruppiert, wobei
Lö1-2 die Schwarzerdestandorte, Lö3-4 die Löß-Parabraunerdestandorte, Lö5-6 die Pseudogley-Lößstandorte sowie D5-6 die diluvialen Tieflehm- und Lehmstandorte kennzeichnen. Insgesamt wurden
238 Betriebe mit einer Nutzfläche von 12 836 km2 einbezogen.
80
Tab. 4.5-1: Struktur und Intensität der Landwirtschaft, historische Bewirtschaftung (1986-1989)
Kennzahl
Anzahl Betriebe
Standorte
n
Ackerzahl
Fläche
km2
Lö1-2
Lö3-4
Lö5-6
D5-6
132
41
68
23
75
62
49
52
6508
1918
3248
1162
Anbaustruktur
Getreide
% AF
52,5
50,6
50,6
52,3
% AF
28,7
25,3
21,8
20,2
Winterraps
% AF
0,6
0,6
1,5
2,1
Kartoffeln / Zuckerrüben
% AF
16,4
15,4
15,5
16,9
Mais
% AF
8,4
8,0
8,2
9,4
Klee / Luzerne
% AF
7,6
8,0
8,1
7,4
Grünland
% LF
4,8
12,7
18,3
13,3
GV
je ha LF
0,92
1,11
1,18
0,91
Rind
je ha LF
0,55
0,78
0,86
0,58
je ha LF
0,27
0,49
0,53
0,33
TM-Ertrag
dt TM ha-1
69,0
77,1
69,1
59,8
GE-Ertrag
LF
53,7
58,6
52,3
45,6
Getreideertrag
GE ha-1 LF
55,4
58,6
52,5
46,9
299,0
377,6
337,6
279,5
3904
4277
4206
3898
davon Winterweizen
Tierbesatz
davon Kühe
Erträge und Leistungen
Zuckerrübenertrag
-1
dt ha
dt ha-1
Milchleistung
kg je Kuh
Auf die historischen Bewirtschaftungsdaten (Tabelle 4.5-1) soll etwas näher eingegangen werden,
da sich inzwischen gravierende Bewirtschaftungsänderungen ergaben, die langfristige Wirkungen
auf den Stoffhaushalt haben können:
-
Ackerflächenverhältnis: Der Getreideanteil lag mit ca. 50 % im ackerbaulichen Optimum. Der
Ölfruchtanbau war unbedeutend. Hackfrüchte und Silomais (mit intensiver Bodenbearbeitung,
langen Teilbrachezeiten und hohen Nährstoffentzügen) nahmen 20 bis > 25 % der AF ein; diese
Reihenfrüchte kamen in erheblichem Umfang auch auf erosionsgefährdeten Standorten zum
81
Anbau. Unter dem Aspekt des Boden- und Erosionsschutzes war der Klee-/Luzerneanbau
bedeutsam. Flächenstillegungen wurden kaum vorgenommen.
-
Tierbesatz: Der Tierbesatz betrug 0,9 bis 1,2 GV ha-1 LF. Der Kuhbesatz war dem Grünlandanteil und der „Futterwüchsigkeit“ der Standorte angepaßt. Das Schwarzerdegebiet ist
traditionell auf Marktfruchtbau und weniger auf tierische Veredlung ausgerichtet als die niederschlagsreicheren Lößstandorte Sachsens.
-
Erträge: Auffallend sind geringe Rübenerträge auf Lö1-2. Das höchste Ertragsniveau wurde auf
den nach der Ackerzahl niedriger eingestuften Lö3-4-Standorten realisiert, was u.a. mit höheren
Niederschlagsmengen zu erklären ist. Die Getreide- und Rübenerträge sind seit 1989 aufgrund
anbautechnischer Maßnahmen (Abbildung 4.5-1 und 4.6-1) gestiegen, nicht jedoch die
Trockenmasse-, Energie- und Nährstoffbindung in der geernteten pflanzlichen Biomasse je ha
LF insgesamt13.
13
Dies hängt mit verschiedenen Faktoren zusammen - der veränderten Anbaustruktur (weniger N-reiche Fruchtarten im
aktuellen Anbau), der zumeist extensiven Grünlandnutzung (Extensivierungsförderung und fehlende
Futterverwertungsmöglichkeiten durch Abbau der Tierbestände), der verstärkten Stroh- und Gründüngung (größere
N-Mengen verbleiben auf dem Feld, z.B. Rübenblatt).
82
4.5.2
Produktionsverfahren der Landwirtschaft
Die Kenntnis der Produktionsverfahren der wichtigsten Kulturpflanzen ist für anspruchsvolle C-/NSimulationen unerläßlich.
Für den historischen Zeitraum lassen sich die Produktionsverfahren (Beispiel in Abbildung 4.5-1)
gut rekonstruieren. Der Gestaltungsspielraum der Landwirtschaft war durch die fast einheitliche
Ausstattung mit Landtechnik und das eingeschränkte Spektrum an Agrochemikalien eng begrenzt.
Im angeführten Beispiel des Rübenanbaus dominierten mechanische Unkrautregulierungsmaßnahmen. Anbaualternativen – wie z.B. Mulchsaaten oder Ersatz der Handhacke durch Herbizide
- kamen praktisch nicht zur Anwendung. Die Angaben zur Verfahrensgestaltung weisen daher bezogen auf die gesamte Lößregion - eine hohe Sicherheit auf .
Okt.
Nov.
Herbstfurche
Stalldung
300 dt/ha
Abb. 4.5-1:
Dez.
Jan.
Febr.
März
April
Mai
Juni
Juli
Aug.
Sept.
Maschinen- HandAussaat
Hacke
Mineral-N
160 kg/ha
Pflanzenschutz
Okt.
Ernte
Ernteprodukt Rüben
Ertrag (dt/ha)
310
N-Entzug (kg/ha) 68
N-Saldo (kg/ha)
Blatt
305
125
147
Mittleres Produktionsverfahren im Zuckerrübenanbau, Lößgebiet (1982-1989)
Für CANDY-Simulationsläufe wurden beginnend mit dem Parthegebiet fruchtartenbezogene
Produktionsverfahren in standorttypischen Fruchtfolgen kombiniert und mit betriebsbezogenen
Angaben zu Düngermengen und Erträgen untersetzt. Auf diese Weise konnten belastbare Bewirtschaftungsdaten ermittelt und zur Modellnutzung übergeben werden.
4.5.3
Flächendeckende, räumlich differenzierte Beschreibung des Nährstoffhaushaltes
Unter Berücksichtigung hydrologischer und pedologischer Standortdaten erlauben Stickstoffbilanzen die Abschätzung potentieller Nitratausträge mit dem Sickerwasser. Nur ein geringer Teil
der N-Überschüsse kann langfristig im Boden gespeichert werden, der Rest entweicht gasförmig
oder sickerwassergebunden in die Umwelt (NOLTE & WERNER, 1991).
83
Für den Zeitraum 1986-1989 wurden fast einheitlich über alle Standorte mittlere N-Salden von etwa
90 kg ha-1 a-1 berechnet. Die Werte liegen über den als tolerierbar angesehenen N-Überschüssen14,
entsprechen aber fast exakt dem für die Bundesrepublik Deutschland ausgewiesenen Mittel (PARRIS,
1998). Auf dieser Datengrundlage berechneten WENDLAND et al. (1993) potentielle Nitratkonzentrationen im Sickerwasserwasser, die die Grenze von 50 mg l-1 weit überschritten.
Tab. 4.5-2:
Humus- und Nährstoffbilanzen, historische Bewirtschaftung (1986-1989)
Kennzahl
Einheit
Standorte
Lö1-2
Lö3-4
Lö5-6
D5-6
132
41
68
23
75
62
49
52
km2
6508
1918
3248
1162
Mineral-N-Düngung
kg N ha-1 LF
122,1
138,1
129,0
120,3
Organische N-Düngung
kg N ha-1 LF
60,1
74,8
78,9
58,2
Symbiontische NFixierung
N-Entzug
kg N ha-1 LF
21,6
23,1
20,1
18,1
kg N ha-1 LF
143,1
175,7
165,8
133,2
N-Saldo
kg N ha-1 LF
90,7
90,2
92,1
93,3
Humus-Saldo
HE ha-1 AF
-0,21
-0,02
0,07
-0,20
Mineral-P-Düngung
kg P ha-1 LF
21,7
23,3
26,5
19,1
P-Saldo
kg P ha-1 LF
17,1
19,0
25,0
15,8
Anzahl Betriebe
n
Ackerzahl
Fläche
Humus- und
Nährstoffbilanzen
Die historischen Stoffbilanzen können als Vergleichsbasis dienen. Da die Bilanzergebnisse in ausreichendem Stichprobenumfang vorliegen, sind statistische Auswertungen möglich (HÜLSBERGEN et
al., 1997). Ebenso wie beim Stickstoff traten beim Phosphor langjährig Bilanzüberschüsse auf (vgl.
HARENZ, 1989). Entsprechend hoch waren – mit regionalen Unterschieden - auch die PDL-Gehalte
der Böden15.
14
In der Literatur variieren die Angaben zu tolerierbaren N-Salden von < 20 bis 50 kg ha-1 a-1. Um überhöhte
Nitratkonzentrationen zu vermeiden, sollten auf Standorten mit geringer Sickerwasserbildung die N-Salden deutlich
< 50 kg ha-1 a-1 betragen. Die Ableitung von Zielwerten bereitet Schwierigkeiten, da einzelne Bilanzgrößen nicht
genau zu ermitteln sind (z.B. symbiontische N-Fixierung) oder zumeist vernachlässigt werden (Boden-NVorratsänderungen). Auch sind die gasförmigen Ammoniak- und Denitrifikationsverluste nicht genau zu bestimmen.
15
40 % der als Acker- bzw. Grünland genutzten Flächen waren gut bis sehr gut mit Phosphor versorgt, wobei der
Bezirk Halle mit einem mittleren PDL-Gehalt von 14,2 mg 100g-1 am stärksten versorgt war (NOLTE & WERNER,
84
Die Karten der historischen Stickstoffbilanz (4.5-1 und –2) wurden zunächst für das Land SachsenAnhalt erstellt, um die Vergleichbarkeit mit den aktuellen Karten (4.6-1 bis -4) zu gewährleisten16.
Wesentliche Teile des Schwarzerdegebietes sind in die Darstellung eingeschlossen.
Die N-Entzüge (Karte 4.5.-1) widerspiegeln die Bodengüte und das standortbedingte Ertragspotential. Entzüge über 130 kg N ha-1 a-1 sind im Bereich der Magdeburger Börde zu verzeichnen, deutlich niedrigere Werte wurden für die D-Standorte der Altmark berechnet.
Die N-Salden (Karte 4.5.-2) sind den Anbauregionen weniger klar zuzuordnen. Im Schwarzerdegebiet betrugen die Salden überwiegend 60 bis 100 kg N/ha*a, nur regional – z.B. für das Gebiet
zwischen Staßfurt und Aschersleben wurden auch höhere N-Überschüsse berechnet. N-Salden über
100 kg N/ha*a sind für einzelne Gebiete in der Altmark, im Vorfläming, der Elb-Aue und
Elbwische ausgewiesen, ebenso für den gesamten Bereich des Harzes.
4.6
Aktuelle Flächennutzung, Stoffhaushalt und Nitrataustragspotential im Lößgebiet
4.6.1
Struktur und Intensität der Landwirtschaft
Die Angaben zur aktuellen landwirtschaftlichen Flächennutzung im Lößgebiet und daraus
abgeleitete Stoffbilanzen basieren derzeit auf agrarstatistischen Daten. Folgende Informationen
wurden flächendeckend erschlossen17:
-
für Sachsen-Anhalt: Anbauflächen und Tierbestände nach Verwaltungsgemeinschaften, Erträge
und Tierleistungen auf Ebene der Landkreise,
-
für Sachsen: Anbauflächen und Tierbestände nach Gemeinden, Erträge und Tierleistungen auf
Ebene der Landkreise.
Angaben zur organischen und mineralischen Düngung sind nicht flächendeckend verfügbar. Der
Wirtschaftsdüngeranfall wurde daher aus den Tierbeständen abgeleitet.
Der Mineral-N-Einsatz wurde in einem ersten Arbeitsschritt entsprechend dem fruchtarten- und
ertragsbezogenen Düngebedarf kalkuliert - hierbei wurde „gute fachliche Praxis“ unterstellt.
1991). P-Anreicherungen in Oberböden erhöhen die erosionsbedingten P-Einträge in Oberflächengewässer. Die in
vielen Betrieben nach 1989 aus Kostengründen oder in Anbetracht hoher P-Versorgungsstufen zeitweilig reduzierte
oder ausgesetzte Mineral-P-Düngung ist unter dem Aspekt des Gewässerschutzes positiv zu werten.
16
Die Informationen zu historischen Bilanzen liegen flächendeckend für das Gebiet der neuen Bundesländer vor, so
daß Karten für die gesamte Lößregion erstellt werden können. Die aktuellen Karten sind beim derzeitigen
Bearbeitungsstand auf Sachsen-Anhalt bezogen (Punkt 4.6).
17
Die Daten wurden freundlicherweise von den Statistischen Landesämtern und dem Ministerium für Umwelt und
Landwirtschaft Sachsens bereitgestellt. Die Angaben sind sehr detailliert auf einzelne Fruchtarten und Tierarten
aufgeschlüsselt.
85
Zugeführte organische Dünger wurden mit einem N-Mineraldüngeräquivalent von 30 bewertet und
in dieser Höhe vom Mineral-N-Einsatz abgezogen. Eine Hochrechnung für Sachsen-Anhalt ergab
fast exakte Übereinstimmung mit dem statistisch ermittelten Gesamt- Düngereinsatz.
In der weiteren Bearbeitung sind die abgeleiteten Daten unter Einbeziehung gebietstypischer
Referenz- und Modellbetriebe zu fundieren. Für Sachsen sind darüber hinaus schlagbezogene
Daten, die im Rahmen des Förderprogrammes „Umweltgerechte Landwirtschaft“ erhoben wurden,
nutzbar.
Tab. 4.6-1:
Struktur und Intensität der Landwirtschaft in Landkreisen des Freistaates Sachsen (1995-1997)
Kennzahl
Einheit
Landkreis
Döbeln
Oschatz Muldental
Fläche
km2
307,3
316,4
514,4
Mitt-
Torgau
Delitzsch
weida
605,9
413,2
546,1
Anbaustruktur
Getreide
% AF
54,2
57,0
54,6
53,5
55,8
52,0
% AF
31,8
28,9
25,8
k.A.
14,9
20,7
Winterraps
% AF
9,7
10,6
8,9
k.A.
8,8
10,3
Kartoffeln / Zuckerrüben
% AF
9,7
5,5
9,8
3,8
3,9
5,3
Mais
% AF
10,0
9,2
9,3
12,2
9,6
6,9
Klee / Luzerne
% AF
0,8
0,6
1,4
k.A.
1,5
1,1
Grünland
% LF
8,4
8,1
5,8
18,5
14,2
7,4
GV
je ha LF
0,38
0,43
0,48
0,62
0,47
0,34
Rind
je ha LF
0,36
0,29
0,35
0,52
0,35
0,23
je ha LF
0,23
0,19
0,19
0,32
0,20
0,13
Getreideertrag
dt ha-1
55,6
50,1
k.A.
k.A.
53,2
57,9
Zuckerrübenertrag
dt ha-1
552,0
494,0
k.A.
k.A.
447,0
443,7
Milchleistung
kg je
6996
6575
6082
6236
6824
6558
davon Winterweizen
Tierbesatz
davon Kühe
Erträge und Leistungen
Kuh
Es ist einzuschätzen, daß die Primär- und Bilanzdaten zum derzeitigen Arbeitsstand noch nicht die
Güte und Belastbarkeit aufweisen, die den historischen Daten beigemessen werden. Die Karten
(4.6-1 bis -4) sind dementsprechend nur als erstes Zwischenergebnis zu werten, es können sich noch
mehr oder weniger große Anpassungen ergeben.
86
Für erste Auswertungen der aktuellen Bewirtschaftung wurden Daten aus Landkreisen des Freistaates Sachsen herangezogen (Tabelle 4.6-1). Die direkte Zuordnung der historischen und aktuellen
Daten, z.B. gruppiert nach natürlichen Standorteinheiten, ist in Vorbereitung.
Wenngleich der direkte Flächenbezug zur Ausgangssituation noch nicht gegeben ist, so sind
dennoch erste Tendenzen struktureller Anpassungen und Leistungsentwicklungen erkennbar
(Vergleich der historischen Bewirtschaftung im Lößgebiet, Tabelle 4.5-1, mit der aktuellen Bewirtschaftung, Tabelle 4.6-1).
Bemerkenswert ist die Ausdehnung der Winterrapsfläche (um den Faktor 10) bei gleichzeitiger
Reduzierung der Hackfruchtfläche. Der Klee- und Luzerneanbau wurde fast gänzlich eingestellt.
Nach wie vor hohe Silomaisanteile weisen auf potentielle Erosionsgefährdungen hin. Hier ist
insbesondere die Verfahrengestaltung (konventionelle Bodenbearbeitung, Mulchsaaten) näher zu
betrachten, zumal im Freistaat Sachsen spezielle Förderprogramme auf den erosionsmindernden
Anbau ausgerichtet sind.
Der Tierbesatz liegt mit 0,38 bis 0,62 GV je ha LF auf niedrigem Niveau, allerdings stieg die
Tierleistung deutlich an. Die Entwicklung der Milchviehhaltung im Muldegebiet (Tabelle 4.6-1)
belegt die strukturellen Anpassungen und die enorme Leistungssteigerung in den vergangenen
Jahren. Für die Modellierung betrieblicher N-Kreisläufe ergibt sich die Konsequenz, daß N-Flüsse
im Tierhaltungsbereich (Nährstoffausscheidungen, Düngeranfall, N-Emissionen) nicht statisch zu
betrachten sind, sondern leistungs-, fütterungs- und verfahrensbezogen bilanziert werden müssen,
was prinzipiell – bei ausreichender Datenverfügbarkeit – mit dem Modell REPRO möglich ist.
Tab. 4.6-2: Entwicklung des Kuhbesatzes und der Milchleistung im Muldegebiet
Amtsbereich
Milchkühe (Stck/ha LF)
1989
Milchleistung (kg/Kuh)
1998
87
1989
1998
6807
Döbeln/Oschatz
0,46
0,21
4150
Muldentalkreis
0,41
0,16
3603
6082
Mittweida
0,47
0,32
4710 (1991)
6236
Torgau/Delitzsch
0,36
0,13
5635 (1994)
6691
4.6.2
Produktionsverfahren der Landwirtschaft
Am Beispiel des Zuckerrübenanbaus können Veränderungen der Produktionsverfahren gegenüber
dem historischen Zeitraum dargestellt werden18 (Abb. 4.5-1 und 4.6-1):
-
Die Stallmistdüngung zu Rüben ist derzeit in den meisten Betrieben nicht möglich, da die Tierhaltung eingestellt oder drastisch vermindert wurde.
-
Die Mineral-N-Gaben wurden etwa halbiert, um bessere Rübenqualitäten (höhere Zuckergehalte
und –ausbeute) zu erzielen.
-
Auf mechanische Unkrautregulierung wird weitgehend verzichtet, dafür nahm die Intensität des
chemischen Pflanzenschutzes zu.
-
Das Rübenblatt wird nicht mehr geerntet, sondern verbleibt als Gründüngung auf dem Feld. Die
Rübenerträge stiegen um ca. 50 % aufgrund leistungsstärkerer Sorten, verbesserter Aussaat- und
Erntetechnik (Etablierung optimaler Pflanzenbestände, Reduzierung der Ernteverluste) sowie
den Einsatz besser wirksamer Herbizide.
Die Wirkungen auf den N-Haushalt sind vielfältig. Aus den drastisch reduzierten N-Salden ist
theoretisch ein vermindertes N-Austragspotential abzuleiten19.
Genauere Rückschlüsse auf den Nitrataustrag bei differenzierter Verfahrensgestaltung sind von den
vorgesehenen C-/N-Simulationen zu erwarten. Hierbei sind gleiche Datensätze für Boden- und
Witterungsdaten zu verwenden, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu sichern. Mit diesem
Ansatz wären Aussagen möglich, wie stark der Einfluß der Verfahrensgestaltung auf die sicker-
18
Im historischen Zeitraum gab es nur begrenzte Möglichkeiten, die Produktionsverfahren anzupassen – es kamen
nahezu einheitliche Technik und PSM zum Einsatz. Die Variationsmöglichkeiten sind heute wesentlich größer – im
Rübenanbau z.B. durch den Einsatz von Mulch- und Direktsaatverfahren. Unterstellt wurde ein praxisübliches
(Standard-)Verfahren. Die ausgewiesenen Erträge basieren auf flächendeckenden Erhebungen (1982-1989) bzw.
Auswertungen von Schlagkarteien (aktuell).
19
Einschränkend bleibt aber festzuhalten, daß im historischen Anbausystem die N-Überschüsse anteilig aus dem
zugeführten organisch gebundenen Stallmist-N resultierten, der im Humus langfristig gespeichert wird und nach ReMineralisierung von den Folgefrüchten aufgenommen werden kann. Zu beachten sind ferner die unterschiedliche
Bodenbearbeitungsintensität und die Verwendung der Nebenprodukte (N-Bindung im Rübenblatt und N-Transfer zu
Folgefrüchten bei Gründüngung).
88
wassergebundenen N-Austräge im Vergleich zu anderen Bewirtschaftungs- und Standortfaktoren
ausgeprägt ist bzw. wie das Modell hierauf reagiert (Sensitivitätsanalysen).
Okt.
Nov.
Dez.
Jan.
Febr.
März
Herbstfurche
April
Mai
Juli
Aug.
Aussaat
Sept.
Okt.
Ernte
Mineral-N
80 kg/ha
Abb. 4.6-1:
Juni
Pflanzenschutz
Ernteprodukt Rüben Blatt
Ertrag (dt/ha)
475
N-Entzug (kg/ha) 104 N-Saldo (kg/ha)
6
Mittleres Produktionsverfahren im Zuckerrübenanbau, Lößgebiet (1996-1998)
Die für Zuckerrüben beschriebenen Verfahrens- und Intensitätsanpassungen betreffen auch andere
Fruchtarten. So stiegen beim Winterweizen in den letzen Jahren die Mineral-N-Gaben auf 180 bis
240 kg N ha-1 a-1, bis 1989 waren 120 bis 150 kg N ha-1 a-1 praxisüblich.
Bei der Modellierung sind ferner Varianten mit reduzierter Bodenbearbeitung – wie Mulch und
Direktsaaten zu beachten, die erheblichen Einfluß auf den C-/N-Umsatz, den Oberflächenabfluß und
die Wassererosion haben. Auch ist die Unterscheidung von Produktionsverfahren des integrierten
und ökologischen Landbaus sinnvoll.
Daraus ergibt sich, daß für anspruchsvolle Simulationsrechnungen hinreichend differenzierte
Bewirtschaftungsdaten für den historischen und aktuellen Untersuchungszeitraum bereitgestellt
werden müssen – eine durchgängige Modellierung mit einem Datensatz je Fruchtart ist nicht
möglich.
89
4.6.3
Flächendeckend und räumlich differenzierte Beschreibung des Stickstoffhaushaltes
Als erstes Zwischenergebnis wurden flächendeckend für das Land Sachsen-Anhalt und damit für
wesentliche Teile des Löß-Schwarzerdegebietes Karten zum Humus- und Stickstoffhaushalt
erstellt20. Datengrundlage waren nach Verwaltungsgemeinschaften erfaßte statistische Angaben aus
dem Jahr 1995 (siehe Punkt 3.2.2 und 4.6.1).
Es ist vorgesehen, das zugrunde liegende Verfahren auf Sachsen zu übertragen und weitere Untersuchungsjahre einzubeziehen. Damit wären räumlich differenzierte Aussagen zur landwirtschaftlichen Flächennutzung und daraus abgeleiteten Bilanzparametern für nahezu das gesamte Lößgebiet
(mit Ausnahme der Lößstandorte in Thüringen) möglich.
Mögliche Anwendungsfälle sind
-
die Darstellung der zeitlichen Veränderungen durch Verschneidung historischer und aktueller
Karten (z.B. Zu- oder Abnahme von N-Überschüssen),
-
die Identifizierung von Problemgebieten mit besonderer Belastungssituation,
-
die Verschneidung mit Standortparametern zur Abschätzung potentieller Nitratausträge,
-
die Ergebnisdarstellung von Szenariorechnungen.
Die Aussagen sind durch die Einbeziehung von Referenz- und Modellbetrieben weiter zu fundieren.
Auch ist die Übereinstimmung mit Ergebnissen aus den Untersuchungsregionen Parthe und Mittlere
Mulde zu prüfen.
Die auf Sachsen-Anhalt bezogenen Karten lassen folgende vorläufige Aussagen zu:
-
N-Entzug (Karte 4.6-1): Übereinstimmend mit der Situation vor 1989 treten im Schwarzerdegebiet entsprechend dem standörtlichen Ertragspotential die höchsten N-Entzüge auf. Es überrascht jedoch, daß die Entzüge trotz der Ertragssteigerungen bei einzelnen Fruchtarten
(Getreide, Zuckerrüben) allgemein gesunken sind. Dies korrespondiert mit den ebenfalls
verminderten Trockenmasseerträgen.
-
N-Saldo (Karte 4.6-2): Für das Gesamtgebiet ist ein signifikanter Rückgang der N-Überschüsse
gegenüber der Ausgangssituation zu verzeichnen. Nur für acht Verwaltungsgemeinschaften
werden über 80 kg N ha-1 a-1 ausgewiesen, die zuvor erhebliche Flächenanteile umfassende
Kategorie über 100 kg N ha-1 a-1 ist nicht mehr belegt. Daraus ist theoretisch ein Rückgang der
20
Die Grundkarte entstammt dem Agraratlas des Landes Sachsen-Anhalt (1996) und wurde freundlicherweise vom
Institut für Agrarökonomie und Agrarraumgestaltung zur Verfügung gestellt. Die GIS-Bearbeitung der thematischen
Karten erfolgte durch G. Bursian und Th. Chudy, Professur für Agrargeographie und Raumordnung. Die
Stoffbilanzierung wurde nach Methoden und Koeffizienten des Modells REPRO vorgenommen.
90
(langfristigen) N-Verluste abzuleiten. Es gibt aber noch erhebliche Unsicherheiten in dieser
Betrachtung21.
-
Humusbedarf des Ackerlandes (Karte 4.6-3): Die Ackerflächen wurden nach der Bilanzmethode
von LEITHOLD et al. (1997) hinsichtlich ihres Humusbedarfes bewertet22. Für die typischen
Ackerbaugebiete mit dominierendem Marktfruchtanbau werden Bedarfswerte von teilweise 0,9
und mehr Humuseinheiten (HE) je ha AF ausgewiesen, was bei Unterlassung organischer
Düngung einer jährlichen Abnahme der Humusvorräte um über 500 kg C ha-1 a-1 bzw. > 45 kg
N ha-1 a-1 entsprechen würde. Dies ist für intensive Hackfrucht-Getreide-Fruchtfolgen eine
plausible Größenordnung; unter Versuchsbedingungen wurden vergleichbare Werte gefunden
(Punkt 4.1.2).
-
Humussaldo (Karte 4.6-4): Auch im Humussaldo werden regionale Unterschiede sichtbar; die
geringste Versorgung wurde für die Magdeburger Börde bilanziert. Dramatische Veränderungen
der Humusgehalte sind auch nach der Bewirtschaftungsumstellung nicht zu erwarten23. Salden
von  0,2 HE (siehe Karte) bedeuten langfristig Boden-N-Vorrätsänderungen von  10 kg/ha*a ,
wobei in der Initialphase deutlich höhere Zu- oder Abnahmen zu erwarten sind. Anhand der HESalden könnte Nt grob abgeschätzt und als Korrekturglied in die N-Bilanz einbezogen werden.
4.7
Austrag von N und P an ausgewählten Pegeln des Muldegebietes
Vor dem Hintergrund, daß Gebiete erkannt und ausgewiesen werden sollen, die hinsichtlich des
Austrages von Stickstoff und Phosphor besonders gefährdet sind, werden zunächst vier Pegel von
Flüssen ausgewählt, die für Teilgebiete des Muldeeinzugsgebietes und damit für Teilgebiete der
Lößregion charakteristisch sind. Der Pegel Thallwitz an der Lossa steht für das Sandlößgebiet. Der
Pegel Neichen am Mutzschener Wasser ist typisch für das Löß-Parabraunerdegebiet. Die Striegis
(Pegel Niederstriegis) entwässert vor allem Teile des Löß-Pseudogleygebietes. Die Chemnitz (Pegel
Göritzhain) kommt aus dem Erzgebirgsbecken mit lückigen Lößderivaten und Teilen des Löß-
21
22
23
Nicht einbezogen sind bewirtschaftungsbedingte Veränderungen der Boden-N-Vorräte, die sich über Zeiträume von
Jahren bis Jahrzehnten hinziehen können. Die Abschätzung des Mineral-N-Einsatzes ist noch sehr vage. Die
Betrachtungsebene ist relativ grob, so daß kleinere Problemgebiete überdeckt sein könnten.
Die Humusbilanzierung erfolgt auf der Grundlage des organisch gebundenen Stickstoffs. Die bei LEITHOLD et al.
(1997) mitgeteilten Humuskoeffizienten werden im Modell REPRO durch Standort- und Bewirtschaftungsparameter
modifiziert (ertragsbezogene Anpassung, Berücksichtigung des Mineral-N-Einsatzes, standortbezogene NVerwertungsraten u.a.).
Die humuserhaltende und anreichernde Wirkung von Stalldung und Gülle ist nach dem Rückgang der Tierbestände
zumindest anteilig durch Stroh- und Gründüngung kompensiert worden. Der deutlich positiv wirkende Anbau
mehrjähriger Futterpflanzen wurde nahezu eingestellt, andererseits ging aber auch der „humusintensive“
Hackfruchtanbau zurück.
91
Pseudogleygebietes. Die Abbildung 4.7-1 zeigt den mittleren Gehalt an NO3 in mg/l von jeweils
zwei Monaten und eine ca. zehnjährige Meßperiode ab 1987/1988. Die Daten der Messungen sind
zufällig und die Zahl der Meßdaten schwankt zwischen 7 und 26 für zwei Monate. Die Meßreihen
sind somit sehr inhomogen. Es lassen sich aber über die Mittelbildung gut die Unterschiede
zwischen den Flußgebieten und die typischen Jahresgänge in den Flußgebieten erkennen.
Im Lossabach erreichen die NO3-Werte nur mittlere Beträge bei extremen Schwankungen im
Jahresgang. Die Werte sind sehr hoch im Januar bis April und sind im Sommer extrem niedrig, um
im Herbst wiederum anzusteigen. In der Periode Januar bis April kommt es, bei Betrachtung der
tabellarischen Einzelwerte, zu regelrechten Nitratdurchbrüchen mit NO3-Gehalten von über 50 mg/l.
Im Mutzschener Wasser ist der Nitrataustrag ganzjährig hoch bei höchsten Werten im Januar bis
April. Das Striegiswasser besitzt die höchsten NO3-Werte bei einem deutlich erkennbaren Jahresgang. Die Winter- und Frühjahrswerte sind deutlich gegenüber den Sommerwerten und Herbstwerten erhöht. Wir können davon ausgehen, daß die Lößpseudogleye dräniert sind. Die Chemnitz
weist ganzjährig niedrigere NO3-Werte bei gleichem Jahresgang wie die Striegis auf. Rechnet man
die mittleren Jahreswerte von NO3 in NO3-N um, so ergibt sich für die Lossa 4,0 mg/l N und für die
Chemnitz 4,3 mg/l N. Das sind Werte, die gegenüber den anzustrebenden Zielwerten um 1,5 bis 2
mg/l zu hoch sind. Für das Mutzschener Wasser und die Striegis ergeben sich NO3-N-Werte von 7,0
bzw. 7,9 mg/l N. Damit übersteigen diese Werte weit mehr als das Doppelte den anzustrebenden
Wert. Als Zielwert gehen wir hypothetisch zunächst von anzustrebenden 2,5 mg/l NO3-N aus. Aus
diesen Daten läßt sich die Hypothese formulieren, daß das Löß-Parabraunerdegebiet und das LößPseudogleygebiet Landschaften mit dringend zu reduzierenden NO3-Austrägen sind. In beiden
Lößlandschaften dominieren als hydrogeologische Gesteinseinheit geringmächtige känozoische
Lockergesteinsbedeckungen, in denen der NO3-Gehalt im Grundwasser vielfach hoch ist (Mittelwert 25,5 mg/l bei einer Standardabweichung von 54 mg/l) (WENDLAND und KUNKEL 1999), so daß
langfristige Lösungsstrategien anzusetzen sind.
Da bekannt ist, daß dränierte Landwirtschaftsflächen zu einem hohen Anteil am NO3-Austrag
beteiligt sind, wurde mit der Ermittlung der Dränflächen im Parthegebiet und im Einzugsgebiet der
mittleren Mulde begonnen. Die Daten sind nur noch lückenhaft vorhanden bzw. einzelne Agrarbetriebe verweigern die Auskunft. Für den Altkreis Wurzen (Sandlößgebiet) liegen Daten über die
zwischen 1900 und 1989 dränierten Flächen vor. Diese wurden mit den Flächen der
Standortregionaltypen der MMK verglichen (MEWES 1999). Der Anteil der Flächen mit Dränbedarf
wurde nach der MMK mit 38 % der Kreisfläche bestimmt. Es handelt sich um die
92
Standortregionaltypen Al3b3, Al3c6, D5c2, D5c3 und V4c5. Die dränierten Flächen nehmen 12,65
% der Kreisfläche ein, die sich tatsächlich auf die genannten Standortregionaltypen konzentrieren.
Mit 27,5 % nimmt der Standortregionaltyp D5c3 den größten Flächenanteil am Altkreis Wurzen ein.
Es handelt sich um teilweise staunassen Sandlöß und Sandlößtieflehm des Hydromorphietyps S1
(mäßig staunässebestimmt). Es muß offen bleiben, ob von vor 1900 dränierte Flächen vorhanden
sind, deren Dräne noch funktionieren. Wie erwartet, ist der Altkreis Wurzen im Sandlößgebiet nur
partiell gedränt. Es bestätigt sich, daß es methodisch möglich ist, aus dem Vergleich von Standortregionaltypen mit den dränierten Flächen auf den Dränanteil von Flächen der Bodenformen zu
schließen und auf Areale zu übertragen, für die keine Dränangaben zu bekommen sind (Scholz
1997).
Die vier Flüsse werden hinsichtlich ihres Orthophosphataustrages untereinander und mit dem
o-PO4-P-Gehalt der Elbe verglichen. Nach dem Gewässergütebericht der Elbe 1995 (IKSE 1997)
wurden zwischen Schmilka/Hrensko und Cuxhaven mittlere Konzentrationen des OrthophosphatPhosphors von 0,06 bis 0,12 mg/l gemessen. Die mittleren o-PO4-Werte liegen für die Lossa bei
0,65 mg/l, das Mutzschener Wasser bei 1,09 mg/l, die Striegis bei 0,88 mg/l und die Chemnitz bei
2,72 mg/l. Das entspricht o-PO4-P-Werten von 0,21mg/l, 0,36 mg/l, 0,29 mg/l und 0,88 mg/l. Damit
sind die Phosphatgehalte deutlich höher als in der Elbe. Die Phosphatgehalte besitzen einen deutlichen Jahresgang. Sie sind in den Sommer- und Herbstmonaten am höchsten und besitzen in den
Frühjahrsmonaten die niedrigsten Werte. Da eine Splittung in punktuelle und diffuse Einträge noch
nicht vorgenommen wurde, sind die Werte schwer interpretierbar. Erhöhte, bzw. stark erhöhte
Einzelwerte in den Meßreihen lassen darauf schließen, daß sporadische Erosionsereignisse einen
beachtlichen Einfluß auf den Phosphataustrag aus den Lößhügelländern haben, so daß erosionsmindernden Maßnahmen ein hohes Gewicht beigemessen werden muß.
93
5 Schlußfolgerungen
5.1
Auswahl realitätsnaher
Stickstoffaustrages
Szenarien
und
Umweltziele
zur
Minderung
des
Die Auswahl realitätsnaher Umweltziele bezüglich Stickstoffaustrag muß die aktuelle Belastungssituation, die aktuelle Landnutzung und deren Entwicklungstendenzen ebenso berücksichtigen wie
die Wertsetzungen zur Verbesserung des ökologischen Zustandes der Fließgewässer und der Nordsee. Zu beachten ist selbstverständlich auch die Sicherung der Trinkwasserversorgung der
Bevölkerung mit sauberem Wasser. Die aktuelle Belastungssituation ist gekennzeichnet durch:
 atmosphärischer Stickstoffeintrag: ca 50kg/ha/a (regional differenziert) (Russow u. a. 1998)
 Stickstoffbilanzüberschuß Landwirtschaftsflächen in den 80iger Jahren ca 118 kg/ha/a (regional
differenziert) (Nachhaltige Entwicklung in Deutschland, 1998, S. 62)
 Nmin Herbst 1996 (Sachsen): Landesdurchschnitt NO3-N 76 kg/ha, 72 % der untersuchten Proben
lagen unter dem Grenzwert von 90 kg/ha, 28 % darüber (Kurzer u. a.1998)
 Gesamt-N Elbe: ca 6 mg/l 1995 (Dreyer u. a. 1998).
Als Zielgrößen werden u. a. angegeben:
 weniger als 50 kg/ha/a Stickstoffbilanzüberschuß auf Agrarflächen; auf versickerungsgefährdeten
Standorten 20-40 kg/ha/a (Nachhaltige Entwicklung in Deutschland, 1998, S. 16 und S. 62)
 weniger als 50 mg/l NO3 im Grundwasser (Deutschland)
 weniger als 25 mg/l NO3 im Grundwasser (EU)
 Reduzierung der Stickstoffeinträge in die Nordsee um 50 - 70 % (Nachhaltige Entwicklung in
Deutschland, 1998, S. 66)
 weniger als 0,2 mg N/l Ammonium, weniger als 2,5 mg N/l Nitrat im Oberflächenwasser (Internationale Kommission zum Schutze der Rheins gegen Verunreinigungen, in: Nachhaltige
Entwicklung in Deutschland, 1998, S. 66)
 weniger als 5 mg N/l (insgesamt) im Oberflächenwasser (Internationale Kommission zum Schutz
der Elbe, in: Nachhaltige Entwicklung in Deutschland, 1998, S. 66)
 weniger als 1,0 - 2,9 mg N/l im Oberflächenwasser zum Schutz der Nordsee in Diskussion
(Nachhaltige Entwicklung in Deutschland, 1998, S. 66)
 Erreichen der chemischen Güteklasse II bei allen Fließgewässern (100% der Meßstellen) bis
2010: weniger 25 mg/l für AOX, weniger 3 mg/l Gesamt-N (Nachhaltige Entwicklung in
Deutschland, 1998, S. 33)
94
Im Statusbericht wurde wiederholt auf die regionale Differenzierung der Stickstoffbelastung in der
Lößregion aufmerksam gemacht aber auch darauf, daß die Belastung nach wie vor viel zu hoch ist.
Der regionalen Differenzierung der Stickstoffbelastung und des Stickstoffaustrages wird im
weiteren Projektverlauf besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Dabei genügt es nicht, allein
die Unterschiede zwischen den 4 Teilräumen der Lößregion herauszuarbeiten, sondern innerhalb
dieser Teilräume weiter zu differenzieren. Dabei sind die klima- boden- und bewirtschaftungsbedingten Unterschiede herauszuarbeiten.
Bei der Ableitung von Szenarien zur Reduktion der Belastungssituation sind eine ganze Reihe von
Aspekten zu berücksichtigen:
 Änderung der Hauptnutzungsarten
 Änderungen in der Intensität der Bewirtschaftung
 die boden- und klimaabhängige Disposition für den Stickstoffaustrag
 Änderungen des Abflußregimes
 Änderungen in der Europäischen und nationalen Agrarpolitik
 Leitbilder, Umweltziele und zum Teil Umweltqualitätsziele in Landschaftsplänen, Landschaftsregionalplänen und Landschaftsprogrammen und entsprechenden Plänen und Programmen der
Raumordnung und der Fachplanungen
Die Änderung der Hauptnutzungsarten wird sich in der fruchtbaren Lößregion in engen Grenzen
halten. Der in der Europäischen Union erwartete Rückzug der Landwirtschaft aus der Fläche wird
vor allem die Mittelgebirge und die marginalen Sandstandorte betreffen. In Sachsen ist eine
Zunahmme der Waldflächen um 3 % der Landesfläche vorgesehen, die vor allem durch
Aufforstungen in den Bergbaugebieten realisiert werden sollen. Die Suburbanisierung wird sich
weiter fortsetzen, so daß ein Flächenentzug von ca. 3 – 5 % zugunsten von Siedlungsflächen in der
Lößregion langfristig realistisch sein dürfte, auch wenn die Überbauung raumordnerisch gebremst
werden soll. Entsprechend dem Konzept der differenzierten Landnutzung, das immer mehr
Befürworter findet (Nachhaltige Entwicklung in Deutschland, 1998, S. 51-52, ausführliche Erläuterung des theoretischen Ansatzes in Haber 1998) sollen 10 – 15 % der nicht besiedelten Fläche für
Vorrangfunktionen des Naturschutzes zur Verfügung stehen und in Biotopverbunde eingebunden
sein. Den künftigen ökologischen Landbau schätzt man in diesem Konzept auf 5 – 10 %. Somit
werden für die Lößregion Szenarien realistisch sein, die von ca. 80-90 % landwirtschaftlicher
Bodennutzung auf den gegenwärtigen Landwirtschaftsflächen ausgehen sollten.
95
Mit der Ableitung von Szenarien zur Bewirtschaftung der Lößregion beschäftigt sich Kapitel 5.2.
Bezüglich der Änderung des Abflußregimes wären Varianten rechenbar wie:
 Absenkung oder Wiederanhebung des Grundwasserflurabstandes
 Wiedervernässung von Niedermooren
 Stillegung und Erweiterung von Dränflächen
 Stillegung und Erweiterung von Bewässerungsflächen
 Minderung des Oberflächenabflusses durch Landnutzungsänderung (Aufforstung, Ansaat von
Dauergrünland, Mulchsaat).
Mit Ausnahme der Wiedervernässung wären die anderen Maßnahmen auch in der Lößregion denkbar. Sie dürften aber nur von lokaler Bedeutung sein und Maßnahmen der veränderten Landbewirtschaftung ergänzen. Sie würden dann eine größere Bedeutung erlangen, wenn eine Minderung des
Stickstoffaustrages durch sich ändernde Landbaumaßnahmen nicht erreichbar wäre.
Von erheblichen Einfluß auf die Landnutzung und die Kulturartenverteilung sowie die Intensität der
Landbewirtschaftung ist die europäische und nationale Agrarpolitik. Sie wird insoweit berücksichtigt werden, als zu diskutieren sein wird, ob dieses oder jenes Szenario im Einklang oder im Widerspruch zur aktuellen Agrarpolitik steht.
5.2
Ableitung von Szenarien zur Bewirtschaftung des Lößgebietes
Szenarien sind in sich konsistente Eventualentwicklungen die aufzeigen, wie eine künftige Situation
Schritt für Schritt zustande kommen kann. Es handelt sich dabei nicht um Prognosen24 im engeren
Sinne, sondern um „Entwicklungspfade“, die zu möglichen Zukunftsbildern hinführen
(HIRSCHAUER, 1997). Bei der Szenariotechnik geht man davon aus, daß die Entwicklungen der
nahen Zukunft weitgehend festgelegt sind. Die fernere Zukunft ist nicht mehr durch ein einziges,
sondern mehrere Zukunftsbilder zu beschreiben (Szenariotrichter in Abbildung 5.2-1). Hierbei
können negative und positive Extremszenarien („worst case“ and „best case“-Szenario) unterschieden werden (GESCHKA & REIBNITZ, 1982). Durch die Erstellung von Szenarien wird die Verwendung unvollständiger und vager Informationsgehalte möglich.
24
Von Prognosen spricht man nur dann, wenn gezielt Wahrscheinlichkeitsverteilungen berücksichtigt werden. Dies ist
bei Szenarien nicht notwendigerweise der Fall.
96
Abb.5.2-1: Szenariotrichter, Quelle: GESCHKA & REIBNITZ (1982)
Im weiteren Bearbeitungsablauf ist vorgesehen, für das Lößgebiet ausgehend von der IST-Situation
verschiedene Szenarien abzuleiten und anhand geeigneter Indikatoren zu bewerten. In der Arbeitsberatung am 30.11.1998 im UFZ in Leipzig wurden die zu verwendenden Indikatoren, Zielwerte
und Änderungsszenarien erstmals projektübergreifend abgestimmt.
Um Aussagen für das Gesamtgebiet der Elbe treffen zu können wurde darauf orientiert, daß alle
Projektgruppen mit den gleichen Indikatoren arbeiten – hierzu wurde eine Primärliste der Indikatoren und Zielwerte erstellt. Als besonders geeigneter Indikator für die Untersuchung von Landnutzungsänderungen im Agrarbereich wird der Nan-Austrag mit dem Sickerwasser angesehen, der
dementsprechend von allen Teilprojekten einheitlich zu berücksichtigen ist. Ergänzend können
weitere Indikatoren (Sekundärliste) einbezogen werden, z.B. der N-Saldo, die NO3-Konzentration
im Grundwasser, aber auch stärker landwirtschaftsbezogene Kennzahlen wie Erträge bis hin zu
ökonomischen Kategorien (Deckungsbeitrag, Gewinn...).
Bei den Szenarien wird analog zwischen den von allen Gruppen zu bearbeitenden Hauptszenarien
(Reduzierung der landwirtschaftlichen Flächennutzung und des Düngereinsatzes) und speziellen
Szenarien (z.B. ökologischer Landbau) unterschieden.
Nach Auffassung der Arbeitsgruppe sollte sich die Ableitung von Szenarien für das Lößgebiet
weniger an extremen Umstellungen (z.B. größere Aufforstungen) orientieren - derartige Landnutzungsänderungen traten in den letzten Jahrhunderten nicht auf und sind in absehbarer Zeit für die
typischen Ackerbauregionen wenig wahrscheinlich. Vielmehr geht es um die Berechnung
realistischer Szenarien, die sich aus der heutigen Umweltsituation und –diskussion sowie den sich
abzeichnenden Änderungen der Agrar-(Umwelt)politik, aber auch aus möglichen technischen
Innovationen im Bereich der Verfahrensgestaltung ergeben können.
97
Die prinzipielle Vorgehensweise ist in Abbildung 5.2-2 dargestellt. Anzustreben ist eine ganzheitliche Bewertung der Szenarien, möglichst unter Einschluß ökonomischer Indikatoren (vgl. Netzdiagramme in Abbildung 3.2-6), um
-
Aussagen zur Umsetzbarkeit von Zukunftsvarianten treffen zu können (Ausweisung möglicher
Kosten bzw. zu erwartender Ertrags- und Gewinneinbußen in der Landwirtschaft, notwendige
Honorierung ökologischer Leistungen),
-
sicherzustellen, daß positive ökologische Effekte in einem Umweltbereich (z.B. Verminderung
der Nitratkonzentration im Sickerwasser) nicht erhebliche negative Wirkungen bei anderen
Umweltschutzgütern nach sich ziehen.
Standorttypischer Modellbetrieb
abgeleitet aus Referenzbetrieben
Ökologische Bewertung
Analyse und Bewertung der
mit Agrar-Umweltindikatoren:
Ausgangssituation-Situation:
- Nitratkonzentration im Sickerwasser
- N-Saldo u.a.
- Bewirtschaftungssystem
- Stoffhaushalt
Ökonomische Bewertung
Ökonomische Indikatoren
Identifikation von Schwachstellen
Kritische Belastungspotentiale
Veränderte Rahmenbedingungen
Szenariorechnung
Ableitung von Varianten
- Anpassung des Betriebsstruktur
Ökologische Bewertung
- Änderung des Intensitätsniveaus
mit Agrar-Umweltindikatoren:
- Änderung der Verfahrensgestaltung
- Nitratkonzentration im Sickerwasser
- N-Saldo u.a.
Wirkungen auf den
Stoffhaushalt
Ökonomische Bewertung
Ökonomische Indikatoren
Abb. 5.2-2: Prinzip-Skizze zur Ableitung und Bewertung von Szenarien
98
Es können zahlreiche Rohszenarien formuliert werden (Tabelle 5.2-1), die alle eine gewisse Praxisrelevanz aufweisen, die allerdings auch hinreichend sensible und auf die Fragestellung
zugeschnittene Modellansätze verlangen, um zu verhindern, daß die Effekte „im Rauschen der
Modelle“ untergehen. Die vorgeschlagenen Szenarien sind weiter einzugrenzen; die komplette
Durchrechnung würde die verfügbaren Kapazitäten sicher übersteigen.
Zu beachten ist, daß es für Teilbereiche bereits belastbare Zielwerte gibt (Tierbesatz, Nitratkonzentrationen im Sickerwasser), während dies für andere Indikatoren noch aussteht.
Tab. 5.2-1 Beschreibung möglicher Szenariorechnungen im Lößgebiet
Szenario
„Ordnungsgemäße
Landwirtschaft“
Vorgaben
Einhaltung der gesetzlichen
Bestimmungen, insbesondere
der Düngeverordnung
Förderprogramm
1. keine Teilnahme
„Umweltverträgliche 2. Förderstufe 1
Landwirtschaft“ (UL) 3. Förderstufe 2
4. Förderstufe 3
Umstellung auf öko- 1. Stufe: 10 % ÖL an der LF
logischen
Landbau 2. Stufe: 25 % ÖL an der LF
(ÖL)
3. Stufe: 50 % ÖL an der LF
4. Stufe: 100 % ÖL an der
LF
Begrenzung der
Mineral-N-Düngung
Festlegung standort- und
fruchtartenbezogener
Obergrenzen oder pauschale
Begrenzung je ha LF
Begrenzung der
N-Überschüsse
1.
2.
3.
4.
Begrenzung der
Nitratkonzentration
im Sickerwasser
1. Stufe: < 50 mg l-1
2. Stufe: < 25 mg l-1
Stufe: < 100 kg N ha-1 a-1
Stufe: < 75 kg N ha-1 a-1
Stufe: < 50 kg N ha-1 a-1
Stufe: < 25 kg N ha-1 a-1
Bemerkungen
Die Vorgaben der Düngeverordnung (z.B. zum Einsatz
organischer Dünger) werden in ihrer Wirkung auf den
Nitrataustrag
in
Modell-Fruchtfolgen
unter
Berücksichtigung verschiedener Standortbedingungen
bewertet.
Im Freistaat Sachsen und damit in wesentlichen Teilen
des Untersuchungsgebietes wird das Förderprogramm
„UL“ durchgeführt, das in der 1. Stufe die Anwendung
des Nmin-Verfahrens, in der 2. Stufe eine Reduzierung
der N-Düngung um 20 % und in der 3. Stufe zusätzliche
Mulchsaaten honoriert.
Derzeit nimmt der ökologische Landbau etwa 1 bis 2 %
der LF ein. Regional treten in Deutschland
Flächenanteile bis zu 10 % auf. Die Zuwachsraten sind
schwer zu prognostizieren. Mit dem ökologischen
Landbau werden zahlreiche positive Umweltwirkungen
verbunden, auch im Hinblick auf die Minderung der
Nitratausträge.
Eine Reduzierung des Mineral-N-Einsatzes ist auf
verschiedenen Wegen möglich – z.B. durch Besteuerung
oder durch feste Obergrenzen. Die Konsequenzen sind
vielfältig und durch Standorteinflüsse überprägt. Sie
betreffen die Wirtschaftlichkeit (Ertragsniveau) ebenso
wie das Nitrataustragspotential.
Ausgehend von Modellbetrieben und –regionen mit
hohen
N-Überschüssen
werden
verschiedene
Anpassungsmaßnahmen ergriffen, um die N-Salden
schrittweise zu vermindern. Die Effizienz dieser
Maßnahmen wird u.a. anhand simulierter Nitratausträge
beurteilt. Hierbei wird unterstellt, daß die Betriebe ganz
unterschiedliche Strategien (Freiräume) zur NMinderung haben.
Ausgehend von Ackerschlägen mit überhöhten
Nitratausträgen
werden
verschiedene
Minderungsstrategien simuliert und hinsichtlich ihrer
Effizienz eingeschätzt. Es werden Aussagen getroffen, ob
und
unter
welchen
Voraussetzungen
die
Nitratkonzentrationen in bestimmten Regionen (z.B. dem
Schwarzerdegebiet)
bei
ackerbaulicher
Nutzung
einzuhalten sind.
99
5.3
Raum- und Zeitskalen, Übertragung der Untersuchungen auf die Lößregion
Im Statusbericht ist deutlich geworden, daß in Raumeinheiten unterschiedlicher Größenordnung
vom Standort bis hin zur Lößregion als Ganzes gedacht und gearbeitet wird und daß Zeiträume von
Minuten bis zu Jahrzehnten zu berücksichtigen sind. In einem zeitlich befristeten und in der
Kapazität begrenzten Projekt erlangen die Bearbeitungsmaßstäbe eine außerordentlich große
Bedeutung.
Dem Projekt adäquat sind Bezugsräume, die als Bilanzräume für vertikale und laterale Wasser- und
Stoffflüsse gelten können. Daraus ergeben sich als Bezugsräume:
Standort
Ort vertikaler Wasser- und Stoffflüsse (z. B. Lysimeter)
Hydrotop
Areal gleichartigen hydrologischen Verhaltens bezüglich Wasserhaushalt und
vertikaler und lateraler wassergebundener Stoffflüsse
Hydrotopgefüge
Gruppe vernetzter, verschiedenartiger Hydrotope (z. B. in einem Dellensystem; Talhang zwischen zwei Nebenbächen; Abschnitt einer Talaue)
Einzugsgebiete
hierarchisch geordnete, oberirdische und unterirdische Einzugsgebiete unterschiedlicher Größenordnung; Kleinsteinzugsgebiete setzen sich aus mehreren
Hydrotopgefügen zusammen.
Abgesehen von Pegelmessungen beziehen sich die Daten, die der Untersuchung zugrundegelegt
werden, nicht auf die genannten Raumkategorien, sondern sie müssen auf diese transformiert
werden. Eine Transformation ist aber immer nur für maßstabsädäquate Daten möglich. Große
Schwierigkeiten ergeben sich daraus, daß die Bezugssysteme für raumbezogene Daten völlig
unterschiedlich sind. Die Naturraumerkundung verwendet Standort, Top, Nanochore, Mikrochore,
Mesochore, Region. Die Kulturraumforschung verwendet landnutzungsbestimmte Landschaftselemente, Landschaftseinheiten (mehrerer Dimensionsstufen), Landschaftsregion. Die Daten der
landwirtschaftlichen Bodennutzung beziehen sich auf Schlag, Betrieb (die sehr unterschiedlich groß
sein können), Gemeinde, Verwaltungsgemeinschaft, Kreis usw.. Die Bodenkunde hat ihre eigenen
räumlichen Systeme, die an Landesgrenzen oft nicht zusammenpassen, weil die Aggregation zu
Bodenformengesellschaften jeweils andere sind. Klimadaten werden punktuell erfaßt und mit
verschiedenen Verfahren auf die Fläche übertragen. Hinzu kommen Rasterdaten, etwa aus der
Fernerkundung oder auf Raster transformierte Daten. Die Folge dieser Situation ist, daß der Aufbau
der Datenspeicher und die Datenverarbeitung in GIS zwangsläufig sehr aufwendig ist. Oft werden
die Areale der Datenschichten zu kleinsten gemeinsamen Geometrien verschnitten. Damit ist das
Problem der Zuordnung dieser kleinsten Geometrien zu Hydrotopen und Hydrotopgefügen in keiner
100
Weise gelöst. Außerdem übersteigt die Anzahl der Objekte sehr schnell die Kapazität der
verfügbaren Rechner. Wir bemühen uns um maßstabsgerechte Fragestellungen und Arbeitsansätze.
Die Untersuchungen am Standort dienen dem Prozeßverständnis, insbesondere auch der zeitlichen
Variabilität der Prozesse vom Tagesgang bis zum Vieljahresverlauf. Sie dienen weiterhin der
Modellvalidierung. Eigene Standortuntersuchungen sind nicht Gegenstand des Projektes. Es wird
aber auf verfügbare Untersuchungsergebnisse zugegriffen (Lysimeteruntersuchungen, landwirtschaftliche Versuchsreihen).
Die Untersuchungen im Einzugsgebiet der Parthe dienen der Kopplung mehrerer Kompartimente
im System Kleineinzugsgebiet sowie der Auswahl der Indikatoren für die Untersuchung im
Einzugsgebiet der mittleren Mulde.
Der bisherige Arbeitsstand bietet keinen Anlaß von der im Projektantrag ausgearbeitete Konzeption
zur Verbindung der Teilmodelle 'Betrieb', 'Oberflächenabtrag ', 'ungesättigte Zone', 'Grundwasser/
oberirdische Fließgewässer' abzuweichen. Einige der Module sind noch in der Bearbeitungs bzw.
Anpassungsphase, so daß noch keine Ergebnisse zur Verbindung der einzelnen Modelle vorliegen.
Zur Zeit wird an der technischen Realisierung der Datenkopplung zwischen REPRO->CANDY und
CANDY->PART gearbeitet. Die erforderlichen Dateistrukturen wurden zwischen den einzelnen
Bearbeitern festgelegt. In einem ersten Beispiel (Betrieb Fuchshain) wurde der Datenaustausch auf
manuellem Niveau zwischen REPRO und CANDY vollzogen. Für die Anpassung der CANDYErgebnisse an das PART-Modell wurde eine erste Version zur Abbildung der CANDY-Objekte auf
das PART-Raster erstellt.
Eine Reihe von Indikatoren haben sich als gut geeignet auch für Überblicksuntersuchungen
erwiesen, z. B. der Nan-Austrag über die Gewässer das Stickstoffsaldo eines Schlages oder
Betriebes, der NO3-Gehalt des Sicker- bzw. Grundwassers, die nutzbare Feldkapazität und die
Hauptarten der Landnutzung.
Die Bestimmung geeigneter Indikatoren für den Nitrataustrag mit dem Grundwasser steht noch in
der Diskussion. Wenn das Grundwasser in die Untersuchungen zum Nitrataustrag aus einem Flußeinzugsgebiet mit einbezogen wird, zeigt sich sehr schnell, daß zum Beispiel der Stickstoffbilanzüberschuß auf einer bestimmten Fläche in erster Linie die Belastungssituation für die Bodenzone kennzeichnet. Um das Gesamtbild und die Trends der Eintragssituation in die oberirdischen
Fließgewässer zu erfassen, sind die Denitrifikationsprozesse/-potentiale in der Aerationszone und
beim Grundwassertransport unbedingt zu berücksichtigen.
101
Bei den diffusen Stoffeinträgen (speziell Nitrat) in die oberirdischen Fließgewässer sind zwischen
dem Tiefland und dem Mittelgebirgsraum generelle Unterschiede festzustellen. So werden im
Gebirgsraum wesentlich höhere Nitratkonzentration in den oberirdischen Fließgewässern gemessen,
als dies im Flachland mit höheren Aufenthaltszeiten des Grundwassers im Untergrund der Fall ist.
Aber auch innerhalb einer Region, eines Flußgebietes können Bereiche mit höherem und sehr geringem Austragspotential unterschieden werden. Diese Effekte sind im Einzugsgebiet der Parthe
deutlich vorhanden. Einerseits schwanken die Nitratwerte im Grundwasser saisonal, andererseits
gibt es aber räumlich eindeutige Variationen. Indikatoren für den diffusen Nitrateintrag in die oberirdischen Fließgewässer sind jedoch kaum pauschal zu formulieren. In der gesättigten und
ungesättigten Zone bestimmen dynamische Größen wie Niederschlagsdargebot, Verfügbarkeit an
gelösten
organischen
Kohlenstoff,
Schwankungen
des
Grundwasserspiegels,
Stauwasser-
ausprägungen, Fließ- und Sickerzeiten bei der Untergrundpassage, (auch temperaturabhängige)
Aktivität der an der Nitratreduktion beteiligten Mikroorganismen sowie die eher stabilen Größen
wie Mächtigkeit der Grundwasserüberdeckung, bodenphysikalische Kennwerte und geochemisches
Milieu entscheidend die Relevanz des landwirtschaftlichen Stickstoffbilanzüberschusses für den
diffusen Stoffeintrag in die oberirdischen Fließgewässer. Diese Faktoren begründen für die
Flußgebiete verschiedene Austragscharakteristiken (Zeitfaktor, Stoffpool) und somit möglicherweise gebietsspezifische Indikatorenwerte bei der Sanierung.
Vor diesem Hintergrund wird deutlich, daß im Ergebnis der zu leistenden Forschungsarbeit Indikatoren für das Flußeinzugsgebiet der Parthe zu erarbeiten und auf ihre Regionalisierbarkeit hin zu
überprüfen sind. Als Indikator für die Erreichung und Einhaltung einer maximalen Nitratkonzentration im Grundwasser zum Zwecke einer anzustrebenden Reduzierung des Nitratgehaltes im
Grundwassers möchten wir einen repräsentativen Überwachungswert zur Diskussion stellen. Dieser
ist aus Bereichen des Einzugsgebietes mit hohen Nitratwerten zu gewinnen, welche sich bei sonst
gleicher Belastung auf einen geringen Stoffabbau und -rückhalt am Standort zurückführen läßt. Dort
wäre ein Gütepegel zu nutzen, welcher den Indikatorgrenzwert im Sinne der Einhaltung eines
Grenzwertes in einem bestimmten Beprobungsrhythmus überwacht. Dieses Verfahren ist in der
Lage eine geforderte Grundwasserqualität zur Trinkwassergewinnung zu überwachen, kann aber
nicht a priori als hinreichendes Kriterium für die Einstellung des Zielwertes für der Nitratkonzentration im oberirdischen Gebietsabfluß angesehen werden.
In den Untersuchungen im Einzugsgebiet der mittleren Mulde sollen als Basiseinheiten Hydrotopgefüge und Kleinsteinzugsgebiete verwendet werden. Diesen sollen typische Agrarbetriebe zuge102
ordnet werden. Damit bewegt man sich etwa auf dem gleichen Nivau der Raumgrößen. Angestrebt
wird eine differenzierte Aussage über den Wasserhaushalt kleiner Einzugsgebiete und die an das
Wasser gebundenen Stickstoffausträge. Über die Typisierung der Kleineinzugsgebiete soll eine
Übertragung auf gleichartige Typen von Kleineinzugsgebieten im Lößgebiet erfolgen. Neben der
Übertragung von Typaussagen werden Kalkulationen für einzelne Kompartimente des Stoff- bzw.
Wasserhaushaltes wie in Kapitel 4.5 und 4.6 gezeigt, für die Lößregion vorgenommen. Hinzu
kommt die Auswertung von Forschungsprojekten insbesondere zum Schwarzerdegebiet , die an der
Sektion Bodenforschung, im Projektbereich Naturnahe Landschaften und an der Landwirtschaftlichen Fakultät der MLU Halle-Wittenberg durchgeführt werden.
103
6 Literatur
ALTERMANN, M. (1992): Kennzeichnung der natürlichen Standortbedingungen der Versuchsstation Seehausen. In: ROST,
D. & W. SCHÖBERLEIN (Hg.): Erkenntnisgewinn über Boden, Pflanze und Umwelt durch feld-experimentelle
Arbeit. Kongress- u. Tagungsberichte der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg 6, S. 42-60
BACH, M. & H.-G. FREDE (1999): Regionalisierung als methodische Aufgabe im Sonderforschungsbereich 299
„Landnutzungskonzepte für periphere Regionen„. In: Steinhardt, U. & M. Volk (Hg. 1999): Regionalisierung
in der Landschaftsökologie. Stuttgart-Leipzig, S. 58-66
BAUER, S., G. BECKMANN & D. PICK (1996): SCOPE - Strategien der ländlichen Regionalentwicklung in Europa.
In:Informationen zur Raumentwicklung, H. 11/12 1996, Ländliche Räume - Rural Areas - Escapes Rurales.
Ländliche Entwicklung im internationalen Vergleich. Bundesforschungsanstalt für Landeskunde und
Raumordnung, Bonn, S. 833- 846
BEBLIK, A. J. & U. GRÜNEWALD (1998):Modellkonzept zum Stickstoff-Haushalt im mesoskaligen Gebietsmaßstab. In:
Forum der Forschung 3(1998)7, S.35-40, BTU Cottbus
BEHREND, H. (1996): Quantifizierung der Nährstoffeinträge aus Flußgebieten des Landes Mecklenburg-Vorpommern.
Studie im Auftrag des Landesamtes für Umwelt und Natur des Landes Mecklenburg-Vorpommern. Institut für
Gewässerökologie und Binnenfischerei im Forschungsverbund Berlin e. V.. Berlin
BIERMANN, S. (1995): Flächendeckende, räumlich differenzierte Untersuchung von Stickstoffflüssen für das Gebiet der
neuen Bundesländer. Verlag Shaker Aachen
BONGARTZ, K. (1999): Ableitung von Flächen mit homogener Systemantwort (HRU’s zur Parametrisierung
hydrologisch relevanter Prozesse am Beispiel eines Thüringer Vorfluters. In: 4. Tagung zur Geographischen
Umweltforschung in Mitteldeutschland im Rahmen des Universitätsverbundes Halle-Jena-Leipzig, 15.-16. 04.
1999 in Leipzig, Thesen
BRÄUER, K. (1998): Anwendung geostatistischer Methoden zur Bearbeitung von Meßdaten zur Grundwasserbeschaffenheit. Diplomarbeit (unveröffenlicht). TU Dresden, Institut für Grundwasserwirtschaft
BUNDESMINISTERIUM FÜR BILDUNG, WISSENSCHAFT, FORSCHUNG UND TECHNOLOGIE (1997): Forschung für die
Umwelt. Programm der Bundesregierung. Bonn
BUNDESMINISTERIUM FÜR UMWELT, NATURSCHUTZ UND REAKTORSICHERHEIT (1998): Nachhaltige Entwicklung in
Deutschland. Entwurf eines umweltpolitischen Schwerpunktprogramms. Bonn
104
CANDY-ANWENDERDOKUMENTATION UNVERÖFFTL. 1997
DATEN UND DRAINAGEKARTEN DES EHEMALIGEN MELIORATIONSBETRIEBES DES ALTKREISES WURZEN. Bereitgestellt
durch Umwelt & Tiefbau GmbH Beucha.
DIEPENBROCK, W. & K.-J. HÜLSBERGEN (1996): Langzeiteffekte des ökologischen Landbaus auf Fauna, Flora und
Boden. Forschungsprojekt an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg,
ISBN 3-86010-009-2, S. 1-13
DIEPENBROCK, W., K.-J. HÜLSBERGEN & D. ROST (1999): Informationssystem „Agrar-Umweltindikatoren„ und
Betriebsbilanzierungsmodell REPRO. Forschungsbericht im Auftrag des Ministeriums für Ernährung,
Landwirtschaft und Forsten des Landes Sachsen-Anhalt, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
DREYER, U., R. FRÖMMICHEN, B. KARRASCH & M. RODE (1998): Dynamik des Stoffhaushaltes im Ökosystem Elbe. In:
Jahresbericht/Annual Report 1996-1997, Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH,
S.36 - 43
DUBSKY, G., K.-J. HÜLSBERGEN & W. DIEPENBROCK (1997): REPRO - Stoff- und Energiebilanzierung
landwirtschaftlicher Betriebe. Beitrag zum Workshop „Werkzeuge für Modellbildung und Simulation in
Umweltanwendungen„ der Ges. für Informatik am 5./6. Juni 1997 in Osnabrück
DVWK (1996): Ermittlung der Verdunstung von Land- und Wasserflächen. Bonn, H.238
ELBEBERICHT (1993): Gewässergütebericht Elbe 1993, Freistaat Sachsen, Landesamt für Umwelt und Geologie,
Dresden
FOHRER, N., B. GÖBEL, S. HAVERKAMP, P. BASTIAN & H.-G. FREDE (1999): Regionalisierungsansätze bei der GISgestützten Modellierung des Landschaftswasserhaushaltes im SFB 299: „Landnutzungskonzepte für periphere
Regionen„. In: Steinhardt, U. & M. Volk (Hg. 1999): Regionalisierung in der Landschaftsökologie. StuttgartLeipzig, S.96-108
FRANKO, U. & B. OELSCHLÄGEL (1993): CANDY. In: Simulationsmodell zur Stickstoffdynamik. Schriftenreihe
Agrarinformatik, Stuttgart, 25, S. 99-110
FRANKO, U & B. OELSCHLÄGEL (1995): Simulation of Temperature-, Water- and Nitrogen dynamics using the Model
CANDY: Ecol. Model., 81: 213-222
FRANKO, U., B. OELSCHLEGEL & S. SCHENK (1995): Modellierung von Bodenprozessen in Agrarlandschaften zur
Untersuchung der Auswirkungen möglicher Klimaveränderungen. UFZ-Bericht, 3, Leipzig
105
FRANKO, U., S. SCHENK, P. DEBEVC, P. PETERSOHN & G. SCHRAMM (1997): Einfluß von Standort und Bewirtschaftung
auf den N-Austrag aus Agrarökosystemen. In: UFZ-Bericht, 10/1997, Leipzig
FRANKO, U., G.J. CROCKER, P.R. GRACE, J. KLIR, M. KÖRSCHENS, P.R. POULTON & D.D. RICHTER (1997):
Simulating trends in soil organic carbon in long-term experiments using the
CANDY model. Geoderma, 81, 109-120
FRIELINGHAUS, M. & B. WINNIGE IN: BEHRENDT, H. et al., 1995
GERDS, W., U. JÄGER, CH. FRANKE & J. TREMMEL (1988): Potentielle Trinkwassergefährdung durch landwirtschaftliche
Pflanzenproduktion am Beispiel eines Lößstandortes. Wiss. Mitt. IGG Leipzig, 28, S. 47-70
GESCHKA, H. & U. V. REIBNITZ (1982): Die Szenario-Technik. Ein Instrument der Zukunftsanalyse und der strategischen
Planung. In: TÖPFER, A. & AFHELDT, H. (Hg.): Praxis der strategischen Unternehmensplanung. Frankfurt, S.
125-170
GLUGLA,
G.
(1969):
Berechnungsverfahren
zur
Ermittlung
des
aktuellen
Wassergehaltes
und
Gravitationswasserabflusses im Boden. A.-Thaer Archiv, 13, Berlin, S. 371-376
GROUND FOR CHOISES (1992): Four perspectives for the rural areas in the European Community. Netherlands Scientific
Council for Government Policy. Reports to the Government, Nr. 42
HABER, W. (1998): Das Konzept der differenzierten Landnutzung - Grundlage für Naturschutz und nachhaltige
Naturnutzung. In: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Ziele des
Naturschutzes und einer nachhaltigen Naturnutzung in Deutschland, Bonn, S. 57-64
HARENZ, H. (1989): Probleme der Schließung des Phosphorkreislaufes. – In: Nachrichten Mensch – Umwelt, Akademie
der Wissenschaften der DDR (Hg.) S. 23 – 52, 3/1989
HIRSCHAUER, N. (1997): Früherkennung unternehmensrelevanter Entwicklungen im Umweltbereich. In: BIRKNER, U. &
R. DOLUSCHITZ (Hg.): Betriebliches Umweltmanagement in der Land- und Ernährungswirtschaft. Deutscher
Landwirtschaftsverlag Berlin, S. 108-119
HÜLSBERGEN, K.-J. (1990): Methodik zur Quantifizierung von Stoffflüssen im System Boden - Pflanze - Tier und
Ableitung von Parametern des natürlichen Reproduktionsprozesses als Grundlage rechnergestützter Analysen
in Landwirtschaftsbetrieben. Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
106
HÜLSBERGEN, K.-J., K. RAUHE, H. SCHARF & H. MATTHIES (1992): Langjähriger Einfluß organisch-mineralischer
Düngung auf Ertrag, Humusgehalt und Stickstoffverwertung. Kühn-Arch. 86, 2,
S. 11-24
HÜLSBERGEN, K.-J. & W. DIEPENBROCK (1997): Das Modell REPRO zur Analyse und Bewertung von Stoff- und
Energieflüssen in Landwirtschaftsbetrieben. In: DBU (Hg.): Umweltverträgliche Pflanzenproduktion Indikatoren, Bilanzierungsansätze und ihre Einbindung in Ökobilanzen. Zeller Verlag Osnabrück,
S. 159-185
HÜLSBERGEN, K.-J., S. BIERMANN, K. WARNSTOFF & W. DIEPENBROCK (1997): Untersuchungen zum Einfluß von
Standort und Bewirtschaftung auf die Stickstoffbilanz der neuen Bundesländer anhand historischer
Betriebsdaten. Pflanzenbauwissenschaften 2, 2, S. 63-72
IKSE (1997): Internationale Kommission zum Schutz der Elbe. Gewässergütebericht Elbe 1995 mit Zahlentafeln.
Magdeburg 1997
KALK, W.-D., S. BIERMANN & K.-J. HÜLSBERGEN (1995): Standort- und betriebsbezogene Stoff- und Energiebilanzen
zur Charakterisierung der Landnutzungsintensität. ATB- Berichte 10
KALK, W.-D. & K.-J. HÜLSBERGEN (1996): Methodik zur Einbeziehung des indirekten Energieverbrauchs mit
Investitionsgütern in Energiebilanzen von Landwirtschaftsbetrieben. Kühn-Arch. 90, 1, S. 41-56
KALK, W.-D. & K.-J. HÜLSBERGEN (1997): Energiebilanz - Methode und Anwendung als Agrar-Umwelt-indikator. In:
DBU (Hg.): Umweltverträgliche Pflanzenproduktion - Indikatoren, Bilanzierungsansätze und ihre Einbindung
in Ökobilanzen. Zeller Verlag Osnabrück, S. 31-43
KEESE, U. & S. KNAPPE (1995): Einfluß unterschiedlicher Lysimetertiefen auf
Wasser- und Stoffhaushalt
grundwasserferner Standorte am Beispiel von zwei Sandlößböden- Ergebnisse aus der Lysimeterstation
Brandis. In: 5.Gumpensteiner Lysimetertagung, Gumpenstein, S.61-68
KLEEBERG ET AL.(1998): Kontinuierlicher Abfluß und Stofftransprt – Integrierte Modellierung unter Nutzung von
Geoinformationssystemen (ASGi). Neubiberg
KOITSCH, R. & R. GÜNTHER (1990): Modell zur ganzjährigen Simulation der Verdunstung und der Bodenfeuchte
landwirtschaftlicher Nutzflächen mit und ohne Bewuchs. Arch. Acker- u. Pflanzenbau und Bodenkd., Vol. 34,
Hft. 12, Berlin, S.803-810
KREISCHE, E. & F. KÖRSCHENS (1996): Untersuchungen zur Dynamik des Wasserhaushaltes und des Temperaturregimes
in Böden des Ökohofes Seeben. In: DIEPENBROCK, W. & K.-J. HÜLSBERGEN (Hg.): Langzeiteffekte des
107
ökologischen Landbaus auf Fauna, Flora und Boden. Forschungsprojekt an der Martin-Luther-Universität
Halle-Wittenberg, ISBN 3-86010-009-2, S. 37-44
KUNKEL, R. & F. WENDLAND (1998): Der Landschaftswasserhaushalt im Flußgebiet der Elbe - Verfahren,
Datengrundlagen und Bilanzgrößen. Analyse von Wasserhaushalt, Verweilzeiten und Grundwasserminieu im
Flußeinzugsgebiet der Elbe (Deutscher Teil), Abschlußbericht Teil 1 (FKZ BMBF 07FIT014). Schriften des
Forschungszentrums Jülich. Reihe Umwelt/Environment, Bd.12,
KURZER, H. J., J. BUFE & L. SUNTHEIM (1998): Nitratbericht 1996/97 unter Berücksichtigung der Untersuchungen ab
1990. Schriftenreihe der Sächsischen Landesanstalt für Landwirtschaft, H. 1
LAUCKNER, M. (1964): Landschaftsökologische Untersuchungen im Nordwestsächsischen Raum. Wissenschaftl.
Veröffentlichungen des Dtsch. Inst. f. Länderkunde, Leipzig, S. 133-177
LEITHOLD, G., K.-J. HÜLSBERGEN, D. MICHEL & H. SCHÖNMEIER (1997): Humusbilanzierung - Methoden und
Anwendung als Agrar-Umweltindikator. In: DBU (Hg.): Umweltverträgliche Pflanzenproduktion Indikatoren, Bilanzierungsansätze und ihre Einbindung in Ökobilanzen. Zeller Verlag Osnabrück,
S. 43-55
LIEBEROTH, I. (1982): Bodenkunde. Deutscher Landwirtschaftsverlag Berlin
MATOLIN, S. (1998): Interpretation der für das Einzugsgebiet der Parthe vorliegenden Grundwasser- und
Oberflächenwasseranalysen in Bezug auf den Stickstoffhaushalt, Diplomarbeit (unveröffentlicht),
Berufsakademie Sachsen, Staatliche Studienakademie Riesa
MEHLERT, S. (1996): Untersuchungen zur atmogenen Stickstoffdeposition und zur Nitratverlagerung. Diss. Univ.
Hamburg, UFZ-Bericht 22
MEWES, M. (1999): Drainagen im Muldeeinzugsgebiet. UFZ, Praktikumsbericht
MINISTERIUM FÜR RAUMORDNUNG, LANDWIRTSCHAFT UND UMWELT des Landes Sachsen-Anhalt (Hg.) (1996):
Agraratlas des Landes Sachsen-Anhalt
NOLTE, C., W. WERNER u. a. (1991): Stickstoff- und Phosphateintrag über diffuse Quellen in Fließgewässer des
Elbeeinzugsgebietes im Bereich der ehemaligen DDR. Umweltforschungsplan BMU, Forsch.vorh. Wasser
10204382 i. A. d. Umweltbundesamtes Berlin, April 1991 (Schriftenreihe Agrarspectrum des Dachverbandes
Wissenschaftlicher Gesellschaften der Agrar-, Forst-, Ernährungs-, Veterinär- und Umweltforschung, Bd. 19
NOLTE, C. & W. WERNER (1991): Stickstoff- und Phosphateintrag über diffuse Quellen in Fließgewässer des
Elbeeinzugsgebietes im Bereich der ehemaligen DDR. S. 114
108
OECD (1998): Report of the OECD Workshop on Agri-Environmental Indikators. York, September 1998. OECD,
Paris, COM/AGR/CA/ENV/EPOC (98) 136
PARRIS, K. (1998): Agricultural nutrient balances as agri-environmental indicators: an OECD perspective.
Environmental Pollution 102, S1, 219-225
PESCHKE, G., C. ETZENBERG, G. MÜLLER, J. TÖPFER & S. ZIMMERMANN (1998): Das wissensbasierte System FLAB –
ein Instrument zur rechnergestützten Bestimmung von Landschaftseinheiten mit gleicher Abflußbildung, IHISchriften, Heft 10, Jahrgang 1999, Internationales Hochschulinstitut Zittau
PRETSCHOLD, H.-H. (1963): Die hydrogeologische Kartierung des Parthegebietes.- Halle 1963 (unveröff. Forschungsbericht der Wasserwirtschaftsdirektion Saale - Elster)
RAU, S. (1999): Der Einfluß von Gewässerrandstreifen auf Stoffflüsse in Landschaften. Einsatz eines mobilen Pen Computers zur Kartierung im Einzugsgebiet der Parthe. Diplomarbeit, Leipzig, 135 S.
RICHTER, D. (1995): Ergebnisse methodischer Untersuchungen zur Korrektur des Systematischen Meßfehlers des
Hellmann-Niederschlagsmessers.- Berichte des Deutschen Wetterdienstes Nr. 194, 93. S., Offenbach/M.
ROHMANN, U. & H. SONTHEIMER (1995): Nitrat im Grundwasser: Ursachen, Bedeutung, Lösungswege; Karlsruhe
ROSENKRANZ, D. (1998): Minderung eutrophierender Stoffe - Erfordernisse des Naturschutzes. In: Bundesministerium
für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Ziele des Naturschutzes und einer nachhaltigen Naturnutzung
in Deutschland, Bonn, S. 65-76
RUSSOW, R. ET AL. (1995): Untersuchungen zur N-Transformation und zum N-Transfer in ausgewählten
Agrarökosystemen mittels der Stabilisotopen-Technik. In: Strategien zur Regeneration belasteter
Agrarökosysteme des mitteldeutschen Schwarzerdegebietes, Leipzig, S.131-167
RUSSOW, R., S. MEHLERT & M. KÖRSCHENS (1998): Unfreiwillige Düngung aus der Luft. In: Jahresbericht/Annual
Report 1996-1997, Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, S.10 - 14

SAMES, D. & S. BOY (1997): PCGEOFIM - Anwenderdokumentation. Ingenieurbüro für Grundwasser Leipzig
SCHOLZ, G. (1997): Quantifizierung des Einflusses von Dränen auf die Stickstoffbelastung von Fließgewässern in
Mecklenburg-Vorpommern. Diplomarbeit
SCHULLA (1997): Hydrologische Modellierung von Flussgebieten zur Abschätzung der Folgen von Klimaänderungen.
ETH-Diss 12018, Geographisches Institut der ETH Zürich.
109
SCHWARZE, R., U. GRÜNEWALD, A. J. BEBLIK, W. DRÖGE & F.DRELOW (1998): Potentielle Auswirkungen von
Umweltveränderungen auf das Fließweg- und -zeitverhalten verschiedener Abflußkomponenten und den
daran gekoppelten flächennutzungsabhängigen Stickstoffaustrag aus den Festgesteinseinzugsgebieten der
Elbe. TU Dresden, BTU Cottbus, Zwischenbericht
SPENGLER, R. (1964): Der Einfluß der Geofaktoren auf die hydrologischen Verhältnisse des Pleißegebietes.
Wissenschaftl. Veröffentlichungen des Dtsch. Inst. f. Länderkunde, Leipzig, S. 267-313
SPENGLER, R. (1973): Beiträge zur Ermittlung der Grundwasserneubildung und des Grundwasserdargebotes im
Lockergesteinsbereich, dargestellt am Parthegebiet. Martin-Luther Universität Halle, Diss. 1973.
STAUDENRAUSCH, H. (1999): Hydrotopologische Modellierung mit GIS. In: 4. Tagung zur Geographischen
Umweltforschung in Mitteldeutschland im Rahmen des Universitätsverbundes Halle-Jena-Leipzig,
15.-16. 04. 1999 in Leipzig, Thesen
SIEGERT, W. (1983): Der natürliche Reproduktionsprozeß der Landwirtschaft - Grundlagen und Methoden seiner
Analyse und Beurteilung, dargestellt an Kooperationen typischer Ackerbaugebiete. Dissertation, MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg
TIETJE, O. & M. TAPKENHINRICHS (1993): Evaluation of Pedo-Transfer-Functions.- Soil Sc.Soc.Am.J. 57:
1088-1095
UPPENBRINK, M. (1998): Grundlagen von Zielbestimmungen des Naturschutzes in Deutschland. In: Bundesministerium
für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Ziele des Naturschutzes und einer nachhaltigen Naturnutzung
in Deutschland, Bonn, S. 17-27
WENDLAND, F., H. ALBERT, H. BACH & R. SCHMIDT (1993): Atlas zum Nitratstrom in der Bundesrepublik Deutschland.
Springer, Berlin, Heidelberg
WENDLAND, F. & R. KUNKEL (1999): Das Nitratabbauvermögen im Grundwasser des Elbeeinzugsgebietes. Analyse von
Wasserhaushalt, Verweilzeiten und Grundwassermilieu im Flußeinzugsgebiet der Elbe (Deutscher Teil),
Abschlußbericht Teil 2 (FKZ BMBF 07FIT014). Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe
Umwelt/Environment, Bd.13
WERNER, W. & H.-P. WODSAK (HRSG.) (1994): Stickstoff- und Phosphateintrag in die Fließgewässer Deutschlands unter
besonderer Berücksichtigung des Eintragsgeschehens im Lockergesteinsbereich der ehemaligen DDR.
Schriftenreihe Agrarspectrum des Dachverbandes Wissenschaftlicher Gesellschaften der Agrar-, Forst-,
Ernährungs-, Veterinär- und Umweltforschung, Bd. 22
110
WIEDENROTH, E.-M. (1964): Vegetationskundliche Untersuchungen im Parthegebiet, ein Beitrag zur Kenntnis des
Landschaftswasserhaushaltes Nordwestsachsens.- Halle, S. 53-107 (Wissenschaftliche Zeitschrift der MartinLuther-Universität, Sonderheft)
WODSAK, H.-P., H. BEHRENDT & W. WERNER (1994): Prognose der Veränderungen in der Belastungssituation bis 1995
unter besonderer Berücksichtigung der neuen Bundesländer. – In: Werner. W. & H.-P. Wodsak (Hg.)
Stickstoff- und Phosphateintrag in die Fließgewässer Deutschlands unter besonderer Berücksichtigung des
Eintragsgeschehens im Lockergesteinsbereich der ehemaligen DDR, Schriftenreihe agrarspectrum
WOITHE, F. (1998): Ermittlung modellrelevanter Bodenparameter für das Einzugsgebiet der mittleren Mulde.
Praktikumsbericht, UFZ Leipzig
YOUNG, R.A. ET AL. (1982): AN EVALUATION SYSTEM TO RATE FEEDLOT POLLUTION POTENTIAL. U.S. DEP. AGRIC.;
AGRIC. RES. SERV. AGRIC. REV. MAN. NORTH CENT. SER. ARM - NC - 17.
WMO: INTERCOMPARISON OF CONCEPTIONAL MODELS USE IN OPERATIONAL HYDROLOGICAL FORCASTING. OPERATIONAL
HYDROLOGY REPORT NO. 7, WMO-NO. 429, WMO, GENEVA, 1975.
YOUNG, R.A. ET AL. (1989): AGNPS: A NONPOINT - SOURCE POLLUTION MODEL FOR EVALUATING AGRICULTURAL
WATERSHEDS. JOURNAL OF SOIL AND WATER CONS. (44).
111