Anmooriger Bereich im Einzugsgebiet des Demnitzer Mühlenfließes. Moorflächen sind wichtige Pufferzonen, um die Nitratbelastung zu reduzieren. | Photo: T. Goldhammer
Es ist bereits bekannt, dass sich der Eintrag von biologisch verfügbarem Stickstoff in die terrestrische Biosphäre im Vergleich zu den vorindustriellen Werten verdoppelt hat — hauptsächlich durch synthetische und organische Düngemittel auf landwirtschaftlichen Flächen (Galloway et al., 2004). Infolgedessen hat sich der weltweite Eintrag von gelöstem organischen Stickstoff in die Flüsse im gleichen Zeitraum versechsfacht (Green et al., 2004).
Trotz weniger Düngemittel bleiben Altlasten ein Problem
In der Natur kommt Stickstoff häufig in Form von Nitrat vor, das sich vor allem infolge landwirtschaftlicher Praktiken in Böden und Grundwasser anreichert. Diese hohen Altlasten könnten noch viele weitere Jahre die Oberflächengewässer verschmutzen — und das obwohl der Düngemitteleintrag durch strengere Umweltvorschriften in den letzten Jahrzehnten gesunken ist. „Um diese Belastungen reduzieren zu können, muss man die Dynamik von Nitrat in der Landschaft verstehen. Wir haben die wichtigsten Einflussfaktoren auf die räumliche und zeitliche Verteilung und den Abbau von Nitrat in der Landschaft erforscht“, erläutert IGB-Forscherin Dörthe Tetzlaff, die die Studie durchgeführt hat.
Die Verteilung und der Abbau von Nitrat hängt von den Quellen, den hydrologischen Verbindungen zwischen Landschaft, Grundwasser und Oberflächengewässern und den biogeochemischen Umwandlungen und Abbauprozessen entlang der Fließwege ab. In Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Magdeburg wendeten die Forschenden das gitterbasierte Modell „mesoscale Hydrologic Model mHM-Nitrate“ auf ein gemischt genutztes Einzugsgebiet im nordostdeutschen Tiefland an – das Langzeituntersuchungsgebiet Demnitzer Mühlenfließ — und validierten es mit Langzeitdaten aus der Feldforschung. „Unsere Modellanwendung hat gezeigt, dass wir mit mHM-Nitrate robuste räumlich verteilte Simulationen der hydrologischen Verbindungen und Nitrat-Flüsse über einen langen Zeitraum bekommen und die wichtigsten Kontrollfaktoren erfolgreich differenzieren können“, erläutert Dörthe Tetzlaff.
Nitrat verbleibt in Trockenzeiten im Boden; der Anteil an Uferfeuchtgebieten ist zu gering, um Nitrat maßgeblich aus der Landschaft zu entfernen
Landschaftsmerkmale wie die Vegetationsbedeckung und das Ausmaß der Nitrateinträge bestimmten maßgeblich die räumlichen Muster der Wasser- und Nitratflüsse. Die Niederschlagsbedingungen bestimmten die zeitliche Nitratdynamik, indem sie die hydrologische Konnektivität und die Mobilisierung von Nitrat aus dem Boden regulierten. Die simulierten Nitratwerte in den Bodenschichten zeigten, dass Nitrat in Trockenperioden aufgrund des geringeren vertikalen Transports in der Bodenzone zurückgehalten wurde. Folglich wies die zwischenjährliche Nitratdynamik einen Wechsel zwischen Akkumulation und Auswaschung in trockenen und nassen Jahren auf. Die Sensitivitätsanalyse ergab auch, dass die biogeochemischen Umwandlungen eng mit dem hydrologischen Transport verbunden waren. In trockenen Jahren war der Abbau von Nitrat deutlich geringer als in den Jahren mit mehr Niederschlag. Die Wiederherstellung von Feuchtgebieten verringerte den Nitratexport um 10 Prozent – eine überraschend geringe Auswirkung.
„Die Studie macht deutlich, dass die wiedervernässten Flächen nicht ausreichen und weitere Feuchtgebiete erforderlich sind, um die Nitratbelastung im Demnitzer Mühlenfließ zu reduzieren. Dies ist insbesondere wichtig, weil im Klimawandel die Trockenheit zunehmen und damit auch der Abbau von Nitrat geringer sein wird“, sagt Dörthe Tetzlaff.
Lösungsansätze im Modell getestet
Das Team analysierte in einer weiteren Studie unter Leitung von Xiaoqiang Yang vom UFZ verschiedene Lösungsansätze: Die Düngemittelszenarien verdeutlichten, dass der geringere Düngemitteleinsatz unter Dürrebedingungen starke Abschwächungseffekte hat und dramatisch erhöhte Belastungen weitgehend verhindert. Die räumlich differenzierte Analyse zeigte, dass Maßnahmen zur Reduzierung von Stickstoffquellen in den oberen Einzugsgebieten von Gewässern einen besonders weiträumigen Effekt hatten.
„Eine höhere Retention im Einzugsgebiet – beispielsweise durch künstliche oder renaturierte Feuchtgebiete als Pufferzonen – könnte eine kosteneffiziente Maßnahme sein, um die Stickstofflast von Gewässern zu reduzieren. Die Sanierung der landwirtschaftlichen Stickstoff-Altlasten in Regionen, wo wenig Stickstoff abtransportiert wird, bleibt jedoch eine langfristige Herausforderung“, resümiert Dörthe Tetzlaff. Die verbesserte Wissensbasis kann die Entscheidungsfindung für nachhaltige Lösungen zwischen den Bedürfnissen der Landwirtschaft und aquatischen Ökosystemen weiter unterstützen.
