Modellierung landwirtschaftlicher Maßnahmen zur Minderung der Nitratauswaschung im Wasserschutzgebiet Getelo-Itterbeck in Niedersachsen

Abstract

Nitrat-Konzentrationen im Grundwasser sandiger Böden korrelieren deutlich mit Stickstoffüberschüssen an der Bodenoberfläche. In der vorliegenden Arbeit wurden für ein überwiegend sandiges Wasserschutzgebiet im Nordwesten Deutschlands ausgewählte landwirtschaftliche Maßnahmen auf ihre die Nitratauswaschung mindernde Wirkung untersucht. Dazu wurde der Wasser- und Stickstoffhaushalt mit HERMES, einem eindimensionalen und prozessorientierten Modell, simuliert. Das Modell berechnet auf der Basis von täglichen Wetterdaten in der ungesättigten Zone die verschiedenen Prozesse des Stickstoffhaushaltes. Eine Validierung erfolgte überwiegend anhand von Tiefenprofilen. Das Wasserschutzgebiet wurde durch Aggregieren von Böden mit ähnlichen Bodencharakteristika in sechs Bodeneinheiten gegliedert, deren Bodenparameter sich jeweils in fest definierten Spannweiten bewegen. Für die am häufigsten angebauten Kulturarten Sommergerste, Winterroggen, Silomais, Kartoffeln und Grünland wurden die Wirkungen einer reduzierten Stickstoffdüngung analysiert. Für die Ackerkulturen wurde ferner der Effekt des Zwischenfruchtanbaus auf die Nitratauswaschung untersucht. In weiteren Szenarien wurde die Sensitivität der Modellergebnisse auf die Anwendung unterschiedlicher Wirtschaftsdünger durch Variation der Verhältnisse von mineralischem zu organisch gebundenem Stickstoff simuliert. Mit Hilfe von Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalysen konnten sich besonders intensiv auf die Nitratauswaschung auswirkende Standortfaktoren und Nutzungsparameter identifiziert und Unsicherheiten der Modellergebnisse abgeschätzt werden. Bei allen Kulturarten war ein deutlicher Rückgang der Nitratauswaschung bei einer Reduzierung der Stickstoffdüngung erkennbar. Grünland zeigte sich vor Winterroggen und Sommergerste als eine besonders geeignete Kultur, um die Nitratauswaschung gering zu halten. Silomais und Kartoffeln erwiesen sich als Problemkulturen. Beim Anbau von Zwischenfrüchten zeigte sich bei allen Ackerkulturen eine deutliche Abnahme der Nitratauswaschung, die bei Silomais und Kartoffeln geringer als bei Sommergerste und Winterroggen ausfiel. Durch Zudüngung zur Zwischenfrucht wurde der positiver Effekt seines Anbaus erheblich gemindert und das Auswaschungsrisiko erhöht. Das angewandte Modell erwies sich für die Beurteilung der Nitrat-Auswaschungsgefährdung und für die Optimierung von Maßnahmen zu seiner Minderung als ein geeignetes Instrument. Nitrate concentrations in the groundwater of sandy soils correlate with nitrogen surpluses at the soil surface. In this study selected agricultural measures have been explored for their impact on reducing nitrate leaching in a predominantly sandy water protection area in the Northwest of Germany. Therefore the water and the nitrogen dynamics were simulated with HERMES, a 1-dimensional process oriented model. Based on daily meteorological data the model calculates the various nitrogen balance processes within the unsaturated soil zone. As measured reference data for the validation, the nitrate content of depth drillings was predominantly used. The water protection area was subdivided into six soil units that reflect areas with similar soil characteristics whose corresponding soil parameters vary in predefined ranges. For the most common crops such as barley, winter rye, silage corn, potatoes and grassland the effect of reduced nitrogen fertilization was analyzed. Moreover the impact of catch crops on nitrate leaching was evaluated for arable crops. In further scenarios the sensitivity of model results due to the application of different organic manures were simulated by varying the ratio of mineral and organic nitrogen. With the application of sensitivity and uncertainty analyses, location factors and cultivation parameters that have a significant impact on nitrate leaching could be identified and the uncertainties of the model results could be evaluated. For all crops a significant decrease of nitrate leaching was recognized due to the reduction of nitrogen fertilization. Grassland turned out to be the most appropriate crop to keep the nitrate leaching on a reduced level - followed by winter rye and barley. Silage corn and potatoes appeared to be problematic crops. The simulation with catch crops showed for all arable crops a significant decrease of nitrate leaching, but the effect was less with silage corn and potato cultivations than with barley and winter rye. An additional fertilization of the catch crops reduced its positive effect and increased the risk of nitrate leaching. The applied model turned out to be an adequate tool for the evaluation of the nitrate leaching and for the optimization of measures for its mitigation.