Abteilung Grünland und Futterbau/Ökologischer Landbau

NO3-Konzentration

Vergleich der Nitratkonzentrationen im Grund- und Sickerwasser bei variierter Grünlandbewirtschaftung auf sandigen Böden Norddeutschlands – Erste Ergebnisse

von J. Bobe, M. Wachendorf, M. Büchter und F. Taube 

1. Hintergrund und Problemstellung

Auf der schleswig–holsteinischen Geest befinden sich überwiegend sandige Böden mit einer geringen Sorptionskapazität für Wasser und Nährstoffe. Wasserlösliche Verbindungen wie z.B. Nitrat (NO3-) unterliegen einem hohen Auswaschungsrisiko. Dieses Risiko bezieht sich vorwiegend auf intensiv genutzte Weiden, da hier zusätzlich zur mineralischen N-Düngung eine Exkrementstickstoffrückführung von durchschnittlich 93% gegeben ist (Latinga et.al., 1987). Als Folge sind zu Beginn der Sickerwasserperiode im Herbst sehr hohe Nmin Werte zu finden, die mit dem winterlichen Sickerwasser aus dem effektiven Wurzelraum ins Grundwasser verlagert werden können (Ketelsen, 2000). Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, zu klären, inwieweit die im Sickerwasser gewonnenen Werte Aussagen hinsichtlich der Kontamination des Grundwasser zulassen und in welchem Maße im Unterboden mit weiteren Umsetzungsprozessen (z.B. Denitrifikation) zu rechnen ist. Denitrifikation kann durch den mikrobiellen Abbau im Unterboden eine Verminderung der Nitrateinträge ins Grundwasser bewirken (Nieder et.al., 1989).

Im Rahmen des N-Projektes Karkendamm, das sich mit der Optimierung der N-Verwertung im  spezialisierten Milchvieh-/Futterbaubetrieb beschäftigt, wurden über 5 Jahre hinweg das Sickerwasser und das oberflächennahe Grundwasser unter verschiedenen Bewirtschaftungsvarianten des Grünlands untersucht. Sickerwasserproben zur Ermittlung der NO3--Konzentration werden im Feldversuch anhand von Saugkerzen gewonnen. Dieser Methode gegenüber steht die Messung der NO3--Konzentration des am Standort neugebildeten Grundwassers. 

2. Material und Methoden

Die zugrundeliegenden Daten wurden in einem Feldversuch auf dem Versuchsbetrieb Karkendamm der Universität Kiel erhoben (Taube et.al., 2000). Dieser befindet sich im Übergangsgebiet der Niederen zur Hohen Geest in der Nähe von Bad Bramstedt. Der Æ-Jahresniederschlag  beträgt 824 mm bei einer Æ-Jahrestemperatur von 8,4 °C. Die Bodenart ist ein humoser Sand, der Bodentyp ein Treposol ( tief­umge­brochener Gley-Podsol).

In den einzelnen Kulturen wurde zusätzlich zu dem mittels keramischer Saugkerzen gewonnen Sickerwassers an ausgewählten Standorten eine Beprobung des oberflächennahen Grundwassers durchgeführt. Hierzu wurden neun Grundwasserrammfilter im Grünlandversuch installiert. Mit Ausnahme der ungedüngten Kontrollvariante handelt es sich bei den untersuchten Varianten um Weißklee-/Grasbestände. Die Mähweiden unterschieden sich durch einmalige (MW I) bzw. zweimalige (MW II) Schnittnutzung und anschließender Beweidung von der reinen Weidenutzung.  Die folgenden Tabelle soll einen Überblick über die beprobten Varianten  geben:

 

Tab. 1: Bewirtschaftung der einzelnen Varianten

 

System

Weide

(ohne Klee)

 

Weide

 

Weide

 

Weide

 

Weide

Mäh-

weide I

Mäh-

weide I

Mäh-

weide II

Mäh-

weide

    II

Düngungsintensität

(kg N ha-1)

0

0

100

200

300

0

300

200

100

Anzahl der Schnitte/ Umtriebe

5

5

6

6

6

1/5

1/5

2/4

2/4

 

Die Gewinnung des Sickerwassers erfolgte mittels keramischer Saugkerzen (Mullit, Länge 50 mm, Durchmesser 20 mm, Poren <1μm). Der Einbau der Saugkerzen erfolgte 1997, die Beprobung in den Jahren 1997-2001. An die mit den Saugkerzen verbundenen Sammelflaschen wurde kontinuierlich ein von der Pumpe ausgehender Unterdruck  angelegt. Die Sickerwasserprobenahme fand  in wöchentlichen Abständen statt. Eine aliquote Unterprobe wurde im Labor umgehend photometrisch bei 680 nm auf Nitrat analysiert. Die Beprobung des Grundwassers erfolgte in ebenfalls in wöchentlichen Abständen. Hier wurde eine Probe per Handschöpfbehälter entnommen und auch im Labor auf Nitrat analysiert. Des weiteren erfolgte eine Bestimmung der Grundwasserflurabstandes mittels einer Brunnenpfeife. 

3. Ergebnisse und Diskussion

Nitratkonzentration im Grundwasser:

Die Nitratkonzentrationen des Grundwassers unter den Weiden unterscheiden sich deutlich in Abhängigkeit von der Nutzungsintensität (Abb. 1). Deutlich zu sehen ist ein Konzentrationsabfall im unter den Weidevarianten gemessenen Grundwassers von der höchstgedüngten Variante hin zur Kontrollvariante ohne Klee. Diese Beobachtung  ist durch einen jahreszeitlichen Gang geprägt. Bei Anfall von hohen  Sickerwassermengen,

 

Abb. 1:   Nitratkonzentration des Grundwassers unter Weiden (Sickerwasserperiode 1997/98)

die mit hohen Niederschlägen im Winterhalbjahr korreliert sind, lassen sich hohe Nitratkonzentrationen im Grundwasser unter den Weidevarianten nachweisen. Als Referenz  weist der Vorfluter (Bach), der neben der Versuchsfläche abfließt sehr geringe mittlere Nitratkonzentrationen auf.

Vergleich der Nitratkonzentrationen im Grund- und Sickerwasser:

In der Gegenüberstellung der Nitratkonzentration im Sickerwasser zur Nitratkonzentration im Grundwasser (Abb. 2A) wird deutlich, dass zwischen dem Stickstoffaustrag mit dem Sickerwasser und der Nitratkonzentration im Grundwasser große Unterschiede herrschen. Diese Unterschiede legen die Vermutung nahe, dass im Bereich der ungesättigten Zone unterhalb der Wurzelzone Denitrifikationsprozesse stattfinden (Fank, 2001; Foerster, 1973). Es werden zwei Formen der Denitrifikation unterschieden. Zum einen können Denitrifikationsprozesse bei Vorhandensein von leicht abbaubaren organischen Stoffen, hoher Bodenfeuchte, hohen Bodentemperaturen, hohen Nitratgehalten und bei Sauerstoffmangel ablaufen (DVWK, 1985). Zum anderen existiert eine rein chemische Denitrifikation, die als bakteriell katalysierte Reaktion unter Oxidation von Eisensulfiden stattfindet (Kölle et.al., 1983). Als Endprodukte entstehen N2 oder N2O. Bei dem vorliegenden Standort handelt es sich um einen tiefgepflügten Gley-Podsol. Kölle et.al. (1983) fanden heraus, dass Melnikovit-Pyrit am besten oxidiert wird. Dieser stellt unter natürlichen Bedingungen auch den Hauptbestandteil der Eisensulfide im reduzierten Horizont von Gley-Böden dar.

 

Abb.2: Beziehung zwischen (A) NO3--Konzentration ( mg l-1) im Grund- und Sickerwasser und zwischen (B) N-Saldo und NO3- -Konzentration (mg l-1) im Grundwasser 

N-Saldo und Nitratkonzentration:

Unter Einbeziehung aller Nutzungsformen besteht eine statistisch signifikante Beziehung zwischen N-Saldo und Nitratkonzentration im Grundwasser (Abb.2 B). Mit steigendem N-Saldo lässt sich auch eine erhöhte Nitratkonzentration im Grundwasser finden (r2=0,6). Diese liegen außer bei geringen Bilanzüberschüssen von ca. 50kg ha-1 in der ungedüngten Weidevariante und der Mähweide mit 100 kg N ha-1 durchgehend über dem von der EU vorgegeben Nitratgrenzwert im Grundwasser von 50 mg l-1. Eine Untersuchungen aus den Niederlanden zeigt einen Nitrateintrag in das Grundwasser von 63mg l-1 bei einem Bilanzüberschuss von ca. 156kg ha-1 a-1 (Boumans, L.J.M. et. al., 2001, Hilorst, G.J. et.al., 2001) Überträgt man diesen Überschuss auf die vorliegende Untersuchung, würde sich eine durchschnittliche Nitratkonzentration von 53 mg l-1 im Grundwasser wiederfinden lassen. 

4. Schlussfolgerung

Anhand der gewonnenen Ergebnisse lässt sich zusammenfassen, dass mit Hilfe der im Sickerwasser gemessenen Werte Aussagen über die Kontamination im Grundwasser zu treffen sind. Die im Sickerwasser gemessenen NO3-Konzentrationen finden sich nicht vollständig im Grundwasser wieder. Die Vermutung liegt nahe, dass im Unterboden Abbauprozesse stattfinden. Als weitere Größe, zur Vorhersage des Nitratgehaltes im Grundwasser lässt sich der N-Saldo heranziehen. Mit Hilfe der vorliegenden Ergebnisse und im Vergleich mit anderen Untersuchungen lassen sich bei Kenntnis der Bilanzierung Vorhersagen über den Nitratgehalt im Grundwasser treffen. 

5. Literatur

  • Boumans, L.J.M., B. Faters and G. Van Drecht, 2001: Nitrate in the upper groundwater of “De Marke” and other farms. Netherlands Journal of Agricultural Science 49, 163-177
  • büchter,m., m. wachendorf, f. taube, 2000: N-Bilanz und N–Effizienz von Dauergrünland bei unterschiedlicher Bewirtschaftungsintensität. 44. Jahrestagung der Arbeitsgemeinschaft Grünland und Futterbau, Kiel
  • DVWK (1984): Bodennutzung und Nitrataustrag. Literaturauswertung über die Situation bis 1984 in der Bundesrepublik Deutschland. Verlag Paul Parey
  • Fank, j., 2001: Wasser- und Nährstoffbilanz des westlichen Leibnitzer Feldes. 9. Gumpensteiner Lysimetertagung
  • Foerster, P., 1973: Einfluss hoher Güllegaben und üblicher Mineraldüngung auf die Stoffbelastung (NO3, NH4, P und SO4) im Boden- und Grundwasser in Sandböden Nordwestdeutschlands
  • Hilhorst, G.J., J.Oenema and H. Van Keulen, 2001: Nirtogen management on experimental dairy farm ”De Marke”, farming system, objectives and results. Netherlands Journal of Agricultural Science 49, 135-151
  • Ketelsen, h. und m. Büchter, 2000: Die Beprobung der oberflächennahen Grundwassers zur Abschätzung der Nitratbelastung unter beweidetem Grünland. 44. Jahrestagung der Arbeitsgemeinschaft Grünland und Futterbau, Kiel
  • Kölle, W., P. Werner, O. Strebel und J. Böttcher, 1983: Denitrifikation in einem reduzierenden Grundwasserleiter. Vom Wasser, 61, 125-146
  • Latinga, E. A., J. A. Keuning, J. Groenwold & P. J. A. G. Deenen, 1987: Distribution of excreted nitrogen by grazing cattle and its effects on sward quality, herbage production and utilization. In: Anonymus: Animal Manure on Grassland and Fodder Crops: Fertilizer or Waste?, 103-117.
  • Nieder, r., g. Schollmayer, h.Zakosek, 1989: Die Rolle der Denitrifikation in landwirtschaftlich genutzten Böden (eine Literaturanalyse). Z. f. Kulturtechnik und Landentwicklung 30, 345-355
  • Taube, F. & M. Wachendorf 2000: The Karkendamm Project: A system approach to optimize nitrogen use efficiency on the dairy farm. Proceedings of the 18th General Meeting of the European Grassland Federation, Aalborg. EGF 5 ,449-451.
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