Abteilung Grünland und Futterbau/Ökologischer Landbau

Nitratkonzentration

Vergleich der Nitratkonzentrationen im Grund- und Sickerwasser bei variierter Düngungsintensität im Dauergrünland und in einer Maismonokultur – Erste Ergebnisse -

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

Einleitung

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 stattfindet. 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. Auch die N-Verluste unter Silomais werden in der Literatur als hoch eingestuft (SIMON et al., 1988). Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, zu klären, inwieweit die im Sickerwasser gewonnenen Werte Aussagen hinsichtlich der Kontamination des Grundwasser zulassen und ob im Unterboden mit weiteren Umsetzungsprozessen (z.B. Denitrifikation) zu rechnen ist. Denitrifikation kann durch den mikrobiellen Abbau von Nitrat 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-Ver-wertung im  spezialisierten Milchvieh-/Futterbaubetrieb beschäftigt, wurden über 5 Jahre hinweg das Sickerwasser und das oberflächennahe Grundwasser unter verschiedenen Bewirtschaftungsvarianten des Grünlands sowie einer Maismonokultur untersucht. Sickerwasserproben zur Ermittlung der NO3--Konzentration wurden im Feldversuch anhand von Saugkerzen gewonnen. Dieser Methode gegenüber steht die Messung der NO3--Konzentration des am Standort neugebildeten Grundwassers.

Material und Methoden

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

In den einzelnen Varianten des insgesamt 2,5ha großen Grünlandversuches wurde zusätzlich zu dem mittels keramischer Saugkerzen gewonnen Sickerwassers eine Beprobung des oberflächennahen Grundwassers durchgeführt. Hierzu wurden insge-samt 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 anschließende Beweidung von der reinen Weidenutzung.  Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die beprobten Varianten:

Tab. 1: Bewirtschaftung der untersuchten Varianten des Grünlandversuchs

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 0 300 100 200
Anzahl der Schnitte/ Umtriebe 5 5 6 6 6 1/5 1/5 2/4 2/4

Der 1,5 ha große Maisversuch wurde 1997 in Form einer dreifaktoriellen Spaltanlage mit vier Wiederholungen angelegt. Die Bewirtschaftung variierte über die Faktoren  Rindergülle (0, 20 und 40 m³ ha-1 Jahr-1) und N-Mineraldüngung (0, 50, 100 und 150 kg ha-1 Jahr-1). In den einzelnen Varianten einer Wiederholung wurden insgesamt zwölf Grundwasserfilter installiert.

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 Sickerwasserprobenahmen fanden  in wöchentlichen Abständen statt. Eine aliquote Unterprobe wurde im Labor umgehend photometrisch bei 680 nm auf Nitrat analysiert. Die Beprobung des Grundwassers erfolgte ebenfalls in wöchentlichen Abständen. Hier wurde eine Probe per Handschöpfbehälter entnommen und im Labor auf Nitrat analysiert. Des Weiteren erfolgte eine Bestimmung der Grundwasserflurabstände mittels einer Brunnenpfeife.

Ergebnisse und Diskussion

Vergleich der Nitratkonzentrationen im Grund- und Sickerwasser:

Die Nitratkonzentration im Grundwasser unter dem Dauergrünland (Abb.1 A) fällt umso geringer aus, je höher die Nitratkonzentration im Sickerwasser ist.. Diese systematische Abweichung legt die Vermutung nahe, dass im Bereich der ungesättigten Zone unterhalb des Wurzelraumes Denitrifikationsprozesse stattfinden. Es 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. Kölle et al. (1983) fanden heraus, dass Melnikovit-Pyrit am besten oxidiert wird. Dieser stellt unter natürlichen Bedingungen den Hauptbestandteil der Eisensulfide im reduzierten Horizont von Gley-Böden dar. Da es sich bei dem vorliegenden Standort um einen tiefgepflügten Gley-Podsol handelt, scheinen derartige Denitrifikationsprozesse am untersuchten Standort abzulaufen.

Die Nitratkonzentrationen im Sicker- und im Grundwasser unter der Maismonokultur weisen nahezu identische Verläufe auf. Auf dieser Fläche scheinen demnach keine größeren Umsetzungsprozesse des Stickstoffs auf dem Weg ins Grundwasser stattgefunden zu haben. Eine Erklärung lässt sich durch hydrologische Eigenschaften des Standortes finden. Im Winterhalbjahr schwanken die Grundwasserstände um einen sehr hohen Pegel. Dadurch verkürzt sich der Weg des Sickerwassers und De-nitrifikationsprozesse werden eingeschränkt.

  Abb.1: Beziehung zwischen NO3--Konzentration (mg l-1) im Grund- und Sickerwaser (A) unter Dauergrünland und (B) unter Maismonokultur

N-Saldo und Nitratkonzentration:

Es wurde eine statistisch signifikante Beziehung (r2=0,60) zwischen N-Saldo und Niratkonzentration im Grundwasser des Dauergrünlandes unter Einbeziehung aller Nutzungsformen festgestellt (Abb.2 A). Mit steigendem N-Saldo lässt sich auch eine erhöhte Nitratkonzentration im Grundwasser finden. Diese liegen außer bei geringen Bilanzüberschüssen von ca. 50 kg ha-1 in der ungedüngten Weidevariante und der Mähweide II mit 100 kg N ha-1 durchgehend über dem von der EU vorgegeben Nitrat-grenzwert im Grundwasser von 50 mg l-1. Untersuchungen aus den Niederlanden auf sandigen Böden zeigen einen Nitrateintrag in das Grundwasser von 63 mg l-1 bei einem Bilanzüberschuss von 156 kg ha-1 a-1 (Boumans, L.J.M. 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.

Auch für die Beziehung zwischen N-Saldo und Nitratkonzentration im Grundwasser unter Maismonokultur wurde eine statistisch signifikante Beziehung (r2= 0,61) festgestellt (Abb.2 B). Im Vergleich zu den unter Dauergrünland gefundenen Werten zeigen sich in der Monokultur negative bis schwach positive N-Salden. Einzig in der mit 150 kg N ha-1 gedüngten Variante liegen die Nitratkonzentration bei einem Bilanzüberschuss von 63 kg N ha-1  über der EU- Richtlinie. Obwohl die N-Verluste durch Nitratauswaschung mit dem Sickerwasser unter Silomais in der Literatur als hoch eingestuft werden und der hoch intensive  Maisanbau somit eine potentielle Gefahr für das Grundwasser darstellt, zeigen die vorliegenden Ergebnisse, dass unter Silomais eine geringere Belastung des Grundwassers als unter beweidetem Dauergrünland zu erwarten ist. Hier scheint die insgesamt vergleichsweise geringe Bewirtschaftungsintensität in unserem Experiment verantwortlich für die günstige Situation für den Mais zu sein.

 

Abb. 2: Beziehung zwischen N-Saldo und NO3- -Konzentration (mg l-1) im  Grund- wasser unter (A) Dauergrünland und unter (B) Maismonokultur    

Anhand der gewonnenen Ergebnisse lässt sich zusammenfassen, dass mit Hilfe der im Sickerwasser gemessenen Werte Aussagen über die Kontamination im Grundwasser auf sandigen Böden 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 unter Berücksichtigung anderer Untersuchungen auf vergleichbaren Standorten lassen sich bei Kenntnis der Bilanzüberschüsse Abschätzungen über den Nitratgehalt im oberflächennahen Grundwasser durchführen.

Literatur

  • Boumans, L.J.M., B. Fraters and G. Van Drecht, 2001: Nitrate in the upper groundwater of “De Marke” and other farms. Neth. J. of Agric. Sci. 49, 163-177.
  • Kölle, W., P. Werner, O. Strebel und J. Böttcher, 1983: Denitrifikation in einem reduzierenden Grundwasserleiter. Vom Wasser, 61, 125-146.
  • 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.
  • Simon, W., B. Huwe & R. R. van der Ploeg, 1988: Die Abschätzung von Nitratausträgen aus landwirtschaftlichen Nutzflächen mit Hilfe von Nmin-Daten. Z. Pflanzenernähr. Bodenk. 151, 289-294.
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