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Die herbstliche Nitratdynamik im Boden
eines Wasserschutzgebietes
Peter Schweigert, Institut für Bodenkunde der Universität Hannover
Temperatur Niederschlag
Nitratdynamik des Bodens
Temperatur
Prozesse im Boden
Niederschlag
Nitratdynamik des Bodens
Temperatur
Prozesse im Boden
Niederschlag
Nitratdynamik des Bodens
NO3-N-Gehalt des Bodens
Temperatur
Black-Box
Niederschlag
NO3-N-Gehalt des Bodens
Nitratdynamik des Bodens
Multiple Regression als ein Black-Box-Modell
• NO3-N-Gehalt des Bodens als Funktionvon Niederschlag und Temperatur
Multiple Regression als ein Black-Box-Modell
• NO3-N-Gehalt des Bodens als Funktionvon Niederschlag und Temperatur
• Berechnungen mit der Witterung der Zeitspanne, die den stärksten Einfluss auf den NO3-N-Gehalt hat
Multiple Regression als ein Black-Box-Modell
Zahl der Monate mit dem stärksten Einfluss des Niederschlags
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 2 4 6 8 10 12
Zahl der Monate
r2
Untersuchungsgebiet
• Trinkwasserschutzgebiet in Niedersachsen (Liebenau, 50 km nordwestlich von Hannover)
• sandige Böden
• überwiegend landwirtschaftlich genutzt
• Verminderung der organischen und mineralischen Düngung
• Vermehrter Anbau von Zwischenfrüchten
• Zur Erfolgskontrolle werden etwa 100 Nmin- Beprobungen seit 11 Jahren im Herbst (Oktober/November) durchgeführt
Massnahmen zur Reduktion
der Nitratauswaschung im Untersuchungsgebiet
0
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Nit
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N (
kg
/ha
)Nitrat-N in den Böden
y = -1,3x + 2597,5
r2 = 0,09
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92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
Nit
rat-
N (
kg
/ha
)Nitrat-N in den Böden
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Nitrat-NNiederschlag
Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme
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Nitrat-NNiederschlag
Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme
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Nitrat-NNiederschlag
Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme
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Nitrat-NNiederschlag
Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme
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Nitrat-NNiederschlag
Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme
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Nitrat-NNiederschlag
Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme
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Tem
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(°C
)
Nitrat-NTemperatur
Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme
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Nit
rat-
N (k
g/h
a)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Tem
pera
tur
(°C
)
Nitrat-NTemperatur
Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme
Mögliche Einflüsse auf die Nitratgehalte des Bodens:
1. Niederschlag2. Temperatur3. Zeitlicher Trend
Nitratdynamik im Boden
NO3-N = mittlerer NO3-N-Gehalt aller Böden im Herbst (kg/ha)
Ns10 = Niederschlag ab 1. Oktober bis zum Probenahmetermin im Herbst (mm)
Ns9 = Niederschlag September (mm)
T10 = Mittlere Temperatur um 14 Uhr im Oktober (°C)
J = Jahr (1992 = 0; 1993 = 1; 1994 = 2; etc.), zeitlicher Trend
Multiple Regression
NO3-N = - 0,17 Ns10 - 0,08 Ns9 + 3,1 T10 - 3,2 J + 52,3 r2 = 0,97 ***
NO3-N = mittlerer NO3-N-Gehalt aller Böden im Herbst (kg/ha)
Ns10 = Niederschlag ab 1. Oktober bis zum Probenahmetermin im Herbst (mm)
Ns9 = Niederschlag September (mm)
T10 = Mittlere Temperatur um 14 Uhr im Oktober (°C)
J = Jahr (1992 = 0; 1993 = 1; 1994 = 2; etc.), zeitlicher Trend
NO3-N = - 0,17 Ns10 - 0,08 Ns9 + 3,1 T10 - 3,2 J + 52,3 r2 = 0,97 ***
Nitratdynamik im Boden
Niederschlagseinfluss
NO3-N = mittlerer NO3-N-Gehalt aller Böden im Herbst (kg/ha)
Ns10 = Niederschlag ab 1. Oktober bis zum Probenahmetermin im Herbst (mm)
Ns9 = Niederschlag September (mm)
T10 = Mittlere Temperatur um 14 Uhr im Oktober (°C)
J = Jahr (1992 = 0; 1993 = 1; 1994 = 2; etc.), zeitlicher Trend
NO3-N = - 0,17 Ns10 - 0,08 Ns9 + 3,1 T10 - 3,2 J + 52,3 r2 = 0,97 ***
Niederschlagseinfluss
Nitratdynamik im Boden
NO3-N = mittlerer NO3-N-Gehalt aller Böden im Herbst (kg/ha)
Ns10 = Niederschlag ab 1. Oktober bis zum Probenahmetermin im Herbst (mm)
Ns9 = Niederschlag September (mm)
T10 = Mittlere Temperatur um 14 Uhr im Oktober (°C)
J = Jahr (1992 = 0; 1993 = 1; 1994 = 2; etc.), zeitlicher Trend
NO3-N = - 0,17 Ns10 - 0,08 Ns9 + 3,1 T10 - 3,2 J + 52,3 r2 = 0,97 ***
Temperatureinfluss
Nitratdynamik im Boden
NO3-N = mittlerer NO3-N-Gehalt aller Böden im Herbst (kg/ha)
Ns10 = Niederschlag ab 1. Oktober bis zum Probenahmetermin im Herbst (mm)
Ns9 = Niederschlag September (mm)
T10 = Mittlere Temperatur um 14 Uhr im Oktober (°C)
J = Jahr (1992 = 0; 1993 = 1; 1994 = 2; etc.), witterungsunabhängiger Trend
NO3-N = - 0,17 Ns10 - 0,08 Ns9 + 3,1 T10 - 3,2 J + 52,3 r2 = 0,97 ***
Witterungsunabhängiger Trend
Nitratdynamik im Boden
NO3-N = mittlerer NO3-N-Gehalt aller Böden im Herbst (kg/ha)
Ns10 = Niederschlag ab 1. Oktober bis zum Probenahmetermin im Herbst (mm)
Ns9 = Niederschlag September (mm)
T10 = Mittlere Temperatur um 14 Uhr im Oktober (°C)
J = Jahr (1992 = 0; 1993 = 1; 1994 = 2; etc.), witterungsunabhängiger Trend
NO3-N = - 0,17 Ns10 - 0,08 Ns9 + 3,1 T10 - 3,2 J + 52,3 r2 = 0,97 ***
Konstante
Nitratdynamik im Boden
NO3-N = mittlerer NO3-N-Gehalt aller Böden im Herbst (kg/ha)
Ns10 = Niederschlag ab 1. Oktober bis zum Probenahmetermin im Herbst (mm)
Ns9 = Niederschlag September (mm)
T10 = Mittlere Temperatur um 14 Uhr im Oktober (°C)
J = Jahr (1992 = 0; 1993 = 1; 1994 = 2; etc.), witterungsunabhängiger Trend
NO3-N = - 0,17 Ns10 - 0,08 Ns9 + 3,1 T10 - 3,2 J + 52,3 r2 = 0,97 ***
Qualität des Modells
Nitratdynamik im Boden
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96
19
97
19
98
19
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00
20
01
20
02
Nit
rat-
N (
kg
/ha
)
gemessen
Modell
Qualität des Modells
Nitratdynamik im Boden
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20
30
40
50
60
70
80
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
Nit
rat-
N (
kg
/ha
)
gemessenModellPrognose
Qualität des Modells
Nitratdynamik im Boden
- Rückgang um 3,2 kg/ha pro Jahr = 32 kg/ha in 10 Jahren.
- Bei durchschnittlichen Witterungsbedingungen: 68 kg/ha im 1. Jahr
- Die Verminderung beträgt somit fast 50 %.
NO3-N = - 0,17 Ns10 - 0,08 Ns9 + 3,1 T10 - 3,2 J + 52,3 r2 = 0,97 ***
Witterungsunabhängiger Trend
Witterungsabhängiger Trend
g
Niederschlagab
Oktober
Niederschlagdes
Septembers
Temperaturdes
Oktobers
Summe derwitterungsabhängigen Änderung
des NO3-N-GehaltesKoeffizient derVariable
- 0,17 - 0,08 + 3,09
Jährliche Änderungder Variable(mm/a, °C/a)
- 7,66 - 1,02 + 0,17
Variablenbedingtejährliche Änderungdes NO3-N-Gehaltes(kg/ha)
+1,3 + 0,1 + 0,5 + 1,9
01. Okt
11. Okt
21. Okt
31. Okt
10. Nov
20. Nov
30. Nov1
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19
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19
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19
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97
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98
19
99
20
00
20
01
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02
Pro
be
na
hm
eze
it
0
50
100
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250
300
Nie
de
rsc
hla
g (
mm
)
Probenahmezeit
Niederschlag
Probenahmezeit und Niederschlag ab Oktober bis zur Probezeit
Zusammenhang
der verschiedenen jährlichen Trends
Witterungsunabhängige NO3-N-Änderung - 3,2Summe der witterungsabhängigen NO3-N-Änderung + 1,9
Trend der NO3-N-Rohdaten - 1,3
Trend der Rohdaten
y = -1,3x + 2597,5
r2 = 0,09
0
10
20
30
40
50
60
70
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92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
Nit
rat-
N (
kg
/ha
)
Nitrat im Grundwasser
y = -5,79x + 156,1
r2 = 0,75
0
20
40
60
80
100
120
140
1601
98
8
19
89
19
90
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
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Nit
rat
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/l)
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20
30
40
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Za
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de
r M
es
su
ng
en
Zahl der Messungen
Nitratkonzentration
Schlussfolgerungen
Für das Untersuchungsgebiet:
• Es bestehen starke Witterungseinflüsse, besonders der herbstlichen Niederschläge.
•Eine kontinuierliche Vorverlegung des Probenahmetermins verstärkt diesen Einfluss.
• Unabhängig von Witterungseinflüssen sind die NO3-Gehalte des Bodens um ca. 50 % gesunken.
• Der Rückgang der NO3-Konzentration im Grundwasser bestätigt dieses Ergebniss.
• Die Wasserschutzbemühungen waren erfolgreich.
Schlussfolgerungen
Für das Untersuchungsgebiet:
Ohne statistische Analyse der Witterungseinflüsse
liefert die NO3-N-Messreihe keine Information
über den Erfolg der Massnahmen
weil durch die Änderung des Probenahmezeitpunktes
kein direkter Vergleich
der Werte der ersten und der letzten Jahre möglich ist!
Zur Methode
Multiple Regressionen ermöglichen eine Analyse der Nitratdynamik auf Einzugsgebietsebene, welche
- genau
- gut abgesichert
- schnell
durchführbar ist.
Schlussfolgerungen