INFORMATION zur Methodik zur Ausweisung der …...Mittlere jährliche Sickerwasserhöhe (1971-2000) (FZJ, 2014) LHW Sachsen-Anhalt 2015 Feldkapazitäten der Böden Sachsen-Anhalt für

Herausgeber: Landesanstalt für Landwirtschaft und Gartenbau Sachsen-Anhalt, Strenzfelder Allee 22, 06406 Bernburg Redaktion: Dr. Matthias Schrödter, Tel.: 03471 / 334 202, E-Mail: [email protected]

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INFORMATION

zur Methodik zur Ausweisung der Gebiete zum Schutz der Gewässer vor Verunreinigung durch Nitrat im Land Sachsen-Anhalt nach § 13 Abs. 2 Düngeverordnung (DüV)

Ausgangssituation

Auf Grundlage von §13 Abs. 2 DüV (2017) haben die Bundesländer zusätzliche Anforderungen bei der Düngung mittels Rechtsverordnung festzulegen für:

1. Gebiete oder Teilgebiete von Grundwasserkörpern (GWK) im schlechten chemischen Zustand nach § 7 der Grundwasserverordnung auf Grund einer Überschreitung des Schwellenwerts für Nitrat oder

2. Gebiete oder Teilgebiete von Grundwasserkörpern mit steigendem Trend von Nitrat nach § 10 der Grundwasserverordnung und einer Nitratkonzentration von mindestens drei Vierteln des Schwellenwerts für Nitrat oder

3. Teilgebiete mit Überschreitung von 50 Milligramm Nitrat je Liter in Grundwasserkörpern im gu- ten chemischen Zustand.

Grundlage für die Ausweisung der nitratgefährdeten Gebiete ist die Zustandsbewertung der Grund-wasserkörper nach Grundwasserverordnung (GrwV) in Sachsen-Anhalt.

Die Bewertung erfolgte anhand von drei Kriterien (Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasser-wirtschaft Sachsen-Anhalt, 2016):

An mehr als einer Messstelle innerhalb des GWK überschreitet der Jahresmittelwert die Quali-tätsnorm (QN) von 50 mg Nitrat/Liter und gleichzeitig müssen mehr als 1,5 Messstellen pro 100 km² Fläche belastet sein.

Der Mittelwert aller Messstellen ist größer als QN (Voraussetzung: mindestens fünf Messstellen im GWK vorhanden)

Der Mittelwert der potenziellen Nitratkonzentration im Sickerwasser ist größer als 60 mg/l. Gleichzeitig muss mindestens eine Messstelle die QN überschreiten.

Das Bewertungsergebnis wird dann auf den gesamten Grundwasserkörper übertragen.

Im Ergebnis der derzeit geltenden Zustandsbewertung des Grundwassers befinden sich 24 von 80 Grundwasserkörper Sachsen-Anhalts auf Grund von Nitrat im schlechten chemischen Zustand (s. Abb.1).

Befindet sich ein Grundwasserkörper im schlechten Zustand, bedeutet das nicht, dass er flächendeckend eine Überschreitung der Qualitätsnorm aufweist.

Aus diesem Grund sieht die DüV vor, dass Gebiete, die dem Bereich eines Grundwasserkörpers entspre-chen, in dem weder mehr als 37,5 Milligramm Nitrat je Liter und eine ansteigende Tendenz des Nitrat-gehalts noch mehr als 50 Milligramm Nitrat je Liter festgestellt worden sind, von den abweichenden Vorschriften ausgenommen werden können. Von dieser Möglichkeit macht Sachsen-Anhalt Gebrauch.


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Abb. 1: Ergebnis der Zustandsbewertung


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In Deutschland gibt es Unterschiede im methodischen Vorgehen in der Zustandsbewertung und der Binnendifferenzierung. Ursache hierfür sind vor allem die boden-klimatischen Bedingungen in den Bun-desländern. Zur Binnendifferenzierung wurden mehrere Verfahren, die in die bundesweite Diskussion eingebracht wurden, geprüft. Eine Ableitung regionalisierter Konzentrationsniveaus innerhalb der Grundwasserkörper durch eine geostatistische Interpolation der Messstellen-Werte war aufgrund der Datenlage, aber auch unter Beachtung des Technical Report 1 (Europäische Kommission, 2001) nicht anwendbar. Ebenso erwies sich die hydrodynamisch begründete Ausweisung der Zustromgebiete zu den belasteten Grundwassermessstellen als keine Option.

Ausgehend von der gegebenen Datenlage und dem Konzeptmodell „AGRUM ST“ werden - analog zur Begründung von Fristverlängerungen aufgrund „natürlicher Gegebenheiten“ für GWK im schlechten chemischen Zustand aufgrund von Nitrat - für eine Binnendifferenzierung die Zonen ausgegrenzt, die das potenzielle Risiko der Nitratauswaschung in das Grundwasser bestimmen (LAWA, 2008, 2017). Dem-entsprechend werden nicht die den Messstellen zugeordneten Flächen, sondern das aus boden-klimati-schen Besonderheiten resultierende potenzielle Risiko der Nitratauswaschung in das Grundwasser be-rücksichtigt.

Grundlage für den methodischen Ansatz sind die „Empfehlungen zur Erstellung eines Aktionsprogramms gemäß Richtlinie 91/676/EWG zum Schutz der Gewässer vor Verunreinigung durch Nitrat aus landwirt-schaftlichen Quellen“ zur Ableitung von Zonen, die das potenzielle Risiko der Nitratauswaschung in das Grundwasser bestimmen (Alterra, 2011). Das potenzielle Risiko einer Nitratauswaschung in das Grund-wasser wird demnach durch eine Kombination der Nitratmengen im Boden und pedo-klimatischer Fak-toren bestimmt.

Als die wichtigen pedo-klimatischen Faktoren werden benannt:

1. Niederschlagsmenge, Verteilung und insbesondere Niederschlagsüberschuss (Niederschlag mi-nus Evapotranspiration),

2. Wasserinfiltrationsrate in den Boden und die hydrologische Leitfähigkeit des Bodens 3. Denitrifikationsvermögen, das hauptsächlich durch die Menge an zersetzbarem organischem

Material und die hydrologische Leitfähigkeit des Bodens bestimmt wird.

Datengrundlagen

Für die Zustandsbestimmung werden Messstellen aus dem landesweiten Messnetz zur Überwachung der Grundwassergüte des Landes herangezogen. Gemäß den Vorgaben der WRRL werden nur Messstel-len aus dem oberen bzw. genutzten Grundwasserleiter betrachtet. Die im Monitoring ermittelten Mess-werte werden mit Hilfe von Werten aus den Vorjahren plausibilisiert (LHW, 2016).

Entsprechend des Modellansatzes wurden für die Ableitung der pedo-klimatischen Faktoren folgende Datengrundlagen genutzt:

Datengrundlage Quelle Stand

Mittlere jährliche Sickerwasserhöhe (1971-2000) (FZJ, 2014) LHW Sachsen-Anhalt 2015

Feldkapazitäten der Böden Sachsen-Anhalt für die Kartierungs-einheiten der VBK 50 LSA (1:50.000)

LAGB Sachsen-Anhalt 2009

Denitrifikationsstufen der Böden Sachsen-Anhalt für die Kartie-rungseinheiten der VBK 50 LSA (1:50.000)


Effektive Wurzelräume der Böden Sachsen-Anhalt für die Kar-tierungseinheiten der VBK 50 LSA (1:50.000)



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Methodische Vorgehensweise

In der Risikoanalyse für erhöhte Nitratkonzentrationen im Grundwasser werden die boden-klimatischen Besonderheiten berücksichtigt:

Sickerwasserrate als mitbestimmende Größe für die Verdünnung der N-Austräge aus dem Bo-den und damit Indikator für das Risiko erhöhter Nitratkonzentrationen.

Denitrifikationsvermögen in der durchwurzelten Bodenzone als Indikator für das Potenzial für einen mikrobiellen N-Abbau im Boden.

Austauschhäufigkeit des Sickerwassers der durchwurzelten Bodenzone als Indikator für die Wirkzeiträume denitrifizierender Prozesse im Boden.

Modellgrundlage für eine aggregierende Bewertung ist der DVWK-Ansatz (DVWK 1996 und DWA 2019) zur Berechnung (Schätzung) der Nitratkonzentration im Sickerwasser unterhalb der Wurzelzone (Steininger, 2015).

Durch Umstellung der Formel wird der maximal tolerierbare N-Überschuss ermittelt, der zur Erreichung einer relevanten Nitratkonzentration im Sickerwasser nicht überschritten werden darf. Dieser besteht aus dem Überschuss aus der Düngung und der Deposition.

pot.NO3 = [(NBIL –Denitrif.) ∗ AF/SW] ∗ 4,43∗100 (1)

pot. NO3 = potenzielle NO3-Konzentration im Sickerwasser (mg NO3 l-1) NBIL = N-Saldo Flächenbilanz (abzüglich gasförmiger Verluste) (kg N ha-1 a-1) Denitrif. = Denitrifikation (kg N ha-1 a-1) AF = Austauschfaktor (Relativzahl) SW = Sickerwasser (l m-2 a-1) 4,43 = Umrechnungsfaktor (N zu NO3) 100 = Umrechnungsfaktor

AH (SW/FKWE) * 100 (2)

AF = Austauschhäufigkeit des Bodenwassers im WE je Jahr (Relativzahl) FKWE = Feldkapazität im effektiven Wurzelraum (mm)

für AH ≥ 100 % AF = 1 für AH < 100 % AF = AH/100

Naus = (NBIL – Denitrif.) (3)

Naus = N-Austrag (kg N ha-1 a-1)

Durch Umstellung von (1) auf die gesuchte Größe Naus ergibt sich die Gleichung

Naus = (pot. NO3*SW) / (443*AF) (4)

Für die pot. NO3-Konzentration ist unter Beachtung der oben aufgeführten Randbedingungen der defi-nierte Grenzwert von 60 mg/l einzusetzen.

Der maximal tolerierbare N-Überschuss errechnet sich abschließend:

Ntolerierbar = Naus – Denitrif. (5)


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Die Modellierung der Denitrifikationsleistung im Boden erfolgt unter Zugrundelegung einer Michaelis-Menten Kinetik:

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N(t): = Nitratgehalt im Bodens nach der Verweilzeit t T = Verweilzeit (= 1) Dmax = maximale Denitrifikationsrate k = Michaelis-Konstante

In der Gleichung stellt Dmax die von den Milieubedingungen abhängige maximale Denitrifikationsrate ei-nes Bodens dar (LBEG, 2008). Die Michaelis-Konstante (k) bestimmt den Bereich geringer Konzentratio-nen, in dem der Nitratumsatz von der Nitratkonzentration kontrolliert wird. Das Ausmaß des Nitratab-baus wird hierbei nicht durch die Verweilzeit des Sickerwassers in der durchwurzelten Bodenzone (da t=1), sondern durch den Austauschfaktor bestimmt. Beide Berechnungsansätze führen zum gleichen Ergebnis.

Im Ergebnis der Modellanwendung liegt als Grundlage der weiteren Risikobewertung eine Karte im 40m x 40m-Raster vor (s. Abb. 2).

Die Empfehlung des LAWA-Ausschusses „Grundwasser und Wasserversorgung“ vom 31.01.2008 sieht zur Relevanzprüfung der potentiellen Sickerwasserkonzentration unterhalb der Wurzelzone einen Wert von 60 - 75 mg NO3/l vor. Gem. Empfehlung der LAWA (2017) kann unter speziellen hydrogeologischen Gegebenheiten mit weit überdurchschnittlich hoch einzuschätzendem Denitrifikationspotenzial dieses berücksichtigt und somit nicht mit 50 mg Nitrat/l im Sickerwasser gerechnet werden. Dies ist für Sach-sen-Anhalt aufgrund des zusätzlichen Denitrifikationspotenzials unterhalb der Wurzelzone insbeson-dere im Schwarzerdegebiet der Fall (HYDOR, 2017 und 2019). Es wird der Zielwert von 60 mg NO3/l angewendet.

Alle Böden, die bei einem N-Bilanzüberschuss größer 45 kg N je ha den Zielwert von 60 mg NO3/l im Sickerwasser unterhalb der durchwurzelten Zone einhalten, werden als „gering potentiell nitrataus-tragsgefährdet“ eingestuft. Der „Referenzwert“ wird damit begründet, dass er mit dem Kontrollwert 35 kg N je ha (unter Berücksichtigung einer zusätzlichen Deposition) gem. §13 Abs. 3 DüV korrespondiert.

Dieser Referenzwert wird im 4-Jahres-Turnus (Nitratbericht) in Fortschreibung der Nährstoffbilanzen und in Bezug auf seine Auswirkungen auf die Humusversorgung der Böden regelmäßig evaluiert ggf. angepasst.

Kleinste zu bewertende Einheit ist der Feldblock, der zu mehr als 50% seiner Fläche im GWK im schlech-ten Zustand liegt (s. Abb. 3). Des Weiteren erfolgt die Anpassung der Gebietskulisse im Turnus der Zu-standsbewertung der Grundwasserkörper nach GrwV.

Auf Basis der relevanten Feldblöcke wird jeweils der Median der klassifizierten maximal tolerierbaren N-Überschüsse berechnet (s. Abb. 4). Eine Mittelwertbildung setzt grundsätzlich eine Normalverteilung voraus, die nicht gegeben ist.

Durch die Anwendung des Medians werden Flächenanteile der Gefährdungsklassen besser berücksich-tigt. Geringe Flächenanteile mit sehr hohen Werten innerhalb eines Feldblocks führen nicht zu einem „Wegmitteln“ der Gefährdung.

Alle Feldblöcke in den Nitrataustrags-Gefährdungsklassen gering und sehr gering (maximal tolerabler N-Überschuss größer 45 kg N/ha) werden gem. §13 Abs. 2 DüV ausgenommen. Das Ergebnis der Einstufung ist in Abbildung 5 dargestellt.


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Abb. 2: Maximal tolerierbare N-Überschüsse als Kriterium der potentiellen Nitrataustragsgefährdung eines Standorts, mit der die potentielle Nitratkonzentration von 60 mg NO3/l im Sickerwasser unterhalb der Wurzelzone nicht überschritten wird.


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Abb. 3: Bestimmung der Feldblöcke, die zu mehr als 50% ihrer Fläche in GWK im schlechten Zustand liegen.


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Abb. 4: Potentielle Nitrataustragsgefährdung anhand des Median des klassifizierten maximal tolerier-barer N-Überschuss (N-Saldo Düngung + Deposition) für die Feldblöcke in den Grundwasser-körpern im schlechten Zustand in kg N je ha zur Erreichung einer Nitratkonzentration von 60 mg NO3/l im Sickerwasser unterhalb der Wurzelzone

Aus dieser Bewertung resultiert, dass für den überwiegenden Flächenanteil der GWK im schlechten Zu-stand kein Risiko aus der aktuellen landwirtschaftlichen Bewirtschaftung im Mittel der GWK festgestellt werden kann, da in den relevanten GWK die mittleren Bilanzüberschüsse der Jahre 2013-2015 inklusive Deposition 45 kg N je ha nicht überschreiten (INL, 2016). Dies zeigt punktuelle Ursachen an, vor allem


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aber den zeitlichen Versatz zwischen Emission und Immission, wie er schon in der Begründung von Frist-verlängerung auf Grund „natürlicher Gegebenheiten“ beschrieben wurde.

Abb. 5: Binnendifferenzierung durch Ausnahme der Feldblöcke mit einem maximal tolerablen N-Über-schuss größer 45 kg N/ha (Nitrataustrags-Gefährdungsklassen gering und sehr gering)


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Literatur

Alterra (2011): Recommendations for establishing Action Programmes under Directive

91/676/EEC concerning the protection of waters against pollution caused by nitrates from agri-

cultural sources.

INL (2016): Fortschreibung der Stickstoff-Flächenbilanzen (Landwirtschaft) als Eingangsgröße

für den Modellverbund GROWA-WEKU/ DENUZ-MEPhos in Umsetzung Nährstoffkonzept 2015

– 2021

DVWK (1996): Wasserwirtschaftliche Forderungen an die Landnutzungsplanung zur Verminde-

rung des Nitrataustrags insbesondere in Wasserschutzgebieten. Schriftenreihe DVWK, Heft 11,

Bonn.

DWA (2019): Arbeitsblatt DWA-A 912, Grundsätze und Maßnahmen einer gewässerschützen-

den Landbewirtschaftung, 1. Auflage, Hennef 2019

Europäische Kommission (2001) The EU Water Framework Directive: statistical aspects of the

identification of groundwater pollution trends, and aggregation of monitoring results. Techni-

cal Report Nr. 1

HYDOR (2017): Modellierung der Sickerwassermengen und Nitratverlagerung an je zwei Bo-

denwassermessplätzen und Tiefenprofilen sowie Beurteilung des Austrags- und Abbauverhal-

tens für Nitrat, Modellvalidierung als Basis für eine modellhafte Gefährdungsabschätzung. un-

veröff.

HYDOR (2019): Pilothafte Ausgrenzung der § 13 Gebiete nach Düngeverordnung im GWK SAL

GW 014, Schriftenreihe der LLG, Heft 2/2019

LBEG (2008): Nutzung bodenkundlich-hydrogeologischer Informationen zur Ausweisung von

Zielgebieten für den Grundwasserschutz - Ergebnisse eines Modellprojektes (NOLIMP) zur Um-

setzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie. GeoBerichte. Landesamt für Bergbau, Energie und

Geologie (LBEG), Hannover, Germany.

LAWA-AG (2008): Fachliche Umsetzung der Richtlinie zum Schutz des Grundwassers vor Ver-

schmutzung und Verschlechterung (2006/118/EG), 31.01.2008.

LAWA-AO (2017): Empfehlungen für eine harmonisierte Vorgehensweise zum Nährstoffma-

nagement (Defizitanalyse, Nährstoffbilanzen, Wirksamkeit landwirtschaftlicher Maßnahmen)

in Flussgebietseinheiten.

Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft Sachsen-Anhalt (2016): Methodik

zur Bewertung des mengenmäßigen und chemischen Zustands des Grundwassers in Sachsen-

Anhalt.

Steininger, M. (2015): Modellbeschreibung „Maximale N-Salden zum Erreichen von 60 mg Nit-

rat/l im Sickerwasser“, unveröffentlicht.

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