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

10

20

30

40

50

60

70

80

90

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

)Nitrat-N in den Böden

y = -1,3x + 2597,5

r2 = 0,09

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

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

)Nitrat-N in den Böden

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

Nit

rat-

N (k

g/h

a)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

Nie

ders

chla

g (m

m)

Nitrat-NNiederschlag

Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

Nit

rat-

N (k

g/h

a)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

Nie

ders

chla

g (m

m)

Nitrat-NNiederschlag

Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

Nit

rat-

N (k

g/h

a)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

Nie

ders

chla

g (m

m)

Nitrat-NNiederschlag

Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

Nit

rat-

N (k

g/h

a)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

Nie

ders

chla

g (m

m)

Nitrat-NNiederschlag

Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

Nit

rat-

N (k

g/h

a)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

Nie

ders

chla

g (m

m)

Nitrat-NNiederschlag

Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

Nit

rat-

N (k

g/h

a)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

Nie

ders

chla

g (m

m)

Nitrat-NNiederschlag

Nitrat-N in den Bödenund Niederschlag von Oktober bis Probenahme

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

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

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

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

0

10

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

)

gemessen

Modell

Qualität des Modells

Nitratdynamik im Boden

0

10

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

99

2

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

Pro

be

na

hm

eze

it

0

50

100

150

200

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

80

90

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

)

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

20

00

20

01

Nit

rat

(mg

/l)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Za

hl

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