Gewässerschonende Landbewirtschaftung in einem Wasserschutzgebiet nordwestlich von Köln unter Berücksichtigung typischer Ackerböden und Feldfrüchte:
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Bonn
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| adam_text | Titel: Gewässerschonende Landbewirtschaftung in einem Wasserschutzgebiet nordwestlich von Köln unter Ber
Autor: Wolf, Andreas
Jahr: 2001
-V-
Inhalt Seite
1 Einleitung 1
1.1 Nitrat und Pflanzenschutzmittel als trinkwasserrelevante Substanzen 1
1.2 Wasserwirtschaftliche Aspekte ordnungsgemäßer Landwirtschaft 2
1.3 Zielsetzung 3
2 Literaturübersicht 5
2.1 Nitrat 5
2.1.1 Nitrat im Grundwasser 5
2.1.2 Nitrat in Boden und Sickerwasser 7
2.1.2.1 Nitrattransport im Boden 7
2.1.2.2 Bodenart, Bodennutzung und Nitrataustrag 9
2.1.2.3 Düngung und Nitrataustrag 10
2.1.2.4 Mineralisierung und Denitrifikation 11
2.2 Pflanzenschutzmittel (PSM) 11
2.2.1 Pflanzenschutzmittel in Grund-und Oberflächengewässern 12
2.2.2 Pflanzenschutzmittel in Böden 13
2.3 Praxisrelevante Maßnahmen der Landwirtschaft gegen den Austrag 15
von Nitrat und Pflanzenschutzmitteln
2.3.1 Düngerbedarfsprognose, gezielte N-Düngung 15
2.3.2 Zwischenfruchtanbau, konservierende Bodenbearbeitung 16
2.3.3 Reduzierte Bodenbearbeitung 17
2.3.4 Geänderter Pflanzenschutzmitteleinsatz 18
3 Das Untersuchungsgebiet 20
3.1 Geographische Lage und Morphologie 20
3.2 Geologie 21
3.3 Hydrologie 23
3.3.1 Gewässer 23
3.3.2 Grundwassemeubildung 23
3.3.3 Grundwasserförderung 24
3.4 Klima und Witterung 25
3.5 Böden 27
3.6 Flächen- und Bodennutzung 29
3.6.1 Flächennutzung 29
3.6.2 Landwirtschaftliche Bodennutzung 29
3.6.3 Der Arbeitskreis „Ackerbau und Wasser im linksrheinischen 30
Kölner Norden e. V.
-VI-
Material und Methoden 32
4.1 Planung der Feldversuche 32
4.1.1 Stickstoffdüngung 33
4.1.2 Begrünung, Saat und Ernte 34
4.1.3 Bodenbearbeitung 36
4.1.4 PSM-Einsatz 36
4.2 Integration in die Felderfolgen 37
4.3 Auswahl von Böden und Versuchsflächen 38
4.4 Standortansprache und bodenphysikalische Untersuchungen 39
4.5 Einrichtungen auf den Versuchsflächen 46
4.6 Untersuchungen von Boden und Pflanze 49
4.6.1 Entnahme von Bodenproben 49
4.6.2 Chemische Untersuchungen 51
4.6.3 Extraktion von PSM aus dem Boden 52
4.6.4 Ertragsermittlung, Aufwuchsuntersuchungen und Bonituren 53
4.7 Untersuchungen der Gewässer 53
4.7.1 Entnahme von Wasserproben 53
4.7.2 Bestimmung von Nitrat und Ammonium in Gewässern 54
4.7.3 Bestimmung der Pflanzenschutzmittel 54
4.7.3.1 Auswahlkriterien für die Analytik von Grund- und 54
Sickerwasser
4.7.3.2 Auswahl von Substanzen für die Analytik der Böden 57
und SickerwässeT
4.7.3.3 Chromatographische Bestimmungsverfahren 57
4.8 Statistische Verfahren 59
4.9 Berechnung der Stickstoffausträge 60
Ergebnisse 62
5.1 Gewässer 62
5.1.1 Nitrat im Grundwasser 62
5.1.2 PSM im Grundwasser 65
5.1.3 Nitrat und Ammonium im Bachwasser 66
5.1.4 PSM im Bachwasser 67
5.1.5 Nitrat und Ammonium im Niederschlagswasser 68
5.1.6 PSM im Niederschlagswasser 69
5.2 Böden 69
5.2.1 Wassergehalte 69
5.2.2 N^-Gehalte 73
-VII-
5.2.3 Nitrat im Sickerwasser 82
5.2.4 Pflanzenschutzmittel 84
5.2.5 Pflanzenschutzmittel im Sickerwasser 88
5.3 Erträge 89
5.4 N-Bilanzen 90
5.5 Tiefensondierungen 93
5.6 Berechnung der Stickstoffaustrage 95
6 Ergebnisse des „Arbeitskreises Ackerbau und Wasser 101
im linksrheinischen Kölner Norden e. V.
6.1 Stickstoff(1988-1997) 101
6.1.1 N-Bilanz 101
6.1.2 Nmj„-Untersuchungen vor Beginn der Grundwassemeu- 102
bildungsperiode
6.2 Pflanzenschutzmittel (1990-1996) 105
7 Diskussion 107
7.1 Wirkung der untersuchten Maßnahmen auf Boden und Pflanze 107
7.1.1 N-Düngerbedarfsprognose und Erfolgskontrolle 107
7.1.2 Reduzierte Bodenbearbeitung 113
7.1.3 Zwischenfruchtanbau und Mulchsaat 116
7.1.4 Reduzierter Einsatz von Pflanzenschutzmitteln (PSM) 118
7.2 Auswirkungen der Maßnahmen auf die Nitratgehalte im Grund-und 118
Sickerwasser
7.3 Das Auftreten von Pflanzenschutzmitteln in Böden und Gewässern 120
7.3.1 Pflanzenschutzmittel in Böden 120
7.3.2 Pflanzenschutzmittel in Gewässern 121
7.3.2.! Pflanzenschutzmittel im Grundwasser 122
7.3.2.2 Pflanzenschutzmittel im Pulheimer Bach 124
7.3.2.3 Pflanzenschutzmittel im Sickerwasser 126
7.4 Optimierte Wirtschaftsweise im Untersuchungsgebiet 127
8 Zusammenfassung 130
9 Literaturverzeichnis 132
10 Anhang 148
-IX-
Abbildungsverzeichnis Seite
Abb. 1: Das Untersuchungsgebiet: Wasserschutzgebiet Weiler und Worringen/ 20
Langel der GEW Köln AG
Abb. 2: Geologisches Profil des Wasserschutzgebietes Weiler. Zeichnung nach 22
GAS-, ELEKTRIZ1TÄTS- UND WASSERWERKE KÖLN AG [1985]
Abb. 3: Oberflächengewässer, Grundwassergleichen (1996) und Förderanlagen 24
im Wasserschutzgebiet Weiler
Abb. 4: Monatsmittelwerte der Tagesmitteltemperatur (°C) im Untersuchungszeit- 26
räum sowie Abweichungen vom Langjährigen Mittel (1967-1996)
Abb. 5: Monatliche Niederschlagssummen (mm) sowie Abweichungen vom 26
Langjährigen Mittel (1967-1996)
Abb. 6: Verbreitung der wichtigsten Bodentypen. Schematisierte und vereinfachte 28
Darstellung aus der Bodenkarte von Nordrhein-Westfalen 1 : 50000
[GEOLOGISCHES LANDESAMT NORDRHEIN-WESTFALEN
1972a, 1972b]
Abb. 7: Bodenkennwerte im Vergleich, vereinfachende Berechnung für die 46
Tiefe bis 100 cm
Abb. 8: Schema der Versuchsflächeneinteilung und einer Feldmessstation 48
Abb. 9: Zerfallsprodukte des Isoproturon nach Zuführung thermischer Energie 58
Abb. 10: Lage der Grundwassermessstellen und Probenahmepunkte am Pulheimer 62
Bach
Abb. 11: Entwicklung der Nitratgehalte in drei ausgesuchten Grundwassermess- 53
stellen während des Zeitraumes November 1989 bis Juni 1997
Abb. 12: Nitrat- und Ammoniumgehalte im Pulheimer Bach 1985-1997 66
Abb. 13: PSM-Gehalte im Pulheimer Bach, Probenahmepunkt Nr. 7 (Abb. 10) 68
Abb. 14: Verlauf der Wassergehalte im Boden der FFA in 0-30 cm Tiefe 70
Abb. 15: Verlauf der Wassergehalte im Boden der FFB in 0-30 cm Tiefe 70
Abb. 16: Wassergehalte der Varianten AI -A4 in 0-30 cm Tiefe, FFA 71
Abb. 17: Wassergehalte der Varianten B1-B4 in 0-30 cm Tiefe, FFB 72
Abb. 18: Nmj„-Mittel- sowie Maximal- und Minimal werte der Varianten AI-A4 auf 74
der Versuchsfläche Nr. III-B8A am 01.04.1992
Abb. 19: N-Düngung und Nmin-Gehalte der Felderfolge A; Faktor Bodenart 75
Abfc. 20: N-Düngung und Nmm-Gehalte der Felderfolge A; Faktor Bewirtschaftung 77
-X-
Abb. 21: N-Düngung und Nm,„-Gehalte der Felderfolge B; Faktor Bodenart 79
Abb. 22: N-Düngung und Nmin-Gehalte der Felderfolge B; Faktor Bewirtschaftung 81
Abb. 23: Nitratgehalte im Sickerwasser der Felderfolge A (Nr. I-L3/u, ffl-B8/s und 83
IV sB5/l
Abb. 24: Ethofumesatgehalte in der Versuchsfläche Nr. VI-B/s zwischen April 1991 86
und November 1992. Im November 1991 wurde der Boden ca. 30 cm tief
gepflügt
Abb. 25: Relative Häufigkeit der Positivbefunde in den verschiedenen Böden 87
Abb. 26: Nitratgehalte im Tiefenprofil der FFA im Frühjahr 1992 95
Abb. 27: Nitratgehalte im Boden der Fläche Nr. III-B8/s, Varianten A3 und A4. 97
Nmi„-Werte am 16. Juli 1991 (kg N/ha): 0-30 cm = 22, 30-60 cm = 8,
60-90 cm = 5
Abb. 28: Nitratgehalte im Boden der Fläche Nr. I-L3/u, Varianten A3 und A4. Nram- 97
Werte am 6. August 1990 (kg N/ha): 0-30 cm = 20, 30-60 cm = 9,
60-90 cm = 6; Saat der Wintergerste am 5. Oktober 1990
Abb. 29: Input/Output-Bilanz im „Arbeitskreis Ackerbau und Wasser im links- 102
Rheinischen Kölner Norden e. V. 1988-1997
Abb. 30: Nmj„- Werte unter Wintergetreide bzw. Schwarzbrache vor Beginn der 103
Grundwasserneubildung Anfang Dezember
Abb. 31: Nmm-Gehalte unter Schwarzbrache, Zwischenfrucht und Mulchsaat vor 104
Beginn der Grundwasserneubildungsperiode Anfang Dezember
Abb. 32: Nmm-Gehalte nach Zuckerrüben vor Beginn der Grundwasserneubildungs- 105
Periode Anfang Dezember
Abb. 33: Entwicklung der Nm„,-Werte bei Variation des Emtezeitpunktes auf der 110
Fläche Nr. I-L3/u
Abb. 34: Schematisierter Verlauf der Nmi„-Werte in einem leichten und einem 112
Schweren Boden. Fruchtart: Wintergetreide
Abb. 35: Nm,„-Werte in der Felderfolge B im Dezember 1992. Bl und B2 = 115
Wintergetreide, B3 und B4 = Schwarzbrache
Abb. 36: Diurongehalte im Pulheimer Bach; 1991-1997 124
Abb. 37: PSM-Applikationen und (unsystematische Befunde (?) auf der Fläche 126
Nr. IV-sB5/l
-XI-
Tabellenverzeichnis
Seite
Tab. I: Von der Nutzungsart abhängige Nitratgehalte im Grundwasser (mg NO3/I). 6
Angaben verschiedener Autoren, reduziert auf vier Bodennutzungsarten
Tab. 2: Ergebnisse der Nutzungskartierung im Wirtschaftsjahr 1989/90 30
Tab. 3: Faktoren, die den Gehalt an Nitrat und PSM in Bodennähe und im Boden 33
Beeinflussen können. Kursiv = untersuchte Faktoren
Tab. 4: Feldwirtschaft reduziert auf „grundwasserrelevante Faktoren 33
Tab. 5: Mögliche Variation des N-Düngereinsatzes im Rahmen einer Empfehlung 34
Der Landwirtschaftskammer Rheinland, Frühjahr 1991 (Nmin)
Tab. 6: Variation der Versuchsfaktoren, Felderfolge A 37
Tab. 7: Variation der Versuchsfaktoren, Felderfolge B 38
Tab. 8: Die Böden der 6 Versuchsflächen 40
Tab. 9: Kennzeichnung der Parabraunerde der Flächen I-L3/u + II-L3/u 41
Tab. 10: Kennzeichnung von Braunerden der Fläche III-B8/s 42
Tab. 11: Kennzeichnung der Pseudogley-Braunerde der Fläche IV-sB5/i 43
Tab. 12: Kennzeichnung der Braunerde der Fläche V-B5/1 44
Tab. 13: Kennzeichnung der Braunerde der Fläche Vl-B7/s 45
Tab. 14: Einfluss der Probenahmetechnik auf die Wiederfindung. 1 = Mischprobe/ 50
PÜRCKHAUER, 2 = Einzelprobe// ßRCAH-it/£Ä, 3 = Einzelprobe/ „Kölner
Bohrstock , 4 = Schicht aus Bodenblock (Analysewerte in g Wirkstoff/ha,
angenommene Dichte = 1,4 g/cm3)
Tab. 15: Im GEW-Labor bestimmbare PSM-Wirkstoffe 55
Tab. 16: PSM-Verbrauch im Arbeitskreis „Ackerbau und Wasser im linksrheini- 56
sehen Kölner Norden e. V. in den Jahren 1988-1990 (x = bestimmbar)
Tab. 17: Ergebnisse der linearen Regression der monatlichen Nitratmessungen im 64
Grundwasser 11/89-4/97 (n = 90, r2 = Besrimmtheitsmaß)
Tab. 18: PSM im Grundwasser (1990-1997); Angaben in ug/1 65
Tab. 19: Differenzierung der Positivbefunde im Bachwasser nach Wirkstoffen 67
(Probepunkt Nr. 7)
Tab. 20: Ergebnisse multipler Mittelwertvergleiche der Wassergehalte der Varianten 71
AI-A4 (FFA), 0-30 cm Tiefe (* = signifikante, ** = hoch signifikante
Differenz)
-XII-
Tab. 21: Ergebnisse multipler Mittelweltvergleiche der Wassergebalte der Varianten 73
B1-B4 (FFB), 0-30 cm Tiefe (* = signifikante, ** = hoch signifikante Dif-
ferenz)
Tab. 22: Ergebnisse der Mittelwertvergleiche der Nmin-Werte für die FFA; Faktor, 78
Bewirtschaftung (* = signifikante, ** = hoch signifikante Differenz), [ ] =
Wechselwirkungen Bodenart x Bewirtschaftung
Tab. 23: Ergebnisse der Mittelwertvergleiche der Nmin-Werte für die FFB; Faktor, 82
Bewirtschaftung (* = signifikante, ** = hoch signifikante Differenz), [ ] =
Wechselwirkungen Bodenart x Bewirtschaftung
Tab. 24: Arithmetisches Mittel der Nitratgehalte im Sickerwasser (mg NO3/I) unter 84
den Versuchsflächen zwischen Dezember 1991 und Mai 1993
Tab. 25: Signifikanzniveau (P-Werte) der ertragbestimmenden Parameter, abhängig 85
von den Versuchsfaktoren (Fläche Nr. ü-L3/u). ZF = Zwischenfrucht, MS
= Mulchsaat, Band = Bandspritzung, Fläche = Flächenbehandlung
Tab. 26: PSM-Befunde im Sickerwasser, insgesamt 88
Tab. 27: PSM-Befunde im Sickerwasser, ohne „Fehlerquellen 89
Tab. 28: Erträge (dt/ha), Faktor Boderart. Signifikante Differenzen (GD5%) sind 89
durch Buchstaben (a, b, c) gekennzeichnet
Tab. 29: Erträge (dt/ha), Faktor Bewirtschaftung. Signifikante Differenzen (GD5%) 90
sind durch Buchstaben (a, b, c) gekennzeichnet
Tab. 30: N-Düngung der Versuche (kg N/ha) (? 140/60 = N-Düngung zu Winter-/ 90
Sommergerste)
Tab. 31: N-Aumahme (kg N/ha) der Zwischenfrüchte in der FFA, 1991 91
Tab. 32: N-Entzüge (kg N/ha) der Felderfolgen A und B, Faktor Bodenart. Signi- 91
fikante Differenzen (GDsh) sind durch Buchstaben (a, b, c) gekennzeich-
net
Tab. 33: N-Entzüge (kg N/ha) der Felderfolgen A und B, Faktor Bewirtschaftung. 92
Signifikante Differenzen (GD5%) sind durch Buchstaben (a, b, c) gekenn-
zeichnet
Tab. 34: Bilanzsalden der Felderfolgen (kg N/ha), Faktor Bodenart 93
Tab. 35: Bilanzsalden der Felderfolgen (kg N/ha), Faktor Bewirtschaftung 93
Tab. 36: Mittlere Nitratgehalte (mg NO3/I) in 0,65-5,0 m Tiefe, n = 2 94
Tab. 37: N-Simuiationsergebnisse, Felderfolge A 98
Tab. 38: N-SimuJationsergebnisse, Felderfolge B 99
- XIII -
Tab. 39: Verbrauch von PSM-Wirkstoffen (kg/ha) im Arbeitskreis 1989-1996 106
Tab. 40: Vergleich von durchschnittlichen Nitratgehalten (mg NO3/I) in Grund- und 119
Sickerwässern; * = ohne Grundwasseranreicherung durch den Pulheimer
Bach
Tab. 41: Zusammenfassung der PSM-Untersuchungsergebnisse in den Gewässern 122
Tab. 42: Ausgesuchte Wirkstoffe im Pulheimer Bach und im Grundwasser des 123
Einflussbereichs der Bachversickerung = Gw , AK = Arbeitskreis
Tab. 43: PSM-Funde des LANDESUMWELTAMTES NORDRHEIN-WEST- 125
FALEN [1996] im Pulheimer Bach (ug Wirkstoff/l)
Tab. 44: Szenario: N-Frachten im Wasserschutzgebiet Weiler bei 30 % Mulchsaat. 129
Daten teilweise geschätzt (?), teilweise durch N-Simulation (*•) [KERSE-
BAUM 1989] aus Daten des „Arbeitskreises Ackerbau und Wasser im
linksrheinischen Kölner Norden e. V. (vgl. Kapitel 6) ermittelt. Gwnb =
Grundwasserneubildung, Felderfolge: Zuckerrüben - Winterweizen - Win-
tergetreide
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