Eine sichere Wasserversorgung ist eines der Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen in der Agenda 2030. In Mitteleuropa und Deutschland sind hohe Nährstoffeinträge in Grund- und Oberflächenwässer und schließlich auch in die marinen Systeme nach wie vor einem Problem für aquatische Ökosysteme und die Sicherung der Wasserversorgung. Auf der räumlichen Skala von Flusseinzugsgebieten interagieren dabei eine Vielzahl von Eintragspfaden und Prozessen, die ein mechanistisches Verständnis und klare Ursache-Wirkungs-Beziehungen erschweren. In den letzten Dekaden wurden große Anstrengungen unternommen, Kläranlage zu ertüchtigen und damit Einträge von Phosphor und Stickstoff deutlich zu reduzieren. Andererseits sind diffuse Einträge aus der Landwirtschaft immer noch bedeutend und aufgrund der langen Transportzeiten von der Quelle zur Vorflut schwer zu managen. Es ist momentan schwer abzuschätzen, wie schnell sich Maßnahmen zur Verringerung von Stickstoffüberschüssen in der Landwirtschaft auf die Wasserqualität und ihre zeitlich-räumliche Variabilität in der Vorflut auswirken. In diesem Antrag wird ein einzigartiger Datensatz von Wasserqualität und -quantität über ganz Deutschland hinweg verwendet und einer systematischen Daten-getriebenen Analyse unterzogen. Der Datensatz basiert auf dem langjährigen Monitoring von Wasserqualität der einzelnen Bundesländer und wurde vom UFZ zusammengestellt. In der Analyse dieser Daten werden Muster in der Konzentrationsvariabilität aber auch den Beziehungen zwischen Konzentration und Abfluss verwendet, um Rückschlüsse auf dominante Prozesse und Eintragspfade im Einzugsgebiet zu schließen. Die Arbeit ist dabei auf drei Ziele fokussiert: (a) Die Klassifikation der Einzugsgebiete hinsichtlich ihres Nährstoff-Exportregimes für Daten ab dem Jahr 2010. (b) Die zeitliche Entwicklung der Stickstoff:Phosphor-Stöchiometrie für längere Zeitreihen im Wechselspiel von Punkt- und diffusen Quellen. (c) Die Langzeit-Trajektorien des Nährstoffexports aus Einzugsgebieten und einer möglichen Entwicklung zu chemostatischen Verhältnissen mit geringer Konzentrationsvariabilität aufgrund flächiger landwirtschaftlicher Einträge. Dabei ermöglichen innovative daten-getriebene Methoden und der einzigartige Datensatz einen neuen Blick auf die Steuergrößen von Nährstoffexporten im mitteleuropäischen anthropogen überprägten Landschaftsbild. Die Ergebnisse ebnen zum einen den Weg für komplexitätsreduzierte Wasserqualitäts-Modelle auf der Skala von Einzugsgebieten. Zum anderen haben die Ergebnisse Relevanz für weitere Fachgebiete, wie der aquatischen Ökologie und des Umweltmanagements.
Stickstoffbilanzen (N-Bilanzen) sind ein wichtiges Instrument, um die Stickstoffemissionen (Stickstoffüberschüsse) aus der Landwirtschaft zu quantifizieren. Zur Berechnung des N-Flächenbilanzsaldos wird der N-Zufuhr (auf die landwirtschaftlich genutzte Fläche) die N-Abfuhr gegenübergestellt: N-Zufuhr – N-Abfuhr = N-Saldo Im Rahmen des landesweiten Basis-Emissionsmonitorings wird ein N-Flächenbilanz-Modell verwendet, welches am Johann Heinrich von Thünen-Institut entwickelt und an die regionalen Bedingungen in Niedersachsen angepasst wurde. Das Ergebnis sind auf Basis der Agrarstatistik berechnete Stickstoff-Flächenbilanzen auf Gemeindeebene, die mit jedem Erscheinen der Landwirtschaftszählung bzw. Agrarstrukturerhebung neu berechnet werden können (alle 3 bis 4 Jahre). Der berechnete N-Flächenbilanzsaldo wird in [kg N/ha*a] bezogen auf die landwirtschaftlich genutzte Fläche (ohne Stilllegungsflächen) ausgegeben. Die dargestellten N-Flächenbilanzsalden2016 sind eine wichtige Grundlage zur Berechnung der potenziellen Nitratkonzentration im Sickerwasser. Die potenzielle Nitratkonzentration dient der Abschätzung der Sickerwassergüte an der Untergrenze des Wurzelraumes. Zu beachten ist, dass die in die N-Flächenbilanzsalden eingeflossenen Daten der Agrarstatistik zu Tierzahlen und Flächennutzung nach dem Betriebssitzprinzip erhoben wurden und somit räumliche Verschiebungen möglich sind. Detaillierte Methodenbeschreibung siehe: Methodik_Basis_Emissionsmonitoring_LBEG.pdf
Regionalisierte Phosphor-Flächenbilanzen mit der räumlichen Auflösung auf Kreisebene wurden für die Zeitreihe 1995 bis 2017 anhand älterer N-, P- und K-Bilanzierung und aktueller regionalisierter N-Flächenbilanz berechnet. Hohe bis sehr hohe P-Flächenbilanzüberschüsse finden sich in den Hotspotregionen der Tierhaltung im Nordwesten Deutschlands (bis zu 48,5 kg P/ha LF im Landkreis Vechta), in den Gemüseanbauregionen in Rheinland-Pfalz, in Südostbayern sowie im Allgäu. Berechnungen von regional überschüssigen Mengen an Wirtschaftsdüngern (WSD) und Phosphor in den Tierhaltungs-Hotspotregionen zeigen Überschüsse von 28.359 t P und 19,97 Mio. t WSD (im Szenario 1) sowie 41.684 t P und 29,83 Mio. t WSD (im Szenario 2). Veröffentlicht in Texte | 106/2024.
Regionalisierte Phosphor-Flächenbilanzen mit der räumlichen Auflösung auf Kreisebene wurden für die Zeitreihe 1995 bis 2017 anhand älterer N-, P- und K-Bilanzierung und aktueller regionalisierter N-Flächenbilanz berechnet. Hohe bis sehr hohe P-Flächenbilanzüberschüsse finden sich in den Hotspotregionen der Tierhaltung im Nordwesten Deutschlands (bis zu 48,5 kg P/ha LF im Landkreis Vechta), in den Gemüseanbauregionen in Rheinland-Pfalz, in Südostbayern sowie im Allgäu. Berechnungen von regional überschüssigen Mengen an Wirtschaftsdüngern (WSD) und Phosphor in den Tierhaltungs-Hotspotregionen zeigen Überschüsse von 28.359 t P und 19,97 Mio. t WSD (im Szenario 1) sowie 41.684 t P und 29,83 Mio. t WSD (im Szenario 2).
Der Anbau von nachwachsenden Rohstoffe (NawaRo's) für die Erzeugung von Biogas und zur Herstellung von Biokraftstoffen wurde in Deutschland seit Anfang der 2000er Jahre erheblich ausgeweitet. Es wird untersucht, ob bzw. in welchem Umfang durch die Zunahme des NawaRo-Anbaus die Gewässer in Deutschland durch Einträge von Nitrat und Pflanzenschutzmitteln swie infolge verstärkter Bodenerosion möglicherweise belastet werden. Dazu wird zunächst die Entwicklung der Anbauflächen von Mais und Raps in den Kreisen dargestellt. Die Bewertung der Gewässergefährdung durch Nitrateinträge erfolgt anhand des Überschusses der Stickstoff-Flächenbilanz. Das Risiko für Oberflächengewässer durch den Eintrag von Pflanzenschutzmitteln aus der Anwendung im Mais- und Rapsanbau wird mit dem Modell SYNOPS modelliert. Zur Bewertung der Grundwasserbelastung werden die Fundhäufigkeiten in Grundwasser-Messstellen ausgewertet. Der Bodenabtrag von Ackerflächen wird schließlich anhand der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung (ABAG) und der Sedimenteintrag in Oberflächengewässer mit dem Modell Terraflux ermittelt. Die Wirkungen des Energiepflanzenanbaus auf diese vier Komponenten der Gewässergüte werden mittels Szenario-Berechnungen bzw. aus dem Vergleich der Situation "ohne" und "mit" Anbau von Energiepflanzen abgeschätzt. Zusammenfassend werden die Auswirkungen des Energiepflanzenanbaus auf die Oberflächen- und Grundwasserbeschaffenheit für die drei Bereiche N-Überschuss, PSM im Grundwasser sowie Bodenerosion und Sedimenteintrag als weniger gravierend eingestuft. Auch in Bezug auf die PSM-Belastung von Oberflächengewässern hat nach SYNOPS-Modellergebnis das Risiko nicht zugenommen. Aktuelle Monitoringergebnisse an kleinen Gewässern legen allerdings die Vermutung nahe, dass das Risiko von Runoff-Einträgen in Oberflächengewässer mit SYNOPS nicht zutreffend ermittelt wird. Mögliche weitere Umweltbelastungen durch den Anbau von Energiepflanzen wie beispielsweise Humusabbau, Biodiversitätsverlust, Insektensterben, Veränderung des Landschaftsbildes und erhöhte Treib hausgas-Emissionen sind nicht Gegenstand dieser Untersuchung. Quelle: Forschungsbericht
Zur Bewertung der Effizienz von Maßnahmen im landwirtschaftlichen Bereich bezüglich Eutrophierung sind regionaliserte Stickstoffüberschüsse eine wichtige, aber auch problematisch zu ermittelnde Kenngröße. Allerdings können Stickstoff-Flächenbilanzen für regionale Einheiten (bspw. Gemeinden, Kreise) aufgrund der Unsicherheiten in der Schätzung der N-Zufuhr mit der Mineraldüngung sowie der N-Abfuhr mit Rauhfutter nicht unerheblich verzerrt sein. In dem Vorhaben soll die Methodik zur Ermittlung der N-Bilanzüberschüsse verbessert werden, um in der Stoffeintragsmodellierung diese Kenngröße mit höherer Ergebnis- und Prognosequalität verwenden zu können.
Die Stickstoffflächenbilanz wurde als Teilgröße der Gesamtbilanz auf regionaler Ebene aktualisiert. Die Wirkung der Biogaserzeugung wurde systematisch erfasst. 2017 kamen ca. 574.000 Tonnen Stickstoff als Gärreste aus Biogasanlagen auf die Felder. Das sind rund 18 Prozent der in der Landwirtschaft umgesetzten Stickstoffmenge. Durch Gülletransport aus Hochlastgebieten verschieben sich die Stickstoffüberschüsse in die angrenzenden Aufnahmegebiete. Die Untersuchung zeigt, dass der Stickstoffüberschuss und die Ammoniakemissionen mit einfachen Maßnahmen vermindert werden könnten. Die Landwirtschaft müsste vor allem den Stickstoff in Gülle und Gärresten aus Biogasanlagen besser ausnutzen und damit synthetischen Stickstoffdünger einsparen. Veröffentlicht in Texte | 131/2019.
Background Nitrogen (N) as a key input for crop production has adverse effects on the environment through emissions of reactive nitrogen. Less than 20% of the fertiliser nitrogen applied to agricultural land is actually consumed by humans in meat. Given this situation, nitrogen budgets have been introduced to quantify potential losses into the environment, to raise awareness in nutrient management, and to enforce and monitor nutrient mitigation measures. The surplus of the N soil surface budget has been used for many years for the assessment of potentially water pollution with nitrate from agriculture. Results For the 402 districts in Germany, nitrogen soil surface budgets were calculated for the time series 1995 to 2017. For the first time, biogas production in agriculture and the transfer of manure between districts were included in the budget. Averaged for all districts, the recent N supply to the utilised agricultural area (UAA) totals 227 kg N ha-1 UAA (mean 2015-2017), among them 104 kg N ha-1 UAA mineral fertiliser, 59 kg N ha-1 UAA manure, 33 kg N ha-1 UAA digestate, 14 kg N ha-1 UAA from gross atmospheric deposition, 13 kg N ha-1 UAA biological N fixation, and 1 kg N ha-1 UAA from seed and planting material. The withdrawal with harvested products accounts for 149 kg N ha-1 UAA, resulting in an N soil surface budget surplus of 77 kg N ha-1 UAA. The N surpluses per district (mean 2015-2017) vary considerably between 26 and 162 kg N ha-1 UAA and the nitrogen use efficiency of crop production ranges from 0.53 to 0.79 in the districts. The N surplus in Germany as a whole has remained nearly constant since 1995, but the regional distribution has changed significantly. The N surplus has decreased in the arable farming regions, but increased in the districts with high livestock density. Some of this surplus, however, is relocated to other districts through the transfer of manure. Conclusions The 23-year time series forms a reliable basis for further interpretation of N soil surface surplus in Germany. Agri-environmental programmes such as the limitation of the N surplus through the Fertiliser Ordinance and the promotion of biogas production have a clear effect on the N surplus in Germany as a whole and its regional distribution. © 2020 BioMed Central Ltd.
Stickstoffbilanzen (N-Bilanzen) sind ein wichtiges Instrument, um die Stickstoffemissionen (Stickstoffüberschüsse) aus der Landwirtschaft zu quantifizieren. Zur Berechnung des N-Flächenbilanzsaldos wird der N-Zufuhr (auf die landwirtschaftlich genutzte Fläche) die N-Abfuhr gegenübergestellt: N-Zufuhr – N-Abfuhr = N-Saldo Im Rahmen des landesweiten Basis-Emissionsmonitorings wird ein N-Flächenbilanz-Modell verwendet, welches am Johann Heinrich von Thünen-Institut entwickelt und an die regionalen Bedingungen in Niedersachsen angepasst wurde. Das Ergebnis sind auf Basis der Agrarstatistik berechnete Stickstoff-Flächenbilanzen auf Gemeindeebene, die mit jedem Erscheinen der Landwirtschaftszählung bzw. Agrarstrukturerhebung neu berechnet werden können (alle 3 bis 4 Jahre). Der berechnete N-Flächenbilanzsaldo wird in [kg N/ha*a] bezogen auf die landwirtschaftlich genutzte Fläche (ohne Stilllegungsflächen) ausgegeben. Die dargestellten N-Flächenbilanzsalden2016 sind eine wichtige Grundlage zur Berechnung der potenziellen Nitratkonzentration im Sickerwasser. Die potenzielle Nitratkonzentration dient der Abschätzung der Sickerwassergüte an der Untergrenze des Wurzelraumes. Zu beachten ist, dass die in die N-Flächenbilanzsalden eingeflossenen Daten der Agrarstatistik zu Tierzahlen und Flächennutzung nach dem Betriebssitzprinzip erhoben wurden und somit räumliche Verschiebungen möglich sind. Detaillierte Methodenbeschreibung siehe: Methodik_Basis_Emissionsmonitoring_LBEG.pdf
Im vorliegenden Bericht werden Methodik und Ergebnisse der Berechnung von Flächenbilanzen für Stickstoff (N) mit Regionalgliederungen "Bundesländer" und "Kreise/kreisfreie Städte" für die Zeitreihe 1995 bis 2016 vorgestellt. Gegenüber früheren Ansätzen werden als Neuerungen vor allem die Biogaserzeugung sowie der Transfer von Wirtschaftsdüngern in der Bilanz berücksichtigt. Emissionsfaktoren und Aktivitätsdaten der Bilanzierung sind weitgehend konsistent mit den Ansätzen des Nationalen Emissionsinventars. Im Mittel der Jahre 2015 bis 2017 umfasst die N-Zufuhr zur landwirtschaftlich genutzten Fläche (LF) in Deutschland insgesamt 226 kg N/ha LF, wovon 104 kg N/ha LF mit Mineraldüngung und 89 kg N/ha LF mit Wirtschaftsdüngern (Gülle, Mist, Jauche, Gärreste) ausgebracht werden. Dem steht eine Abfuhr mit Ernteprodukten von 149 kg N/ha LF entgegen, woraus ein Überschuss der N-Flächenbilanz von 78 kg N/ha LF resultiert. Die Überschüsse der N-Flächenbilanzen der Bundesländer (Mittel 2015 bis 2017) liegen zwischen 51 kg N/ha LF für Brandenburg und 108 kg N/ha LF für Niedersachsen. Die Spannbreite der N-Flächenbilanzüberschüsse der Kreise (Mittel 2015 bis 2017) reicht von 26 kg N/ha LF bis 162 kg N/ha LF. Für 85 Kreisregionen (entsprechend 30 % der LF) wird ein Überschuss </= 55 kg N/ha LF berechnet, 155 Kreisregionen (47 % der LF) liegen im Bereich > 55 bis </= 100 kg N/ha LF und in 58 Kreisregionen (23 % der LF) beträgt der Überschuss über 100 kg N/ha LF. Die Unsicherheit des N-Flächenbilanzüberschuss wird mit einer Sensitivitätsanalyse für die wichtigsten Variablen ermittelt. Die größte Sensitivität tritt bei der N-Ausscheidung pro Tierplatz auf, eine Änderung um -10 % vermindert die N-Überschüsse in den Kreisen im Median um -6,8 kg N/ha LF und im Maximum um -18,8 kg N/ha LF (Mittel der Jahre 2015 bis 2017). Für eine Reihe von Minderungsmaßnahmen wird die mögliche Reduktion des N-Flächenbilanzüberschuss in den Kreisen berechnet. Wirksamste Maßnahme wäre eine Verbesserung der Ausnutzung des N aus Wirtschaftsdüngern von 60 % (derzeitige Annahme) auf 80 %, wodurch der Überschuss in Deutschland insgesamt um -15,6 kg N/ha LF sinken würde. Quelle: Forschungsbericht
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