Schwebstoff- und Phosphordynamik in agrarisch genutzten Landschaftsökosystemen. oberfächen- und oberflächennahe Transportprozesse in Kleineinzugsgebieten des Basler Tafeljura (Schweiz)

Die vorliegende Arbeit hat eine integrierte Einzugsgebietsanalyse im Untersuchungsgebiet Länenbachtal zum Oberziel. Dabei interessieren besonders die Auswirkungen der Kompartimente Relief, Boden, Klima, Wasser und Landwirtschaft auf den Feststoff und Phosphortransport auf Kleinst- und Kleineinzugsgebietsskala. Den aktuellen Stand der Forschung im Kontext von Bodenund Nährstoffmobilisierung sowie -transport fasst das Kapitel „Einführung“ zusammen und beschreibt daraus abgeleitet die Ziele dieser Untersuchung. Die Kapitel „Untersuchungsgebiet“ und „Methodik“ stellen das untersuchte Länenbachtal und die verwendeten Feld- und Labormethoden vor. Die Kapitel „Ergebnisse“, „Diskussion“ und „Schlussfolgerungen“ verdeutlichen die dem Stofftransport zugrunde liegende räumliche und zeitliche Komplexität in der chorischen Dimension. Die Studie zeigt, dass die Prozesse des P-Transports und Einzugsgebietsmuster nicht auf das skalenund einzugsgebietsbezogene Abflussregime eingeschränkt werden können. Wasser ist als Transportmedium hauptverantwortlich für die Mobilisierung und Verlagerung von Phosphor (P). Die P-Konzentration im Oberflächengewässer hängt jedoch viel stärker von kurz- bis langfristigen Faktoren der Landnutzung ab als von den rein hydrologischen Prozessen. Vertikaler Stofftransport im Bodenprofil (Matrixfluss): Die untersuchten Böden tragen während einer rund 40-tägigen Regensimulation konstant relativ hohe P-Mengen aus. Die Böden weisen trotzdem eine ausgeprägte Senkenfunktion (P-Sorption) bei einer Gülleapplikation auf. Der Austrag von DOC (= gelöster organischer Kohlenstoff) steigt nach der Gülleapplikation sehr stark an und fällt nach rund 3 bis 5 Tagen wieder auf das ursprüngliche Niveau zurück. Lateraler Stofftransport in der Hangdimension: Die Anlage einer Catena hinter einer künstlichen Barriere zeigt einen mächtigen Sedimentationskörper in der Tiefenlinie, deren Ursache in Boden- und Bearbeitungserosionsprozessen in umliegenden Hängen begründet ist. Insbesondere organischer Kohlenstoff stellt sich als brauchbarer Indikator auch mittel- und langfristiger Prozesse heraus; dagegen kann auf Basis unterschiedlicher Boden-P-Formen nicht auf Verlagerungsprozesse geschlossen werden. Abflussdynamik (chorische Dimension): Der Gebietsabfluss reagiert sehr rasch auf Niederschlagsereignisse. In ausgeprägten Trockenperioden, wie etwa 2003, trocknet das Bachsystem über weite Strecken aus. Während kleinerer Hochwasserereignisse entwässern Kleinst- und Kleineinzugsgebiete (Mikro- bzw. Mesochore) ähnlich. Dagegen kommt es bei mittleren und größeren (> 55 mm Niederschlag) Hochwasserereignissen hydrogeologisch bedingt zu einem massiven Anstieg des Abflusses von der mikro- zur mesochorischen Dimension. Es besteht grundsätzlich kein Zusammenhang zwischen Energieinput (max. Niederschlagsintensität) und Impakt im Oberflächengewässer (Abflussscheitel). Die Gegenüberstellung zeigt dennoch zwei wesentliche, modellhafte Entwicklungen am P50: Niederschläge mit niedrigen Intensitäten und vergleichsweise langer Dauer führen zu größeren Hochwasserabflüssen: Typ low engery – hight impact (LE-HI). Niederschlagsereignisse mit hohen Intensitäten aber meist kurzer Dauer führen zu vergleichsweise geringen Abflüssen: Typ high engery – low impact (HE-LI).
Bei HE-LI ist kein gravierender Unterschied zwischen den Skalen festzustellen; im Gegensatz dazu ist der sog. Impakt bei LE-HI in den größeren Skalen stärker. Diese zugrunde liegende Modellvorstellung von Niederschlag und Abfluss zeigt wesentliche Auswirkungen auf den Stofftransport im Einzugsgebiet und Vorfluter. Schwebstofftransport und -dynamik: Im untersuchten Zeitraum vom 01.01.2002 bis zum 30.06.2004 werden nur wenige kleine sowie ein mittleres Erosionsereignis auf Fruchtfolgeflächen kartiert, bei denen meist keine direkte Anbindung an das Oberflächengewässer besteht. Mergel- und Feldwegen stellen sich einerseits als Stoffquelle und andererseits als wichtiger Transportpfad heraus, der meist direkt oder indirekt über Einlaufschächte und Drainagesammelleiter an das Bachsystem angebunden ist. Der Austrag an Schwebstoffaustrag beträgt im UZ rund 780 kg ha-1 (P50), 220 kg ha-1 (P51) und 155 kg ha-1 (P52). Der Eintrag aus dem Drainage- und Kanalsystem P52 ist somit annähernd so hoch wie jener des Bacheinzugsgebiets P51. Die Zunahme der Schwebstofffracht am P50 ist die unmittelbare Folge des höheren Abflusses in dieser Skala und der verstärkten Gerinne- und Ufererosion. Das Austragsverhalten der einzelnen Ereignisse korreliert im Gesamteinzugsgebiet P50 stark mit der Wasserstandshöhe bzw. dem Scheitelabfluss. Eine Berechung der Schwebstofffracht einzelner Hochwasser ist mit diesem Abflussparameter plausibel. Die Berechnung der Schwebstofffracht am P51 und P52 für einzelne Ereignisse ist von sich überlagernden Prozessen geprägt und eine Berechung schwieriger durchzuführen. Die stärksten Zusammenhänge bestehen bei Gesamtabflussvolumen und Gesamtfracht eines Hochwasserereignisses. Insbesondere die LE-HI-Ereignisse weisen einen höheren Sedimenttransport auf; sommerliche Konvektionsgewitter tragen dagegen unwesentlich zur Gesamtbilanz auf Einzugsgebietsebene bei. Phosphortransport und -dynamik: Im Gegensatz zum Schwebstoff besteht bei Phosphor nicht nur bei Ereignissen, sondern auch Nicht-Ereignisphasen ein Gefahrenpotenzial, das als akut bzw. chronisch bezeichnet werden kann. In allen untersuchten EZG steigt die Phosphorfracht mit dem Durchfluss an. Eine Berechnung ist zwar generell möglich, jedoch mit größeren Fehlerquellen behaftet. Hier erweist sich das Hysteresemodell als eine Möglichkeit, eine genauere Modellvorstellung zu erhalten; Dafür sind aber noch weitere Erhebungen notwendig. Beim gelösten reaktiven Phosphor (DRP) überlagern sich landwirtschaftliche Punktquellen und diffuse Quellen raum-zeitlich sehr stark. Der Einfluss der Hofabwässer, inklusive Kleinkläranlagen, wirkt sich in Trockenphasen in extremen Konzentrationsanstiegen im Bachökosystem der Kleinsteinzugsgebietsskala aus. Das System verfügt auch in solchen Stresszeiten über ein ausgeprägtes Selbstreinigungsvermögen, sehr wahrscheinlich kommt es aber zu einer Remobilisierung während der folgenden Hochwasserereignisse. Während Hochwasser tragen insbesondere die landwirtschaftlichen Drainagen (z.B. P52) zu einer Steigerung des DRP bei; die Messungen in Drainagen während LI-HI-Ereignissen entsprechen den Ergebnissen der Bodensäulenversuche. Die exportierte Hochwasserfracht DRP (= gelöster reaktiver Phosphor) beträgt rund 80 kg ha-1 (P50), 55 kg ha-1 (P51) und 125 kg ha-1 (P52), die Frachtberechnung auf Basis der Schöpfproben beträgt rund 144 kg ha-1 (P50), 200 kg ha-1 (P51) und 262 kg ha-1 (P52). Obwohl die wahrscheinliche Fehlerquelle bei letzter Methode höher ist, zeigt es, dass im vorliegenden Landschaftsökosystem DRP potenziell auch in den NichtEreignis-Perioden ausgetragen wird. Auch hinsichtlich Austrag an Gesamt- und partikulärem Phosphor (TP bzw. PP) unterscheiden sich die EZG deutlich; aus P52 (Drainage und Strassenkanal) wird mehr als doppelt so viel TP exportiert als bei P51. Infolge der oben besprochenen Gerinne- und Ufererosion steigt die TP – 120 – und partikuläre Phosphor-Fracht zum P50 hin an. Die exportierte Hochwasserfracht DRP beträgt rund 325 kg (P50), 105 kg (P51) und 240 kg (P52). Der Schwebstoff kleinerer Hochwasser ist wesentlich stärker mit Phosphor angereichert als jener größerer Ereignisse. Grundsätzlich ist SS am P52 stark, am P50 und P51 geringer angereichert. HI-LE-Ereignisse weisen zwar hohe Stoffkonzentrationen auf, die ausgetragene Fracht ist jedoch gering. Somit kommt es v.a. zu einer Eutrophierungsgefahr der unmittelbar folgenden Ökosysteme. Umgekehrt sind bei LE-HI-Ereignissen die Konzentrationen niedrig bis mäßig hoch, die ausgetragenen Stofffrachten überdurchschnittlich hoch. Bei derartigen Ereignissen kann davon ausgegangen werden, dass nahe und ferne Ökosysteme vom Stofftransfer betroffen sind. Düngung und Boden-Phosphor: Für den Großteil der Schläge fällt die P-Düngebilanz negativ aus (d.h. der Landwirt könnte dem Boden größere Düngegaben verabreichen). Die Düngung stellt mittelfristig den wichtigsten Einflussfaktor für den Phosphorvorrat des Oberbodens dar und als Folge ist nur ein geringer Teil der Böden phosphorüberversorgt. Zwischen der ausgebrachten P-Düngermenge und der im Oberflächengewässer transportierten Phosphorfracht konnte weder bei Ereignissen noch bei Nicht-Ereignis-Perioden ein direkter, kurzfristiger Zusammenhang hergestellt werden. Die Auswaschung an gelöstem reaktivem Phosphor zeigt sich dort am höchsten, wo sich hohe verfügbare Phosphorvorräte im Boden (hohe Nutzungsintensität) mit einem hohen Transportpotenzial (Makroporen, Drainage, Stauwasserböden und häufigem Oberflächenabfluss) überlagern.