Selected aspects of surface water quality: pesticide mitigation and nitrogen cycling

Abstract: Schlechte Wasserqualität ist eine der großen Herausforderungen der Menschheit im 21. Jahrhundert. Zu den wichtigsten Ursachen für die globale Verschmutzung von Gewässern gehört der Eintrag von Pestiziden und Stickstoff (N). Pestizide stellen ein Risiko für die menschliche Gesundheit dar und werden mit dem globalen Rückgang der Biodiversität in Verbindung gebracht. Stickstoff spielt eine wichtige Rolle bei der Eutrophierung von Wasserkörpern und schädlichen Algenblüten. Sowohl Pestizide als auch Stickstoff können durch Prozesse vermindert werden, die natürlich in der Umwelt stattfinden. Eine Strategie zur Reduktion des Austrags von Pestiziden aus landwirtschaftlich geprägten Einzugsgebieten ist der Einsatz von künstlichen Feuchtgebieten (vegetated treatment systems, VTS), die den Abbau und die Tranformation von Pestiziden durch biochemische Prozesse fördern. Die in der Literatur angegebenen Effizienzen für VTSs sind jedoch recht variabel. Ähnliche Strategien werden auch zur Rückhaltung von N genutzt, allerdings hat sich gezeigt, dass der Austrag von Stickstoff aus Einzugsgebieten auch zu einem erheblichen Anteil von Aufnahmeprozessen in Gewässern abhängig ist. Ein besseres Verständnis der Auswirkungen von Umweltbedingungen auf die Retention von N in Gewässern würde ein zielgerichtetesWasser-Management und Vorhersagen in Bezug auf sich ändernde klimatische Bedingungen erlauben. Die an der N-Aufnahme beteiligten biochemischen Prozesse sind direkt oder indirekt von der Sonneneinstrahlung
abhängig und verursachen daher periodische Muster in der N-Konzentration im
Gewässer. Im Umkehrschluss enthalten N-Tagesgänge Informationen über die Intensität der zugrundeliegenden Prozesse die möglicherweise durch eine Zerlegung des Konzentrationssignals zugänglich gemacht werden können.

Ziel dieser Dissertation ist es, unser Verständnis von der Selbstreinigungsfunktion aquatischer Ökosysteme zu erweitern. Dazu wird (a) die Reduktion von Pestizidkonzentrationen und -frachten in einem VTS untersucht und (b) das Informationspotenzial in NO3- Tagesgängen in Bezug auf die zugrundeliegenden biochemischen Prozesse erkundet. Zu diesem Zweck wurden drei Studien durchgeführt. In Studie 1 wurde die Effizienz des Pestizidrückhaltes in einem VTS auf der Grundlage von Monitoring-Daten von 10 Abflussereignissen untersucht und die Bedingungen für eine optimale Leistung des VTS identifiziert. In Studie 2 wurden mithilfe einer Cluster-Analyse Muster in hochauflösende NO3 -Monitoring-Daten (Messintervall 15 Minuten) von unterschiedlichen Messstellen entlang eines Flusses ausgewertet und ein Interpretationsrahmen für Nitrat-Tagesgänge entwickelt. In Studie 3 wurden die Hypothesen aus Studie 2 ergänzt, indem der mögliche Einfluss von Transportprozessen auf die Tagesgänge von gelösten Stoffen in einem virtuellen Experiment untersucht wurde.

In Bezug auf die Rückhaltung von Pestiziden wurde festgestellt, dass die Reduktion der Pestizidkonzentration am effizientesten bei Konentrationssignalen mit ausgeprägten Maxima funktionierte, da diese Maxima leicht durch Dispersion abgeflacht werden konnten. Konzentrationssignale mit ausgeprägten Maxima traten häufig zusammen mit ebenfalls durch klare Maxima gekennzeichneten Abfluss-Signalen auf. Andere charackteristische Signalformen wurden mit spezifischen Stoffen, Ursprungsgebieten oder Transportwege in Verbindung gebracht. Eine Abnahme der Pestizidmasse in dem untersuchten VTS wurde ebenfalls festgestellt, allerdings waren diese Daten mit großen Unsicherheiten behaftet.

In Bezug auf das Informationspotenzial in NO3 -tagesgängen wurde festgestellt, dass an unterschiedlichen Messtellen entlang desselben Flusses ähnliche Tagesgänge auftraten und diese sich saisonal änderten. Die Änderungsrate der NO3-Konzentration im Wasser korrelierte meistens mit der Sonneneinstrahlung, es wurden aber auch Tagesgänge beobachtet, die positiv oder negativ mit der Wassertemperatur korrelierten. Auf der Grundlage dieser Korrelationenwurde eine Reihe von Hypothesen darüber aufgestellt, welche biochemische Prozesse als mögliche Ursache der beobachten NO3 -Tagesgänge in Frage kommen. Allerdings zeigte das virtuelle Experiment in Studie 3, dass zusätzlich zu den in Studie 2 diskutiertenbiochemischen Prozessen, unterschiedliche Fließzeiten sowohl das Timing als auch die Intensität von Tagesgängen beieinflussten. Die Größe dieses Effekts ist allerdings in der Realität schwer zu bewerten und Mischungsprozesse wie Dispersion oder Austausch mit der Atmophäre oder der hyporheischen Zone tragen zu seiner Abschwächung bei. Wenn man das Ziel verfolgt, Prozessraten aus Tagesgängen abzuleiten, sollte man sich dennoch bewusst sein, dass Tagesgänge hinsichtlich ihres Timings und ihrer Intensität relativ zu den sie verursachenden Prozessen verschoben sein könnten. Angesichts dieser Ergebnisse erscheint es unmöglich, das volle Informationspotential von NO3-Tagesgängen nur durch die Messung von NO3 auszuschöpfen. Die gleichzeitige Messung weiterer Parameter wie gelöster Sauerstoff, gelöster organischer Kohlenstoff, pH-Wert und andere Stickstoff-Spezies, könnte allerdings dabei helfen, Prozesse einzugrenzen und eine breitere Grundlage für die Interpretation von NO3 -Tagesgängen zu schaffen

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2023

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Pestizid ; Schadstofftransport ; Aquatisches Ökosystem ; Pestizid ; Stickstoff ; Gewässer ; Tagesgang

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2023
• Urheber: Greiwe, Jan
• Beteiligte Personen und Organisationen: Lange, Jens ; Gaßmann, Matthias ; Schütz, Tobias ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Professur für Hydrologie, 2013- ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/233757
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2337571
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:41 MEZ