Dynamik in der Wurzelzone

In der Landwirtschaft wird der für Nutzpflanzen notwendige Stickstoff als Dünger oft nicht standort- und nutzungsgerecht ausgebracht. Ist die Menge zu hoch, nehmen Pflanzen den Stickstoff nicht vollständig auf. Die Folge: Der überschüssige Stickstoff wird ausgewaschen und gelangt als Nitrat in Grundwasser und Oberflächengewässer – ein Problem, das in mehreren EU-Staaten auftritt. Der Europäische Gerichtshof (EuGH) hatte deshalb zum Beispiel Deutschland im Jahr 2018 wegen der Verletzung der EU-Nitratrichtlinie verurteilt. Und voriges Jahr hatte die EU-Kommission Deutschland ermahnt, das EuGH-Urteil umzusetzen. 

Wie viel von dem über die Düngung ausgebrachten Stickstoff als Nitrat in Grundwasser und Oberflächengewässer gelangen kann oder davor bereits denitrifiziert wird, also zu molekularem Stickstoff und Stickoxiden umgewandelt und in die Luft abgegeben wird, ist unter anderem abhängig von komplexen Vorgängen im Boden. Welche Prozesse über den Weg des Stickstoffs entscheiden, haben UFZ-Forscher um den Hydrologen Dr. Rohini Kumar nun genauer analysiert. Im Fokus stehen hydrologische und biogeochemische Prozesse in der Wurzelzone, also dem Bereich, der von der Oberfläche des Bodens bis in ein Meter Tiefe reicht. "Die Wurzelzone ist der dynamischste und aktivste Teil des Untergrunds, in dem Niederschläge, Trockenphasen und Verdunstung wirken", sagt Rohini Kumar. Sie agiere sowohl als hydroklimatischer als auch als biogeochemischer Filter zwischen der Erdoberfläche und den tieferen Bodenschichten.

Die Anfälligkeit einer landwirtschaftlichen Fläche für die Auswaschung von Nitrat wurde bislang nur als statischer Zustand beschrieben. Das heißt, es wurden Informationen zur Landnutzung, zu den Böden und zur Topographie der Landschaft mit mittleren Niederschlägen und Grundwasserständen kombiniert – ohne deren zeitliche Variabilität zu berücksichtigen. "Niederschlagsmengen und Temperaturen ändern sich aber täglich, beeinflussen die Verdunstung, das Bodenwasser und damit letztendlich die Aufenthaltszeit und den Wassertransport in tiefere Schichten. Deshalb sind Mittelwerte, wie sie für die Beschreibung des statischen Zustands genutzt werden, aus heutiger Sicht weniger zielführend", erklärt Rohini Kumar. Um zu berechnen, wie lange das im Wasser gelöste Nitrat in der Wurzelzone bleibt, ehe es in die Tiefe wandert, nutzen die Forscher deshalb einen dynamischen Ansatz. Dabei kombinieren sie das am UFZ entwickelte Modellsystem mHM (mesoscale Hydrologic Model) mit Berechnungen der täglichen Änderung von Wasseraufenthalt und Nitrat in der Wurzelzone sowie der Denitrifikation. Der Einsatz von mHM ermöglicht es den Wissenschaftlern, europaweit und auf den Tag genau für die vergangenen 65 Jahre die Verteilung von Niederschlägen und die Abflussdynamik der Wurzelzone zu simulieren. 

Mit dem neuen Ansatz kommen die UFZ-Forscher zu dem Ergebnis, dass für einen Zeitraum von mindestens vier Monaten pro Jahr fast 75 Prozent der Agrarfläche Europas anfällig ist für Nitratauswaschung in das Grundwasser und die Oberflächengewässer. Nutzt man dagegen den statischen Ansatz, liegt dieser Flächenanteil nur bei 42 Prozent. "Da die zeitlich-räumliche Dynamik des Wassertransports bei der Risikobewertung nitratgefährdeter Gebiete in Europa bislang nicht berücksichtigt wurde, wird die räumliche Ausdehnung des Nitrateintrags unterschätzt", schlussfolgert auch Co-Autor und UFZ-Hydrogeologe Dr. Andreas Musolff. Das betrifft beispielsweise Gebiete im Osten und Nordosten Deutschlands, auf der iberischen Halbinsel sowie in einigen osteuropäischen Staaten. 

Auswirkungen sollten die neuen Erkenntnisse aus Sicht der UFZ-Forscher auf das Risikomanagement von Stickstoff in der Landwirtschaft haben. "Landwirte könnten mit den präziseren Informationen ihr Düngeregime genauer darauf ausrichten, dass in den besonders kritischen Monaten möglichst wenig Nitrat im Boden ist", sagt Andreas Musolff. So könnte verhindert werden, dass zusätzliche Mengen an Nitrat ins Grundwasser und später in die Oberflächengewässer gelangen. "Für eine umfassende Risikobewertung der Nitratfrachten im Grund- und Oberflächenwasser ist diese Studie mit der Fokussierung auf die Bodenzone ein Anfang, auf den weitere Forschungsarbeiten zu Transport und Denitrifizierung im Untergrund und im Gewässernetz folgen werden", ergänzt Rohini Kumar.

Publikation:
R. Kumar, F. Heße, P. S. C. Rao, A. Musolff, J.W. Jawitz, F. Sarrazin, L. Samaniego, J. H. Fleckenstein, O. Rakovec, S. Thober, and S. Attinger. Strong hydroclimatic controls on vulnerability to subsurface nitrate contamination across Europe, Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-020-19955-8

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