Prozessanalyse zu Pflanzenschutzmitteln in stehenden Kleingewässern - Eintrag, Transformation, Speicherung

 

Projekt in Kooperation zwischen dem Erdbeerhof Jensen und Reiterhof Doose in Sörup und der CAU Kiel Arbeitsgruppe Hydrologie und Wasserwirtschaft, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Soll im Raps

Soll im Rapsfeld bei Sörup (© Lydia Neubauer, 2018)
Stehende Kleingewässer erfüllen vielfältige ökohydrologische Aufgaben und sind von zentraler Bedeutung für die Biodiversität im ländlichen Raum. Aufgrund ihrer Größe/Lage stehen sie in komplexer Interaktion mit ihrer Umgebung, die man bei anderen Gewässertypen so nicht findet, und sind besonders durch Pflanzenschutzmitteln (PSM) gefährdet. Das Prozessverständnis für die Eintragspfade von PSM in stehende Kleingewässer, ihre Speicherung und ihre Transformation sind essentiell, um ihre Funktionsfähigkeit zu erhalten. Bisher liegt nur ein Basisverständnis zum Transport von Wasser und wenigen Nährstoffen in stehende Kleingewässer vor. Ein zeitlich/räumlich hochaufgelöstes Messprogramm ist notwendig, das neben worst case Situationen nach der Applikation auch die im Jahresverlauf vielfältigen ökohydrologischen Situationen mit den jeweiligen hydrochemischen Bedingungen erfasst. Ferner sind die biologischen, chemischen und physikalischen Prozesse im stehenden Kleingewässer von klimatischen und hydrologischen Bedingungen abhängig und unterliegen damit einer Saisonalität.
Es wird in diesem Projekt das Prozessverständnis über den Transport, die Speicherung und die Transformation von PSM über 2 Jahre in 2 stehenden Kleingewässern erforscht, um diese Forschungsfragen zu beantworten:
  • Über welche ober- und unterirdischen Eintragspfade werden PSM und ihre Transformationsprodukte (TP) in stehende Kleingewässer eingetragen und welche Relevanz haben diese Eintragspfade? Die Zuflüsse über Oberflächenabfluss, lateraler Abfluss und oberflächennahes Grundwasser werden erfasst und die PSM/TP-Konzentrationen darin quantifiziert. Tracer dokumentieren den lateralen Abfluss und Isotopenverhältnisse die Interaktion Wasserkörper-Grundwasser.
  • Lassen sich im Wasserkörper Transformations- und  Adsorptions/Desorptionsprozesse am Sediment qualitativ und quantitativ erfassen? TPs werden in der Wasserphase und im Sediment quantifiziert. Tracer dienen als Indikatoren für photolytischen Abbau und Sorption am Sediment.
  • Welcher zeitlichen Dynamik unterliegen Transport und Transformationsprozesse im Laufe des Jahres bzw. interannuell? Das 2 jährige hoch aufgelöste Messprogramm (täglich bis 2-wöchig)  erfasst verschiedenste hydrologische Bedingungen und ermöglicht damit Aussagen zu saisonalen Variabilitäten und den steuernden Faktoren. Klima-, Landschafts- sowie Landnutzung und Applikationsdaten werden ebenfalls mit den PSM-Messwerten in Beziehung gesetzt (ANOVA,  einfache/multiple Regressionsanalyse, multivariate Methoden).
  • Inwieweit lassen sich Einträge identifizieren, die mit dem aktuellen Flächenmanagement nicht in Verbindung stehen? Diese Befunde sollen mithilfe von langjährigen Landnutzungskartierungen und Befragungen der Landwirte aufgeklärt werden.
 
Anhand der Ergebnisse können die PSM-bezogenen Prozesse im System "stehendes Kleingewässer" beschrieben und relevante Faktoren, die  Eintrag,  Transformation und Speicherung von PSM in stehende Kleingewässer steuern, identifiziert  werden.

Soelle Einfluesse

Umgebende Umweltparameter, die den Eintrag von PSM/TP in stehende Kleingewässer beeinflussen; NDS=Niederschlag

 

 

Process analysis of pesticides in lentic small water bodies - Inputs, transformation, storage -

Lentic small water bodies (LSWB) fulfil numerous ecohydrolological functions and are of high importance for biodiversity in rural areas. Due to their size/location, they undergo complex interactions with their environments, not found with other water bodies, and are thus at greater risk from pesticides. Understanding the entry pathways and the processes of transformation and storage is essential to preserve their functionality. So far, there is only a basic knowledge about transport of water and few nutrients into LSWB. A high resolution temporal/spatial monitoring is required which considers the annual diverse hydrological conditions besides worst case conditions after application. Biological, chemical and physical processes in the LSWB depend on climatic and hydrological conditions and thus undergo seasonal variations.
In this project, the transport, transformation and storage of pesticides in LSWB will be studied in 2 small stagnant water bodies over 2 years to address the following research questions:
  • Which are the above and below ground input pathways for pesticides and their transformation products (TP) into LSWB and what is the relevance of them? The input pathways surface runoff, lateral flow and shallow groundwater are monitored and the pesticide/TP concentrations are quantified. Tracers illustrate the lateral flow and isotope relations display the interaction between surface water-ground water.
  • Can transformation and adsorption/desorption processes to the sediment be qualitatively and quantitatively measured in the water body? TPs are quantified in the water phase and in the sediment of the LSWB. Tracers act as indicators for photolytic degradation and sorption to sediment.
  • Which temporal dynamics are transport and transformation processes subject to in the course of the year and inter-annual?The 2 years long, high resolution (daily –biweekly) monitoring captures diverse hydrological, thereby enabling statements in regards to seasonal variation and the controlling factors. Data of land use, landscape, climate and application are correlated with pesticide values (ANOVA, single/multiple regression analysis, multivariate methods).
  • To what extent can inputs be explained which are not associated with the current field management? These findings should be answered with the aid of long term land use data and interviews with farmers.
 
With the results, pesticide-related processes in the system of a LSWB can be described and relevant drivers for inputs, transformation and storage of pesticides in LSWB are identified.