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    Nicht-agrarbedingte im Vergleich zu den agrarbedingten Einflussfaktoren auf die Nitratbelastung von Grundwasserkörpern in Hessen
    (2021-05-25) Bach, Martin; Knoll, Lukas; Kilian, Joachim; Breuer, Lutz
    In der Studie für das Hessische Ministerium für Umwelt, Klimaschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz wird die Bedeutung der landwirtschaftlichen Flächennutzung im Vergleich zu den nicht-landwirtschaftlichen Quellen für die Nitrateinträge in das Grundwasser in Hessen untersucht. Das Nitrat-Eintragspotenzial aus der Landwirtschaft wird gemäß etablierter Methodik in Form der Stickstoff-(N) Flächenbilanzüberschüsse auf den landwirt-schaftlichen Flächen ermittelt. Für die Bewertung des Nitrat-Eintragspotenzials aus dem nicht-landwirtschaftlichen Bereich wurde zunächst eine Literaturrecherche zur Identifizierung relevanter Quellen und zur Größenordnung deren möglicher Nitratfrachten durchgeführt. Diese beiden Ansätze werden zusammengeführt und damit die Bedeutung der Eintragsquellen für das Grundwasser in Hessen anhand der potenziellen Stickstofffrachten bewertet. Die Bilanzierung erfolgt sowohl für Hessen insgesamt als auch für ausgewählte Teilräume, die Ergebnisse werden auf Basis eines 1 km x 1 km Geogitters regionalisiert dargestellt. Neben der Landwirtschaft treten als potenzielle diffuse Nitrateintragsquellen in das Grund-wasser Wald- und natürliche Vegetationsflächen sowie urbane Flächen in Erscheinung. Zudem können punktuelle Einträge von Nitrat in das Grundwasser über Deponien erfolgen. Gerade im urbanen Bereich sind die Eintragspfade sehr komplex, was eine differenziertere Betrachtung erforderlich macht. In erster Linie erfolgt eine Unterscheidung nach versiegelten und nicht-versiegelten Flächen; wobei der Eintrag von versiegelten Flächen durch Abwasserexfiltration erfolgt. Für Waldflächen und natürliche Vegetationsflächen können spezifische Stickstofffrachten als konstante Einträge angesetzt werden, die im Rahmen einer Literaturrecherche ermittelt wurden. Die Nitrateinträge aus der Landwirtschaft entsprechen dem Stickstoffüberschuss auf landwirtschaftlichen Flächen. Der Überschuss einer Bilanz entspricht der Differenz zwischen den N-Zufuhren und den N-Abfuhren während eines Bilanzjahres und kennzeichnet die potenzielle Emission von reaktiven Stickstoff-Verbindungen aus einer Bilanzeinheit. Im Durchschnitt der Gemeinden in Hessen beträgt der N-Überschuss (Bezugsjahr 2016) 61 kg N/ha Landwirtschaftsfläche (LF), die Spanne reicht von 23 bis 93 kg N/ha LF. Die organische Düngung mit Wirtschaftsdünger aus der Tierhaltung und mit Gärresten ist mit zusammen 62 kg N/ha LF im Landesdurchschnitt vergleichsweise gering. Der Flächenbilanzüberschuss in Hessen liegt um rund 17 kg N/ha LF unter dem Bundesdurchschnitt von 78 kg N/ha LF (2016). Für Waldflächen konnten als Mittelwert verschiedener Literaturangaben spezifische Stick-stoffeintragsfrachten für Nadel , Laub- und Mischwald in Höhe von 5,9 kg N/(ha x a) 5,0 kg N/(ha x a) und 5,5 kg N/(ha x a) ermittelt werden. Für naturnahe Vegetationsflächen und Feuchtgebiete ergeben sich Stickstoffeintragsfrachten von 4,6 kg N/(ha x a) und 4,1 kg N/(ha x a). Für Nitrateintragsquellen von urbanen nicht versiegelten Flächen (sonstige urba-ne Flächen) wurde eine spezifische Stickstoffeintragsfracht von 5,0 kg N/(ha x a) ermittelt. Für die Abwasserexfiltration wird mit einer spezifischen N-Eintragsfracht von urbanen Flächen von 6,3 kg N/(ha x a) gerechnet. Der potenzielle Nitrateintrag insgesamt in das Grundwasser in Hessen beträgt nach diesem Ansatz 61.889 t N/a. Einträge aus der Landwirtschaft gehen von rund 43 % der Fläche Hes-sens aus und bilden rund 89 % des Gesamteintrags in das Grundwasser. Wald und naturnahe Vegetation bedecken mit rund 47 % die größten flächenmäßig größten Anteil Hessens und liefern rund 8 % des Nitrateintrags. Den geringsten Flächenanteil mit 9 % bilden urbane Flächen, die mit rund 3 % des Nitrateintrags nur einen vergleichsweise geringen Anteil beitragen. Deponien führen überwiegen zu einer Abnahme der Nitratkonzentration im Grundwasser. Insgesamt zeigt sich, dass die diffusen Nitrateinträge aus landwirtschaftlichen Quellen aufgrund der zum einen großflächigen Ausdehnung und der zum anderen um etwa das zehnfache höheren flächenspezifischen Stickstofffrachten den wesentlichen Anteil der Ge-samtnitrateinträge in das Grundwasser in Hessen darstellen. Die Annahmen wurden dabei konservativ gewählt (i.S. einer tendenziellen Unterschätzung der agrar-bedingten Einträge), der tatsächliche Beitrag der Landwirtschaft liegt mutmaßlich noch höher als der genannte Anteil von 89 % des Gesamteintrags. Ergänzend wird die Situation in den vier Regionen „Kurhessen“, „Wetterau“, „Hessisches Ried“ und „Reinheim“ separat ausgewertet. Die Nitrateinträge in das Grundwasser im Hessischen Ried aus nicht-agrarbedingten Quellen liegt aufgrund eines höheren Anteils an urbanen Quellen etwas höher als in der hessenweiten Bilanz. In den drei anderen Teilräumen liegen die Nitrateinträge aus landwirtschaftlichen Quellen mit über 90 % etwas höher als in Hessen insgesamt.
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    Stickstoffreduktion in der ungesättigten Zone und im Grundwasser - Grundlage für die Modellierung des Stickstoff-Eintrags in Oberflächengewässer
    (2024) Knoll, Lukas; Bach, Martin; Häußermann, Uwe; Breuer, Lutz; Morling, Karoline; Fuchs, Stephan; Weber, Tatyana
    Die Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) fordert die regelmäßige Berichterstattung zu den Einträgen von Stickstoff in Flüsse und Meere. Mit dem Modellsystem MoRE (Modeling of Regionalized Emissions) werden dafür über eine regionalisierte Pfadanalyse die Stickstoffeinträge in das Gewässersystem auf Flussgebietsebene in Deutschland quantifiziert. Im vorliegenden Projekt wurde ein neuer Ansatz zur Ermittlung des Stickstoff-Eintrags in die Oberflächengewässer über das Grund-wasser in MoRE entwickelt. Die N-Einträge auf Landwirtschaftsflächen entsprechen dabei den hydrosphärischen N-Überschüssen in den Kreisen, für die Flächennutzungen Wald und naturnahe Vegetation sowie städtische Flächen werden konstante Werte für den N-Eintrag angesetzt. Auf Basis der rund 5.400 Messstellen des WRRL-Monitoringmessnetzes wurde mittels einer Random Forest-Klassifikation die räumliche Verteilung der Nitratkonzentration im Grundwasser in Deutschland (1 km x 1 km Raster) dargestellt. Als wichtigste Einflussgrößen gehen die Redoxbedingungen im Grundwasser, die hydrogeologischen Einheiten und der prozentuale Anteil an Ackerfläche in die Klassifikation ein. In Verbindung mit der Grundwasserneubildungsrate wird aus der Nitratkonzentration die Stickstoff-Fracht über den Grundwasserpfad berechnet. Aus dem Verhältnis der N-Fracht über den Grundwasserpfad und der N-Einträge in die ungesättigte Zone wird ein Nitratreduktionsfaktor ermittelt, der die rechnerische Verminderung der N-Fracht im Verlauf der Verlagerung des Sickerwassers in der ungesättigten Zone und im Grundwasser beschreibt. Unter Verwendung dieser neuen Ansätze wird in MoRE der N-Eintrag in den Boden (ungesättigte Zone) mit 1.059 kt N/a (Bezugsjahr 2016) und der N-Eintrag in die Oberflächengewäs-ser über das Grundwasser mit 205 kt N/a berechnet; der Median der N-Reduktion beträgt 57 %.
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    Verfahren zur Regionalisierung der Nitratkonzentration im Grundwasser - Supplement
    (2022) Ohlert, Paul Lukas; Bach, Martin; Breuer, Lutz
    In der "Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zur Ausweisung der mit Nitrat belasteten und eutrophierten Gebiete“ (AVV GeA) sind für die immissionsbasierte Abgrenzung der Nitrat belasteten Gebiete geostatistische und deterministische Regionalisierungsverfahren vorgesehen. Die Leistungsfähigkeit bzw. die Unsicherheit der Verfahren Inverse Distanzgewichtung (IDW), Ordinary Kriging (OK) und Voronoi-Polygone (VP) im Hinblick auf diese Aufgabe sind bislang nicht untersucht worden. Für diese Verfahren werden daher vier Aspekte der Interpolation der Nitratkonzentration im Grundwasser analysiert: (1) Einfluss der Verfahrensparameter auf die Regionalisierung, (2) räumliche Autokorrelation der Nitratkonzentrationen zwischen den Messstellen, (3) Prognosegüte der Verfahren sowie (4) Unterschiede der geschätzten Verteilung der Nitratkonzentrationen im Grundwasser bei flächendeckender Regionalisierung. Bei der ersten Untersuchung wurde eine extern modellierte Karte der Nitratkonzentration im Grundwasser in Bayern als Referenzverteilung verwendet, die anderen Auswertungen basieren auf einem Datensatz von 5.790 Grundwassermessstellen in Bayern. Die Analyse der räumlichen Korrelation zeigt, dass ab einer Reichweite von etwa 0,7 km kein Zusammenhang der Nitratwerte zwischen Messstellen besteht. Bei Kreuzvalidierung der 5.790 Messstellen mit den drei Verfahren tritt ein mittlerer absoluter Fehler zwischen gemessenen und interpolierten Konzentrationen von rund 7 bis 8 mg NO3/l auf, die relative Unsicherheit der Verfahren beträgt rund 43 % bis 49 %. Oberhalb des Grenzwerts der EG-Nitratrichtlinie und der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EG-WRRL) von 50 mg NO3/l wird die Konzentration im Mittel um 28 bis 29 mg NO3/l zu niedrig interpoliert; die Anzahl der Messstellen > 50 mg NO3/l wird um rund 44 % (IDW), 56 % (OK) bzw. 20 % (VP) unterschätzt. Bei einer landesweiten Interpolation in Bayern mit den drei Verfahren werden zwischen rund 3 % und 10 % Flächenanteil mit einer Konzentration von über 50 mg NO3/l ausgewiesen. Aus Sicht der Autoren sind die untersuchten Verfahren für eine problemadäquate Abgrenzung der mit Nitrat belasteten Gebieten nicht geeignet.