Institut für Landschaftsökologie und Ressourcenmanagement Fachbereich Agrarwissenschaften, Ökotrophologie und Umweltmanagement _______________________________________________________________________________________________________________________ Modellierung landwirtschaftlicher Maßnahmen zur Minderung der Nitratauswaschung im Wasserschutzgebiet Getelo-Itterbeck in Niedersachsen Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades „Dr. agr.“ Doktor der Agrarwissenschaften an der Justus-Liebig-Universität Gießen vorgelegt von Diplom-Agraringenieur Mirco Grimm geb. in Laatzen Oestrich-Winkel, den 24.04.2008 Erster Gutachter: Prof. Dr. Hans-Georg Frede Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Peter Felix-Henningsen Weitere Mitglieder der Prüfungskommission: Prof. Dr. Ernst-August Nuppenau (Vorsitz) Prof. Dr. Stefan Gäth Prof. Dr. Hermann Seufert Tag der Disputation: 19. Juni 2008 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis…………………………………………………………………………...III Tabellenverzeichnis........................................................................................................................IX Abkürzungsverzeichnis................................................................................................................XII 1 Einleitung.......................................................................................................................1 2 Aufgabenstellung und Zielsetzung...............................................................................3 3 Stand des Wissens..........................................................................................................5 4 Material und Methoden..............................................................................................16 4.1 Das Untersuchungsgebiet..............................................................................................16 4.1.1 Das Wasserschutzgebiet Getelo-Itterbeck.....................................................................16 4.1.2 Klima.............................................................................................................................17 4.1.3 Böden ............................................................................................................................18 4.1.4 Geologie........................................................................................................................20 4.1.5 Hydrogeologie...............................................................................................................21 4.1.6 Flächennutzung und Nutzungshistorie..........................................................................24 4.1.6.1 Landwirtschaftliche Nutzung........................................................................................24 4.1.6.2 Wasserwirtschaftliche Nutzung.....................................................................................26 4.1.6.3 Sandabbau .....................................................................................................................27 4.2 Das Modell Hermes.......................................................................................................27 4.3 Datenaufbereitung und -gewinnung..............................................................................35 4.3.1 Meteorologische Daten .................................................................................................36 4.3.2 N-Deposition.................................................................................................................37 4.3.3 Tiefenprofile..................................................................................................................37 4.3.4 Boden ............................................................................................................................39 4.3.5 Grundwasserregime.......................................................................................................44 4.3.6 Landnutzung..................................................................................................................47 4.4 Modellanwendung.........................................................................................................51 4.4.1 Modellkalibrierung- und Validierung ...........................................................................51 4.4.2 Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalyse........................................................................58 4.4.3 Maßnahmenbewertung..................................................................................................63 4.4.4 Landwirtschaftliche Nitratauswaschung im Wasserschutzgebiet .................................69 5 Modellergebnisse und Interpretation........................................................................71 5.1 Modellkalibrierung- und Validierung...........................................................................71 5.2 Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalyse........................................................................86 Inhaltsverzeichnis II 5.3 Maßnahmenbewertung................................................................................................115 5.4 Landwirtschaftliche Nitratauswaschung im Wasserschutzgebiet ...............................140 5.5 Empfehlung zur Bewirtschaftung des Wasserschutzgebietes .....................................145 6 Diskussion ..................................................................................................................148 7 Zusammenfassung.....................................................................................................156 8 Summary....................................................................................................................158 9 Literatur.....................................................................................................................160 10 Anhang.......................................................................................................................170 Abbildungsverzeichnis III Abbildungsverzeichnis Abb. 3.1: Der Stickstoffkreislauf in der Landwirtschaft (nach Schachtschabel et al., 1998; verändert) ......................................................................................................................... 6 Abb. 4.1: Übersichtskarte zur Lage des Wasserschutzgebietes (WSG) Getelo-Itterbeck und seinen Schutzzonen ........................................................................................................ 16 Abb. 4.2: Relikt der einstmals weit verbreiteten Heidelandschaft innerhalb des WSG Getelo- Itterbeck.......................................................................................................................... 17 Abb. 4.3: Langjähriges Mittel (1974–2003) der monatlichen Lufttemperatur (T), der potentiellen Evapotranspiration ETp Haude (Etp) und der Monatssummen des Niederschlags (NS) an der Klimastation Lingen (DWD, 2004) .................................... 18 Abb. 4.4: Böden im und um das WSG Getelo-Itterbeck (NLfB, 2004; verändert) ....................... 19 Abb. 4.5: Morphologie des WSG Getelo-Itterbeck........................................................................ 20 Abb. 4.6: Grundwassergleichen im WSG Getelo-Itterbeck im 5-jährigen Mittel (1999 - 2003) .. 22 Abb. 4.7: Grundwasserflurabstandskarte für das WSG Getelo-Itterbeck und seiner östlichen Umgebung bei Grundwasserniedrig- und Grundwasserhochstand im 5-jährigen Mittel (1999 - 2003) ....................................................................................................... 23 Abb. 4.8: Landnutzung im WSG Getelo-Itterbeck ........................................................................ 24 Abb. 4.9: Entwicklung des Grünlandanteils im WSG Getelo-Itterbeck ........................................ 25 Abb. 4.10: Monatliche Gesamt-Grundwasserentnahmen und jährliche Entnahmen differenziert nach Förderbrunnen im WSG Getelo-Itterbeck für den Zeitraum 1988 bis 2003 ......... 26 Abb. 4.11: Schema des Stickstoffmodells HERMES (nach Kersebaum, 2007; verändert)............. 28 Abb. 4.12: Schematische Darstellung des im Modell HERMES angewandten Plattenmodells...... 29 Abb. 4.13: Darstellung der Simulation der Netto-N-Mineralisation in Abhängigkeit der Tempera- tur und der Bodenfeuchte im Modell HERMES (nach Kersebaum und Beblik, 2001). 33 Abb. 4.14: Im Modell HERMES verwendete Funktionen zur Simulation der täglichen Denitrifikationsraten in Abhängigkeit des Nitratgehaltes, des wassergefüllten Porenraums und der Temperatur.................................................................................... 34 Abb. 4.15: Kritischer und maximaler N-Gehalt in der oberirdischen Trockenmasse in Abhän- gigkeit von der phänologischen Entwicklung des Winterweizens................................. 35 Abb. 4.16: Lage der Tiefenprofilflächen im WSG Getelo-Itterbeck ............................................... 38 Abb. 4.17: Herleitung einer digitalen Bodenkarte und ihrer Bodenkennwerte................................ 39 Abb. 4.18: Generierte Bodenkarte des WSG Getelo-Itterbeck ........................................................ 41 Abb. 4.19: Bodenkennwerte von zwei Tiefumbruchböden an der Grenze zum WSG Getelo- Itterbeck (nach Messungen von Schäfer et al., 2004; verändert)................................... 44 Abb. 4.20: Herleitung von Grundwasserflurabstandskarten ............................................................ 45 Abb. 4.21: Grundwassermessstellen im WSG Getelo-Itterbeck und im angrenzenden Umland..... 46 Abb. 4.22: Jahreszeitlicher Verlauf der