Deutschlandweite Analyse von Konzentrations-Abfluss-Beziehungen zur Identifizierung dominanter Prozesse für die Nährstoffdynamik auf Einzugsgebietsebene

Pia Ebeling1, Jan H. Fleckenstein1, Andreas Musolff1
1 Hydrogeologie, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ

1.3 in Wasserqualität in Grundwasser und Flusseinzugsgebieten

Menschliche Aktivitäten verändern die natürlichen Stoffkreisläufe seit dem sogenannten Anthropozän, insbesondere durch Nährstoffeinträge in Gewässer aufgrund von Düngemitteleinsatz und Abwassereinträge zu. Nährstoffkonzentrationen und deren Variabilität bestimmen zusammen mit anderen Stressoren den ökologischen Zustand von Oberflächengewässern. Das Zusammenspiel aus Konzentration und Abfluss bestimmt darüber hinaus die exportierten Nährstofffrachten, welche in unterliegenden Wasserkörpern zur Eutrophierung führen können. Einzugsgebiete (EZG) spielen für das Wasserqualitätsmanagement eine entscheidende Rolle, sind jedoch aufgrund interagierender Prozesse auf verschiedenen Skalen hochkomplexe Systeme. Daten-getriebene Analysen können diese Komplexität adressieren, indem sie das Verhalten am Gebietsauslass klassifizieren und in Kombination mit Gebietseigenschaften dominante Prozesse identifizieren. Chemostatische Exportregime landwirtschaftlich geprägter EZG werden einer Homogenisierung diffuser Nährstoffquellen durch Akkumulation hoher Einträge zugeschrieben, offen ist jedoch wie weitgreifend dieses Verhalten ist und welche weiteren Hierarchien bestehen. Daher untersuchen wir Konzentrations-Abfluss-Beziehungen (kurz C-Q) in EZG mit unterschiedlichem Klima, Geologie, Topographie und Landnutzung. Die Analyse umfasst 766 Stationen in Deutschland mit ca. monatlich gemessenen Nitrat- und Phosphatkonzentrationen, sowie Abflusswerten an 278 Stationen, womit die Gesamtfläche der EZG 55% Deutschlands abdecken. Die Vorhersagekraft von Gebietseigenschaften für mittlere Konzentrationen und C-Q Variablen wurden mittels Partial Least Square Regression und Random Forest quantifiziert. Die Klassifizierung für Nitrat zeigt, dass 48% der EZG chemostatische Regime mit positiver C-Q Beziehung aufweisen, wobei die mittleren Konzentrationen der chemostatischen höher als bei der chemodynamischen Gruppe sind. Bei Phosphat überwiegen chemodynamische Regime mit negativen C-Q Beziehungen (43%), wobei mittlere Konzentrationen bei Verdünnungsmustern am höchsten sind. Die Variablen zeigen klare räumliche Muster, die teilweise durch die Verteilung von Gebietseigenschaften erklärt werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass Landwirtschaft nicht zwingend zu hohen Nitratkonzentrationen oder Chemostatik führt, sondern dass neben dem Stickstoffeintrag auch die Topographie, Grundwasserleitertyp, sowie einhergehend Aufenthaltszeiten und Reaktivität bestimmend sind. Die Phosphat-Variablen sind statistisch weniger stark mit Gebietseigenschaften verknüpft, der Einfluss von Punktquellen auf mittlere Konzentrationen und von Grundwasserleitertyp, diffusem Eintrag, potenziellen Reaktionszonen und Niederschlagscharakteristika für die Dynamik jedoch deutlich. Die vorliegende Studie erlaubt durch die Klassifizierung von EZG und das Ranking von Einflussfaktoren einen neuen Blick auf Bewirtschaftungsmaßnahmen zur Verbesserung der Wasserqualität unter Beachtung gebietsspezifischer Charakteristika.