Wie wichtig ist Denitrifikation in Flussauen? Quantifizierung des Nitratumsatzes im ufernahen Grundwasser anhand von Mischungsmodellen und Isotopenmodellierung

Stefanie Lutz1, Andreas Musolff1, Boris van Breukelen2, Kay Knöller1, Jan Fleckenstein1
1 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
2 Delft University of Technology

11.6 in Isotopenmethoden zur Analyse von Stoffumsatz und Fließprozessen

Flussauen tragen in erheblichem Maße zur Umwandlung und Beseitigung von Nitrat bei und sind daher wichtige Pufferzonen in landwirtschaftlichen Einzugsgebieten. Die Vermischung von verschiedenen Fließpfaden sowie unterschiedliche Umwandlungsprozesse können jedoch eine genaue Quantifizierung des Nitratumsatzes in Flussauen erschweren. In dieser Studie analysierten wir Nitratkonzentrationen und -Isotopendaten im Grundwasser entlang eines 2 km langen Flussabschnitts der Selke im Harzvorland. Wir entwickelten ein mathematisches Modell, das Konzentrations-Mischungsmodelle und Isotopenmodellierung kombiniert und die Mischung von Fluss- und Grundwasser in der Aue berücksichtigt, um den Nitratumsatz im ufernahen Grundwasser zu quantifizieren. Das Modell ermöglicht die Quantifizierung der Denitrifikation, die zur Freisetzung von Stickstoff in die Atmosphäre und damit zu permanenter Nitrat-Beseitigung führt, und des Nitratumsatzes durch zusätzliche Prozesse, die einen Rückhalt von Stickstoff in der Flussaue zur Folge haben, wie beispielsweise die Aufnahme durch Pflanzen.

Basierend auf den Stickstoffisotopendaten von Nitrat berechneten wir einen mittleren Nitratumsatz von bis zu 27% durch zusätzliche Prozesse (Prozentsatz im Vergleich zu einem konservativen Stoff, der die gleichen Mischungsprozesse durchläuft) und nur etwa 12% durch Denitrifikation. Der Nitratumsatz im ufernahen Grundwasser durch zusätzliche Prozesse überstieg die Denitrifikation vor allem im Winter und in größerer Entfernung vom Fluss. Das Vorherrschen zusätzlicher Prozesse deutet darauf hin, dass ein erheblicher Teil des Stickstoffs nicht dauerhaft entfernt, sondern nur temporär in den Flussauen zurückgehalten wird. Demnach sollte der Rückgang von Nitratkonzentrationen im ufernahen Grundwasser nicht mit Denitrifikation gleichgesetzt werden, da dies zu einer signifikanten Überschätzung des permanenten Nitratabbaus in Flussauen führen kann. Generell stellt sich also die Frage nach der Bedeutung der Denitrifikation für die Minderung des Nitrateintrags in Flüsse. Zur Beantwortung dieser Frage stellt unser Modell ein nützliches Werkzeug in der Unterscheidung und Gegenüberstellung zwischen Stickstoffrückhalt in Flussauen und irreversibler Beseitigung über Denitrifikation auf verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen dar.

Denitrifikation im ufernahen Grundwasser im Sommer.
Denitrifikation im ufernahen Grundwasser im Sommer.