Entwicklung eines GIS-gestützten Modells zur Quantifizierung diffuser Phosphoreinträge in Oberflächengewässer im mittleren Massstab unter Berücksichtigung geoökologisch wirksamer Raumstrukturen

Aktuelle landschafts- und geoökologische Fragestellungen zur Mobilisierung von Phosphor aus dem Boden sowie seinem Transfer und Eintrag in die Oberflächengewässer verfolgen in zunehmendem Maße einen mittelmaßstäbigen bzw. mesoskaligen Raumansatz. Diese Bestrebungen gehen mit der EU-Wasserrahmenrichtlinie konform, welche die Abgrenzung und Ausweisung von großflächigen Bewirtschaftungseinzugsgebieten zur wasserwirtschaftlichen Planung vorsieht. Mesoskalige Modellansätze zur Sediment- und Nährstoffbilanzierung in Flusseinzugsgebieten negieren auf Grund fehlender methodischer Grundlagen, die sowohl technischer als auch sachlicher Natur sind, häufig die Lage- und Nachbarschaftsbeziehungen zwischen Raum- bzw. Modelleinheiten. Dabei spielt die hydrologische Konnektivität als Ausdruck für den Stoff-, Energie- und Gentransfer im aquatischen Medium innerhalb oder zwischen den Komponenten des Wasserkreislaufs, eine herausragende Rolle. Die anthropogene Einflussnahme erfolgt sowohl im Gewässer als auch auf der Landoberfläche. Daher kann die maßstabsbedingte Vernachlässigung von Landschaftselementen, welche die hydrologische Konnektivität entscheidend steuern, in der stark fragmentierten Kulturlandschaft Mitteleuropas zu unpräzisen oder nicht plausiblen Modellergebnissen führen sowie fehlerhafte Aussagen bezüglich der räumlichen Verteilung relevanter Stoffquellen verursachen. Die vorliegende Dissertation präsentiert einen Modellansatz zur Beachtung potenzieller Herkunftsflächen für signifikante diffuse Phosphoreinträge aufgrund bodenerosiver Ereignisse in Einzugsgebieten im mittleren Maßstab. Damit kann ein Teilaspekt der hydrologischen Konnektivität modellhaft in einem Maßstabsbereich umgesetzt werden, der sich der „exakten“ physikalisch-mathematischen Beschreibung entzieht. Das an die Entwicklung des Stoffhaushaltsmodells STOFFBILANZ gekoppelte Verfahren zeigt zudem Möglichkeiten für die pfad- und quellenbezogene, differenzierte, multifaktorielle Quantifizierung von Phosphoreinträgen aus Siedlungs-, Wald- und Grünlandflächen auf, für den Nutzungstyp Acker erfolgt zusätzlich zum Bodenerosionspfad die Betrachtung der einzelnen Abflusskomponenten. Stefan Halbfaß: Entwicklung eines GIS-gestützten Modells zur Quantifizierung diffuser Phosphoreinträge in Oberflächengewässer im mittleren Maßstab unter Berücksichtigung geoökologisch wirksamer Raumstrukturen 246 Seiten. 2005. DIN A5. Mit zahlreichen (farbigen) Abbildungen Band 1 in der Reihe "Beiträge zur Landschaftsforschung", Hrsg. K. Grunewald & K. Mannsfeld, Dresden ISBN 3-937231-76-5. Preis: 38,40 Euro RHOMBOS-VERLAG Umwelt- und Landschaftsforschung in Dresden – ein Geleitwort 1. Tradition und Arbeitsschwerpunkte Das Dresdner Geographische Institut verfügt in der geoökologischen, umweltbezogenen Landschaftsforschung über eine lange Tradition. Ab 1960 wurde unter maßgeblichem Einfluß von E. Neef die komplexe Erfassung und Kennzeichnung von Strukturen landschaftlicher Ökosysteme (Systemzusammenhang: „Natur-Technik-Gesellschaft“) theoretisch und methodologisch begründet und weiterentwickelt. Daran konnte nach der Wiedergründung des Instituts 1993 auch Prof. Dr. Karl Mannsfeld, der auf den Lehrstuhl Landschaftslehre berufen worden war, mit seinen Mitarbeitern anknüpfen. Indem der Mensch die Umwelt verändert, erzeugt er ständig neue Objekte, neue Zusammenhänge und damit neue Herausforderungen für ihre wissenschaftliche Durchdringung. Neue Dimensionen der Wirklichkeit werden erschlossen. Diese in ihrer Gesamtheit vollständig zu überblicken, ist heute niemand mehr in der Lage. Es stellt sich zunehmend die Frage, wie man die Fülle von Informationen der realen und künstlichen Umwelt zu einem koheränten Bild vereinen kann. Der landschaftliche Forschungsansatz strebt eine ganzheitliche Betrachtungsweise an, auch wenn vieles theoretisch wie methodisch nur Teilaspekte erfaßt, Wissen teilweise aus zweiter Hand stammt oder unvollständig ist. Je mehr Spezialisierung und Zersplitterung in den Wissenschaften fortschreiten, umso wichtiger ist es, einen auf das Wesentliche gerichteten Überblick über die Natur im Zusammenspiel mit wichtigen Bedürfnissen des Menschen zu vermitteln. Im Mittelpunkt von Lehre und Forschung stand und steht somit die Einführung und Vertiefung des Landschaftskonzeptes. Dieses beinhaltet insbesondere ganzheitliche und komplexe Betrachtungen zur Areal- und Vertikalstruktur von Landschaften sowie Analysen zu den Landschaftsprozessen, einschließlich derer, die aus Wechselwirkungen mit Nutzungseingriffen beruhen. Darauf aufbauend kann die interdisziplinäre Untersuchung des Landschaftshaushaltes von Geoökosystemen in allen räumlich relevanten Dimensionsstufen (Verknüpfung lokaler, regionaler und globaler Probleme), wie auch die praktische Umsetzung und Anwendung der Ergebnisse in Planung und Umweltschutz realisiert werden. Je gründlicher das Wissen zur Leistungsfähigkeit, aber auch Schutzwürdigkeit von Naturressourcen (Boden, Wasser, Luftqualität, Artenreichtum u.ä.) ist, desto besser können allgemeine und regionale Zielvorstellungen (Leitbilder) definiert und bei Planungs- und Genehmigungsverfahren sowie im Umweltmonitoring berücksichtigt werden. Daraus ergeben sich weitere Schwerpunkte für die Lehrverpflichtungen z.B. die Vermittlung analytischer Grundlagen zu Problemen des Ressourcenschutzes und angewandter Themen der Landschaftsökologie wie Boden-, Gewässer- und Naturschutz, übrigens auch in unterschiedlichen europäischen und außereuropäischen Kulturlandschaften. 2. Zukünftige Herausforderungen Die Nutzung der Naturressourcen unserer Erde in der jüngsten Vergangenheit hat völlig neue Dimensionen erreicht und ist zu einer globalen Problematik geworden. Viele ökologische Prozesse entwickeln sich in zeitlichen und räumlichen Größenordnungen für die bisher weder fundierte wissenschaftliche Erkenntnisse noch praktische Regulationsmechanismen existieren, um die Folgewirkung menschlicher Eingriffe angemessen zu kompensieren. Insbesondere auf den Gebieten der geoökologischen Raumanalyse und der Stoffhaushaltsmodellierung in allen Skalenbereichen sind tragfähige und gesellschaftlich nachgefragte Forschungsvorhaben für die nächsten Jahre zu realisieren. In der funktionalen Kennzeichnung der Geokompartimente (stoffhaushaltlich-strukturell, nutzungsbezogen bzw. anthropogen überprägt, als Archiv, unter Klimawandel/Hochwasserschutzaspekten) sowie der Regionalisierung dieser Befunde liegen anwendungsorientierte Forschungsperspektiven. Landschaftsökologie muss dabei eine Brückenfunktion zwischen Naturwissenschaften (Grundlagen der Landschaftslehre) und Gesellschaftswissenschaften (Ressourcen-management/Nutzung und Politikberatung) einnehmen. Dafür sind Interdisziplinarität und Problemlösungskompetenz gefragt. Die wesentlichen Arbeitsgebiete können wie folgt umrissen werden: – Analyse, quantitative Kennzeichnung und integrative Bewertung von Wechselwirkungen zwischen dem menschlichen Handeln sowie von Struktur und Dynamik in Landschaftsökosystemen; – interdisziplinäre, ökosystemare Umweltbeobachtungen in allen Hauptnutzungssystemen bzw. verschiedenen Landschaftstypen – Entwicklung geoökologischer Methoden zur Bewertung der Auswirkungen moderner Agrar-und Forstwirtschaft mit regionalen Schwerpunkten in Sachsen; – medien- und schutzgutübergreifende Analyse und Bewertung von Umwelt-belastungen sowie Entwicklung und Anwendung von Stoffhaushaltsmodellen im mesoskaligen Bereich (z.B. Schwermetalle, Organika, Huminstoffe, Nährstoffe); – Erfassung und Bewertung der Ressourcen Boden, Wasser und Vegetation (Boden-/Vegetationskartierung, Gewässerstrukturkartierung, vor- und nachsorgender Bodenschutz, Bodenfunktionen, Altlasten, Sanierungsplanung, naturschutzfachliche Bearbeitungen) einschließlich GIS-Anwendungen; – Leitbildentwicklung für Landschaften (Methoden und Fallbeispiele), Beiträge zur ökologischen Planung (Wasserwirtschaftliche Planung, Sanierungs- und Bodenschutzplanung, Naturschutzplanung), ökologische Langzeitforschung (Integration in Monitoringkonzepte des Bundes und der Länder). In diesem Kontext werden am Lehrstuhl Landschaftslehre/Geoökologie, der seit der Berufung von Prof. Mannsfeld zum Sächsischen Staatsminister für Kultus im Mai 2002 durch Hochschuldozent Dr. Karsten Grunewald geleitet wird, zahlreiche Forschungsberichte und insbesondere Doktorarbeiten verfasst. Deren Ergebnisse als wissenschaftliche Abhandlung einem breiten Publikum zugänglich zu machen, ist Ziel der Reihe „Beiträge zur Landschaftsforschung.“ Natürlich wird in Dresden nicht nur am Geographischen Institut der Technischen Universität landschaftsbezogene Umweltforschung betrieben. Fachkollegen benachbarter Disziplinen sind deshalb herzlich eingeladen, interessante Themenbeiträge einzureichen. K. Grunewald und K. Mannsfeld (Dresden im Januar 2005) Lehrstuhl Landschaftslehre / Geoökologie Institut für Geographie Fakultät Forst-, Geo- Hydrowissenschaften TU Dresden Inhalt: Zusammenfassung V Summary XI Inhaltsverzeichnis XVII Abbildungsverzeichnis XX Tabellenverzeichnis XXIV Abkürzungsverzeichnis XXIX 1 Einführung 1 1.1 Problemstellung. 1 1.2 ZieleundAufbauderArbeit. 3 2 Grundlagen 7 2.1 Stoffhaushaltliche Aspekte. 7 2.1.1 Grundlagen. 7 2.1.2 SystematikderP-Formen imWasser. 10 2.1.3 Quellen undPfade derP-Belastung derGewässer. 10 2.1.4 Folgewirkungen überhöhter P-Einträge in Böden und Gewässer. 15 2.2 Ansätze zur P-Modellierung im mittleren Maßstab. 16 2.2.1 AllgemeineAspekte. 16 2.2.2 Literaturüberblick. 22 2.2.3 Modellvergleich. 33 2.3 Detailuntersuchungen in Kleinsteinzugsgebieten. 36 2.3.1 Untersuchungsgebiete. 36 2.3.2 Probenahme. 38 2.3.3 Analyseumfangund -verfahren. 39 3 Ergebnisse und Diskussion 41 3.1 Kleinräumige P-Variabilität im Oberboden. 41 3.1.1 EinzugsgebieteDobra-undPostbach. 41 3.1.2 EinzugsgebietKleineRöder. 47 3.1.3 Zusammenfassung. 51 3.2 P-Transfer in derLandschaft. 52 3.2.1 P in Bodenlösung, Drainage und Grundwasser landwirtschaftlicher Nutzflächen. 52 3.2.2 P im Oberflächenabfluss landwirtschaftlicher Nutzflächen. 57 3.2.3 Diffuse P-Austräge aus Wald- und Siedlungsflächen. 64 3.2.4 Bedeutung linienhafter Raumstrukturen für die P-Verlagerung. 71 3.2.5 Fazit und Systematisierung. 73 3.3 Das Modul Flächenanbindung zur Ermittlung immissionsrelevanter Areale. 77 3.3.1 Grundlagen. 77 3.3.2 Struktur des Moduls Flächenanbindung. 81 3.3.3 Ein alternativer Weg: Indirekte Abschätzung des Anteils hydrologisch angebundener Flächen in einem Einzugsgebiet. 85 3.3.4 Zusammenfassung. 90 3.4 Modifizierung der Module Bodenabtrag und Wasserbilanz. 91 3.4.1 Ableitung differenzierter SDR. 91 3.4.2 AbleitungeinermodifiziertenWasserbilanz. 95 3.4.3 Zusammenfassung. 97 3.5 Erweiterung des Moduls P-Bilanz im Stoffhaushaltsmodell STOFFBILANZ. 99 3.5.1 Abschätzung räumlich variabler P-Gehalte im Oberboden. 99 3.5.2 Partikulär gebundene P-Emission (Bodenerosion). 104 3.5.3 Eintrag gelöster P-Verbindungen aus Ackerflächen. 106 3.5.4 P-EintragausGrünlandflächen. 108 3.5.5 Ein Ansatz zur mittelmaßstäbigen P-Modellierung für Siedlungsgebiete. 109 3.5.6 P-Austrag aus Waldflächen und sonstigen Nutzungstypen. 111 3.5.7 P-Retention im Gewässersystem. 112 3.5.8 Zusammenfassung. 115 4 Modellanwendung in mesoskaligen Einzugsgebieten 117 4.1 BeschreibungderEinzugsgebieteder JahnaundderGroßenRöder. 117 4.2 Flächenanbindung und Bodenabtrag. 123 4.3 P-Bilanzierung. 128 4.4 Zusammenfassende Betrachtung der Modellierungsergebnisse. 139 5 Schlussfolgerungen und zukünftiger Forschungsbedarf 141 5.1 Flächenanbindung und Sedimenteintrag. 141 5.2 RäumlicheVerteilungderGesamt-P-Gehalte imBoden. 144 5.3 BilanzierungdiffuserP-Quellenund -Pfade. 145 Literaturverzeichnis 149 Anhang 167 A Physiko-chemische Parameter der Beprobungsstandorte 169 B Ableitung der Parameter zur Berechnung der Gewässeranbindung 173 C Tabellen zur Ermittlung des Bodenabtrags 177 D P-Emissionsverfahren für Siedlungsgebiete, Stufe 3 179 E Kenndaten des Einzugsgebietes der Jahna 183 F Kenndaten des Einzugsgebietes der Großen Röder 191 G Modellergebnisse für das Jahna-Einzugsgebiet 197 H Modellergebnisse für das Einzugsgebiet der Großen Röder 203