Grundwasserqualität und BewässerunG
Zunehmende Sommertrockenheit führt zu vermehrter Bewässerung landwirtschaftlicher Kul- turen. In einem Versuch mit zwölf wägbaren Lysimetern wurde über drei Jahre der Einfluss von unterschiedlicher Bewässerung auf die Nitrat- und Pestizidauswaschung ins Grundwasser gemes- sen. Eine optimale Bewässerung reduzierte die Nitratauswaschung im Vergleich zu übermässiger oder ausbleibender Bewässerung. Pestizide wurden durch die tiefgründigen, lehmigen Böden bei keinem Bewässerungsverfahren ausgewaschen.
Volker Prasuhn; Christiane Vögeli Albisser, Agroscope
eine lysimeterstudie zur schadstoff
verfrachtunG ins Grundwasser
einleitunG
Der Hitzesommer 2003 hat gezeigt, welche Wetterlagen laut Klimaprognosen in Zukunft in der Schweiz gehäuft zu erwar- ten sind. Mit 565 mm betrug der Jahresniederschlag in Zürich- Affoltern damals nur 54% des langjährigen Mittels von 1042 mm Niederschlag. Von Februar bis Ende Juni 2003 blieb der monatliche Niederschlag überwiegend unter 50% gegenüber dem langjährigen Mittel, die Temperaturen waren dagegen überdurchschnittlich hoch. Hohe Temperaturen verbunden mit langen Trockenperioden während der Vegetationszeit führen zu erheblichen Ertragseinbussen in der Landwirtschaft, wie das Jahr 2003 ebenfalls eindrücklich veranschaulicht hat. Daher werden landwirtschaftliche Kulturen in der Schweiz in Zukunft wahrscheinlich vermehrt bewässert.
Nachdem durch die Nationale Grundwasserbeobachtung (NAQUA) an der Mehrzahl der Grundwassermessstellen ein Anstieg der Nitratkonzentrationen zwischen 2003 und 2006 festgestellt wurde [1], sollte in der hier vorgestellten Lysimeter- studie untersucht werden, inwieweit Bewässerung oder deren Ausbleiben während einer Trockenperiode ein Risiko für die Grundwasserqualität bezüglich Nitrat und Pflanzenschutzmit- teln darstellt.
résumé
l’irriGation au service des eaux souterraines:
étude lysimétrique de la miGration des polluants vers les eaux souterraines
Douze lysimètres sur balance ont été monitorés sur trois ans (2010: maïs ensilé; 2011: pommes de terre; 2012: brocolis) pour déterminer l’incidence de l’irrigation sur le lessivage des nitrates et des pesticides vers les eaux souterraines. Trois modes opéra
toires (sans irrigation, irrigation optimale, surirrigation) ont été comparés sur deux sols différents. L’irrigation optimale pendant la sécheresse estivale a non seulement amélioré le rendement des cultures et l’efficacité de l’azote, mais aussi diminué les concen
trations de nitrates dans les eaux d’infiltration. Le taux moyen de lessivage s’est avéré plus bas que dans tous les autres cas, se chif
frant à 41 kg N/ha/an pour les deux types de sols. En mode sur
irrigation, les quantités d’eaux d’infiltration sont nettement plus élevées. Ainsi, la mobilisation des fertilisants et des pesticides est maximale (52 kg N/ha/an). En mode sans irrigation, l’azote reste retenu en bonne partie dans le sol, puis se mobilise au prochain épisode d’infiltration d’eau. Aucun lessivage des phytosanitaires n’a été mis en évidence dans les couches argileuses profondes des lysimètres. Des essais de traçage au bromure et au deutérium
* Kontakt: volker.prasuhn@agroscope.admin.ch
AQUA & GAS N
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MAteriAl UND MethODeN
Auf einer Lysimeteranlage von Agro- scope in Zürich-Reckenholz mit zwölf wägbaren Lysimetern mit einer Oberflä- che von 3,14 m2 und einer Tiefe von 2,5 m wurde von April 2010 bis April 2013 der Versuch zur Messung der Schadstoffver- frachtung ins Grundwasser durchgeführt (Fig. 1 und 2). Sechs Lysimeter enthielten eine stark steinhaltige, sandig-lehmige Parabraunerde auf Schotter, sechs eine schwach staunasse, lehmige Parabraun- erde auf Moräne [2, 3]. Alle Lysimeter waren überdacht, um die Wasserzufuhr gezielt steuern zu können. Ziel war es, die Bodenwasserverhältnisse des Tro- ckenjahres 2003 zu simulieren. Angebaut wurden Silomais (2010), Kartoffeln (2011) und Broccoli (2012). Gedüngt wurde nach den offiziellen Düngungsrichtlinien [4].
An Pflanzenschutzmitteln wurden 2010 das Herbizid Lumax® (Terbuthylazin, S- Metachlor, Mesotrione), 2011 das Fungi- zid Rover® (Chlorothalonil) und 2012 das Fungizid Horizont®250EW (Tebuconazol) appliziert [5].
In den drei Versuchsjahren wurden drei Bewässerungsverfahren bezüglich ihrer Auswaschungspotenziale miteinander verglichen. In zwei Verfahren wurde der Wassergehalt des Bodens mittels Bewässerung ständig oberhalb der für viele Kulturen kritischen 50% nutzbare Feldkapazität des Wurzelraumes (nFK) gehalten. Beim optimal bewässerten Verfahren wurde bis auf 80% nFK, beim übermässig bewässerten Verfahren bis über die Sättigung hinaus bewässert.
Das dritte Verfahren erhielt – neben den simulierten natürlichen Niederschlä- gen – keine Bewässerung, sodass die nFK deutlich unter die 50%-Grenze fiel, jedoch nicht den permanenten Welke- punkt erreichte.
Nach einer längeren Trockenperiode wurde in allen drei Jahren ein Starkre- genereignis mit grosser Niederschlags- menge und/oder -intensität simuliert.
Zusätzlich wurden Bromid und das stabile Isotop Deuterium als Tracer zur Untersuchung des Anionentransportes in ausgewählten Verfahren eingesetzt.
Alle Verfahren wurden in zweifacher Wiederholung durchgeführt. Das Si- ckerwasser wurde alle 14 Tage auf Ni- trat analysiert, ausgewählte Proben z. B.
nach den Starkregenereignissen zusätz- lich auf Pflanzenschutzmittel und die eingesetzten Tracer.
erGeBNiSSe
Der Ertrag war bei allen Kulturen auf bei- den Böden im unbewässerten Verfahren markant reduziert. Im optimal bewässer- ten Verfahren beider Böden konnten bei Mais und Kartoffeln leicht höhere, bei Broccoli deutlich höhere Erträge gegen- über übermässiger Bewässerung erzielt werden (Tab. 1).
N-AUSwASchUNG
Die Stickstoffeffizienz (= N-Entzug durch Erntegut/N-Düngung) war beim unbe-
wässerten Verfahren bei allen Kulturen und beiden Böden im Vergleich zu den anderen Verfahren mit Abstand am ge- ringsten. Hier liegt also ein hohes N-Aus- waschungspotenzial vor.
Die Sickerwassermengen waren entspre- chend den simulierten Trockenjahren mit geringen Niederschlägen (Mittel 743 mm) überwiegend niedrig (Mittel 418 mm, Tab.
1). Die übermässige Bewässerung führte erwartungsgemäss zu den höchsten Si- ckerwassermengen (Mittel 844 mm). Dies ist aus Sicht einer schonenden Wasser- nutzung bei Trockenheit ineffizient.
Fig. 1 Lysimeteranlage von Agroscope in Zürich-Reckenholz (13.7.2010; Maisanbau, mit Folien- tunnel überdacht)
Installation de lysimètres de la Station Agroscope à Zurich-Reckenholz (13.07.2010; maïs cultivé sous tunnel)
Fig. 2 Lysimeterkeller mit wägbarem Lysimeter Cave des lysimètres (cellules de pesée)
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Die Nitratkonzentrationen stiegen bei bei- den Böden und in allen Verfahren von we- nigen Milligramm pro Liter Anfang April 2010 mehr oder weniger kontinuierlich auf Werte zwischen 60 und 100 mg NO3 /l bis Juli 2012 an, um dann nach intensiver Bewässerung und grossen Niederschlags- mengen rasant auf Werte nahe null abzu- sinken. Sehr grosse Bewässerungs- und Niederschlagsmengen führten hier zu einer praktisch vollständigen Leerung des Bodenprofils mit verfügbarem Nitrat.
Anschliessend folgte wieder ein konti- nuierlicher Anstieg auf Werte bis rund
40 mg NO3 /l, der aber bei Versuchsende noch nicht abgeschlossen war (Fig. 3).
Insgesamt waren die NO3-Konzentratio- nen mit durchschnittlich 31 mg NO3 /l im optimal bewässerten Verfahren wie auch im übermässig bewässerten Verfahren deutlich geringer als im unbewässerten Verfahren (47 mg NO3 /l).
Die Nitratauswaschung lag über die drei Jahre insgesamt zwischen 120 und 165 kg N/ha je Verfahren. Beim Schotter- boden wurde mit 165 kg N/ha die höchste Fracht im übermässig bewässerten Ver- fahren gemessen, mit 124 kg N/ha die
geringste im optimal bewässerten Ver- fahren. Durch die übermässige Bewässe- rung wurden hier also über 40 kg N/ha in drei Jahren mehr ausgewaschen. Beim Moräneboden wurde die höchste Auswa- schungsmenge mit 148 kg N/ha ebenfalls im übermässig bewässerten Verfahren gemessen. Das optimal bewässerte (Mit- tel 120 kg N/ha) und das unbewässerte Verfahren (Mittel 120 kg N/ha) erziel- ten gleich hohe Auswaschungsfrachten.
Durch die übermässige Bewässerung wurden beim Moräneboden somit in drei Jahren 28 kg N/ha mehr ausgewaschen.
Tab. 1 Zusammenstellung der Auswirkungen der Bewässerungsverfahren auf die wichtigsten untersuchten Parameter in den drei Versuchsjahren Tableau comparatif des incidences des modes d’irrigation sur les principaux paramètres de mesure durant les trois années d’observation
März/2010–März/2011 März/2011–März/2012 März/2012–März/2013 Mittel 3 Jahre
Kultur Silomais Kartoffeln Broccoli
Boden Schotter Moräne Schotter Moräne Schotter Moräne Schotter Moräne Mittel
Niederschlag/Bewässerung (mm) (simuliert)
unbewässert 683 679 707 697 836 854 742 743 743
optimal 831 900 862 935 1311 1335 1001 1057 1029
übermässig 830 861 1082 1102 1828 1865 1247 1276 1261
Sickerwasser (mm)
unbewässert 389 387 397 390 464 483 417 420 418
optimal 431 471 498 530 752 809 560 603 582
übermässig 417 522 713 601 1411 1399 847 841 844
N-Düngung (kg/ha)
unbewässert 160 160 160 160 250 250 190 190 190
optimal 160 160 160 160 250 250 190 190 190
übermässig 160 160 160 160 250 250 190 190 190
Ertrag (t/ha)
unbewässert 8,6 10,5 35,0 34,7 9,6 10,0 17,7 18,4 18,1
optimal 14,1 17,5 59,1 55,4 18,5 21,2 30,6 31,4 31,0
übermässig 13,2 15,0 57,2 50,5 11,4 16,3 27,3 27,3 27,3
N-Entzug (kg/ha) durch Kulturen
unbewässert 88 119 134 140 61 61 94 107 101
optimal 159 197 215 201 102 134 159 177 168
übermässig 145 192 185 187 71 102 134 160 147
N-Bilanz (kg/ha) (N-Düngung - N-Entzug durch Kulturen – N-Fracht im Sickerwasser)
unbewässert 52 24 –45 –37 134 143 47 43 45
optimal –13 –51 –115 –93 99 62 –10 –27 –19
übermässig –9 –58 –113 –89 126 88 1 –20 –9
N-Konzentration (mg NO3/l) des Sickerwassers
unbewässert 23 19 79 65 52 42 51 42 47
optimal 14 13 53 43 29 30 32 29 31
übermässig 25 22 55 46 17 19 32 29 31
N-Fracht (kg N/ha) im Sickerwasser
unbewässert 20 17 71 57 55 46 49 40 44
optimal 14 14 60 52 50 54 41 40 41
übermässig 24 26 88 62 53 60 55 49 52
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Über die drei Jahre und die beiden Bö- den betrachtet war die mittlere N-Aus- waschung mit 41 kg N/(ha × a) im optimal bewässerten Verfahren am geringsten (Tab. 1). Im unbewässerten Verfahren war die N-Auswaschung beim Moränebo- den gleich gross wie beim optimal bewäs- serten Verfahren (40 kg N/(ha × a)), beim Schotterboden mit 49 kg N/(ha × a) deut- lich grösser. Im übermässig bewässerten Verfahren wurden mit durchschnittlich 52 kg N/(ha × a) die höchsten Auswa- schungsfrachten gemessen. Im unbewäs- serten Verfahren ist aufgrund der hohen N-Überschüsse noch mit Nachwirkun- gen, d. h. erhöhter Stickstoffauswaschung zu rechnen.
VerhAlteN der trAcer Bromid
Bromid wurde erstmals 2010 auf den vier unbewässerten Lysimetern und 2012 auf allen zwölf Lysimetern als Tracer ausgebracht. Rund 10% des applizierten Bromids wurde über das Erntegut (Mais, Kartoffeln) wieder abgeführt. Bis zum 13.8.2012 – der erneuten Applikation von Bromid – wurden bei über 700 mm Sickerwasser rund 50% des applizierten Bromids aus den vier unbewässerten Ly- simetern ausgewaschen (Fig. 4). Die sehr
lange Verweildauer des Bromids zeigt, wie langsam der Stofftransport durch die Böden erfolgt und dass mit einer Diffusi- on in den Porenraum und einer ständigen Durchmischung von altem und neuem Wasser gerechnet werden muss. Auch für eine vollständige Nitratauswaschung aus dem Wurzelraum muss demnach bei bei-
den Böden mit mehreren Jahren gerech- net werden. Der hohe N-Bilanzüberschuss bei Broccoli 2012 von bis zu 143 kg N/ha könnte also, sofern er von der Folgekultur nicht aufgenommen wird, in den folgen- den Jahren ausgewaschen werden.
Ein direkter Makroporenfluss durch das gesamte Bodenprofil konnte bei beiden Bö- den nicht festgestellt werden, auch nicht, als nach der Bromidapplikation 2012 ein Starkregen mit Infiltrationsüberschuss erzeugt wurde. Der Bromiddurchbruch erfolgte beim unbewässerten Verfahren 2010 nach 29–60 mm Sickerwasser, bei den bewässerten Verfahren 2012 nach 90–130 mm Sickerwasser. Ein Makro- porenfluss bis in eine bestimmte Boden- tiefe mit anschliessendem Matrixfluss ist wahrscheinlich, da der Durchbruch für einen reinen Matrixfluss zu schnell und vor Erreichen der Wassersättigung des Bodens erfolgte und grössere Konzen- trationsschwankungen nach dem Durch- bruch gemessen wurden. Auf dem Schot- terboden erfolgte die Bromidverlagerung schneller und die Auswaschungsmenge war grösser als auf dem Moräneboden.
Das geringere Wasserspeichervermögen des Schotterbodens ist hauptsächlich da- für verantwortlich.
Deuterium
Deuterium wurde 2011 bei allen Lysi- metern als Tracer eingesetzt. Deuterium erwies sich im Vergleich zu Bromid als aufwendig in der Analytik und schwierig Fig. 3 Nitratkonzentrationen im Sickerwasser von April 2010 bis März 2013 in den sechs Lysime-
tern mit Moräneboden (blau = übermässig bewässert, grün = optimal bewässert, rot = unbewässert, blaue Pfeile = simulierte Starkregen), unter Mais, Kartoffeln und Broccoli (Ansaat- bzw. Pflanzzeit und Erntezeitpunkt mit schwarzen Pfeilen markiert) Concentrations de nitrates dans les eaux d’infiltration d’avril 2010 à mars 2013 dans les six
lysimètres à sols morainiques (bleu = surirrigation, vert = irrigation optimale, rouge = sans irrigation, flèche bleue = fortes pluies simulées), cultures de maïs, de pommes de terre et de brocolis (flèches noires = ensemencement, plantation et récolte)
Fig. 4 Kumulierte ausgewaschene Bromidfracht im Sickerwasser in Prozent der applizierten Menge in Bezug zur Sickerwassersumme. Zeitraum 23.6.2010 bis 13.8.2012. Lysimeter L3 und L5 = Schotterboden, L9 und L11 = Moräneboden, Verfahren ohne Bewässerung
Charge cumulée de bromure dans les eaux d’infiltration, en pour cent de la quantité appliquée par rapport à la quantité totale des eaux d’infiltration. Créneau d’observation du 23.6.2010 au 13.8.2012. Lysimètres L3 et L5 = sol graveleux, L9 et L11 = sol morainique, mode sans irrigation
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bei der Interpretation der Resultate (Ver- schiebung des Verhältnisses δD zu δ18O, Wurzelaufnahme und Verdunstung, Iso- topenaustauscheffekte etc.). Anhand der Deuteriumresultate konnte nach dem simulierten Starkregen kein Makropo- renfluss durch beide Böden festgestellt werden.
verhalten der Pflanzenschutzmittel Die applizierten Pflanzenschutzmit- tel wurden im Sickerwasser nicht oder höchstens in vernachlässigbaren Kon- zentrationen nahe der Nachweisgrenze gefunden. Bei den untersuchten tiefgrün- digen, lehmigen Böden liess sich trotz massiver Starkniederschläge weder bei
trockenem noch für bewässerten Boden eine relevante Auswaschung von Pflan- zenschutzmitteln nachweisen.
fazit
Aus den Resultaten wurden folgende Empfehlungen für die Praxis abgeleitet [5]: Wasserbedürftige Kulturen sollten in Trockenjahren bewässert werden.
Neben der Ertragssicherung führt eine Bewässerung zu einem verminderten Nitratauswaschungsrisiko. Dabei sind Bewässerungszeitpunkt, -menge, -in- tensität und Beregnungsart im Zusam- menspiel mit dem jeweiligen Boden und der angebauten Kultur entscheidende Kriterien. Übermässige Bewässerung führt dagegen zu erhöhtem Sickerwas- serabfluss und erhöhter Nitratauswa- schung; sie ist somit ineffizient und umweltbelastend. Das vom BAFU for- mulierte präventiv-langfristige Ziel be- züglich Trockenheit und Bewässerung, das besagt, dass sich die Bewässerung am Wasserangebot orientieren muss und sparsam und effizient zu erfolgen
hat [6], wird durch die vorliegende Un- tersuchung gestützt.
BiBliograPhie
[1] BAFU (2009): Ergebnisse der Grundwasserbeob- achtung Schweiz (NAQUA). Zustand und Entwick- lung 2004–2006. Umwelt-Zustand Nr. 0903, Bern [2] BGS (1989): Lysimeterdaten von Schweizerischen
Messstationen. Bodenwassergehalt, Sickerwasser, Niederschlag und Evaporation. BGS-Dokument 4 [3] Prasuhn, V.; Spiess, E.; Humphrys, C.; Vögeli Albis-
ser, C. (2011): Lysimeterforschung an ART – dem Nitrat auf der Spur. Bulletin BGS 32: 85–90 [4] Flisch, R.; Sinaj, S.; Charles, R.; Richner, W. (2009):
Grundlagen für die Düngung im Acker- und Futter- bau (GRUDAF). Agrarforschung 16(2): 1–100 [5] Vögeli Albisser, C.; Prasuhn, V. (2013): Auswirkun-
gen des Klimawandels auf die Schadstoffverfrach- tung ins Grundwasser. Projekt-Schlussbericht.
BAFU, Bern und Agroscope, Zürich-Reckenholz [6] BAFU (2012): Umgang mit lokaler Wasserknappheit
in der Schweiz. Bericht des Bundesrates zum Pos- tulat «Wasser und Landwirtschaft. Zukünftige Her- ausforderungen» (Postulat 10.353 von Nationalrat Hansjörg Walter vom 17. Juni 2010), Bern. http://
www.news.admin.ch/NSBSubscriber/message/
attachments/28597.pdf danksagung
Für den Auftrag und die finanzielle Unter- stützung möchten wir dem BAFU (Sektion Grundwasserschutz) danken. Die Pflanzen- schutzmittelanalysen wurden von der Ea- wag, die Deuteriumbestimmung vom Geo- grafischen Institut der Universität Zürich durchgeführt.
METAWATER Co., Ltd.
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