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1 Dr. Armin Keller, Nationale Bodenbeobachtung Schweiz (NABO), Agroscope Reckenholz-Tänikon (ART), Reckenholzstr. 191; CH-8046 Zürich; armin.keller@art.admin.ch, URL: www.nabo.admin.ch
Stoffflüsse und Stoffpools von Landwirtschaftsparzellen der
Nationalen Bodenbeobachtung Schweiz Armin Keller1 und André Desaules
Einleitung
Eine intensive Bewirtschaftung von landwirtschaftlich genutzten Böden kann eine Anreicherung von unerwünschten Stoffen im Boden verursachen. In der Regel erfolgt eine solche Veränderungen im Boden nur langsam in der Grössenordnung von Jahren oder Jahrzehnten. Die Relevanz der schleichenden Veränderungen begründet sich aber insbesondere durch den grossräumigen Charakter (Keller et al. 2005).
Seit 1986 werden im Messnetz der Nationalen Bodenbeobachtung Schweiz (NABO) neben den wiederholten Bodenerhebungen Stoffbilanzen mit einem stochastischen Bilanzierungsmodell auf Basis von jährlich erfassten parzellenscharfen Bewirtschafterangaben berechnet. Das NABO- Referenznetz zielt auf die Erfassung und Beobachtung der diffusen Hintergrundbelastung der Böden ab (Desaules und Dahinden 2000). In diesem Kurzbeitrag wird auf die durchschnittlichen Stoffbilanzen für Cu und Zn der Jahre 1996 bis 2003 für Dauerbeobachtungsflächen im NABO- Referenznetz eingegangen und mit den vorhandenen Stoffpools im Oberboden verglichen.
Methode und Testgebiet
Von den landesweit 105 Standorten im NABO- Messnetz (siehe Abbildung 1) werden 70 landwirtschaftlich genutzt. Von 48 Standorten wird seit 1996 die landwirtschaftliche Nutzung erfasst.
Jeder Standort gehört zu einem anderen landwirtschaftlichen Betrieb. Erfasst wird jährlich die Bewirtschaftung der Parzelle, auf der sich die Dauerbeobachtungsfläche (10 x 10 m2) im NABO- Messnetz befindet. Jede Parzelle (und somit jede Stoffbilanz) lässt sich einem bestimmten Nutzungstyp, einem Betriebstyp und einer Fruchtfolge zuordnen. Berücksichtigt wurden Einträge über Hof-, Mineral- und Abfalldünger, Pflanzenschutzmittel und atmosphärische Deposition sowie Austräge über das Erntegut. Die
Stoffkonzentrationen wurden aus zahlreichen Studien und Literaturangaben entnommen, welche sich überwiegend auf die Schweiz beziehen. Die atmosphärischen Depositionsdaten der Standorte wurden aus dem Moosmonitoring der Schweiz hergeleitet.
Abbildung 1: Verteilung der Bodendauerbeobachtungs- flächen im NABO Referenznetz. (Direktes Monitoring:
Dreieck; Direktes und Indirektes Monitoring: Kreis).
Die Bewirtschaftungsdaten der NABO-Parzellen werden jedes Jahr von den Landwirten direkt angefordert, kontrolliert und erfasst. Je nach Betriebstyp und Nutzung umfasst dies Unterlagen wie Feldkalender, Parzellenblatt, Fruchtfolgeplan und Wiesen-Journal sowie Angaben zur Nährstoffbilanz und zu den Tierzahlen mit Aufstallungssystem. Die Daten werden in einer Datenbank verwaltet und zur Qualitätssicherung mehreren Plausibilitätsprüfungen unterzogen.
Unsichere Bilanzgrössen können im Bilanzmodell als Zufallsvariablen betrachtet werden. In einer ersten Auswahl sollten die Konzentrationen und Mengen jener Hilfsstoffe und Kulturpflanzen als Zufallsvariablen in Betracht gezogen werden, welche für die Bewirtschaftung der NABO-Parzellen bedeutsam sind, und bei denen es die Datenlage erlaubt, die Unsicherheit bzw. Variation zu quantifizieren. Für weitere Details wird auf Keller et al. (2005) verwiesen.
Ergebnisse
Für die Mehrheit der Ackerbaustandorte zeigte die Cu- und Zn-Bilanz eine Anreicherung in den Böden an. Für Tierhaltungsbetriebe > 1.4 GVE/ha dominierte der Cu- und Zn-Eintrag über Hofdünger die Stoffbilanzen. Der Eintrag über Hofdünger
variierte zwischen 440 und 1065 g ha-1 Jahr-1 für Zn und zwischen 76 und 186 g ha-1 Jahr-1 für Cu. Für diese Parzellen wurden 30-72% des Zn-Eintrags und 38-65% des Cu-Eintrags über das Erntegut wieder dem Boden entzogen.
Auf Graslandparzellen waren die Cu- und Zn- Bilanzen fast vollständig durch den Hofdüngereintrag und die Pflanzenaufnahme bestimmt. Generell waren für Graslandparzellen, welche von intensiven Tierhaltungsbetrieben (> 2.2 GVE/ha) bewirtschaftet wurden, die höchsten Hofdüngergaben zu verzeichnen. Die Nettobilanz betrug für diese Parzellen durchschnittlich 147 g ha-1 Jahr-1 für Cu und 865 g ha-1 Jahr-1 für Zn.
Beispielhaft ist in Abbildung 2 eine mittlere Zink- Bilanz und deren Unsicherheitsanalyse für eine Ackerbauparzelle mit einer achtjährigen Fruchtfolge (Wintergerste, Silomais, Winterweizen, Raps, Winterweizen, dreijährige Kunstwiese) dargestellt.
Abbildung 2: Beispiel einer Zn-Bilanz 1996-2003 für eine Graslandparzelle im NABO-Referenznetz bewirtschaftet von einem gemischten Betrieb mit einer Tierdichte von 2.2 GVE/ha. Die Zn-Bilanz besteht aus den Komponenten a) Verteilung der Inputs und Outputs; b) Verteilung Zn- Nettoflux und c) Unsicherheitsanalyse Nettoflux.
In Bezug zu den bestehenden Stoffvorräten im Oberboden der Dauerbeobachtungsflächen wiesen die Stoffbilanzen eine Anreicherung von bis zu 5%
für Cu und Zn bei intensiver Tierhaltung oder sogar bis zu 21% beim Cu im Rebbau des jeweiligen Richtwertes in einem Jahrzehnt auf (Abbildung 3).
Die berechneten mittleren Änderungen betrugen 2.0% (Zn) und 1.1% (Cu) der jeweiligen Stoffpools innerhalb eines Jahrzehnts im Oberboden.
Auch wenn diese schleichende Anreicherung der Stoffe im Boden kaum über kurze Zeiträume messbar
0 50 100 150 200
Cu pool [kg ha-1] -2
0 2 4 6
net Cu flux [kg ha-110 yr-1]
0 50 100 150 200 250 300 Zn pool [kg ha-1] -5
0 5 10 15 20
net Zn flux [kg ha-110 yr-1]
Abbildung 3: Gemessene Cu- und Zn-Pools im Oberboden (0-20 cm) für 48 landwirtschaftlich genutzte Böden im NABO-Referenznetz und die mit der Stoffbilanz geschätzte Veränderung der Stoffpools in einem Jahrzehnt. Symbole:
(o) Ackerbau, (∆) Grasland, (x) Spezialkulturen. Für Cu sind aus Darstellungsgründen die Pools (440-588 kg ha-1) und Nettobilanzen (14.7-21.1 kg ha-1 Jahrzehnt-1) für drei Rebbauparzellen nicht abgebildet.
ist, so sind sie dennoch für kommende Generationen relevant. Ein indirektes Monitoring erlaubt eine frühzeitige Erkennung von unerwünschten Stoff- anreicherungen in Böden, die Zuverlässigkeit der Aussagen kann aber nur durch ein direktes Monitoring validiert werden. Nur durch die Kombination von direktem und indirektem Boden- monitoring können somit zeitliche Veränderungen in Böden frühzeitig erkannt, validiert und prognostiziert werden.
Literatur
Desaules A. und Dahinden R., 2000. Nationales Boden- Beobachtungsnetz – Veränderungen von Schadstoff- gehalten nach 5 und 10 Jahren. Schriftenreihe Umwelt Nr.
320. BUWAL (Hrsg.), Bern.
Keller, A., von Steiger, B., van der Zee, S.E.A.T.M., Schulin, R.
2001. A stochastic empirical model for regional heavy metal balances in agroecosystems.
J. Environ. Qual. 30: 1976-1989.
Keller, A., Abbaspour, K.C., Schulin, R. 2002. Assessment of Uncertainty and Risk in Modeling Regional Heavy-Metal Accumulation in Agricultural Soils. J. Environ. Qual. 31:
175-187.
Keller A., Rossier N., und A. Desaules. 2005.
Schwermetallbilanzen von Landwirtschaftsparzellen im Nationalen Bodenbeobachtungsnetz der Schweiz.
Agroscope FAL Reckenholz. Schriftenreihe 54. S. 56 + Anhang. (verfügbar unter www.nabo.admin.ch)
