Die Zielsetzung des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens "Ökosystemforschung im Bereich der Bornhöveder Seenkette", in dessen Rahmen diese Arbeit entstand, ist die interdisziplinäre, modelltheoretisch unterbaute Analyse von Struktur, Dynamik und Funktion verschiedener Ökosystemtypen. Die Bilanzierung des Stoffhaushalts auf verschiedenen Mabstabsebenen ist dabei ein wichtiger Bestandteil.
Phosphat nimmt in der Umwelt eine für das Pflanzenwachstum regulative Funktion ein. Auf landwirtschaftlich genutzten Flächen wird Phosphat zur Sicherung der Erntequalität und -quantität in großen Mengen als Düngemittel appliziert. In aquatischen Systemen bestimmt es als limitierender Nährstoff die Intensität der Primärproduktion, wobei eine Überversorgung mit Phosphaten, anders als in terrestrischen Ökosystemen, erhebliche negative Auswirkungen verursacht (SCHERNEWSKI & WETZEL 1996). Die durch eine erhöhte Biomassenproduktion gekennzeichneten Systemveränderungen, werden gemeinhin mit dem Begriff Gewässereutrophierung umschrieben. Eine Ursache hierfür ist die hohe Nachlieferung gelöster Phosphate aus dem Einzugsgebiet. Als Hauptquellen dieser diffusen Nährstoffeinträge sind der Grundwasserzustrom, der Oberflächenabfluß sowie die Bodenerosion zu nennen. Voraussetzung für eine sinnvolle Umsetzung von eintragsreduzierenden Maßnahmen ist eine wissenschaftlich fundierte Analyse dieser Prozesse.
Ein geeignetes Instrumentarium zur Beschreibung und Quantifizierung der Stoffflüsse sind Simulationsmodelle. Sie können dazu beitragen, die komplexen Prozesse in Ökosystemen zu untersuchen. Ein Geographisches Informationssystem (GIS) bietet sich als zusätzliches methodisches Werkzeug an, um parzellenscharfe Aussagen für Einzugs- und Teileinzugsgebiete zu erarbeiten. Ein GIS koordiniert die räumliche Verortung der Ergebnisse und liefert notwendige Parameter für die flächenhafte Modellierung.
Die vorliegende Diplomarbeit "Erprobung und Anwendung von Methoden zur einzugsgebietsbezogenen Modellierung der Phosphatdynamik terrestrischer Ökosysteme" ist in die Aufgabenstellung einbezogen, für das Einzugsgebiet der Bornhöveder Seenkette und ihrer Teileinzugsgebiete den Wasser- und Stoffhaushalt (N, P) zu modellieren und aus den Ergebnissen Flächenbilanzen für das Gesamtgebiet abzuschätzen. Diese Zielsetzung beinhaltet im wesentlichen zwei Teilaufgaben (vgl. FRÄNZLE et al. 1991): 1. Die Bereitstellung wichtiger Parameter (Daten) zur Beschreibung der Wasser- und Stoffflüsse. 2. Die Entwicklung oder Adaption von Methoden und Auswerteverfahren sowie deren Erprobung und Anwendung.
Die gebietsbezogene Simulation erfolgt mit dem Modellsystem WASMOD & STOMOD (REICHE 1991). Dieses Programm ist für die Modellierung der Stickstoff- und Wasserdynamik von Einzelstandorten und kleineren Einzugsgebieten entwickelt und erfolgreich getestet worden. Der flächenhafte Einsatz ist durch Anbindung und Einbeziehung des GIS ARC/INFO realisiert. Bisherige Modellrechnungen konzentrierten sich auf Einzelflächen oder kleinere Einzugsgebiete (Belauer See, Schmalenseefelder Au). Der Einsatz in einem Gebiet mit einer Flächengröße von ca. 50 km2 erfordert jedoch eine zusätzliche Datenerhebung und -aufbereitung.
Ziel dieser Arbeit ist es, Parameter und Methoden (Modelle) für eine modellmäßige Erfassung der Phosphatdynamik und -verlagerung im Einzugsgebiet der Bornhöveder Seenkette zu erproben und anzuwenden. Sofern diese nicht vorhanden sind, werden neue Verfahren der Parametrisierung entwickelt und Modelle zur Analyse und Bilanzierung des P-Haushalts (Ad- und Desorptionsmodell, Erosionsmodell) adaptiert, implementiert und kalibriert. Im einzelnen ließ sich folgendes konkretes Arbeitskonzept aus der Aufgabenstellung ableiten:
Anhand dieser Ziele gliedert sich die Arbeit wie folgt: Einer Beschreibung des Untersuchungsgebiets (Kapitel 2), für das Daten parametrisiert und in dem die Modelle eingesetzt werden, folgt im dritten Abschnitt ein Überblick der Phosphorverbindungen in Ökosystemen. Die Methodik der digitalen Aufbereitung von Bodendaten aus der Reichsbodenschätzung, der Ableitung von Flächennutzungen aus Satellitenbildern sowie der Generierung von Reliefinformationen aus Digitalen Höhenmodellen wird im vierten Kapitel vorgestellt. Das Simulationsmodell WASMOD & STOMOD wird im Abschnitt fünf beschrieben. Im sechsten Kapitel wird die Adaption und Weiterentwicklung von Pedotransferfunktionen zur Abschätzung der Phosphatdynamik, die Kalibrierung an Einzelstandorten sowie die Implementierung in WASMOD & STOMOD und die Voraussetzungen einer flächenhaften Modellierung erläutert. Die Bodenerosion wird mit einer modifizieren Form der USLE-Gleichung im Untersuchungsgebiet abgeschätzt (Abschnitt 7). Eine zusammenfassende Betrachtung der Arbeit erfolgt im achten Kapitel.