Ziel der vorliegenden Diplomarbeit war es, wesentliche Voraussetzungen für die Modellierung des Phosphathaushalts im Einzugsgebiet der Bornhöveder Seenkette zu schaffen. Wichtige Teilaufgaben waren dabei die flächenhafte Bereitstellung von Modellparametern, die Adaption und Implementierung wichtiger Teilmodelle sowie die Überprüfung und Anwendung dieser Daten und Methoden.
Diese Arbeit dokumentiert den Umfang der zur Abschätzung des Stoffhaushalts notwendigen Daten und beschreibt die Anforderungen, die Möglichkeiten und die aktuellen Grenzen des Modelleinsatzes zur räumlich umfassenden Analyse der Phosphatdynamik und zur Bilanzierung der Phosphatverlagerungen auf Einzugsgebietsebene. Die Voraussetzungen einer Einzugsgebietsstudie für Phosphat werden erörtert.
Im folgenden werden die wichtigsten Arbeitsinhalte, Erkenntnisse und Ergebnisse zusammengefaßt. Das topographische Einzugsgebiet der Bornhöveder Seenkette erstreckt sich über ein ca. 50 km2 großes Gebiet. Dadurch, daß bereits vorhandene räumliche Daten des Projekts, die außerhalb der Einzugsgebietsgrenzen liegen, in die Auswertung einbezogen wurden, vergrößerte sich das Arbeitsgebiet auf 70.55 km2. Der Parametrisierungsaufwand in diesem Gebiet richtet sich einerseits nach dem Datenbedarf, andererseits aber auch nach der Durchführbarkeit der Datenerhebung und der Verfügbarkeit der flächendeckenden Daten.
Die Datengewinnung und -aufbereitung ließ sich im wesentlichen in die drei Teilbereiche Auswertung der Bodenschätzungsergebnisse, Ableitung der Flächennutzung und Verwendung und Interpretation eines Digitalen Höhenmodells (DHM) zur Reliefanalyse gliedern.
Daten, die den Bodenzustand im Arbeitsgebiet beschreiben, ließen sich aus den Informationen der Reichsbodenschätzung ableiten. Die Parameter wurden automatisiert mit dem Programm REIBOTRA in die wissenschaftliche bodenkundliche Terminologie Übersetzt. Darüber hinaus konnten bodenphysikalische Kenngrößen abgeschätzt werden. Die Verarbeitung der räumlichen Informationen (Bodengrenzen) erfolgte in einem GIS. Die 24 Kartenblätter, welche die Flächeninformationen der DGK5 (Lage und Art der Standardflächen) und die abgeleiteten Bodeninformationen enthielten, wurden im GIS zu einer Polygonkarte zusammengelegt und als sog. Grundgeometriekarte bereitgehalten.
Um eine flächendeckende und aktuelle Datenebene "Realflächennutzung" zu erarbeiten, wurden vier verschiedene Satellitenbilder, bzw. Daten, die aus einer Satellitenbildinterpretation hervorgingen, bearbeitet. Dadurch konnten Nutzungsinformationen aus den Jahren 1987, 1989, 1991 und 1994 abgeleitet werden. Diese Daten unterschieden sich in dem Satellitentyp, der Verarbeitungssoftware (auch Hardware), dem Stand der Auswertung und der personellen Bearbeitung. Sie wurden im weiteren Verlauf der Arbeit bezüglich ihrer inhaltlichen und räumlichen Auflösung vereinheitlicht. Die Nutzungsdifferenzierung beschränkte sich danach auf zehn Klassen; die geometrische Vereinheitlichung erfolgte durch Anpassung der Daten an die Polygongrenzen der Grundgeometriekarte. Um die Güte der Nutzungsinformationen, die aus den Satellitenbildern abgeleitet wurden, beurteilen zu können, wurde die Übereinstimmung der abgeleiteten Nutzungsdaten mit kartierten Nutzungen der jeweiligen Jahre in einem 1600 ha großen Referenzgebiet verglichen. Der Grad der Übereinstimmung schwankte zwischen 66% (1994) und 75% (1987). Diese Quote erhöhte sich auf 76-82%, wenn Wälder nicht weiter in Laub-, Nadel- und Mischwald differenziert wurden. Aus den erhaltenen Nutzungsdaten konnte für 97% aller Schläge eine Fruchtfolge generiert werden. Diese wurde zur Berechnung des C-Faktors der USLE-Gleichung benötigt. Für zukünftige Anwendungen ist die Fruchtfolge zur Abschätzung des schlagbezogenen Düngemitteleintrags von Bedeutung.
Zur Reliefanalyse wurde in dieser Arbeit das DHM des Landesvermessungsamts Schleswig-Holstein genutzt. Im Verlauf der Auswertung mit dem FORTRAN-Programm TOPNEWP2 fand eine Definition von Hängen und hydrologischen Senken statt. Darüber hinaus wurden Teileinzugsgebiete, Hangneigungen, Abflußrichtungen und Hanglängen extrahiert, die für die Erosionsmodellierung und für die Rechnungen mit dem Simulationsmodell WASMOD & STOMOD benötigt wurden.
Die Phosphatdynamik wird in entscheidendem Maße von der Ad- und Desorption der Anionen im Boden bestimmt. Die modellhafte Beschreibung der Phosphatadsorption und -desorption ist durch Isothermen möglich, wenn entsprechende Labordaten zum Sorptionsverhalten der Böden vorliegen. Solche empirischen Daten lagen für die Büden des Untersuchungsgebiets nicht vor. Deshalb wurden durch Übernahme und Weiterentwicklung von Pedotransferfunktionen (PTF) die Faktoren der TEMKIN-Isotherme durch vorhandene Bodenparameter abgeschätzt. Grundlage hierfür waren die von SCHEINOST (1995) beschriebenen Pedotransferfunktionen. Sie charakterisieren die Phosphatsorption von Böden in Abhängigkeit vom Gehalt an Eisen, Ton und organischer Substanz. Für den Einsatz im Untersuchungsgebiet mußte getestet werden, ob der Einsatz der PTF außerhalb ihres Gültigkeitsbereiches möglich ist. Die Kalibrierung und Validierung der PTF für Bodenformen Schleswig-Holsteins konnte durch die Sorptionsdaten von KUHNT (1987) in einem einfachen Sorptionsmodell (dBASE) erfolgen. Dabei zeigte sich, daß die PTF außerhalb ihres ursprünglichen Gültigkeitsbereiches eingesetzt werden können. Problematisch erschien allerdings die hohe Sensibilität des Modells gegenüber niedrigen pH-Werten. Der Einfluß des Aluminiumgehaltes von Böden auf die Phosphatsorption wurde nicht berücksichtigt und kann zu Fehleinschätzungen führen.
Die Modellierung der Phosphatsorption unter Freilandbedingungen wurde durch Koppelung an das Modellsystem WASMOD & STOMOD realisiert. Dadurch wurde ein zeitlich und räumlich dynamischer Modelleinsatz ermöglicht, der die Phänologie, den Wasserhaushalt, die Düngung, die Bodenbearbeitung, die klimatischen Verhältnisse und den C-Kreislauf berücksichtigt. Für drei ausgewählte Standorte wurde das Modell getestet (Acker Banck, Buchenwald, Acker Schillsdorf). Die Verifikation der Modellergebnisse zeigte, daß mit dem Modell durchaus plausible Sorptionsergebnisse berechnet werden können: die Böden sind in Abhängigkeit von ihrer pedologischen Grundausstattung, in einem unterschiedlichen Maße zur P-Sorption befähigt. Für alle Testflächen ergab sich unter Zugrundelegung einer langjährigen intensiven Düngung eine vertikale Verlagerung der Phosphate bis in den Unterboden. Die berechneten Sorptionskapazitäten der Bodenhorizonte erreichten ein vergleichsweise geringes Niveau. Die P-Pflanzenaufnahme zeichnete witterungsbedingte Depressionen nach und erhöhte sich mit steigender P-Konzentration in der Bodenlösung. Die Gegenüberstellung von modellierten (Simulationszeitraum von 30 bzw. 60 Jahren) und gemessenen P-CAL-Werten zeigte, daß letztere auf dem Standort Acker Banck wesentlich höher liegen. Bei der Betrachtung der PO4-Konzentrationen im Sickerwasser ergab sich ein umgekehrtes Bild. Im Gegensatz zu den Modellwerten war für diesen Standort keine nennenswerte Tiefenversickerung (bei ebenfalls intensiver Düngung) festzustellen. Daraus konnte gefolgert werden, daß das Sorptionsvermögen des untersuchten Standorts höher ist als es in der Simulation berechnet wurde. Durch die Unterschätzung der Adsorption des Oberbodens ergab sich dort im Vergleich mit den LUFA-Bodenanalysedaten eine geringere Phosphatanreicherung. Die berechneten hohen Konzentrationen in den oberen Kompartimenten und nach 30 Jahren auch im Unterboden waren ebenfalls eine Folge der geringen Adsorption bzw. hohen Desorption. Die berechnete Phosphatpflanzenaufnahme lag für alle drei Testflächen niedriger, als aufgrund langjähriger Durchschnittswerte zu erwarten war.
Das neue Phosphatmodul von WASMOD & STOMOD "PHOSMOD" muß nach den Erkenntnissen der ersten Modellergebnisse kalibriert und validiert werden. Die unveränderte Übernahme der PTF, die auf Resultaten von Schüttelversuchen basiert, ist nicht praktikabel. Es wurde von Gleichgewichtsbedingungen in der Bodenlösung ausgegangen, die sich unter Freilandverhältnissen nur bedingt einstellen. Bisher berechnet das Modell vollständige Gleichgewichtsbedingungen nach jedem Simulationsschritt (20 - 200 täglich). Die Modellkalibrierung ist z.B. durch die
Nach erfolgreicher Kalibrierung und Validierung kann PHOSMOD zur gebietsbezogenen Simulation der Phosphatdynamik genutzt werden. Dies würde die Abschätzung der P-Auswaschung in das oberflächennahe Grundwasser ermöglichen. Weiterhin ist die Berechnung der P-Gehalte erodierter Bodenpartikel aus dem Oberboden möglich, um den P-Eintrag in Gewässer zu bilanzieren.
Der erosive Abtrag von phosphathaltigem Oberbodenmaterial ist eine Überaus wichtige Größe bei der quantitativen Bestimmung des Phosphathaushaltes von Einzugsgebieten. Phosphate können mit dem abgetragenen Bodenmaterial verfrachtet werden und die Oberflächengewässer belasten. Anhand des dargestellten Überblicks über Bodenerosionsmodelle wird ersichtlich, daß das USLE-Modell bzw. die ABAG nach wie vor das einzige Erosionsmodell ist, dessen Einsatz auf größeren Flächen bei vertretbarem Parametrisierungsaufwand praktikabel ist. Durch SCHWERTMANN et al. (1987) wurde die Gültigkeit des Modells in Mitteleuropa bereits bestätigt.
Faktoren der USLE Auf Grundlage der im FE-Vorhaben erhobenen Niederschlagsdaten berechnete sich ein R-Faktor (Regenfaktor) in der Höhe von 52 N/h. Dieser Wert bestätigte die Angabe von SAUERBORN (1994) mit 50 N/h. In den Sommermonaten werden die höchsten Anteile an dem Jahres-R-Faktor erreicht (NAUNIN 1990). Körnungsdaten, wie sie zur Ermittlung des K-Faktors (Bodenerodierbarkeitsfaktor) im Sinne der USLE-Definition nötig sind, liegen nicht flächendeckend vor. Über Korrelations- und Regressionsanalyse wurde festgestellt, mit welchen flächenhaft vorliegenden Bodeneigenschaften der K-Faktor vereinfacht fär Böden im Bornhöveder Seengebiet beschrieben werden kann. Alternativ zu diesem Verfahren ist eine Abschätzung der Bodenerodibilität aus dem Beschrieb der Reichsbodenschätzung möglich (SCHWERTMANN et al. 1987). Zur Berechnung des C-Faktors (Bedeckungs- und Bodenbearbeitungsfaktor) wurde die Entwicklung der Ackerfrüchte in verschiedene Kulturperioden differenziert. Für jede Wachstumsperiode wurde der "Relative Bodenabtrag" (RBA-Wert) quantifiziert, in welchem das Verhältnis zwischen dem Bodenabtrag einer Fläche während einer bestimmten Kulturperiode einer Nutzung und dem Bodenabtrag dieser Fläche unter Schwarzbrache ausgedrückt wird. Weiterhin muß die gebietsspezifische Regenerosivität zum Zeitpunkt der jeweiligen Kulturperioden bekannt sein. Hierfür wurde die relative Verteilung der erosiven Niederschläge über das Jahr betrachtet. Die der Berechnung der C-Faktoren zugrundeliegende Fruchtfolge wurde aus den Satellitenbildern bestimmt. Für die Standardflächen im Arbeitsgebiet (z.B. Wald) wurde der C-Faktor gleich 0 gesetzt. Bei der Kalkulation der C-Faktoren wurde davon ausgegangen, daß die Ernterückstände auf der Bodenoberfläche verbleiben oder nur sehr flach eingearbeitet werden. Dabei bleibt ein Bodenbedeckungsgrad von > 30% erhalten. Bei einem direkt nach der Ernte anschließenden Pflügen des Feldes wird ein wesentlich höherer RBA-Wert und somit C-Faktor erreicht, der bei einer Modellrechnung die Bodenabträge stark erhöht. Mit Hilfe des FORTRAN-Programms TOPNEWP2 erfolgte die Berechnung der LS-Faktoren (Topographiefaktoren). Die geforderte Berücksichtigung der erosiven Hanglänge war nur bedingt zu erfüllen und ist in erster Linie durch die Auflösung des eingesetzten Höhenrasters vorgegeben. In TOPNEWP2 ist eine Reduzierung der Hanglänge dadurch gegeben, daß die LS-Faktoren nur für vom Anwender definierte Hänge (>2% Hangneigung, Mindesthanglänge) berechnet werden. Der P-Faktor (Erosionsschutzfaktor) wurde zunächst generell auf 1 gesetzt, weil keine schlagbezogenen Informationen über erosionsmindernde Maánahmen vorlagen.
Die Berücksichtigung von Knicks, welche die erosive Hanglänge verkürzen, wenn sie quer zur Gefällerichtung angelegt sind, konnte durch Verknüpfung der Raster- und Vektorinformationen realisiert werden. Das gleiche gilt für Fließgewässer und Gerinne, die einbezogen wurden, weil sie Abflußbarrieren darstellen. Es ergeben sich sowohl Veränderungen bezüglich der Hanglängen, als auch modifizierte Ergebnisse bei der Kalkulation der Erosionsintensität. Darüber hinaus wurde eine Methodik entwickelt und getestet, um die Sedimentation abzuschätzen. Durch eine vereinfachte Modellannahme zum Sedimentationsvorgang wurde in TOPNEWP2 eine qualitative und quantitative Abschätzung der Sedimentation in Abhängigkeit von den jeweiligen Reliefbedingungen vorgenommen. Die Sedimentation wird in Abhängigkeit von der Hangform und der Schleppkraft des hangabwärts fließenden Wassers formuliert. Vor einer Abflußbarriere wird das gesamte aktuell transportierte Bodenmaterial akkumuliert. Mit diesem Verfahren wurde für das Arbeitsgebiet (70.55 km2) die Erosion berechnet. Insgesamt werden in dem Gebiet 902 t im langjährigen Mittel erodiert und sedimentiert. Auf Ackerflächen wurde ein langjähriger mittlerer Abtrag von 0.24 t/ha im Jahr simuliert. Von Erosionserscheinungen sind 26% der Ackerflächen, aber nur 14% der Gesamtflächen betroffen. Auf ingesamt 971 ha wurde eine Erosion > 0.1 t/ha*a berechnet. Die Bilanzierung der Sedimenteinträge in Gewässer erfolgte für die Teileinzugsgebiete der Bornhöveder Seenkette.
Die simulierte Verlagerungsintensität scheint niedriger zu sein, als es die Kolluvienmächtigkeiten erwarten ließen. Dies kann aber auch ein Hinweis auf eine eventuell höhere Erosionsintensität in der Vergangenheit sein, in der die Kolluvien unter veränderten Relief- und Anbaubedingungen entstanden. Unter Modellgesichtspunkten führt der Bedeckungs- und Bearbeitungsfaktor C durch die Annahme günstiger Anbaustrategien in der Landwirtschaft (30% Bodenbedeckung nach der Ernte) zu einer Abpufferung der Reliefenergie.
Eine Plausibilitäts- und Validitätskontrolle war bei der bestehenden Datenlage nur sehr eingeschränkt möglich. Zur Kalibrierung und Validierung der Modellergebnisse sind Erosionsmessungen im Freiland erforderlich. Als Alternative zur aufwendigen Messung wäre die Nutzung von physikalisch-deterministischen Erosionsmodellen (z.B. OPUS) zur Kalibrierung des Flächenmodells denkbar.
Die im Rahmen der vorliegenden Untersuchung durchgeführte Parametrisierung modellrelevanter Daten stellt eine elementare Voraussetzung für die räumlich umfassende Analyse der Phosphatdynamik und der Phosphatverlagerung auf Einzugsgebietsebene dar. Dies ist nur durch die weitestgehende Automatisierung der Arbeitsabläufe, verbunden mit der Kopplung von GIS und Modellsystemen, sowie den Einsatz einer leistungsfähigen Hard- und Software möglich.