Zusammenfassung Band 20

Schlüter W. (1997): Kationen- und Anionen-Gehalte in der Bodenlösung und im oberflächennahen Grundwasser von organisch und konventionell bewirtschafteten Ackerflächen der Siegaue sowie Simulation der Stickstoffdynamik und Nitrat-Verlagerung.

In einer Aue bei Hennef arn Unterlauf des Rhein-Nebenflusses Sieg wurde über einen Zeitraum von zwei Jahren die Kationen- und Anionen-Dynamik in schwach bis maßig sauren Auenböden unter organischer und konventioneller Wirtschaftsweise untersucht. Zu diesem Zweck wurden auf 4 Flächen von 9 m2 Größe in mehreren Tiefenstufen (je 30 cm) verschieden mächtiger Auenböden (bis 180 cm) Bodenlösungen mittels keramischer Saugkerzen gewonnen und auf ausgewählte Inhaltsstoffe analysiert.

Die Ermittlung der kleinräumigen Variabilität in den verschiedenen Tiefenstufen zweier Untersuchungsstandorte ergab, daß der gewählte Stichprobenumpfang von 6 Saugkerzen je Tiefenstufe ausreichte, um für die Na+-, Mg2+-, Ca2+-, NO3--, SO2-- und Cl--Gehalte der Bodenlösungen repräsentative Mittelwerte zu gewinnen. Die Untersuchungsergebnisse für Kalium und DOC sind dagegen z.T. mit einer größeren Unsicherheit behaftet.

Die durchgeführten Untersuchungen lassen für die meisten der in der Bodenlösung bestirnmten Stoffe einen charakteristischen zeitlichen Verlauf erkennen, der jahreszeitliche und ackerbauliche Gegebenheiten sehr gut widerspiegelt. Für die Kationen Natrium, Kalium, Magnesiurn und Calciurn sowie für die Anionen Sulfat und Chlorid wurden die Austräge aus den untersuchten Böden mit Hilfe ihrer Konzentrationen in den Bodenlösungen unterhalb der Durchwurzelungszone quantifiziert. Die Interpretation der NO3--Dynamik erfolgte durch Simulationsrechnungen mit dem Modell DELPHI, das vorher anhand von Tracerversuchen mit Chlorid, Bromid, Nitrat und Sulfat kalibriert wurde.

Im Rahmen der Tracerversuche erfolgte neben der Gewinnung von Bodenlösungen mittels Saugkerzen an ausgewählten Terminen eine Entnahrne von Bodenproben zur Herstellung von Bodensättigungsextrakten. Unter Berücksichtigung der jeweiligen Verdünnung stimmten die Konzentrationen des nicht sorbierten Chlorids, Bromids und Nitrats in den Bodensättigungsextrakten und Saugkerzenlösungen weitgehend überein, während die Konzentrationen des schwach sorbierten Sulfats z.T. erhebliche Abweichungen aufwiesen. Aus dem Vergleich der zur selben Zeit in unterschiedlichen Profiltiefen auftretenden Verlagerungspeaks von Sulfat und von Chlorid, Bromid oder Nitrat ließ sich für den Ap-Horizont eines Auenbodens als Maß für die Adsorptionseigenschaften von Sulfat ein Kd-Wert von 0,16 l/kg und für den Bereich unterhalb von 30 cm ein Kd-Wert von 0,02 l/kg errechnen.

Durch Variation der Dispersivität und Anpassung der mit Simulationsmodell DELPHI für verschiedene Untersuchungstermine errechneten Stoff-Tiefenverteilungen an die erhaltenen Meßwerte konnten für die einzelnen Horizonte der untersuchten Böden Dispersivitäten geschätzt werden. Diese nehmen Werte von 1,0 cm im Ap-Honzont und bis zu 10,0 cm in den Unterbodenhorizonten an.

Bei der Interpretation der NO3--Dynamik durch Simulationsrechnungen mit dem durch die Tracerversuche kalibrierten Modell wurden die N-Freisetzung durch Mineralisation sowie der N-Austrag mit dem Sickerwasser quantifiziert. Dabei ergaben sich für die Mineralisation der leicht zersetzbaren organischen Substanz von unterschiedlichen Ernteresten verschiedene Reaktionskoeffizienten. Diese waren fiir Erntereste von Ackerbohnen mit 19,0 x 1012 x exp (-9800/T) und für Senf-Wicken-Reste mit 12,0 x 1012x exp (-9800/T) besonders hoch. Die niedrigsten Reaktionskoeffizienten wurden mit 3,0 x 1012 x exp (-9800/T) in den Winterhalbjahren ermittelt.

Für die verschieden bewirtschafteten Böden wurde eine detaillierte N-Bilanz errechnet. Es konnte gezeigt werden, daß unter der konventionell bewirtschafteten Fläche ohne Zwischenfruchtanbau innerhalb von zwei Jahren 199 kg N/ha mit dem Sickerwasser aus dem Boden ausgetragen wurden. Im gleichen Zeitraum fand unter organischer Wirtschaftsweise mit Zwischenfruchtanbau eine Auswaschung von 52 kg N/ha statt. Durch den Anbau von Zwischenfrüchten kann eine deutliche Reduzierung der N-Austräge erreicht werden. Während der Winterhalbjahre führten die z.T. erheblichen NO3--Austräge aus den untersuchten Böden sowohl unter konventioneller als auch unter organischer Wirtschaftsweise zu zeitweisen Überschreitungen des Trinkwassergrenzwertes im oberflächennahen Grundwasser. 

Summary Band 20

Schlüter, W. (1997): Cations and anions contents in the soil solution and in the high level ground water under organically and conventionally cultivated farm land of the river flood plain Sieg as well as the simulation of the nitrogen-dynamic and nitrate-leaching.

Over a period of two years the dynamics of cations and anions were investigated in weakly to moderately acidic Fluvi-Eutric Cambisols of a river flood plain of the Rhine tributary Sieg (Nordrhein-Westfalen, Germany). The soils were cultivated according to organic and conventional farming systems. Under a surface area of 9 m2 in different depth (every 30 cm) of different thick soils (up to 180 cm) soil solutions were sampled by ceramic suction cups and analyzed for the contents of selected elements.

The investigation of the small scale variability in different depths of two soils showed, that the installation of 6 suction cups per depth step was sufficient to get representative values of the Na+-, Mg2+-, Ca2+-, NO3--, SO42-- and Cl--concentrations, whereas the values of the K+- and DOC-concentrations are partly uncertain.

For the most of the analyzed soil solution contents the investigations showed typical time series which reflect the seasonal and agricultural conditions very well. The leaching of the cations Na+, K+, Mg2+ and Ca2+ as well as the leaching of the anions SO42- and Cl-were quantified with the help of their concentrations in the soil solutions underneath the rooting zone. The interpretation of the NO3--dynamic was possible by model calculations using the DELPHI model, which first had been calibrated by tracer experiments with Cl-, Br-, NO3- and SO42-.

During the tracer experiments in addition to the sampling of soil solution by suction cups at definite time intervalls soil material was taken from different depth to produce soil saturation extracts.

The concentrations of the non-adsorbed anions Cl-, Br- and NO3- were very similar in the suction cup solutions and in the saturation extracts, whereas the concentrations of the weakly adsorbed SO42- partially showed considerable differences. Obviously both methods extract in acid soils different fractions of the dissolved sulfate.

By comparing marked sulfate peaks with those of chloride, bromide or nitrate, which occur at the same time in different soil depth, a Kd value for sulfate of 0,16 l/kg can be calculated for the Ap horizon and of 0,02 l/kg for the subsurface horizons of one Fluvi-Eutric Cambisol.

Values of the dispersivity of the different horizons were estimated by varying the values of the dispersivity reported in the literature until the best fit of the simulated anion depth distribution to the measured values was found. The estimated dispersivities varied between 1 cm in the Ap horizon and 10 cm in the subsurface horizons.

In the course of simulating the NO3--dynamic by means of the calibrated model N-mineralization and N-leaching were quantified. For different crop residues reaction coefficients for the mineralization of the easily decomposed organic material were calculated. They were extremly high for bean residues (19.0 x 1012 x exp (-9800/T)) and mustard-vetch residues (12.0 x 1012 x exp (-9800/T)). The lowest reaction coefficient of 3.0 x 1012 x exp (-9800/T) was calculated for the decomposition process during winter time.

For the two farming systems a detailed N-balance was calculated. It is shown that under conventional farming over a time period of two years 199 kg N/ha were leached. Within the same period 53 kg N/ha were leached under organic farming with the cultivation of intercrop, which reduced the leaching of nitrate. The partly considerable losses of NO3- in the investigated soils results in increasing NO3--concentrations in the high level ground water under conventional and organic farming. Temporary the treshold value for NO3--concentration of the drinking-water was exceeded.