Projekt Stickstofftransport und -umsatz in der gewässernahen und hyporheischen Zone und seine Modellierung im pleistozänen Tiefland des Elbegebietes
Leitung Dr. M. Rode (Department Hydrologische Modellierung), Prof. Dr. R. Meißner (Department Bodenforschung), Dr. G. Strauch (Department Hydrogeologie)
Personal Joris Spindler (Department Hydrologische Modellierung), Tina Neef (Department Bodenforschung)
Förderung DFG
Laufzeit 04.04 - 09.06

Kurzbeschreibung

Der gewässernahen und hyporheischen Zone kommt für den Stickstoffumsatz und die Stickstoffretention in Einzugsgebieten - insbesondere im anthropogen stark belasteten Tiefland - eine besondere Bedeutung zu. Wissensdefizite bestehen primär bei der Quantifizierung dieser biogeochemischen Umsetzungsprozesse. Die Kenntnis dieser Prozesse stellt eine wesentliche Grundlage für das Management des N-Haushalts in Gewässern dar.
Im Schaugrabeneinzugsgebiet verläuft der Transportpfad der Stickstofffrachten von der landwirtschaftlichen Fläche durch den Boden über das Grundwasser in den Schaugraben. Es wurde daher angenommen, dass das oberflächennahe Grundwasser eine wesentliche Stickstoffquelle darstellt. Um herauszufinden, in welchem Ausmaß im oberflächennahen Grundwasser ein Stickstoffabbau stattfindet, wurde auf einer pleistozänen Talsandfläche ein Messfeld zur Durchführung von Tracerversuchen eingerichtet. Als Tracer kamen isotopisch markiertes Kaliumnitrat und Kaliumbromid zum Einsatz. Über das Massenverhältnis von Nitrat und Bromid wurde der Stickstoffabbau summarisch bestimmt. Zur Bestimmung von Transportparametern und zur Erstellung einer Massenbilanz wurden die Feldversuche mit dem Programm Visual CXTFIT modelliert. In zusätzlichen Reaktorversuchen, die im Labor durchgeführt wurden, wurde geprüft, inwieweit der Stickstoffabbau mit den Modellvorstellungen über die hier ablaufenden Prozesse übereinstimmt. Zur Modellierung der Tracerversuche wurde das geochemische Modell PHREEQC verwendet.
Die Feldversuche ergaben, dass im oberflächennahen Grundwasser ein Nitratabbau stattfindet. Dieser ist vor allem von der Temperatur abhängig. Bei dem im Sommer durchgeführten Tracerversuch war die Nitratabbaurate 4,4 fach höher als im Winter. Die Temperaturfunktion, die eine solche Veränderung der Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, hat eine Arrheniussche Aktivierungsenergie von 310 kJ*mol-1. Die insgesamt fünf Reaktorversuche führten zu dem Ergebnis, dass der Nitratabbau im oberflächennahen Grundwasser des Messfeldes über den Prozess der heterotrophen Denitrifikation abläuft. Die Temperaturabhängigkeit des Nitratabbaus war ähnlich wie bei den Feldversuchen. Die mittlere Arrheniussche Aktievierungsenergie für den Nitratabbau lag hier bei 333 kJ*mol-1. Bei den Laborversuchen waren die Abbauraten sehr unterschiedlich. Es wurde ein Variationskoeffizient von 125% ermittelt. Dies führte zu der Annahme, dass Mikroheterogenitäten im Sediment einen deutlichen Einfluss auf den Nitratabbau ausüben. Es zeigte sich, dass der verwendete Modellansatz zur Beschreibung des in den Reaktorversuchen stattfindenden Nitratabbaus geeignet ist. Augrund der ermittelten hohen Temperaturabhängigkeiten sind weitere Untersuchungen zur Aufklärung des Einflusses der organischen Substanz auf den Nitratabbau vorgesehen.