Dr. Frank Wendland

Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft 

Denitrifikationspotential- und Leistung in Boden 

und Grundwasser 

-Modellgestützte Quantifizierung auf Landesebene- 

Luise Keller, Petra Kuhr, Ralf Kunkel und Frank Wendland 

Forschungszentrum Jülich GmbH 

Institut für Bio- und Geowissenschaften - Agrosphäre (IBG-3) 

52425 Jülich 

Tagung “Denitrifikation in Mecklenburg - Vorpommern”, Güstrow, 24.10.2013

IBG-3 Forschungsgruppe: 

Modellierung und Management von 

Flusseinzugsgebieten 

Charakteristika der Arbeiten: 

• Entwicklung von Modellen zur 

Bilanzierung und zur Prognose von 

Wasser- und Stoffströmen in großen 

Flusseinzugsgebieten und auf 

Bundeslandsebene 

• Entwicklung regional angepasster 

Strategien für den Schutz und ein 

nachhaltiges Management von 

Wasserressourcen 

• Hoher Anteil angewandter 

Forschungsprojekte (z.B. EU, 

Ministerien, Umweltbehörden der 

Länder) 

25. Oktober 2013 Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre – Agrosphäre (ICG-4) Folie 2

Modellierung und Management von Flusseinzugsgebieten: 

Regionale Schwerpunkte Nährstoffmodellierung (N und P) 

in Deutschland (2009 – 2014) 

Nährstoffe Ist – Zustandsanalysen 

und Managementoptionen 

FGG Weser 

LANUV Nordrhein-Westfalen 

LHW Sachsen – Anhalt 

BSU Hamburg 

MU Niedersachsen 

LUNG Mecklenburg-Vorpommern 

LLUR Schleswig-Holstein 

HLUG Hessen 

KTBL Darmstadt 

TI Braunschweig 

Bz-REG Münster 

WWA Ansbach 

UBA 

(TLUG Thüringen) 


Gliederung: 

1. Zielsetzung des F+E-Projektes für das LUNG 

2. Modellierung des Nitratabbaus im Boden (DENUZ) und Ausmaß des 

Nitratabbaus im Boden 

3. Modellierung des Nitratabbaus im Grundwasser (WEKU) und Ausmaß 

des Nitratabbaus im Grundwasser 

4. Validierung der Ergebnisse zum Nitratabbau 

5. Zusammenfassung und Schlussfolgerung 


Zielstellung des vom LUNG 

beauftragten F+E-Vorhabens 

flächendeckende und räumlich hoch aufgelöste (100 x 100 m 

Raster) eintragspfadspezifische Quantifizierung der N- und P- 

Einträge in Grundwasser und Oberflächengewässer Mecklenburg- 

Vorpommerns 

Basierend auf dem im Forschungszentrum Jülich entwickelten 

Programmpaket GROWA-DENUZ-WEKU-MEPhos 

Wasserhaushaltsmodellierung (GROWA) 

Diffuse N-Einträge(DENUZ-WEKU): Fließzeitenmodellierung 

und reaktiver N-Transport in Boden und Grundwasser 

Diffuse P-Einträge (MEPhos) 

Punktförmige N- und P-Einträge 

Identifizierung von Belastungsschwerpunkten und prioritären 

Bereichen für die Durchführung von Maßnahmen zur Reduzierung 

der Nährstoffeinträge 


Vorgehensweise bei den N – Modellanalysen 

mit GROWA – DENUZ/WEKU 

Kleinkläranlagen 


Modellierung der Denitrifikation 

im Boden (DENUZ – Modell, Kunkel & Wendland, 2004) 

Michaelis-Menten Kinetik: 

DENUZ: Berechnung der Denitrifikation 

im durchwurzelten Boden (reversibel) 

dN 

dt 

( t 

) N 

( t 

) 

+ D ⋅ 

k + N( t) 

max 

= 

0 

Abhängigkeiten: 

Verlagerbare N-Menge im Boden 

N(t 0 ) 

 

Maximale Denitrifikationsleistung 

eines Bodens im Jahr 

(D max , k) 

Verweilzeit des Sickerwassers 

im Boden (t) 

DENUZ-Modellergebnis: verlagerbare N-Menge unterhalb der Wurzelzone 


Verlagerbare Stickstoffmenge 

im Boden 

• Disaggregierung 

• N-Speicheränderung im 

Boden (Wald, Grünland) 


Verlagerbare Stickstoffmenge 

im Boden 

Landwirtschaftliche N- 

Bilanzüberschüsse 

+ 

Atmosphärische 

Deposition 

- 

N-Speicherung Boden 

• Disaggregierung 

• N-Speicheränderung im 

Boden (Wald, Grünland) 







dN 

dt 

( t 

) N 

( t 

) 

+ D ⋅ 

k + N( t) 

max 

= 

0 



N(t 0 ) 

 



(D max , k) 


im Boden (t) 



Denitrifikationspotential der Böden 

(Einstufung nach LBEG-Arbeitskreis „Bodenkundliche Beratung in WSG“, 2008) 

Einstufung der Denitrifikationsbedingungen im Boden anhand 

• der Wassersättigung, 

• der geologischen Ausgangssubstrate 

• der Bodentypen 


Denitrifikationspotential der Böden 

(Einstufung nach LBEG-Arbeitskreis „Bodenkundliche Beratung in WSG“, 2008) 

Anpassung der mittleren maximalen Denitrifikationsraten im Boden (LBEG- 

Arbeitskreis) für die verschiedenen Denitrifikationsstufen aufgrund der 

eigenen Forschungsarbeiten in den Bundesländern M-V, NI,S-H und dem 

Einzugsgebiet der Weser. 

Einstufung der Denitrifikationsbedingungen im Boden anhand 

• der Wassersättigung, 

• der geologischen Ausgangssubstrate 

• der Bodentypen 


Denitrifikationsbedingungen im Boden 

Denitrifikationskapazität 

im 

Boden 

Maximale 

Denitrifikationsraten 

pro Jahr 

Beispiele für Bodentypen 

Sehr gering 12 kg/ha a Podsole, Bänderparabraunerden, 

Lockersyrosem, Regosole, Rendzina, 

gering 30 kg/ha a Braunerden, Pelosole, Parabraunerden, 

Pseudogley-Pelosole, Kolluvisole, Pseudogley-Parabraunerden, 

Tschernosem- 

Parabraunerden, Tschernosem- 

Pseudogleye…. 

Mittel 59 kg/ha a Reine Pseudogleye , Gley-Pseuodogleye, 

Gley-Kolluvisole, Haftnässepseudogleye 

hoch 100 kg/ha a Anmoorgley, Gleye, Humusgleye 

Sehr hoch 300 kg/ha a Moore 

In die Ermittlung des Denitrifikationspotentials einer Bodeneinheit der KBK 25 

geht das Abbaupotenzial der Hauptbodentypen und der Nebenbodentypen 

gewichtet nach ihrem jeweiligen Flächenanteil an einer Bodeneinheit ein. 


Denitrifikationskapazität im Boden 







dN 

dt 

( t 

) N 

( t 

) 

+ D ⋅ 

k + N( t) 

max 

= 

0 



N(t 0 ) 

 



(D max , k) 


im Boden (t) 




in der durchwurzelten Bodenzone 


in der durchwurzelten Bodenzone 

(GROWA-Modell) 


DENUZ-Modellergebnis: 

verlagerbare N-Menge unterhalb der Wurzelzone 


Denitrifikationsleistung des Bodens in (%) 

des N-Eintrags in den Boden 

Im Landesmittel werden ca. 37% des N-Eintrags in den 

Boden in der durchwurzelten Bodenzone denitrifiziert 


Vorgehensweise bei den Stickstoff – Modell -analysen 

mit den Modellen GROWA – DENUZ/WEKU 


N - Eintrag ins Grundwasser mit der Grundwasserneubildung 


N - Eintrag ins Grundwasser 

entsprechend dem Anteil der 

Grundwasserneubildung am 

Gesamtabfluss 

(GROWA-Modellergebnis) 


N - Eintrag ins Grundwasser 

entsprechend dem Anteil der 

Grundwasserneubildung am 

Gesamtabfluss 

(GROWA-Modellergebnis) 


7 

1 : 1 

30% Abweichung 

6 

Gesamtabfluss GROWA 

Gesamtabfluss GROWA modelliert m³/s 

5 

4 

3 

2 

Linear (Gesamtabfluss 

GROWA) 

R 2 = 0.98 

1 

0 

0 1 2 3 4 5 6 7 

MQ gemessen m³/s 


Nitrateintrag ins Grundwasser mit der 

Grundwasserneubildung 


N-Einträge ins Grundwasser 


Vorgehensweise bei den Stickstoff – Modell -analysen 

mit den Modellen GROWA – DENUZ/WEKU 




im Grundwasser (WEKU – Modell, Kunkel & Wendland, 1997) 

WEKU: Berechnung der Denitrifikation im 

oberen Aquifer (irreversibel) 

Reaktionskinetik 1. Ordnung: 

∂c 

+ 

∂t 

k 

n 

⋅c 

= 0 


N – Eintrag ins Grundwasser (c) 

Verweilzeit (t) 

Nitrat - Abbaukonstante (kn) 

WEKU-Modellergebnis: grundwasserbürtige N-Einträge in die Vorfluter 


Räumliche Verteilung der verfügbaren 

Grundwassergütemessstellen (315) 


Räumliche Verteilung der verfügbaren 

Grundwassergütemessstellen (315) 

• Datengrundlage (315 Messstellen) erlaubt weder 

eine „sinnvolle“ räumliche, noch eine 

„sinnvolle“ vertikale Regionalisierung der 

Konzentrationswerte 

• Nitratabbauvermögen im Grundwasser wurde 

getrennt für nach einzelnen hydrogeologischen 

Einheiten ausgewiesen 


Bestimmung des Nitratabbauvermögens 

im Grundwasser 

Vorgehensweise: 

• Ausdifferenzierung grundwasserführende 

Gesteinseinheiten 

• Ableitung der Denitrifikationsbedingungen 

(oxidiert, reduziert) 

im Aquifer aus Grundwassergütedaten 

Glaziofluviatile Sande in 

Geschiebemergeln 

Glaziofluviatile Sande (Sander) 

Niedermoore aus dem 

Bodentypen-Raster 

• Zuweisung einer „Halbwertzeit“ 

der Denitrifikation (Literatur) 


Verteilung der Grundwassergütedaten auf 

die hydrogeologischen Einheiten 

Geschiebe 

- mergel 

Sander 

Nieedermoore 


Primärstatistische Auswertung für die 

Konzentrationen von NO3, O2, Fe(II) und Mn(II) 

in den grundwasserführenden Gesteinseinheiten 

Gesteinseinheit 

Fe (II) Mn(II) NO 

Perzentile 

3 

(Anzahl Messstellen: 315) mg/l mg/l mg/l 

Gesteinseinheit 

(Anzahl Messstellen: 315) 

Niedermoor (16) 

Niedermoor (16) 

Sander (117) (117) 

Geschiebemergel / lehme (182) 

Geschiebemergel / lehme (182) 

0 2 mg/l 

Perzentile 10 P Fe (II) 1.14 mg/l Mn(II) 0.12 mg/l NO 3 mg/l 0.33 0 2 mg/l 0.058 

25 P 2.33 0.15 0.58 0.060 

10 P 1.14 0.12 0.33 0.058 

25 50 Pp 3.16 2.33 0.20 0.15 0.88 0.58 0.060 0.12 

50 75 pP 4.31 3.16 0.31 0.20 0.88 0.13 0.12 

75 

90 P 6.45 

4.31 

0.91 

0.31 

1.29 

0.88 

2.05 

0.13 

90 6.45 0.91 1.29 2.05 

10 

10 P 0.02 

0.02 

0.02 

0.02 

0.26 

0.26 

0.06 

0.06 

25 P 0.04 0.05 0.88 0.08 

50 p 1.01 0.15 0.88 0.12 

75 P 3.20 0.26 15.85 0.55 

90 6.39 0.54 82.10 5.28 

10 

90 P 6.39 0.02 0.54 0.02 82.10 0.31 5.28 

0.06 

25 10 P 0.02 0.04 0.02 0.06 0.31 0.88 0.06 0.09 

50 25 pP 0.04 1.63 0.06 0.16 0.88 0.09 0.15 

75 P 3.21 0.25 24.82 1.24 

50 p 1.63 0.16 0.88 0.15 

90 P 5.17 0.41 101.76 4.90 

75 P 3.21 0.25 24.82 1.24 

90 P 5.17 0.41 101.76 4.90 


Nitratabbaubedingungen im Grundwasser 

Zugewiesene „Halbwertzeiten“ der Denitrifikation (aus der Literatur): 

Niedermoore aus dem Bodentypen-Raster -> 0,3a 

Glaziofluviatile Sande in Geschiebemergeln sowie Glaziofluviatile 

Sande (Sander) -> 1a 







∂c 

+ 

∂t 

k 

n 

⋅c 

= 0 







WEKU: 2 D - Modellierung von Grundwasserverweilzeiten 

(Wendland et al., 2004; Herrmann et al., 2012) 

Grundwasser- 

oberfläche 

• Rasterbasiert, zweidimensional 

• Bezogen auf den oberen Aquifer 

• Strömungslinien im Aquifer verlaufen 

parallel zur Grundwasseroberfläche 

Fließwegsanalyse 

t 

gw 

= 

Vorfluter 

∑ 

i= 

Eintragszelle 

l 

v 

i 

a,i 

Grundwasserverweilzeiten 

Abstandsgeschwindigkeit 






Grundwasser- 

oberfläche 






t 

gw 

= 

Vorfluter 

∑ 

i= 

Eintragszelle 

l 

v 

i 

a,i 




Fließwege und Verweilzeiten 

p 

p 

l 

tot ∑ ( k k ) ∑ α 

v m n 

k= 1 k= 

1 a k k 

t ( i, j) = t m , n = 

• Betrachtung des gesamten 

Fließwegs von der Eintragszelle 

(i,j) bis zur Austragszelle 

(mp,np), in der der Übertritt in 

den Vorfluter erfolgt 

• Fließstrecken und 

Verweilzeiten ergeben sich 

durch Summation der 

Einzelwerte der Rasterzellen 

entlang des Fließwegs 

( mk 

, nk 

) 

( , ) 




Grundwasser- 

oberfläche 






t 

gw 

= 

Vorfluter 

∑ 

i= 

Eintragszelle 

l 

v 

i 

a,i 




Grundwasserverweilzeiten im oberen 

Grundwasserleiter 







∂c 

+ 

∂t 

k 

n 

⋅c 

= 0 







WEKU-Modellergebnis: 

Grundwasserbürtige N-Einträge in die Vorfluter 


WEKU-Modellergebnis: 

Grundwasserbürtige N-Einträge in die Vorfluter 


Denitrifikationsleistung des Grundwassers 

in (%) des N-Eintrags in den Aquifer 

ca. 85% des N-Eintrags in den Aquifer werden im 

Grundwasserleiter denitrifiziert 


Denitrifikationsleistung des Grundwassers 

in (%) des N-Eintrags in den Aquifer 

Hohe Reduktion des Nitrateintrags ins Grundwasser durch Denitrifikation 

bedeutet keine Entwarnung im Hinblick auf den Grundwasserschutz: 

• Aufbrauch von Pyrit / org. Kohlenstoff (“Nitratdurchbruch” vor allem 

bei gering mächtigen Aquiferen) 

• Sekundärprobleme für Wasserwirtschaft (Brunnenverockerung, Arsen-, 

Nickelfreisetzung, Sulfatanstieg) 

ca. 85% des N-Eintrags in den Aquifer werden im 

Grundwasserleiter denitrifiziert 


Gliederung: 

1. Vorstellung Arbeitsgruppe 

2. Hintergrund der Studie 

3. Modellierung des Nitratabbaus im Boden (DENUZ) und Ausmaß des 

Nitratabbaus im Boden 

4. Modellierung des Nitratabbaus im Grundwasser (WEKU) und Ausmaß 

des Nitratabbaus im Grundwasser 

5. Validierung der Ergebnisse zum Nitratabbau 

6. Zusammenfassung und Schlussfolgerung 


Validierung von 

Denitrifikationsmodellen 

Wolfram Eschenbach 1 , Lisa Krienen 1 , Heinrich Höper 2 , 

R. Well 1 , J. Elbracht 2 , R. Kunkel 3 & F. Wendland 3 

1 

Thünen Institut für Agrarklimaschutz, 2 LBEG (Hannover), 3 FZ Jülich 

Ar 

N 2 


Erste Ergebnisse des Projektes „Validierung von 

Denitrifikationsmodellen“ (TI, LBEG, FZJ) 

Auswertung: 

• Eschenbach (TI) : N 2 /Ar-Methode 

• N-Austrag Boden (FZJ): DENUZ – 

Modellergebnis (AGRUM 

Niedersachsen) 

Überprüfung des mit DENUZ modellierten Nitratabbaus im Boden anhand von 

Messwerten aus dem obersten Aquiferbereich (< 10m unter GOF) in den 

hydrogeologischen Einheiten Endmoränen (~ Geschiebelehme) und Geest 

(~Sander) Niedersachsens 



Zusammenfassung und 

Schlussfolgerung 

Mit den Modellen DENUZ und WEKU wurde das Nitratabbauvermögen im 

Boden und im Grundwasserleiter konsistent auf Landesebene 

abgeschätzt 

 

 

ca. 37 % der verlagerbaren Nitratmenge im Boden (N-Überschuss 

aus der Landwirtschaft, atmosphärische Deposition) werden im 

Landesmittel abgebaut; dieser heterotrophe Prozess ist reversibel 

Im Grundwasserleiter werden im Landesmittel ca. 85% der ins 

Grundwasser eingetragenen N-Menge abgebaut; dieser autotrophe 

Prozess ist irreversibel 

Die Denitrifikation ist ein wichtiger natürlicher Prozess, der die realen 

N-Einträge ins Grundwasser bzw. die Vorfluter steuert… im Aquifer aber 

nur so lange bis die Denitrifikationskapazität aufgebraucht ist

Dr. Frank Wendland

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