Vergleichende Messungen zu Herbizidausträgen auf drei ...

HW 56. 2012, H.4
Ulrich et al.: Vergleichende Messungen zu Herbizidausträgen ... DOI: 10.5675/HyWa_2012,4_6 I Fachartikel
Uta Ulrich, Fred Schulz, Cindy Hugenschmidt und Nicola Fohrer
Vergleichende Messungen zu Herbizidausträgen
auf drei unterschiedlichen Größenskalen
Comparing measurements of herbicide losses on three different scales
Pflanzenschutzmittel werden aus landwirtschaftlich genutzten Flächen in Oberflächen- und Grundwässer ausgetragen und können
dort nachhaltige Schäden in den Ökosystemen verursachen. Um die Prozesse, die zu diesen Austrägen führen, besser zu verstehen und
ihre Übertragbarkeit auf verschiedene Größenskalen abzuschätzen, wurde der Transport von drei ausgewählten Herbiziden (Terbuthylazin,
Metazachlor und Flufenacet) in einem Wassereinzugsgebiet der Norddeutschen Tiefebene auf der Feld-, Teileinzugsgebiets- und
Einzugsgebietsskala untersucht. Zum einen wurde geprüft, inwieweit sich Austragsmuster auf den verschiedenen Größenskalen beobachten
lassen, zum anderen wurden die Austräge quantifiziert. Dazu wurden die Herbizidkonzentrationen sowie hydrologische Parameter
auf allen Größenskalen in Tagesschritten erfasst. Die Ergebnisse zeigen, dass einige Austragsmuster auf allen Größenskalen zu
beobachten waren, andere hingegen nur auf einzelnen Skalen. Die gemessenen Konzentrationen lagen bei 25–301 ng Terbuthylazin/l,
25–576 ng Metazachlor/l und 30–170 ng Flufenacet/l. Es wurden Frachten von 1,4–21 g Terbuthylazin, 0,2–90 g Metazachlor und 0,009–
157 g Flufenacet in den jeweiligen Untersuchungszeiträumen und Skalen quantifiziert. Diese Werte entsprechen 0,01 %–0,09 % der
Applikationsmenge für Terbuthylazin, < 0,01 %–0,30 % für Metazachlor und 0,01 %–0,12 % für Flufenacet.
Schlagwörter: Herbizidaustrag, Oberflächen- und Grundwasser, Quantifizierung der Austräge, Tiefland, Übertragbarkeit auf verschiedene
Größenskalen
Pesticides have the potential to be relocated from agricultural fields into surface waters and groundwater and to cause adverse effects
in these systems. The transport of the herbicides terbuthylazine, metazachlor, and flufenacet was observed in a lowland catchment
in northern Germany in order to identify dominant processes and pathways. Herbicide loads were determined on the scales of fields,
subcatchments, and catchment and comparability of transport-inducing processes between these scales was assessed. A key question
was whether herbicide flux patterns derived on single scales could be quantified on all scales. Herbicide concentrations and hydrological
variables were measured daily. The results indicate that certain flux patterns can be observed on all scales, while others were
observed on one scale only. Concentrations ranged from 25 to 301 ng/l for terbuthylazine, 25 to 576 ng/l for metazachlor and 30 to
170 ng/l for flufenacet. The losses accounted for 1.4–21 g of terbuthylazine, 0.2–90 g of metazachlor, and 0.009–157 g of flufenacet
within the monitoring periods, corresponding to 0.01 %–0.09 % (terbuthylazine), < 0.01 %–0.30 % (metazachlor), and 0.01 %–0.12 %
(flufenacet) applied.
Keywords: Herbicide loss, lowlands, quantification of herbicide loss, surface water and groundwater, transferability of processes between
different scales
1 Einleitung
Pflanzenschutzmittel (PSM) stellen aufgrund ihrer Eigenschaft,
andere Organismen in ihrer Entwicklung zu behindern oder abzutöten,
eine Gefährdung für die Umwelt dar, wenn sie aus der landwirtschaftlich
genutzten Fläche als eigentlichem Zielort transportiert
werden (BLANN et al. 2009, MOHR et al. 2008, WENDT-RASCH
et al. 2004). Die bereits vorliegenden Studien fokussieren auf die
einzelnen Eintragspfade wie Drift (DE SCHAMPHELEIRE et al. 2007,
GIL & SINFORT 2005), atmosphärische Disposition (ASMAN et al.
2003, DUBUS et al. 2000, SIEBERS et al. 2003), Oberflächenabfluss
(ERLACH et al. 2004, GOMIDES FREITAS 2005, SCHRIEVER et al.
2007), Drainagen (ACCINELLI et al. 2002, BROWN & VAN BEINUM
2009, KALITA et al. 2006) und Hofabläufe (JAEKEN & DEBAER 2005,
MASON 2003, NEUMANN 2003). Insbesondere der PSM-Eintrag
aus diffusen Quellen hat sich als ein äußerst vielschichtiger und
komplexer Sachverhalt erwiesen, der von chemischen, physikalischen
und biologischen Prozessen gesteuert wird. Diese wiederum
unterliegen einer stark schwankenden Dynamik in zeitlicher
und räumlicher Skala (GASCUEL-ODOUX et al. 2009). Insbesondere
auf der Wassereinzugsgebietsskala sind die Interaktionen der
Prozesse, die zu dem Transport auf den oben genannten Wegen
führen, wenig quantifiziert worden. Diese Prozesse können folglich
nicht isoliert betrachtet werden, sondern müssen in größerem
räumlichen Kontext erfasst werden. In den letzten Jahren haben
sich Studien, die die Prozesse des Transports von Pflanzenschutzmitteln
in Boden und Wasser auf Wassereinzugsgebietsskala
abschätzen, etabliert (z.B. DOPPLER et al. 2011, HOLVOET 2006,
KREUGER 1998, LEU et al. 2005). Durch die Betrachtung innerhalb
einer gesamten hydrologischen Einheit können interaktive
Prozesse repräsentativer erfasst werden als z.B. bei monatlichen
Stichproben unabhängig von hydrologischen Grenzen. Mit einer
stichprobenartigen Untersuchungsstruktur lässt sich ein Überblick
über die PSM-Konzentrationen und deren saisonale Variabilität
erzielen, belastbare Informationen über Quellen, Transportwege
und Abbauvorgänge lassen sich darüber jedoch nicht ableiten.
Da ein zeitlich und räumlich hoch aufgelöstes Monitoring in der
Größenskala eines Wassereinzugsgebietes aufgrund von begrenzten
finanziellen und personellen Ressourcen schwierig umzusetzen
ist, werden Untersuchungen in eingeschränktem Umfang
durchgeführt und die Ergebnisse mithilfe von Modellen auf andere
Größenskalen übertragen (BÄRLUND et al. 2007, BOITHIAS et al.
2011, HOLVOET et al. 2007).
Ziel der in diesem Artikel dargestellten Monitoringkampagnen
in einem Wassereinzugsgebiet der Norddeutschen Tiefebene
war es, nach Austragsmustern von ausgewählten Herbiziden zu
suchen und deren Übertragbarkeit innerhalb von drei verschiedenen
Größenskalen (Feld, Teileinzugsgebiet, Einzugsgebiet) zu
überprüfen.
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216
Fachartikel I DOI: 10.5675/HyWa_2012,4_6 Ulrich et al.: Vergleichende Messungen zu Herbizidausträgen ...
2 Material und Methoden
2.1 Untersuchte Herbizide
Für diese Studie wurden aus der Gruppe der Pflanzenschutzmittel
Herbizide ausgewählt, da sie die in Deutschland am häufigsten
eingesetzten Pflanzenschutzmittel sind und ein hohes Austragspotential
aufgrund ihrer physiko-chemischen Eigenschaften und
der Art ihrer Applikation aufweisen (BMELF 2003, BMELF 2006).
Herbizide sollen das Wachstum von Beikräutern unterdrücken,
um Konkurrenten für Wasser, Licht und Nährstoffe zu reduzieren.
Besonders Herbizide, die über die Wurzeln von den Beikräutern
aufgenommen werden, verfügen über polare Eigenschaften, damit
sie sich im Bodenwasser gut lösen. Ferner werden diese Wirkstoffe
auf vegetationsarmen oder -freien Boden appliziert. Die
Folge ist ein erhöhtes Austragspotential, da durch den geringen
Bewuchs wenige Rückhaltemechanismen in Form von mechanischen
Hindernissen gegen Oberflächenabfluss zur Verfügung
stehen und die Aufnahme durch Pflanzen in diesem Stadium
gering ist. Zusätzlich trägt unbedeckter Boden ein hohes Risiko
zur Verschlämmung und fördert damit die Oberflächenabflussbildung.
In einem weiteren Schritt wurden Wintergetreide, Raps
und Mais als die am häufigsten in der Bundesrepublik und im Einzugsgebiet
(EZG) angebauten Kulturen ermittelt (STATISTISCHES
BUNDESAMT 2010, STATISTISCHES LANDESAMT SCHLESWIG-
HOLSTEIN 2005). Aufgrund dieser Auswahlkriterien wurden
die Herbizide Metazachlor (Raps), Terbuthylazin (TBA) (Mais) und
Flufenacet (Wintergetreide) ausgewählt. Bei Metazachlor handelt
es sich um einen Wirkstoff mit geringem Sorptionsvermögen
an die organische Substanz des Bodens (K OC -Wert), so dass die
Mobilität im Boden als mobil eingestuft wird (FOOTPRINT 2011)
(Tab. 2). Es ist stabil in der Wasserphase, aber nicht persistent im
Boden. Metazachlor wird im Anhang 5 der Oberflächengewässerverordnung
(OGWWV 2010) vom 25.7.2011 mit einer Umweltqualitätsnorm
(UQN) in Form eines Jahresmittelwertes von
0,4 µg/l aufgeführt. Das Maisherbizid Terbuthylazin (TBA) wird als
stark auswaschungsgefährdet eingestuft. Die Mobilität im Boden
sowie der Abbau in der Wasserphase und im Boden werden als
moderat klassifiziert (FOOTPRINT 2011). In der OGewV ist für
TBA eine UQN von 0,5 µg/l festgelegt. Flufenacet ist ein Herbizid,
Tabelle 1
Ausgewählte physiko-chemische Eigenschaften der Herbizide (FOOTPRINT 2011)
Selected physical-chemical properties of the herbicides
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das auf Flächen mit Wintergetreide eingesetzt wird. Es wird in Bezug
auf den K OC -Wert und das Auswaschungspotential als mäßig
mobil eingestuft (Tab. 1). Es ist sehr stabil in der Wasserphase,
während der Abbau im Boden als mäßig persistent bezeichnet
wird. Flufenacet fällt weniger durch seine physiko-chemischen
Eigenschaften auf, als vielmehr durch die Tatsache, dass es ein
verbreiteter Wirkstoff ist und auf vielen Flächen appliziert wird
(MLUV 2005, ULRICH 2011). Die ausgewählten Herbizide TBA und
Flufenacet weisen keine Nutzungseinschränkung auf, während
Metazachlor nur einmal jährlich auf einer Fläche appliziert werden
darf. Alle drei Wirkstoffe sind als toxisch gegenüber Algen,
Wasserpflanzen und Fischen eingestuft. In Tabelle 1 sind ausgewählte
physiko-chemische Eigenschaften der drei Herbizide
dargestellt.
2.2 Beschreibung der drei Größenskalen
2.2.1 Das Einzugsgebiet der Kielstau
Das Einzugsgebiet (EZG) der 17 km langen Kielstau umfasst eine
Größe von ca. 5.000 ha und befindet sich 10 km südöstlich der
Stadt Flensburg. Zahlreiche kleine Zuflüsse, offene Entwässerungsgräben
und Drainagen entwässern in die Kielstau (Abb. 1).
Drei größere Zuflüsse, die Moorau, der Hennebach und die
Levensau, münden von Norden her in die Kielstau (SCHMALZ et
al. 2008). Die Region ist vorwiegend ländlich geprägt. Von der
landwirtschaftlich genutzten Fläche entfallen ca. 55 % auf Ackerfläche
und ca. 26 % auf Grünland. Der Anteil der Siedlungsfläche
liegt bei 3 % der Gesamtfläche. Die dominierenden Bodentypen
im Einzugsgebiet sind Pseudogleye, in den Flusstälern finden
sich moorige Böden (LAM et al. 2009). Das Einzugsgebiet weist
typische Merkmale der Norddeutschen Tiefebene wie eine hohe
Drainagedichte bei Ackerflächen von ca. 38 % (FOHRER et al.
2007) und geringe Hangneigungen (< 10 %) auf. Landwirtschaftliche
Betriebe liegen meist außerhalb der Ortschaften und ihre
Hofabläufe sind nicht an die zentralen Kläranlagen angeschlossen
(LAM et al. 2010).
2.2.2 Das Teileinzugsgebiet Moorau
Das Teileinzugsgebiet (TEZG) der Moorau ist das größte TEZG der
Kielstau und liegt in der nördlichen Mitte des Einzugsgebietes. Es
Parameter Metazachlor TBA Flufenacet
CAS Nr. 67129-08-2 5915-41-3 142459-58-3
Chemische Formel C 14 H 16 ClN 3 O C 9 H 16 CN 5 C 14 H 13 F 4 N 3 O 2 S
Log P OW bei pH 7, 20 °C 2,49 3,40 3,20
Dampfdruck bei 25 °C 0,093 mPa 0,15 mPa 0,09 mPa
K oc 54 ml/g keine Angabe 401 ml/g
K d 0,78 ml/g keine Angabe keine Angabe
K f 1,02 ml/g 5,1 ml/g 3,2 ml/g
K foc 79,6 ml/g 231 ml/g 328 ml/g
1/n 0,900 0,993 0,930
Auswaschungspotential (GUS leaching potential) 1,96 3,07 2,38
DT 50 im Boden (Feldversuch) 7 Tage 22 Tage 40 Tage
DT 50 in der Wasserphase 216 Tage 6 Tage 54 Tage

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hat eine Größe von ca. 747 ha. Die 5 km lange Moorau verläuft
geradlinig, mäandriert nur im Unterlauf und weist größtenteils
steile, aber unbetonierte Ufer auf. Im Jahre 2005 betrug der
Anteil der landwirtschaftlichen Nutzfläche an der Gesamtbodenfläche
in der größten Gemeinde Husby etwa 85 %, wobei als
Hauptkulturen Winterweizen, Wintergerste, Winterraps, Mais und
Zuckerrüben angebaut werden (MLUR-SH 2008). Auch im TEZG
dominieren Pseudogleye als Bodentyp. Das Flussbett der Moorau
wird von Pseudogleyen und Moorböden flankiert. Zahlreiche
Drainagen und Gräben sowie die Kläranlage Husby entwässern
in die Moorau.
2.2.3 Die Feldskala
Das Monitoring für drei verschiedene Herbizide wurde auf zwei
unterschiedlichen, drainierten Flächen innerhalb des Kielstau-
EZG durchgeführt.
Im Frühjahr 2008 wurde der Austrag von Terbuthylazin (TBA)
vom 16.5.–30.6.2008 auf Feld 1 beobachtet, um den Austrag dieses
Maisherbizides über den Drainagepfad zu erfassen. Feld 1 hat
eine Größe von 13,2 ha und wird mit einer dreijährigen Fruchtfolge
(Mais in 2008, Wintergerste in 2007, Winterweizen in 2006)
konventionell bewirtschaftet. Es verfügt über eine einsträngige
Bedarfsdrainage von ca. 180 m Länge, die in ca. 1,2 m Tiefe liegt.
Die Drainage führt in Abhängigkeit von den hydrologischen
Bedingungen von September/Oktober bis Juni/Juli Wasser. Am
30.4.2008 wurde Mais ausgesät, die TBA-Applikation fand am
16.5.2008 statt. Während des Untersuchungszeitraumes waren
keine weiteren Bodenbearbeitungsmaßnahmen notwendig.
Auf Feld 2 wurden im Herbst 2008 und 2009 die Austräge des
Rapsherbizides Metazachlor und des Getreideherbizides Flufenacet
über den Drainagepfad beobachtet. Das Metazachlormonitoring
fand vom 1.9.–27.11.2008 statt, das von Flufenacet vom
24.9.–5.12.2009. Feld 2 hat eine Größe von 5,4 ha und wird mit
einer Bedarfsdrainage von ca. 180 m Länge, die in ca. 1,5 m Tiefe
liegt, entwässert. Die Drainage führt das gesamte Jahr über Wasser.
Auf dieser Fläche erfolgt eine konventionelle Bewirtschaftung
mit dreijähriger Fruchtfolge (Winterweizen in 2009, Raps in 2008,
Wintergerste in 2007). Im Jahr 2008 wurde der Raps am 26.8.2008
ausgesät, die Metazachlorapplikation erfolgte am 1.9.2008. Die
Ulrich et al.: Vergleichende Messungen zu Herbizidausträgen ... DOI: 10.5675/HyWa_2012,4_3 I Fachartikel
Abbildung 1
Einzugsgebiet der Kielstau mit
Lage der Probenahmepunkte und
Niederschlagsmesser (NM*)
Catchment of the River Kielstau with
the locations of sampling points and
rain gauges (NM*)
Aussaat von Winterweizen fand am 17.9.2009 statt, die Flufenacetapplikation
wurde anschließend am 24.9.2009 durchgeführt.
Auf Feld 2 wurden ebenfalls keine weiteren Bearbeitungsmaßnahmen
während der Untersuchungszeiträume durchgeführt.
2.3 Versuchsaufbau
2.3.1 Bodenkundliche Parameter
Die Entnahme der Bodenproben erfolgte auf der Feldskala an
mehreren Punkten in zwei Tiefenstufen (0–20 cm, 20–40 cm),
um die Flächen zu charakterisieren. Es wurden gestörtes Material
zur Bestimmung der Korngrößenverteilung und der organischen
Substanz sowie ungestörte Stechzylinderproben zur Untersuchung
der gesättigten Wasserleitfähigkeit und Lagerungsdichte
entnommen. Die Bodenansprache wurde nach der KA 5 Kartieranleitung
(AG BODEN 2005) mittels Bohrstock und Fingerprobe
vorgenommen. Die Korngrößenverteilung erfolgte im Labor
nach DIN ISO 11288 (2002). Dazu wurden 20 g lufttrockener Boden
durch Siebe verschiedener Maschenweite gesiebt. Die Tonfraktion
wurde anschließend über das Sedimentverfahren nach
Köhn ermittelt (3 Parallelen). Der Humusgehalt wurde über die
Bestimmung des Glühverlustes nach DIN 19684-3 (2000) und
Multiplikation mit dem Faktor 1,76 ermittelt (3 Parallelen). Die
Bestimmung der gesättigten hydraulischen Wasserleitfähigkeit
des Bodens wurde mit einem Haubenpermeameter nach Hartge
(DIN 19683-9 1998) unter instationären Bedingungen an ungestörten
100 cm 3 großen Stechzylinderproben vorgenommen
(7 Parallelen). Das Einzugsgebiet der Drainage auf Feld 2 wurde
über das Verhältnis zwischen Abfluss und Niederschlag abgeschätzt.
Mit A = EZG Drainage, Q = Abfluss Drainage; N = Niederschlagsmenge
Diese Abschätzung wurde unter den folgenden Annahmen vorgenommen:
Der Bodenwasserspeicher ist gesättigt, die Evapotranspiration
ist vernachlässigbar und der gesamte Niederschlag
fließt als Drainabfluss ab. Die Bestimmung des Einzugsgebietes
erfolgte dann durch die Division des Gesamtabflusses durch die
Niederschlagssumme im betrachteten Zeitraum.
(1)
217

218
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Für die Skalen des TEZG und EZG lag eine Bodenübersichtskarte
im Maßstab 1: 200.000 (BGR 1999) vor.
2.3.2 Hydrologische Parameter
Niederschlag
Es standen Niederschlagsdaten von drei Messstationen zur Verfügung.
Die Entfernungen der Niederschlagsmesser zu den einzelnen
Probenahmepunkten lagen zwischen 10 km (Satrup) und
0,1 km (Moorau).
In Satrup wurde der Niederschlag in Minutenintervallen mit
einem automatischen Niederschlagsmesser (Ott Pluvia, Fa. Ott,
Kempten) aufgezeichnet. Die Daten wurden vom Landesamt für
Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume Schleswig-Holstein
(LLUR) zur Verfügung gestellt.
An der Moorau erfasste ein automatischer Niederschlagsmesser
(Type 506301, Fa. Thiess Clima, Göttingen) den Niederschlag in
stündlichen Intervallen.
In Ausacker lieferte ein Regenmesser nach Hellmann tägliche
Niederschlagssummen (JANßEN 2008, JANßEN 2009).
Abflussmessungen auf den drei Untersuchungsskalen
Drainageabfluss auf der Feldskala
Mithilfe eines Drucksensors (MDS Dipper-T3, Messbereich 0–2m,
Fa. SEBA Hydrometrie GmbH/Kaufbeuren), der den Druck der
über der Messzelle stehenden Wassersäule aufnimmt, erfolgte
die Messung des Wasserstandes in den Drainrohren in 10-Minuten-Intervallen.
Über eine Pegelschlüsselkurve wurden die
Abflüsse jedes Messintervalls ermittelt. Die Daten wurden zu täglichen
Mittelwerten aggregiert.
Ab 29./30.9.2008 stieg der Wasserstand im gesamten EZG aufgrund
zahlreicher und intensiver Niederschläge. Das Wasser
konnte nicht ausreichend aus der Landschaft abfließen und
führte zu Überflutungen, so auch auf Feld 2. Im Zeitraum vom
30.9.2008 bis 31.10.2008 stand der Revisionsschacht, in den das
Drainagerohr mündete, unter Wasser, so dass die Berechnung
des Abflusses keine realistischen Werte lieferte. Aus den vorhandenen
Niederschlags-, Grundwasserstands- und Abflussdaten
ließen sich Korrelationen herstellen, mithilfe derer der Abfluss für
diesen Zeitraum über die Grundwasserstandsänderung in Bezug
zum Niederschlag berechnet wurde.
Abflussmessung am Auslass des TEZG Moorau und des EZG
In der Moorau erfolgte eine kontinuierliche Wasserstandsmessung
mit einem mechanischen Pegelschreiber (Fa. Ott, Kempten).
Über zwei Jahre (2006–2008) wurde monatlich eine Abflussmessung
mit einem Durchflussmessgerät (Flow Sense 801, Fa. Seba
GmbH, Kaufbeuren) durchgeführt. Mithilfe dieser Daten wurde
eine Pegelschlüsselkurve berechnet, die eine Umrechnung der
Wasserstände in Abflusswerte ermöglichte. Die Abflüsse wurden
zu Tagesmittelwerten aggregiert.
Während des TBA-Monitorings wurde der Abfluss in der Kielstau
in einstündigen Intervallen mit einem Durchflussmessgerät
(Flow sense 750 AV ultrasonic sound doppler, Teledyne Isco, Lincoln/USA)
erfasst und zu Tagesmittelwerten zusammengefasst.
Während der Untersuchungszeiträume für Metazachlor und
Flufenacet stellte der Landesbetrieb für Küstenschutz, Nationalpark
und Meeresschutz Schleswig-Holstein (LKN-SH) seine Daten
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zur Verfügung. Stündlich ermittelte Wasserstandswerte (mechanischer
Pegelschreiber, Ott, Kempten/Germany) wurden mithilfe
einer Pegelschlüsselkurve in Abflussdaten umgerechnet.
2.4 Beprobung und Herbizidanalysen der Wasserproben
Auf der Skala der drainierten Felder 1 und 2 wurden aus der Drainage
Tagesmischproben (20 x 50 ml in 1:12 h Intervallen) mittels
eines automatischen Probenehmers (ISCO 6712, Teledyne Isco,
Lincoln/USA) genommen.
Auf der TEZG und EZG Skala erfolgte die Probenahme in der
Moorau und in der Kielstau in Form von Tagesmischprobe
(20 x 50 ml in 1:12 h Intervallen) mittels eines automatischen
Probenehmers (ISCO 6712, Teledyne Isco, Lincoln/USA).
Die Analyse der Herbizide in den Wasserproben wurde nach DIN
EN ISO 11369 (1997) mittels HPLC und Diodenarray-Detektion
durchgeführt. Zur Kontrolle der Aufarbeitung wurde ein interner
Standard (Norflurazon) vor Beginn der Extraktion der Probe zugefügt.
Die Wiederfindungsrate von Norflurazon lag bei 92–106
%. Die Stabilität des Systems während der Analysen wurde durch
Kontrollstandards nach jeder fünften Probe überprüft (Kontrollkartensystem).
Zusätzlich erfolgte eine externe Qualitätskontrolle.
Weitere Qualitätsparameter der Analyse sind in Tabelle 2
aufgeführt.
Tabelle 2
Qualitätskenngrößen der Herbizidanalysen
Quality parameters of the herbicide analyses
TBA Metazachlor Flufenacet
Reproduzierbarkeit [%] 9 9 16
Wiederfindungsrate [%] 87–94 96–99 90–94
Bestimmungsgrenze [ng/l] 70 70 90
Nachweisgrenze [ng/l] 25 25 30
Die Herbizidkonzentrationen werden in den Diagrammen der
Abbildungen 1–6 bis zur Nachweisgrenze angegeben. Bei Werten
mit Nachweisgrenze < Konzentration < Bestimmungsgrenze
muss eine erhöhte Unsicherheit des Ergebnisses berücksichtigt
werden.
Bei der Berechnung der ausgetragenen Frachten werden eine
maximale und eine minimale Variante berechnet:
F = Q × c (2)
mit F = Fracht; Q = Abfluss; c = Konzentration
Bei Fracht min werden nur die Konzentrationen oberhalb der
Bestimmungsgrenze berücksichtigt, Konzentrationen < Bestimmungsgrenze
werden gleich Null gesetzt.
Bei Fracht max werden alle Konzentrationen oberhalb der Nachweisgrenze
berücksichtigt, Konzentrationen < Nachweisgrenze
werden auf 25 ng/l bzw. 30 ng/l (Tab. 3) gesetzt.
2.5 Abschätzung der im TEZG/EZG applizierten
Herbizidmengen
In jedem Untersuchungszeitraum wurde die Landnutzung des
EZG auf Schlagebene kartiert. Die Kultur der jeweiligen Flächen

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wurde mit einer mobilen Kartiersoftware (ArcPad 6.0.3, ESRI) unter
Benutzung eines GPS-Gerätes und eines PDA erfasst und in
eine digitale Karte umgewandelt. Die Ausgabekarten von ArcPad
sind kompatibel mit der Software für Geographische Informationssysteme
(ESRI, ArcGIS), so dass die Flächen der ausgewählten
Kulturen berechnet werden konnten (GOLON 2009). In einem
zweiten Schritt wurde die digitale Landnutzungskarte mit einer
digitalen Drainkarte des EZG (GOLON 2006) in ArcGIS verschnitten,
so dass der Anteil der jeweiligen Kultur im TEZG und EZG
sowie der Anteil der gedrainten Flächen der jeweiligen Kultur
bestimmt werden konnte. Diese Daten flossen in die Abschätzung
des potentiellen Herbizidaustrages auf den verschiedenen
Größenskalen ein.
Zusätzlich wurden die Landwirte im Einzugsgebiet zu den Applikationsdaten
befragt. Die folgenden Kennwerte wurden dabei
erfasst:
• Datum der Applikation
• Angewendetes Präparat
• Konzentration der Applikationslösung
• Größe der behandelten Fläche
• Drainageanteil der behandelten Fläche
3 Ergebnisse
3.1 Bodenkundliche Parameter
3.1.1 Feldskala
Die Untersuchungen auf der Feldskala ergeben, dass es sich
bei Feld 1 und 2 jeweils um Standorte mit mittlerem bis hohem
organischen Kohlenstoffanteil (AG BODEN 2005) und
mittlerer bis hoher Wasserleitfähigkeit (DVWK 1999) handelt.
Sie zeigen die typischen Merkmale von Pseudogleyen unter
Ackernutzung. Die Bodenparameter sind detailliert in Tabelle
3 dargestellt.
3.1.2 TEZG und EZG
Für das gesamte Einzugsgebiet liegt eine digitale Bodenkarte
(BGR 1999) vor. Der vorherrschende Bodentyp im TEZG und im
EZG ist ein Pseudogley, gefolgt von Parabraunerde, Gleyen und
Niedermoor. Die prozentualen Flächenanteile der einzelnen Bodentypen
sind in Tabelle 4 aufgelistet.
3.2 Herbizidkonzentrationen auf der Feldskala
3.2.1 TBA
Der Monitoringzeitraum von TBA zeichnete sich durch warme,
niederschlagsarme Witterung aus. Der Gesamtniederschlag von
54 mm, der im Untersuchungszeitraum bestimmt wurde, entspricht
ca. 50 % des langjährigen Mittels (1984–2009) in diesen
Monaten (DWD 2007, LLUR 2009). Dadurch lag der Wasserstand
in der Drainage auf Feld 1, der für die Abflussmessung benötigt
wurde, unterhalb der technisch erfassbaren Größe von 0,5 cm.
Trotz des niedrigen Wasserstandes war bis zum 23. Tag nach
Applikation eine Probenahme möglich; anschließend fiel die
Drainage trocken. Es wurden Konzentrationen im Bereich von
25–300 ng TBA/l ermittelt. Eine Beziehung zwischen dem Auftreten
von TBA im Drainagewasser und einem Niederschlagsereignis
konnte nur bedingt hergestellt werden.
3.2.2 Metazachlor
Nach der Applikation von Metazachlor traten über mehrere Tage
leichte Niederschläge auf, wodurch Metazachlor fünf Tage später
am 6.9.2008 im Drainagewasser detektiert wurde. Zwei Tage
Ulrich et al.: Vergleichende Messungen zu Herbizidausträgen ... DOI: 10.5675/HyWa_2012,4_3 I Fachartikel
nach dieser Niederschlagsphase erhöhte sich der Abfluss und
Metazachlor wurde mit dem zurückgehenden Abfluss in Konzentrationen
von 558 ng/l bis auf 70 ng/l abnehmend ausgetragen
(Abb. 2). Die sich anschließende trockene Phase verursachte
keine Verlagerung des Herbizides in die Drainage. Im weiteren
Verlauf wurde Metazachlor zeitlich verzögert zu den Niederschlagsereignissen
(30.9., 15.–18.10., 11.11.2008) stets zeitgleich
mit einem Abflusspeak ausgetragen. Die Niederschlagssumme
der Monitoringperiode von 215 mm entspricht ca. 125 % des
langjährigen Mittels (1984–2009) der Monate September bis November
(DWD 2007, LLUR 2009).
Abbildung 2
Metazachlorkonzentrationen und Abfluss in der Drainage von Feld 2
(Herbst 2008), A=Applikationstermin
Metazachlor concentrations and drainage flow from field 2 (autumn 2008),
A= date of application
Tabelle 3
Bodenkundliche Parameter von Feld 1 und 2
Soil parameters of the drained fields 1 and 2
Parameter Feld 1 Feld 2
Tiefe der Drainage ca. 1,2 m ca. 1,5 m
Anzahl Probenahmepunkte 4 6
Bodentyp Pseudogley Pseudogley
Korngrößenverteilung Schluffiger Sand Stark schluffiger
Sand –
schluffiger Lehm
C org. im Ap 3,3 % 2,3 %
C org. im Unterboden 2,1 % 1,5 %
Gesättigte Wasserleitfähigkeit 78 cm/d 55 cm/d
Tabelle 4
Flächenanteile der einzelnen Bodentypen im TEZG und EZG [%]
Area percentages of soil types in the subcatchment and the catchment
Pseudogley Para-
braunerde
Pseudogley-
Braunerde
Gley Niedermoor
TEZG 72 < 1 6 – 22
EZG 51 20 8 11 10
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3.2.3 Flufenacet
Flufenacet wurde in Konzentrationen von 30 ng/l bis 170 ng/l detektiert.
Der erste Befund, der als unmittelbare Reaktion auf das
Niederschlagsereignis am 3.10.2009 und den damit verbundenen
Abflussanstieg folgte, wies die maximale Konzentration des
Untersuchungszeitraumes auf (Abb. 3). Alle weiteren im Drainagewasser
beobachteten Flufenacetfunde traten gleichzeitig mit
einem niederschlagsinduzierten Abflusspeak auf. Während des
regenarmen Zeitraumes vom 13. bis 27.10.2009 wurde Flufenacet
nicht bis in die Drainage verlagert. Die Niederschlagssumme dieses
Untersuchungszeitraumes beläuft sich auf 262 mm. Während
die Oktobersumme von 99 mm dem langjährigen Mittel von 93
mm (1984–2009) entspricht, liegen die Novemberniederschläge
doppelt so hoch wie das Novembermittel (DWD 2007, LLUR 2009).
3.3 Herbizidkonzentrationen auf der TEZG-Skala
3.3.1 TBA
Die TBA Konzentrationen, die im Zufluss Moorau ermittelt
wurden, schwankten zwischen 25 ng/l und 96 ng/l. Ein Großteil
der Messwerte lag unterhalb der Bestimmungsgrenze (Abb. 4).
Die maximale Konzentration wurde zu Beginn des Monitorings
bestimmt, nachdem der Abfluss der Moorau geringfügig angestiegen
war. Ab dem 25.5.2008 nahm die TBA-Konzentration kontinuierlich
ab und blieb vom 9.–15.6.2008 unterhalb der Nachweisgrenze.
Ab 16.6.2008 wurde das Maisherbizid wieder in der
Moorau im Konzentrationsbereich von 32 ng/l–54 ng/l detektiert.
3.3.2 Metazachlor
Metazachlor wurde während des gesamten Untersuchungszeitraumes
im Herbst 2008 nicht in Konzentrationen oberhalb der
Nachweisgrenze von 25 ng/l in der Moorau detektiert.
3.3.3 Flufenacet
Innerhalb des Monitorings im Herbst 2009 wurden sieben Flufenacetbefunde
ermittelt. Die Konzentrationen lagen zwischen
Abbildung 3
Flufenacetkonzentrationen und Abfluss in der Drainage von Feld 2
(Herbst 2009), A=Applikationstermin
Flufenacet concentrations and drainage flow from field 2 (autumn 2009),
A= date of application
HW 56. 2012, H. 4
30 ng/l und 96 ng/l. Lediglich der Maximalwert lag oberhalb der
Bestimmungsgrenze (Abb. 5). Das Auftreten von Flufenacet korreliert
mit Abflussereignissen der Moorau, wobei das Herbizid an
den ersten vier Detektionsterminen mit bzw. nach dem Abflussmaximum
auftrat und bei den folgenden drei Detektionsterminen
vor bzw. mit dem Abflussmaximum beobachtet wurde.
3.4 Herbizidkonzentrationen auf der EZG-Skala
3.4.1 TBA
Die ersten TBA-Austräge wurden in der Kielstau in einer niederschlagsfreien
Phase bei sinkendem Abfluss erfasst. Nach dem
folgenden Niederschlagsereignis von 11 mm wurde die maximale
Herbizidkonzentration von 147 ng/l detektiert, die in den
folgenden zwölf Tagen korrelierend mit dem Abfluss auf 57 ng/l
abnahm (Abb. 6).
3.4.2 Metazachlor
Auf Einzugsgebietsskala wurden die ersten Metazachlorkonzentrationen
in der Höhe von 80 ng/l und 29 ng/l erfasst (Abb. 7).
Diese traten zu Beginn und am Ende eines geringfügigen Abflussanstiegs
auf, der von mehreren kleinen Niederschlagsereignissen
hervorgerufen wurde. In der sich anschließenden Trockenphase
wurde kein Metazachlor in die Kielstau eingetragen. Erst
nach den Niederschlägen Anfang Oktober in der Höhe von 1 bis
31 mm traten Metazachlorkonzentrationen von 35 bis 88 ng/l
auf. Sowohl diese Metazachlorfunde als auch der am 16.10.2008
wurden während des Abflussanstiegs beobachtet.
3.4.3 Flufenacet
Die in der Kielstau gemessenen Flufenacetkonzentrationen lagen
zwischen 30 ng/l und 160 ng/l. Ähnlich wie auf der Feld- und
TEZG-Skala wurde das Herbizid nach dem ersten großen Niederschlagsereignis
des Monitorings von den Flächen in die Kielstau
verlagert (Abb. 8). Innerhalb des damit verbundenen Abflusspeaks
erfolgte der Herbizidtransport sowohl mit steigendem
Abbildung 4
TBA-Konzentrationen und Abfluss in der Moorau (Frühjahr 2008)
TBA concentrations and streamflow in the River Moorau (spring 2008)

HW 56. 2012, H.4
Abbildung 5
Flufenacetkonzentrationen und Abfluss in der Moorau (Herbst 2009)
Flufenacet concentrations and streamflow in the River Moorau (autumn 2009)
Abbildung 7
Metazachlorkonzentrationen und Abfluss in der Kielstau (Herbst 2008)
Metazachlor concentrations and streamflow in the River Kielstau (autumn
2008)
als auch mit sinkendem Abfluss. Am 2.11.2009 und den darauf
folgenden Tagen sowie am 13.11.2009 und den folgenden Tagen
wurde erneut Flufenacet in der Kielstau detektiert. Insgesamt
lässt sich während des Untersuchungszeitraumes eine kontinuierliche
Abnahme der Flufenacetkonzentration in der Kielstau
beobachten.
3.5 Herbizidfrachten
Die Herbizidfrachten, die auf den einzelnen Raumskalen bestimmt
wurden, sind in Tabelle 5 zusammenfassend dargestellt.
Die Werte unterscheiden sich innerhalb der Raumskalen, sie
Ulrich et al.: Vergleichende Messungen zu Herbizidausträgen ... DOI: 10.5675/HyWa_2012,4_3 I Fachartikel
Abbildung 6
TBA-Konzentrationen und Abfluss in der Kielstau (Frühjahr 2008)
TBA concentrations and streamflow in the River Kielstau (spring 2008)
Abbildung 8
Flufenacetkonzentrationen und Abfluss in der Kielstau (Herbst 2009)
Flufenacet concentrations and streamflow in the River Kielstau (autumn
2009)
variieren aber auch herbizidabhängig. Weiterhin wird die Unsicherheit
der Ergebnisse deutlich, die je nach Berechnungsvariante
um das bis zu 14-fache schwanken (Flufenacet auf der TEZG-
Skala: Fracht min = 2,0 g; Fracht max = 28,1 g).
3.6 Abschätzung der applizierten Herbizidmenge
Feldskala
Auf der Feldskala war die Applikationsmenge durch die Zusammenarbeit
mit den Landwirten bekannt. Die Herbizide wurden
in den vom Hersteller empfohlenen Mengen ausgebracht
(Tab. 6). Aufgrund unterschiedlicher Wirkstoffkonzentrationen in
221

222
Fachartikel I DOI: 10.5675/HyWa_2012,4_6 Ulrich et al.: Vergleichende Messungen zu Herbizidausträgen ...
den verwendeten Formulaturen und unterschiedlicher Applikationsvolumina
(Calaris® (TBA): 1 l/ha, Butisan Top® (Metazachlor):
2 l/ha; Herold SC® (Flufenacet): 0,6 l/ha) ergeben sich verschiedene
Applikationsmengen pro Hektar. Aufgrund der unterschiedlichen
hydraulischen Bedingungen in den Jahren 2008 und 2009
auf Feld 2 ergeben sich für die beiden Jahre voneinander abweichende
Drainageeinzugsgebiete.
TEZG- und EZG-Skala
Auf der Grundlage der von den Landwirten vor Ort abgefragten
Applikationsdaten wurden die potentiell im TEZG und EZG ausgebrachten
Herbizidmengen abgeschätzt (Tab. 7).
4 Diskussion
4.1 Austragsmuster
Die Auswertung der erhobenen Daten ergab, dass sich verschiedene
Austragsmuster auf verschiedenen Größenskalen beobachten
ließen. Für einen Überblick sind diese Austragsmuster
und die Skalen, auf denen sie beobachtet werden konnten, in
Tabelle 8 abgebildet. Anschließend werden die Austragsmuster
detailliert beschrieben.
4.1.1 Abfluss
In allen Raumskalen zeigte sich, dass die Herbizide abflussabhängig
verlagert wurden. Stets erfolgte der Transport mit einem
Abflusspeak, der durch ein oder mehrere Niederschlagsereignisse
hervorgerufen wurde (RIISE et al. 2004, VRYZAS et al. 2009, ZONTA
et al. 2005). Dabei sind sowohl die Niederschlagssumme, -zeitpunkt
und -intensität (BEULKE et al. 2001, MCGRATH et al. 2010)
als auch die Wasserspeicherfähigkeit des Bodens und der Bodenwassergehalt
bestimmende Größen (JARVIS 2007, KAHL et al.
2008, LEWAN et al. 2009). Erst bei einem signifikanten Abflussanstieg
kommt es zur Verlagerung des Herbizides. LEU et al. (2004)
ermittelten für das von ihnen untersuchte Einzugsgebiet Regen-
Abflussverhältnisse. Dabei wurde ein Transport der Pflanzenschutzmittel
erst bei einem Verhältnis von ca. 39 % beobachtet,
bei darunter liegenden Verhältnissen wurden sie nicht verlagert.
4.1.2 Schneller Transport
Bereits in den neunziger Jahren wurde beobachtet, dass Wasser
auf bindigen Böden nicht nur gleichmäßig durch den gesamten
Bodenkörper, quasi in einer Front, versickert, sondern dass über
Makroporen wie z.B. Risse, Wurzelkanäle, Regenwurmgänge
ein sehr schneller, lokal begrenzter Transport in größere Tiefen
erfolgen kann (BROWN et al. 1995, JARVIS 1998, WILLIAMS et al.
1996, ZEHLE & FLÜHLER 2001). Auf diesem Weg der sogenannten
präferentiellen Fließwege werden damit nicht nur das Wasser,
sondern auch die darin gelösten Stoffe wie Nährstoffe und
Pflanzenschutzmittel innerhalb kürzester Zeit verlagert (KÖHNE
et al. 2009, KÖRDEL et al. 2008). Durch den schnellen Transport
in tiefere Bodenschichten steht weniger Zeit zur Verfügung für
(i) einen mikrobiellen Abbau, der in den oberen Bodenschichten
aufgrund der Anzahl der Mikroorganismen intensiver abläuft als
in tieferen Bodenschichten, und für (ii) eine Sorption an die Bodenmatrix
aufgrund von Gleichgewichtseinstellungen (SIMUNEK
et al. 2003, ZEHE & FLÜHLER 2001). Es handelt sich hierbei um
einen sehr lokal begrenzten Transportmechanismus, der von
den gegebenen Bodeneigenschaften jeder Fläche abhängt. Für
Metazachlor und Flufenacet wurde zu mehreren Zeitpunkten der
Herbizidpeak im Drainagewasser während des Anstiegs des Abflusspeaks
beobachtet, so dass die Herbizide über präferentielle
HW 56. 2012, H. 4
Tabelle 5
Ausgetragene Frachten auf den verschiedenen Raumskalen
Discharged loads on the different scales (field, sub-catchment, catchment)
Raumskala TBA Metazachlor Flufenacet
Feld-Skala
Fracht [mg] min – 197 9,3
Fracht [mg] max
TEZG-Skala
– 226 37,4
Fracht [g] min 1,4 – 2,0
Fracht [g] max
EZG-Skala
4,7 – 28,1
Fracht [g] min 12,4 6,8 24,0
Fracht [g] max 21,0 90,0 157
Tabelle 6
Applizierte Herbizidmengen auf der Feldskala
Amounts of herbicides applied on the field scale
Wirkstoffkonzentration
in
der Formulatur
TBA
(Feld 1)
330 g
TBA/l
70 g
Mesotrione/l*
Metazachlor
(Feld 2)
375 g
Metazachlor/l
125 g
Quinmerac/l*
Flufenacet
(Feld 2)
400 g
Flufenacet/l
220 g
Diflufenican/l*
Applikationsmenge
des
Wirkstoffes
[g/ha]
330 750 240
EZG [m²] Drainage wurde nicht
bestimmt
1.000–2.000 3.000–5.000
Applikationsmenge
im
EZG Drainage [g]
* wurde nicht berücksichtigt
wurde nicht
bestimmt
75–150 72–120
Tabelle 7
Geschätzte applizierte Herbizidmengen auf der TEZG- und EZG-Skala
Estimated amount of herbicides applied on sub-catchment and catchment
scales
Mais TBA Raps Metaza- W-Getreide Flufenacet
chlor
gesamt davon
gedraint
Angaben Landwirte
Fläche
[ha]
Herbizid
[kg]
122 nicht
erfasst
27 nicht
erfasst
Abschätzung im TEZG Moorau
gesamt davon
gedraint
gesamt davon
gedraint
238 68 764 308
120 39 103 42
Fläche
[ha]
52 32 119 42 295 130
Herbizid
[kg]
11,5 7,1 60 24 40 18
Abschätzung im EZG Kielstau
Fläche
[ha]
Herbizid
[kg]
517 187 455 148 1748 630
114 41 229 84 236 86

HW 56. 2012, H.4
Tabelle 8
Beobachtete Austragsmuster auf den verschiedenen Größenskalen
Discharge patterns observed on the different scales
Austragsmuster Feldskala TEZG-Skala EZG-Skala
Abflussabhängigkeit X X X
Schneller Transport X – –
Verdünnungseffekte – X X
Einfluss der
Herbizideigenschaften
X (X) (X)
Einfluss der
Applikationsmenge
Austragsmuster der maxi-
X – –
malen Konzentrationen
und Frachten
X X X
Zuordnung des
Austragspfades
X – –
X = beobachtet; (X) = nicht eindeutig beobachtet; – = nicht beobachtet
Bahnen, und damit schneller als das Gesamtvolumen des versickernden
Niederschlagswassers, in die Drainage gelangten. Da
das Abflussvolumen beim TBA-Monitoring unterhalb der technischen
Möglichkeiten lag, konnte dieser Effekt nicht auf Feld 1
beobachtet werden. Auf der TEZG- oder EZG-Skala verhinderten
unterschiedliche Applikationstermine auf den einzelnen Feldern
und die räumliche Variabilität der 750 ha bzw. 5.000 ha großen
Flächen, dass der Austrag der Herbizide über präferentielle Fließwege
messtechnisch erfasst werden konnte.
4.1.3 Verdünnungseffekte
Grundsätzlich wird davon ausgegangen, dass die Herbizidkonzentrationen
umso höher sind, je kleiner die betrachtete Raumskala ist.
Durch die Zunahme des Abflusses mit steigender Größenordnung
des Gewässers kann sich eine Verdünnung der Herbizidkonzentration
ergeben (HOLVOET 2006). Ferner durchströmt das versickernde
Wasser eine größere räumliche und damit auch zeitliche Skala
auf dem Weg von der Fläche zum Gewässer. Dadurch stehen mehr
Möglichkeiten zur Verfügung, dass die Herbizide an der Bodenmatrix
sorbieren, metabolisiert und chemisch oder mikrobiell abgebaut
werden. In den drei Monitoringzeiträumen der ausgewählten
Herbizide lässt sich für TBA und Metazachlor deutlich erkennen,
dass die Konzentrationen im Drainagewasser am höchsten waren,
gefolgt von denen in der Kielstau (EZG) und denen in der Moorau
(TEZG). Die Konzentrationen von Flufenacet lagen insgesamt niedriger,
so dass sich dieser Effekt zwar auch, aber nicht so deutlich
wie bei TBA und Metazachlor, beobachten ließ. Es fällt auf, dass
die Konzentrationen auf der TEZG-Skala niedriger sind als auf der
EZG-Skala und beim Metazachlormonitoring keine Positivbefunde
beobachtet wurden. Da der Abfluss der Kielstau während der Untersuchungszeiträume
vier- bis zehnmal höher lag als der der Moorau,
kann ein Verdünnungseffekt durch den Abfluss der Moorau
nicht die Ursache für die niedrigeren Herbizidkonzentrationen im
TEZG sein. Da auch die prozentualen Flächenanteile der Kulturen,
in denen die Herbizide eingesetzt werden, auf beiden Skalen in
derselben Größenordnung liegen (7 % TEZG Mais, 11 % EZG Mais;
16 % TEZG Raps, 10 % EZG Raps; 39 % TEZG Wintergetreide, 36
% TEZG Wintergetreide), kann auch die Größe der Anbaufläche
und damit die Applikationsmenge nicht der entscheidende Faktor
für die Höhe der Austräge sein. Die Moorau wird auf beiden
Uferseiten von einem ca. 150 m breiten Moorstreifen gesäumt,
der aufgrund seines hohen Anteils an organischer Substanz in
Ulrich et al.: Vergleichende Messungen zu Herbizidausträgen ... DOI: 10.5675/HyWa_2012,4_3 I Fachartikel
hohem Maße Sorptionsmöglichkeiten für die Herbizide bietet, so
dass diese auf dem Weg zur Moorau retardiert werden können und
die niedrigen Konzentrationen hervorrufen (BLUME et al. 2010).
Ein weiterer Einflussfaktor für den Transport der Herbizide in die
Moorau stellt die Lage der behandelten Flächen dar. Je größer die
Distanz zum Gewässer, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für
Retardation. Ungefähr über ein Viertel ihrer Länge grenzen Grünlandflächen
an die Moorau, auf die die ausgewählten Herbizide
nicht appliziert werden. Der Austrag von Pflanzenschutzmitteln
hängt folglich von den individuellen Boden- und Sorptionseigenschaften
sowie den hydrologischen Verhältnissen jedes betrachteten
Einzugsgebietes ab und kann damit auch innerhalb
verschiedener TEZGs stark schwanken (BLANCHARD & LERCH
2000, GOMIDES FREITAS 2005, LEU et al. 2005). DOPPLER & STAMM
(2012) identifizierten sogenannte shortcuts wie z.B. Drainagenschächte
und Hofplatz- oder Straßenentwässerungen, über welche
der Oberflächenabfluss und damit die Pflanzenschutzmittel
innerhalb kürzester Zeit in das Gewässer transportiert werden und
hohe Konzentrationspeaks verursachen können. Die Beobachtungen
im TEZG der Moorau lassen darauf schließen, dass derartige
shortcuts hier nur zu einem geringen Anteil vorliegen.
4.1.4 Herbizideigenschaften
Auf der Feldskala werden lediglich die Ergebnisse von Metazachlor
und Flufenacet auf Feld 2 miteinander verglichen. TBA-Ergebnisse
werden nicht berücksichtigt, da sie auf Feld 1 erhoben
wurden und bereits durch die unterschiedlichen bodenkundlichen
Charakteristika der Flächen Variationen in Bezug auf den
Herbizidtransport auftreten können.
Metazachlor und Flufenacet wurden beide während der Herbstapplikation
untersucht. Die Niederschlagsmengen während des
Untersuchungszeitraumes betrugen 215 mm für Metazachlor
und 261 mm für Flufenacet. Metazachlor weist eine deutlich höhere
Mobilität als Flufenacet auf (Tab. 1): Aufgrund des K OC-Werts
lassen sich im Vergleich zu Flufenacet höhere Austräge erwarten.
Flufenacet wird dagegen als Wirkstoff mit starkem Retentionspotential
eingestuft (FOOTPRINT 2009, GUPTA et al. 2000,
ROUCHAUD et al. 1999), so dass geringere Austräge als bei Metazachlor
angenommen werden können. Die höhere Persistenz
Flufenacets gegenüber Metazachlor kommt möglicherweise erst
in einem längeren Untersuchungszeitraum als 10 Wochen zum
Tragen. Während des Monitorings 2008 wurden 53 Metazachlorbefunde
oberhalb der Nachweisgrenze ermittelt. Die Konzentrationen
lagen zwischen 25 ng/l und 576 ng/l. Dagegen ergaben
sich für Flufenacet (ebenfalls 10-wöchiges Monitoring) sieben Positivbefunde
oberhalb der Nachweisgrenze mit Konzentrationen
von 30 ng/l–170 ng/l. Eine Erklärungsmöglichkeit für diese Unterschiede
stellen die unterschiedlichen physiko-chemischen Eigenschaften
der beiden Herbizide dar. Allerdings wurden in beiden
Untersuchungszeiträumen ähnliche Austragsmuster beobachtet:
Unabhängig von den Niederschlagsmustern in den beiden Jahren
werden jeweils 10 Tage nach Applikation die ersten Positivbefunde
in der Drainage detektiert. Hierbei kann es sich weniger
um Effekte der Herbizideigenschaften handeln, sondern es muss
eher die Möglichkeit eines schnellen Transportes über Makroporen
diskutiert werden. Bei diesem Transportweg sind aufgrund
der schnellen Versickerung des Wassers und der darin gelösten
Stoffe die physiko-chemischen Eigenschaften der Herbizide von
sekundärer Bedeutung (s. Kap. 4.1.2 Schneller Transport) (GOSS et
al. 2010), so dass eher die hydraulischen Bedingungen von Feld 2
zu ähnlichen Austragsmustern geführt haben.
223

224
Fachartikel I DOI: 10.5675/HyWa_2012,4_6 Ulrich et al.: Vergleichende Messungen zu Herbizidausträgen ...
In der Moorau (TEZG) variierten die Abflüsse während des TBA-
und des Flufenacet-Monitorings aufgrund der unterschiedlichen
Niederschlagsbedingungen zwischen 0,027 m 3 /s und 0,138 m 3 /s.
Metazachlor wurde in der Moorau nicht oberhalb der Nachweisgrenze
bestimmt. TBA wurde trotz des zwei Wochen kürzeren
Untersuchungszeitraumes 33 Mal detektiert, Flufenacet lediglich
sieben Mal. Die Konzentrationen lagen in derselben Größenordnung
von 25 ng/l–90 ng Wirkstoff/l. TBA und Flufenacet unterscheiden
sich in ihren Eigenschaften nicht so stark voneinander
wie Metazachlor und Flufenacet. Aufgrund des geringeren Auswaschungspotentials
und des niedrigeren K OC-Wertes kann TBA
jedoch mobiler eingestuft werden als Flufenacet, wodurch sich
die häufigeren TBA-Funde erklären lassen.
Das Austragsmuster von TBA und Flufenacet aus der Moorau
lässt sich ebenfalls in der Kielstau (EZG) beobachten. Metazachlor
wurde hier nur an drei Terminen und tendenziell in niedrigeren
Konzentrationen als TBA und Flufenacet detektiert. Für die Interpretation
der Metazachlorergebnisse müssen die Halbwertszeiten
herangezogen werden. Es ist im Boden schnell abbaubar, so
dass anzunehmen ist, dass das Herbizid teilweise in Metaboliten
umgewandelt wird, so dass die Konzentrationen innerhalb kurzer
Zeit unter die Nachweisgrenze von 25 ng/l absinken. Monatliche
Untersuchungen des LLUR in schleswig-holsteinischen Oberflächengewässern
bestätigen diese Beobachtungen (LLUR 2010).
Auf den Skalen des TEZG und des EZG stellen die hydrologischen
Größen Niederschlag und Abfluss einen wesentlichen Faktor in
Bezug auf den Herbizidaustrag dar. Durch die unterschiedlichen
Untersuchungszeiträume und die damit verbundenen verschiedenen
hydrologischen Bedingungen lassen sich auf diesen Skalen
die Effekte der physiko-chemischen Eigenschaften auf das
Austragsverhalten der Herbizide nicht eindeutig erkennen.
4.1.5 Einfluss der Applikationsmenge
Die Herbizide wurden nach „guter fachlicher Praxis“ und den
Vorgaben der Hersteller appliziert. Daher ergaben sich auf der
Feldskala mittlere Applikationsmengen von 750 g Metazachlor/
ha, 330 g TBA/ha und 240 g Flufenacet/ha. Für zahlreiche Pflanzenschutzmittel
ist eine enge Korrelation zwischen Applikationsmenge
und Konzentration im Oberflächengewässer bekannt
(KREUGER 1998, KREUGER & TÖRNQVIST 1998). Auf der Feldskala
lassen sich diese Ergebnisse bestätigen, da Metazachlor am häufigsten
und in den höchsten Konzentrationen im Drainagewasser
bestimmt wurde, gefolgt von TBA und Flufenacet. Die Häufigkeit
der Befunde bzw. die Konzentration korreliert mit den Applikationsmengen.
Auf der TEZG- und der EZG-Skala ist diese Beziehung
nicht zu beobachten. Im TEZG Moorau wurden nach Extrapolation
der Applikationsdaten der Landwirte 12 kg TBA und 40 kg
Flufenacet appliziert. Trotzdem fanden sich häufiger TBA- als
Flufenacetbefunde in der Moorau. Auf der EZG-Skala ist diese Relation
ebenfalls nicht zu beobachten: Trotz der Applikationsmengen
von ca. 236 kg Flufenacet, 229 kg Metazachlor und 114 kg TBA
ergaben sich bei ähnlichem Konzentrationsbereich die häufigsten
Positivbefunde für TBA, gefolgt von Flufenacet und Metazachlor.
4.1.6 Muster der maximalen Konzentrationen und Frachten
Auf allen Raumskalen traten nach Applikation die maximalen
Herbizidkonzentrationen mit den ersten Niederschlagsereignissen
auf, die ein Abflussereignis induzierten. Im Gegensatz dazu
wurden die maximalen Frachten erst zu einem deutlich späteren
Zeitraum ermittelt. Im Laufe der Untersuchungszeiträume im
HW 56. 2012, H. 4
Herbst erhöhte sich der Abfluss aufgrund von zahlreichen und
ergiebigen Niederschlagsereignissen, während die Herbizidkonzentration
langsam abnahm. Dadurch ergaben sich in diesem
Zeitraum höhere Frachten als zu Beginn der Monitorings, als
die Konzentrationen zwar maximal, die Abflussvolumina jedoch
noch deutlich geringer als zu späteren Zeitpunkten waren. Die
maximalen Frachten auf der Feldskala wurden 50 Tage (Flufenacet)
und 77 Tage (Metazachlor) nach Applikation beobachtet.
Auf den größeren Skalen gab es einen Applikationszeitraum, da
die Landwirte an unterschiedlichen Terminen applizierten, daher
wird auf diesen Skalen der Zeitraum ab Monitoringbeginn angegeben.
Maximale Frachten wurden im TEZG Moorau nach 39
Tagen (Flufenacet) und 47 Tagen (TBA) ermittelt. Auf EZG-Skala
betrug die Zeitspanne zwischen Monitoringbeginn und maximaler
Herbizidfracht 40 Tage für Flufenacet und 47 Tage für TBA.
Bei Metazachlor wurden jeweils am 31. Tag und am 72. Tag des
Untersuchungszeitraumes die maximalen Frachten bestimmt.
4.2 Zuordnung des Austragspfades
Aufgrund des Untersuchungskonzeptes und -aufbaus war es
möglich, auf der Feldskala den Eintragspfad Drainage eindeutig
zu quantifizieren. Auf der TEZG- und EZG-Skala wurden dagegen
die Austräge über alle potentiellen Austragspfade als Mischsignal
erfasst. Eine Zuordnung der einzelnen Pfade war auf diesen
Skalen nicht möglich.
4.3 Austragsquantifizierung
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass sowohl Herbizidkonzentrationen
als auch -frachten durch zahlreiche Faktoren
wie Applikationsmenge, Niederschlagsdauer und -intensität,
bodenkundliche und hydrologische Charakteristika des Untersuchungsgebietes
beeinflusst werden. Dadurch erschwert sich
der Vergleich von verschiedenen Studien, und es ergeben sich
Daten, die in ihrer Höhe stark voneinander abweichen können.
4.3.1 Herbizidkonzentrationen
4.3.1.1 Feldskala
Vergleicht man die TBA-Konzentrationen von maximal 301 ng/l
mit anderen Studien, so liegen deren Konzentrationen in
Drainagewasser bei 45 µg/l (KREUGER 1998) und 1,4 µg/l
(TRAUB-EBERHARDT et al. 1995). Auch bei Metazachlor weisen
die maximalen Konzentrationen in der Drainage mit 576 ng/l
niedrigere Werte auf als bei KREUGER (1997) und KREUGER
(1998) mit Werten bis zu 200 µg/l. Für Flufenacetkonzentrationen
in Drainagewasser (170 ng/l) liegen Vergleichswerte von
600 ng/l im Bodenwasser vor (HÜWING 2008). Die niedrigeren
Konzentrationen für die Herbizide lassen sich möglicherweise
durch die in 1,20 m bzw. 1,50 m Tiefe liegenden Drainagerohre
erklären. Da der Grundwasserstand überwiegend während der
Untersuchungszeiträume oberhalb der Drainagerohre lag, kann
unkontaminiertes Grundwasser das in die Drainage versickernde
und Herbizide transportierende Wasser verdünnt haben, so dass
sich niedrigere Konzentrationen als in anderen Studien ergaben.
4.3.1.2 TEZG- und EZG-Skala
Im Gewässer wurden maximale TBA-Konzentrationen von 96 ng/l
(TEZG) und 250 ng/l (EZG) bestimmt, die in vergleichbarer Höhe
wie in anderen Studien von 45–1.200 ng/l liegen (HILDEBRANDT
et al. 2008, NEUMANN et al. 2002, PALMA et al. 2009). Die
Metazachlorkonzentrationen auf der EZG-Skala von 88 ng/l
weisen dagegen niedrigere Werte als die bei MÜLLER (2000) von
0,05 µg/l–6,12 µg/l und KREUGER (1998) von 5,1 µg/l auf. Dage-

HW 56. 2012, H.4
gen sind die Flufenacetkonzentrationen von 96 ng/l (TEZG) und
160 ng/l (EZG) vergleichbar mit denen im Mississippi/USA von 50
ng/l–120 ng/l (REBICH et al. 2004).
4.3.1.3 Herbizidfrachten
Die in Tabelle 5 ermittelten Herbizidfrachten entsprechen Anteilen
von < 0,01 % bis 0,30 % der Applikationsmenge. Flächenbezogen
ergeben sich Austräge zwischen 0,01 g/ha und 2,26 g/ha.
Die Ergebnisse der relativen Herbizidausträge liegen fast alle in
derselben Größenordnung (Mittelwert 0,03 %), lediglich die Austräge
für Metazachlor auf der Feldskala liegen um den Faktor 10
höher bei 0,13 %–0,30 % (Tab. 9). In der Literatur finden sich relative
Austräge auf der EZG-Skala für Metazachlor von 0,32–0,44 %
(KREUGER 1998), Ergebnisse für TBA und Flufenacet liegen in
dieser Form bislang nicht vor. MÜLLER (2000) ermittelte jedoch
Austräge von 0,05 g TBA/ha und 0,08–0,16 g Metazachlor/ha im
EZG der Zwester Olm. Diese Werte liegen in einer ähnlichen Größenordnung
wie die in dieser Studie ermittelten Austräge von
0,02–0,04 g TBA/ha und < 0,01–0,2 g Metazachlor/ha.
Aufgrund der vorliegenden Daten lassen sich weder Unterschiede
in Abhängigkeit von den Herbizideigenschaften noch von
den Größenskalen erkennen. Es wird jedoch darauf hingewiesen,
dass der auf die Applikationsmenge bezogene Frachtaustrag
eine Abschätzung darstellt. Die Bestimmung eines Drainageeinzugsgebietes
erweist sich im Tiefland als besonders schwierig,
da die schwankenden Grundwasserstände stets zu einer Veränderung
des Drainageeinzugsgebietes führen. Im TEZG und EZG
wurden die Applikationsdaten auf die 750 ha bzw. 5.000 ha extrapoliert,
somit unterliegen die Ergebnisse ebenfalls einer größeren
Unsicherheit.
Tabelle 9
Herbizidausträge in [g/ha] und relative Herbizidausträge in [%] der
Applikationsmenge
Herbicide losses in [g/ha] and relative herbicide losses in [%] of the
amount applied
Feld
Fracht min – –
Fracht max – –
5 Schlussfolgerung und Ausblick
Die 6–10-wöchigen Monitoringprogramme für die Herbizide TBA,
Metazachlor und Flufenacet in einem Einzugsgebiet der Norddeutschen
Tiefebene haben gezeigt, dass sich unterschiedliche
Ulrich et al.: Vergleichende Messungen zu Herbizidausträgen ... DOI: 10.5675/HyWa_2012,4_3 I Fachartikel
TBA Metazachlor Flufenacet
[%] [g/ha] [%] [g/ha] [%] [g/ha]
0,261 /
0,13²
0,301 /
0,15²
1,971 /
0,992 2,261 /
1,13²
0,013 /
0,014 0,053 /
0,034 0,033 /
0,024 0,123 /
0,074 TEZG
Frachtmin 0,01 0,03 – – 0,01 0,02
Frachtmax EZG
0,04 0,09 – – 0,07 0,24
Frachtmin 0,01 0,02 < 0,01 0,01 0,01 0,05
Frachtmax 0,02 0,04 0,04 0,20 0,07 0,35
1 bei EZGDrainage = 1000m²; ² bei EZGDrainage =2000 m², 3 bei EZGDrainage =3000 m²,
4 bei EZGDrainage =5000 m²
Austragsmuster auf verschiedenen Größenskalen beobachten
lassen. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn Prozesse von
einer Größenskala auf eine andere Skala übertragen werden. Die
Resultate machen jedoch deutlich, dass dies nur eingeschränkt
möglich ist. Auf der Feldskala wurde der Einfluss der Herbizideigenschaften
und der Applikationsmenge auf den Herbizidaustrag
beobachtet. Ferner ließen sich Transporte über präferentielle
Fließwege erkennen. Auf der TEZG- und EZG-Skala hingegen
ergaben sich Verdünnungseffekte der Herbizidkonzentrationen.
Auf allen drei Skalen konnte der Austrag in Abhängigkeit des Abflusses
sowie das Austragsmuster der maximalen Konzentrationen
und Frachten beobachtet werden. Die ausgetragenen Frachten
liegen zwischen < 0,01 % und 0,3 % der applizierten Mengen.
Aufgrund der hohen Variabilität der bodenkundlichen und hydrologischen
Eigenschaften von Untersuchungsflächen/-gebieten
treten unterschiedliche Austragsprozesse in Bezug auf Herbizide
auf. Es empfiehlt sich daher, mehrere Varianten einzelner Skalen
zu untersuchen, um deren Variabilität abzuschätzen. Ferner ist
es unbedingt erforderlich, die Übertragbarkeit von Prozessen zu
überprüfen, bevor ein sogenanntes scaling, die Übertragung von
Prozessen von einer Größenskala auf eine andere, durchgeführt
wird.
Summary
Monitoring of the herbicides TBA, metazachlor and flufenacet in
a lowland catchment in northern Germany over a six to ten week
period revealed that the discharge patterns on various scales
were different. This is of particular importance when attempting
to re-scale processes from one scale to another. The results show
that cross-scale transfer of the process understanding is not possible.
On the field scale, herbicide concentrations are affected
by herbicide properties, the amount applied, and the transport
from the upper soil to the artificial drainage via preferential flow
paths. On the subcatchment and catchment scales, dilution and
dissipation effects occurred due to degradation and increasing
flow with the growing upstream area. Herbicide relocation was
associated with flow peaks, and similar patterns of maximum
concentrations and maximum loads were determined on all
scales. The herbicide losses account for < 0.01 % to 0.3 % of the
amount applied.
Anschriften der Verfasser:
Dr. U. Ulrich
C. Hugenschmidt
Prof. Dr. N. Fohrer
Institut für Natur- und Ressourcenschutz
Abteilung Hydrologie und Wasserwirtschaft
Christian-Albrechts- Universität zu Kiel
Olshausenstr. 75, 24118 Kiel
uulrich@hydrology.uni-kiel.de
Dr. F. Schulz
Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume
Hamburger Chaussee 25, 24220 Flintbek
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