Projekt 10858/01

Entwicklung eines vereinfachten Verfahrens zur Abschätzung der Umweltwirkungen von Chemikalien im Boden durch Validierung des Lysimetersystems

Projektträger

Forschungszentrum Jülich GmbH Institut für Radioagronomie
Leo-Brandt-Str.
52428 Jülich
Telefon: 02461/61-5656

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Umweltverhalten von Pflanzenschutzmitteln wird mit Hilfe von praxisnahen Lysimeterversuchen mit 14C-markierten Wirkstoffen untersucht. Dabei ist das Langzeitverhalten im Agrarökosystem von besonderer Bedeutung. Die Übertragung der im Lysimeterversuch ermittelten Ergebnisse auf die reale Feldsituation stellt dann einen wesentlichen Beitrag zum Umwelt- und Bodenschutz dar. Zur Beantwortung dieser komplexen Fragestellung wurde das FELS-Projekt (Feld-LysimEter-Labor-Simulation) mit dem Ziel der Skalierung vom Lysimetermaßstab zur realen Feldsituation und der Prozessbeschreibung durchgeführt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Aufbauten und Versuche des Projektes wurden parallel in der Lysimeterstation des Institutes für Chemie und Dynamik der Geosphäre 5: Radioagronomie (Forschungszentrum Jülich) und auf dem Feldstandort Merzenhausen mit einer Parabraunerde als Beispiel eines strukturierten Bodens durchgeführt. Das Versuchsdesign bestand aus einem Feldversuch (1 ha Fläche), einem Kleinparzellenversuch (0,5 m2) in 3facher Wiederholung und 2 Lysimeterversuchen an den beiden Standorten mit jeweils 6 Lysimetern (1,0 m2). Die Sickerwassergewinnung und die Bodenprobenahme im Feld erfolgten nach geostatistischen Vorgaben. Während des gesamten Versuchsverlaufs wurden an beiden Standorten Klima-daten zur Verwendung in Simulationsmodellen erfasst.
Nach der Applikation der Testsubstanzen [14C]Ethidimuron (ETD) und Methabenzthiazuron (MBT) sowie der Wassertracer 2,6-Difluorbenzoesäure (DFB) und Bromid erfolgte die Sickerwassergewinnung im Feld- und im Kleinparzellenversuch mit Hilfe von keramischen Saugplatten und in den Lysimetern durch frei drainierenden Wasserfluss mit 1,1 m Profiltiefe. Das Probenahmeintervall lag zwischen 2 und 3 Wochen. Die Feldbeprobung erfolgte an 10 Terminen mit unterschiedlichen Zeitabständen durch Bodenentnahme. Das Beprobungsraster im Feld umfasste 33 Punkte. Die Wasser- und Bodenproben wurden auf ihre Wirkstoff- und Tracergehalte hin analysiert. Nach dem Versuchsende wurde der Boden der Kleinparzellen zur Bestimmung der Wiederfindungsrate in einem Raster von jeweils 64 Punkten beprobt.


Ergebnisse und Diskussion

Die mittlere Sickerwasserspende war bei allen 3 Kleinparzellen nahezu gleich. Die Gesamtvolumina lagen zwischen 293 mm und 314 mm. Dagegen traten bei den Summenspenden der Einzelplatten im ersten Saugboden hohe kleinräumige Variabilitäten auf. Die beiden anderen Saugböden zeigten nur geringe kleinräumige Variabilitäten. Bei allen Kleinparzellen waren jedoch deutlich die Einflüsse einzelner Niederschlagsereignisse bzw. der Jahreszeiten zu erkennen.
Der Austrag durch das Sickerwasser verlief analog zur Sickerwasserspende in allen 3 Kleinparzellen gleichmäßig, obwohl auch hier die Varianzen zwischen den Einzelplatten (25 x 25 cm) sehr hoch waren. Erst zum Ende des Versuches lieferten die Saugböden der Parzellen schwankende Tracermengen. Auffallend war, dass sich Bereiche mit erhöhten DFB-Austrägen bildeten, die auf bevorzugte Fliesswege im Boden schließen lassen. Insgesamt wurden zwischen 26 % und 35 % der applizierten DFB-Menge im Sickerwasser bzw. 5 % im Boden wiedergefunden. Die verbleibende Differenz ist vermutlich abgebaut worden, da aufgrund der stofflichen Eigenschaften eine irreversible Bindung im Boden unwahrscheinlich ist.
Bereits kurz nach der Applikation konnten im Sickerwasser erhöhte Bromidgehalte nachgewiesen werden. Die Variabilität der Bromidkonzentrationen verhielt sich analog zu den Ergebnissen des DFB-Versuches. Der Austrag erfolgte in allen drei Saugböden im ersten Versuchsjahr linear. Im zweiten Jahr nahm er im dritten Saugboden stark zu, während der Austrag von Bromid im ersten Saugboden nahezu stagnierte. Bis zum Versuchsende wurden im Sickerwasser der Saugböden 16 % bis 41 % der applizierten Bromidmengen wiedergefunden, während der Anteil in den Bodenproben bei 47 % lag. Hieraus ergab sich eine Gesamtwiederfindungsrate von 64 % der applizierten Menge.
Schnelle Radioaktivitätsausträge deuteten auf präferentielle Flüsse im Boden hin, die über einen längeren Zeitraum beobachtet wurden. Damit erfolgte eine schnelle Tiefenverlagerung des Wirkstoffes ETD. Hierbei muss jedoch beachtet werden, dass der Gesamtaustrag mit 0,2 % bis 1,1 % der applizierten Radioaktivitätsmenge sehr gering war.
Sowohl die Tracer als auch die Wirkstoffe wurden in ihrem Durchbruch komplett von dem Saugplattenverbund erfasst. Es traten zwar Sickerwasserdurchbrüche in den Verbindungsbereichen der Platten auf, jedoch wurden keine Abläufe am Randbereich der Saugbodenkästen beobachtet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Erste Zwischenergebnisse und die angewandten Methoden wurden bisher auf Seminaren und Kongressen vorgestellt (DBG, Konstanz 1997; IUPAC-Congress, London 1998). Hinzu kamen Poster und Vorträge in internen Seminaren und beim Kooperationspartner BAYER AG.


Fazit

Die Versuchsziele bzw. Fragestellungen im Rahmen des Kleinparzellen- und Feldversuches sind weitestgehend umgesetzt worden. Es hat sich gezeigt, dass durch den Einbau der Versuchsanlagen bzw. der Saugplatten keine Störungen des Bodens aufgetreten sind und eine kontinuierliche Erfassung des Boden- und Sickerwassers mit Hilfe der keramischen Platten möglich ist. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen einen deutlichen Verlauf der Niederschlags- und Sickerwasserperioden sowie des Transportverhalten der eingesetzten Wassertracer und der Wirkstoffe. Die Stoffbilanzen und das Durchbruchsverhalten ist mit denen der Lysimeterversuche weitgehend vergleichbar, wodurch eine Übertragbarkeit bzw. eine Bestätigung der Lysimeterversuche möglich ist. Einschränkend muss jedoch festgestellt werden, dass das spezielle Design des Kleinparzellenversuches Spitzen großer Sickerwassermengen nicht aufzufangen vermag und diese Sickerwasserspenden oberhalb des keramischen Plattenverbandes gestaut werden oder seitlich abfließen.
Der Feldversuch zeigte eine deutliche zeit- und niederschlagsabhängige Verlagerung der Stoffe im Boden. Auffallend war eine hohe kleinräumige Variabilität bei einer gleichzeitigen großräumigen Homogenität des Bodens.