Förderinitiative Pestizide: Pestizide in Schutzgebieten: Vorkommen, Bewertung, Maßnahmen

Aktenzeichen 35919/01
Abschlussbericht:
Projektträger: Universität Koblenz-Landau, Campus Landau iES, Institut für Umweltwissenschaften
Fortstr. 7
76829 Landau
weitere Projekte aus der Umgebung
Telefon: +49 6341 280 31327
Internet: https://www.uni-landau.de/umwelt
Bundesland: Rheinland-Pfalz
Beschreibung:
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im vorliegenden Projekt wurde das Thema Pestizidbelastungen in Natur- und Wasserschutzgebieten in Deutschland näher untersucht, welches, trotz vermutlich hoher Relevanz, in dieser Weise bisher nicht be-trachtet worden ist. Auf der Basis detaillierter und in dieser Form erstmalig ausgewerteter Daten zu wirkstoff- und kulturspezifischen Pestizidanwendungen einerseits und behördlichen und wissenschaftlichen Messergebnissen von Pestiziden in den verschiedenen Umweltkompartimenten (mit Fokus auf Gewässer) aus Gebieten mit unterschiedlichen Schutzstatus andererseits wurde die mögliche Belastung betrachtet. Das Biosphärenreservat Pfälzerwald diente als Praxisbeispiel, an dem Pestizideinträge untersucht wurden. Mit dem Projekt sollen erste Grundlagen für die Beschreibung und das Verständnis der Belastung von Gewässern in Schutzgebieten erarbeitet werden, die als Grundlage für Risikominimierungsmaßnahmen dienen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDrei primäre Arbeitsblöcke (AB1-3) beschreiben das Vorhaben des vorliegenden Projekts AZ -35919.
· Auswertungen der Pestizidbelastungsdaten von Oberflächengewässern in Schutzgebieten mittels Monito-ringdaten am Beispiel von Sachsen (AB1)
· Auswertung von Verordnungstexten zu Schutzgebieten (AB2)
· Pestizidmessungen - Fallbeispiel Biosphärenreservat Pfälzerwald (AB3)
Arbeitsblock 1: Analyse Pestizidbelastungsdaten
Monitoringdaten zur Pestizidbelastung von aquatischen Kompartimenten (Wasser, Sediment, Biota) aus Sachsen wurden exemplarisch aufgearbeitet und somit eine Art Blaupause für ein Auswerteschema von Daten aus anderen Bundesländern in späteren Projekten ermöglicht. Die Monitoringdaten wurden umfas-send aufbereitet, verknüpft, harmonisiert, fehlerbereinigt und validiert. Hydrogeographische Daten (z.B. Einzugsgebiete, Landnutzung) vom entsprechenden Landesamt in Sachsen (LfULG) wurden aufbereitet und mit den Pestizidmonitoringdatensätzen räumlich verschnitten. Dazu wurden für alle räumlich expliziten Messstationen das Einzugsgebiet des Gewässeroberlaufs bestimmt, um mögliche Schadstoffquellen und den Einfluss verschiedener Landnutzungscharakteristika abzuleiten. Für die Analyse des räumlichen Ein-flusses der Landnutzung (im Einzugsgebiet einer Probestelle im Schutzgebiet) auf das ökotoxikologische Risiko wurden Landnutzungsinformationen über den CORINE Landnutzungs-Layer verschnitten, welcher 42 Kategorien der Landnutzung beschreibt. Um den Einfluss von Landnutzungscharakteristika auf die Belas-tung von Oberflächengewässern durch Pflanzenschutzmittel abzuleiten, wurden multivariate Analysen in Form von principal component analysis (PCA) durchgeführt. PCAs wurden ebenfalls dafür genutzt den Ein-fluss unterschiedlicher Landnutzungsform auf das in Gewässern beobachtete ökotoxikologische Risiko abzuleiten. Akute und chronische regulatorische Kennwerte (Regulatorisch akzeptable Konzentrationen, RAK) für drei aquatische Organismengruppen (aquatische Invertebraten, Fische, aquatische Pflanzen) wurden entsprechend geltender Richtlinien der Umweltrisikobewertung im Zuge des Zulassungsverfahrens von Pflanzenschutzmitteln (EC-1107/2009) in der EU abgeleitet (siehe EFSA 2013). Insgesamt wurden 269 Effektendpunkte (n = 114 Herbizide, n = 101 Fungizide, n = 52 Insektizide, n = 2 Molluskizide) recherchiert und im Projekt angewendet.

Drei primäre Arbeitsblöcke (AB1-3) beschreiben das Vorhaben des vorliegenden Projekts AZ -35919.
· Auswertungen der Pestizidbelastungsdaten von Oberflächengewässern in Schutzgebieten mittels Monitoringdaten am Beispiel von Sachsen (AB1)
· Auswertung von Verordnungstexten zu Schutzgebieten (AB2)
· Pestizidmessungen - Fallbeispiel Biosphärenreservat Pfälzerwald (AB3)
Arbeitsblock 1: Analyse Pestizidbelastungsdaten
Monitoringdaten zur Pestizidbelastung von aquatischen Kompartimenten (Wasser, Sediment, Biota) aus Sachsen wurden exemplarisch aufgearbeitet und somit eine Art Blaupause für ein Auswerteschema von Daten aus anderen Bundesländern in späteren Projekten ermöglicht. Die Monitoringdaten wurden umfassend aufbereitet, verknüpft, harmonisiert, fehlerbereinigt und validiert. Hydrogeographische Daten (z.B. Einzugsgebiete, Landnutzung) vom entsprechenden Landesamt in Sachsen (LfULG) wurden aufbereitet und mit den Pestizidmonitoringdatensätzen räumlich verschnitten. Dazu wurden für alle räumlich expliziten Messstationen das Einzugsgebiet des Gewässeroberlaufs bestimmt, um mögliche Schadstoffquellen und den Einfluss verschiedener Landnutzungscharakteristika abzuleiten. Für die Analyse des räumlichen Einflusses der Landnutzung (im Einzugsgebiet einer Probestelle im Schutzgebiet) auf das ökotoxikologische Risiko wurden Landnutzungsinformationen über den CORINE Landnutzungs-Layer verschnitten, welcher 42 Kategorien der Landnutzung beschreibt. Um den Einfluss von Landnutzungscharakteristika auf die Belastung von Oberflächengewässern durch Pflanzenschutzmittel abzuleiten, wurden multivariate Analysen in Form von principal component analysis (PCA) durchgeführt. PCAs wurden ebenfalls dafür genutzt den Einfluss unterschiedlicher Landnutzungsform auf das in Gewässern beobachtete ökotoxikologische Risiko abzuleiten. Akute und chronische regulatorische Kennwerte (Regulatorisch akzeptable Konzentrationen, RAK) für drei aquatische Organismengruppen (aquatische Invertebraten, Fische, aquatische Pflanzen) wurden entsprechend geltender Richtlinien der Umweltrisikobewertung im Zuge des Zulassungsverfahrens von Pflanzenschutzmitteln (EC-1107/2009) in der EU abgeleitet (siehe EFSA 2013). Insgesamt wurden 269 Effektendpunkte (n = 114 Herbizide, n = 101 Fungizide, n = 52 Insektizide, n = 2 Molluskizide) recherchiert und im Projekt angewendet.

Arbeitsblock 2: Auswertung von Verordnungstexten zu Schutzgebieten
Schutzgebietsverordnungstexte wurden für sächsische Schutzgebiete recherchiert bzw. erworben, um detaillierte Informationen zur genehmigten Anwendung von Pestiziden in den jeweiligen Schutzgebieten zu generieren. Im Verlauf unserer Untersuchung der Schutzgebietsverordnungen wurde der Fokus auf Naturschutzgebiete gelegt, welche ja auch in der oben dargestellten Analyse von Pestizidbelastungsdaten betrachtet wurden. Der geringe Umfang des Textkorpus (lediglich 82 Texte konnten gemäß der hier beschriebenen Methodik gesammelt werden), ließ im Rahmen dieses Projekts die Auswertung mittels Machine-Learning nicht zu, da hierfür wesentlich größere Grundgesamtheiten benötigt werden. Somit konnte auch kein Modell generiert werden, welches anschließend auf die Schutzgebietsverordnungen anderer Bundesländer angewendet werden konnte. Wie sich im Projektverlauf ergab und weiter unten dargestellt ist, ist der Einsatz von Pestiziden in der Landwirtschaft in NSG ohnehin sehr gering und insofern erscheint die ursprünglich mit dem Machine-Learning-Ansatz angestrebte Fragestellung auch aus diesem Blickwinkel im Gegensatz zur Situation bei Antragstellung heute nicht mehr sinnvoll. Um dennoch Aussagen über die verfügbaren Verordnungstexte für Sachsen treffen zu können, wurde eine Ähnlichkeitsanalyse durchgeführt. Hierzu wurde das Vorkommen der 1000 häufigsten Tokens in den Texten binär („One-Hot“-Kodierung) und basierend auf ihrer relativen Relevanz innerhalb eines Textes bezogen auf den Textkorpus der 82 Verordnungen (TF-iDF-Kodierung) bestimmt. Mithilfe einer Clusteranalyse wurden die 82 Verordnungstexte anhand ihrer Distanzmatrizen schließlich in vier Cluster eingeteilt.

Arbeitsblock 3: Pestizidmessungen - Fallbeispiel Biosphärenreservat Pfälzerwald
Die Gewässerbelastung kleiner Fließgewässer durch Pestizide wurde im UNESCO Biosphärenreservat Pfälzerwald mittels Freilanderhebungen (Wasserproben) erfasst. Dazu wurde im Gewässersystem der Queich sowie entlang des Hainbachs an insgesamt sieben Probestellen ein ereignisbezogenes Pestizidmonitoring während eines Starkregenereignisses durchgeführt. Die Probestellen liegen in den Gewässeroberläufen im Pfälzerwald in Gebieten ohne direkte Pestizidanwendung, sowie flussabwärts in Gebieten mit intensiver Pestizidanwendung im Wein- und Ackerbau. Die analytische Bestimmung der Pestizidkonzentrationen in den Wasserproben wurde mittels LC-MS/MS durchgeführt. Eine ökotoxikologische Risikobewertung der Pestizidbelastung der Gewässer erfolgte mittels regulatorisch akzeptabler Konzentrationen (RAKs; UBA RAK Liste) für Deutschland und anhand der Mischungstoxizität (RQmix) für Fische, Invertebraten und Primärproduzenten (Algen, aquatische Makrophyten).





Ergebnisse und Diskussion

Analyse Pestizidbelastungsdaten
Bei den Untersuchungen mit Daten aus Sachsen zeigte sich, dass die Belastung der Gewässer in NSG durch Pestizide geringer ist als die von Gewässern, die sich in Gebieten ohne gesonderten Schutzstatuts befanden (NNSGs). Sowohl die Nachweisrate (Anteil Proben mit Pestizidfunden an den Gesamtproben) von Pestiziden, als auch die nachgewiesenen Pestizidkonzentrationen waren in NSG geringer als in NNSG. Im Gegensatz dazu ergeben die Pestizidnachweise allerdings sehr ähnliche ökotoxikologische Risikoprofile in NSG und NNSG. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Betrachtung der ökotoxikologischen Risiken der eingesetzten Pestizide sehr sinnvoll erscheint. Eine mögliche Beeinträchtigung der Umwelt durch Pestizide findet also in ähnlichem Maße in NSG und NNSG statt, trotz der unterschiedlich intensiven Schutzbemü-hungen.
Multivariate Analysen der Landnutzungsparameter in den Gewässereinzugsgebieten ergaben, dass die landwirtschaftliche Nutzung die primäre Eintragsquelle für Pestizide in NSG darstellt und das ökotoxikolo-gische Risiko am stärksten bestimmt. Urbane und industrielle Eintragsquellen spielten hingegen nur eine untergeordnete Rolle. Weitere geostatistische Analysen zeigten auf, dass eine landwirtschaftliche Nutzung (z.B. Ackerbau, Obstbau) in NSGs, sowohl in Sachsen als auch im gesamten Bundesgebiet, nur in einem sehr geringen Maße stattfindet und die dort vorkommenden Nutzungen außerdem zu den weniger pestizid-intensiven Kulturen zählen (z.B. Grasland). Somit sind die Quellen für den Eintrag von Pestiziden in NSG vermutlich häufig nicht in den Schutzgebieten selbst verortet und Einträge über einfließende Gewässer oder atmosphärischen Transport spielen vermutlich eine wichtige Rolle. Dies steht in Einklang mit den zuvor durchgeführten multivariaten Raumanalysen.

Auswertung von Verordnungstexten zu Schutzgebieten
Die Machine-Learning gestützte Auswertung von Schutzgebietsverordnungstexten wurde anders als ur-sprünglich geplant durchgeführt. Einerseits wurden, was vorher nicht bekannt war, zeitgleich zum vorlie-genden Projekt umfassende Aufarbeitungen von Schutzgebietsverordnungen im Auftrag des UBA durchge-führt und somit das Thema bereits bearbeitet. Andererseits deutet die oben dargelegte geringe Prävalenz von direkten Pestzidanwendungen in Schutzgebieten darauf hin, dass eine umfangreiche Analyse von Ver-ordnungstexten mit Bezug zum Thema „Regelungen zum Pestizideinsatz“ nicht zielführend ist. Schließlich wies eine teilautomatisierte Textanalyse und anschließende Clusteranalyse eine hohe Ähnlichkeit in den 82 näher untersuchten Verordnungstexten zu Schutzgebieten nach, die eine schlechte Voraussetzung für ei-nen Machine-Learning Ansatz darstellt.
Erste eigene Freilandanalysen (Biosphärenreservat Pfälzerwald) unterstützten die Annahme eines Trans-portes von Pestiziden in Schutzgebiete, wobei sich hier andeutet, dass v.a. der atmosphärische Transport von Pestiziden als wesentlicher Eintragspfad fungieren könnte. Somit ergeben sich komplexe Expositions-dynamiken für Schutzgebiete, die ihren Ursprung häufig in angrenzenden bzw. sogar weiter entfernt liegen-den Räumen finden und dringend näher untersucht werden sollten.
Insgesamt konnte im vorliegenden Projekt bereits ein relevanter Einblick in die Pestizidbelastung von Oberflächengewässern in Schutzgebieten erarbeitet werden. Das Projekt lieferte zudem erste Abschätzun-gen zu den Quellen bzw. Dynamiken dieser Belastungen. Auf der Basis der bisherigen Informationen sind insbesondere die Verdriftung von Pestiziden in die Schutzgebiete, (atmosphärischer Transport), der fluviale Transport über Fließgewässer in die Schutzgebiete und das ökotoxikologische Risikoprofil der eingesetz-ten Pestizide las konkrete Punkte zu nennen, an denen eine Risikominderung ansetzen kann und muss. Die entwickelte Methodik stellt gleichsam einen Rahmen zur Verfügung, der zukünftig für weitere Auswertun-gen in anderen Bundesländern und mit Fokus auf andere Schutzgebietskategorien verwendbar ist.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die im Projekt 35919/01 erarbeiteten Ergebnisse werden in Form von mehreren Publikationen für wis-senschaftliche Fachmagazine aufbereitet, um die Ergebnisse und Schlussfolgerungen einer breiten Öf-fentlichkeit zugänglich zu machen. Es ist zudem vorgesehen Teile der Ergebnisse auf wissenschaftli-chen Fachtagungen zu präsentieren.


Fazit

Die im Rahmen des vorliegenden Projektes am Beispiel von Sachsen erarbeiteten Auswertungsroutinen können hervorragend dazu genutzt werden, das Thema Pestizidbelastung in Gewässern in Schutzge-bieten umfangreicher zu analysieren. Somit würde auch der Einfluss unterschiedlicher Verfügbarkeit von Daten, von Unterschieden in der Landnutzung oder dem Pestizideinsatz bzw. von Unterscheiden in den naturräumlichen Gegebenheiten möglich werden.
Die Ergebnisse der vorliegenden Studie legen nahe, dass Maßnahmen zur Reduktion des Vorkommens von Pestiziden in Gewässern in Schutzgebieten notwendig sind. Auch wenn sich die Prozesse, die zu diesen Belastungen führen, bisher noch nicht quantifizieren und miteinander vergleichen lassen, so können die folgenden Dinge genannt werden:
– Verdriftung von Pestiziden in die Schutzgebiete, atmosphärischer Transport
– Fluvialer Transport in Fließgewässern in die Schutzgebiete
– Risikoprofil eingesetzter Pestizide
Da in der direkten Umgebung von Schutzgebieten oftmals bereits eine landwirtschaftliche Nutzung stattfindet, die mit der allgemeinen Nutzungsintensität vergleichbar ist, könnten Pufferzonen ohne Pes-tizideinsatz um die Schutzgebiete sinnvoll sein. Solche Pufferzonen könnten z.B. durch ökologischen Landbau genutzt werden, für den selber sich eine weitestgehende räumliche Abtrennung von konventi-oneller Landwirtschaft sinnvoll darstellt, die so zumindest zum Teil erreicht werden könnte. Das Prob-lem der Einträge über atmosphärischen Transport lässt sich allerdings über derartige Maßnahmen vermutlich nur in sehr geringem Maße adressieren. Gleichwohl sollte dieser Eintragspfad noch deutlich besser quantifiziert und hinsichtlich konkreter Prozessvariablen im Landschaftsmaßstab identifiziert werden, um so ggf. gezielte Maßnahmen formulieren zu können.
Der fluviale Transport in Fließgewässern hängt neben den Einträgen in die Gewässer von der Kapazität der Selbstreinigung in Bezug auf Pestizide ab. Insofern sind konkrete Maßnahmen zur Reduktion der Einträge in die Gewässer z.B. über Runoff, Abdrift oder Drainage an erster Stelle zu nennen. Da sich Einträge in die Gewässer bei weitgehender Fortführung der landwirtschaftlichen Praxis kaum komplett vermieden lassen werden, kommt der Gewässerstruktur und damit der Kapazität aquatischer Lebens-räume zum Abbau von Pestiziden und Umweltchemikalien insgesamt eine ganz wesentliche Rolle zu. Im für das vorliegende Projekt verwendeten Untersuchungsgebiet wurde vor einigen Jahren in einem Abschnitt der Queich ein zweiter Gewässerarm als renaturierter Abschnitt mit Flachwasserbereichen und Wasserpflanzenpolstern geschaffen. Dieser verläuft auf ca. 700 m Länge parallel zum ebenfalls noch vorhandenen ursprünglichen, nicht renaturierten und weitestgehend strukturlosen Gewässerarm der Queich ohne Wasserpflanzen. Ein Vergleich der Pestizidbelastung und des möglichen Pesti-zidrückhalts in beiden Gewässerarmen könnte helfen, das Reduktionspotential naturnaher Gewäs-serstrukturen konkret zu quantifizieren und entsprechende Maßnahmen für die Praxis zu konzipieren.
Zur Quantifizierung des Risikoprofils wurden parallel zu den hier vorgestellten Ergebnisse Daten zum Einsatz von Pestiziden in Deutschland hinsichtlich ihrer möglichen Toxizität gegenüber verschiedenen Gruppen von Organismen (aquatische Wirbellose, Fische, aquatische Pflanzen, Bestäuber, Bodenor-ganismen, sonstige terrestrische Arthropoden, Vögel, Säugetiere, terrestrische Pflanzen) eingeordnet. Dieses Vorgehen folgt einem Ansatz zur sog. Total Applied Toxicity (TAT), der kürzlich anhand von Daten aus den USA entwickelt wurde. Diese Auswertungen können nach Vorliegen weiterer Anwen-dungsdaten von Pestiziden aus mehreren Bundesländern in Deutschland ebenfalls erfolgen und konkret für eine Ableitung von Maßnahmen zur Reduktion derjenigen Wirkstoffe verwendet werden, von denen das größte Risikopotential für bestimmte Organismengruppen ausgeht.


Förderzeitraum: 01.01.2021 - 31.03.2022 (1 Jahr und 3 Monate)
Fördersumme: 124.520,00
Förderbereich: 10
Stichworte: Wasserschutzgebiet, Biosphärenreservat, Naturschutzgebiet
Publikationen: