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Diffuse Nährstoffeinträge und die damit verbundene Eutrophierung stellen ein ernsthaftes und bis heute kaum gelöstes Wasserqualitätsproblem in Fließgewässern dar. Sie sind ein wichtiger Grund dafür, dass der gute ökologische Zustand laut EU-Wasserrahmenrichtlinie nur in weniger als 10 % der Flüsse in Deutschland erreicht wird. Da Grundwasser die bedeutendste diffuse Eintragsquelle ist, muss dessen Beitrag quantifizierbar und zeitlich qualifizierbar sein. In einem überregionalen Fließsystem wie der Elbe, stellen jedoch insbesondere die Bilanzierung und zeitliche Einordnung der diffusen Grundwassereinträge die größte Herausforderung dar. So variieren entlang des Flusses sowohl hydraulische Gradienten, als auch der geologische Untergrund, woraus ein heterogenes Grundwasserfließsystem mit stark variablen Verweilzeiten resultieren kann. Obgleich die Komplexität dieses Systems nur unvollständig bekannt ist, muss es für ein spezifisches Flussgebietsmanagement als Hauptnährstoffquelle quantifiziert und dessen Auswirkungen auf ökologische Prozesse qualifiziert werden.
Eine der bedeutsamsten ökologischen Auswirkungen von erhöhten Nährstoffkonzentrationen ist die Eutrophierung, d.h. die gesteigerte Primärproduktion sowohl planktischer, wie auch benthischer Algenbiomasse. Die Folgen sind vielfältig und beinhalten instabile Sauerstoffverhältnisse des Gewässers, ein erhöhtes Risiko des Auftretens von toxischen Algen, sowie letztendlich eine Abnahme der Biodiversität. Im Rahmen des Promotionsvorhabens sollen am Beispiel der eutrophen Elbe Grundwassereinträge in ihrer räumlichen und zeitlichen Dynamik quantifiziert werden und die benthische und planktische Eutrophierung systematisch untersucht werden.
Speziell sollen die grundwasserbürtigen Nährstoffeinträge in die Elbe, im Längsverlauf zwischen Schöna und Wittenberge anhand sich ergänzender Methoden aus Hydrochemie und Hydraulik, räumlich lokalisiert und bilanziert werden. Weiterhin werden auch mögliche kurz-, mittel- bis langfristige Fluktuationen hinsichtlich der Eintragsmengen und -pfaden bestimmt. Diese können im Kontext mit kurzfristigen Extremereignissen, saisonalen Neubildungszyklen oder langfristigen Landnutzungsänderungen stehen. Die ökologischen Auswirkungen der grundwasserbürtigen Einträge auf die Eutrophierung der Elbe werden anhand hydrochemischer (insb. Nährstoffe), sowie lokaler (Biofilme) und regionaler (Phytoplankton) ökologischer Parameter bestimmt, welche bei der Eutrophierung eine Schlüsselrolle spielen. Die Biofilme werden dabei in den selektierten Flusssegmenten in unterschiedlichen hydrogeologischen Einheiten entlang von Gradienten des Nährstoffeintrags durch das Grundwasser erfasst. Effekte der eingetragenen Nährstoffe auf das Plankton werden anhand von fließwasserkonformen Daten von Algen und Nährstoffen durch einen stöchiometrischen Ansatz abgeschätzt. Die raum-zeitlichen Veränderungen der Gewässergüte der Elbe und damit verbundenen die Fluktuationen der Nährstoffkonzentrationen, werden für vergangene und prognostische Szenarien, basierend auf den bestimmten Verweilzeiten und den Einflüssen der Grundwasserzuströme auf die lokale und regionale Algendichte modelliert. Eine Abschätzung der Folgeerscheinung Eutrophierung wird somit ermöglicht.
Es werden die folgenden Hypothesen getestet: i) zwischen oberer- und unterer Elbe treten, bedingt durch den heterogenen geologischen Untergrund, massive Schwankungen von Grundwasserzutritten und deren Verweilzeiten auf, ii) Durch Verweilzeitenanalysen der Grundwässer können die derzeitigen N- und P-Konzentrationen bestimmten Perioden agrarischer Düngeapplikation zugeordnet werden, iii) In repräsentativen Flussabschnitten sind deutliche Effekte des Grundwassers auf die lokale Algenbiomasse (autotrophe Biofilme) erkennbar. Dies äußert sich durch eine im Vergleich zu GW-unbeeinflussten Lokationen erhöhte Algenbiomasse im direkten Abstrombereich der Zutritte und abnehmender Biomasse mit größerer Distanz zu den Lokationen, iv) Der Eintrag der grundwasserbürtigen Nährstoffe (insb. N und P) zur planktischen Eutrophierung ist in den unteren Bereichen der Elbe und insbesondere zur Hauptwachstumsperiode des Phytoplanktons bedeutend. Im oberen Elbebereich sowie außerhalb der Vegetationsperiode hat der Eintrag über das Grundwasser aufgrund des Nährstoffüberschusses keine Effekte auf das Plankton.
Insgesamt stellt diese Arbeit die erstmalige Quantifizierung der kompletten Wirkungskette des Nährstoffeintrages aus dem Grundwasser in Oberflächengewässer, als auch Export in das Ästuar, mit dem Fokus der Eutrophierungsproblematik dar. Dies ist ein wichtiger Schwerpunkt für ein angepasstes Flussmanagement und die Erstellung von Prognosen, die es erlauben zielgerichtet und mittelfristig Maßnahmen zu ergreifen, um einen guten ökologischen Zustand zu erreichen.
Zill, J., Siebert, C., Rödiger, T., Schmidt, A., Gilfedder, B. S., Frei, S., … & Mallast, U. (2023). A way to determine groundwater contributions to large river systems: The Elbe River during drought conditions. Journal of Hydrology: Regional Studies, 50, 101595. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214581823002823
Zill, J., Perujo, N., Fink, P., Mallast, U., Siebert, C., & Weitere, M. (2024). Contribution of groundwater-borne nutrients to eutrophication potential and the share of benthic algae in a large lowland river. Science of The Total Environment, 951, 175617 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969724057735
Zill, J., Suckow, A., Mallast, U., Sültenfuß, J., & Siebert, C. (2025). Will groundwater-borne nutrients affect river eutrophication in the future? A multi-tracer study provides evidence. EGUsphere, 2025, 1-23. Under review
https://egusphere.copernicus.org/preprints/2025/egusphere-2025-642/