Vom Feld in die Wurzelzone: In der Landwirtschaft wird der für Nutzpflanzen notwendige Stickstoff als Dünger oft in so großen Mengen ausgebracht, dass die Pflanzen den Stickstoff nicht vollständig aufnehmen können. Als Folge werden die überschüssigen Nährstoffe mit dem Sickerwasser vom Feld ausgewaschen und gelangen als Nitrat in die Wurzelzone. Wird es dort nicht von Bakterien wieder zu Stickstoff denitrifiziert, dringt das Nitrat schließlich ins Grundwasser und in die Oberflächengewässer. Diese Nitratauswaschung wird in Europa vielerorts gerade im Winter zum Problem, da die Pflanzen dann nicht wachsen und daher weniger Stickstoff aufnehmen.
Wovon hängt die Nitratauswaschung ab?
Wie viel von dem über die Düngung ausgebrachten Stickstoff als Nitrat in Grundwasser und Oberflächengewässer gelangt, hängt unter anderem von komplexen Vorgängen im Boden ab. Welche davon über den Weg des Stickstoffs entscheiden, haben nun Forscher um Rohini Kumar vom Helmholtz- Zentrum für Umweltforschung genauer analysiert. Sie untersuchten dafür vor allem die Prozesse in der Wurzelzone, die von der Oberfläche des Bodens bis in ein Meter Tiefe reicht. „Die Wurzelzone ist der dynamischste und aktivste Teil des Untergrunds, in dem Niederschläge, Trockenphasen und Verdunstung wirken“, erklärt Kumar. Sie agiere sowohl als hydroklimatischer als auch als biogeochemischer Filter zwischen der Erdoberfläche und den tieferen Bodenschichten.
Wie stark die Auswaschung von Nitrat aus dieser Zone ist, wurde bislang nur statisch beschrieben: Zwar wurden Informationen zur Landnutzung, zu den Böden und zur Topographie der Landschaft mit mittleren Niederschlägen und Grundwasserständen kombiniert. Deren zeitliche Variabilität blieb jedoch unberücksichtigt. „Niederschlagsmengen und Temperaturen ändern sich aber täglich, beeinflussen die Verdunstung, das Bodenwasser und damit letztendlich die Aufenthaltszeit und den Wassertransport in tiefere Schichten”, erklärt Kumar. “Deshalb sind Mittelwerte, wie sie für die Beschreibung des statischen Zustands genutzt werden, aus heutiger Sicht weniger zielführend.”
Für ihre Studie wählten die Wissenschaftler daher einen anderen Ansatz: Sie nutzten ein speziell entwickeltes Modell, um die Abflussdynamik der Wurzelzone zu simulieren. Dabei kombinierten sie Beobachtungsdaten zum Wetter und den Umweltbedingungen mit Berechnungen der täglichen Änderung von Wasseraufenthalt und Nitrat in der Wurzelzone sowie der Denitrifikation. Dadurch konnten sie tagesgenau ermitteln, wie lange das im Wasser gelöste Nitrat in verschiedenen Regionen Europas in der Wurzelzone bleibt, ehe es in die Tiefe wandert – und auch, wie sich diese Auswaschung in den letzten 65 Jahren verändert hat.
