SFB 1253: Catchments as Reactors: Schadstoffumsatz auf der Landschaftsskala (CAMPOS)
Agrar-, Forstwissenschaften und Tiermedizin
Informatik, System- und Elektrotechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Forschungsschwerpunkt des SFB CAMPOS war es, die Schadstofftransport- und Abbauprozesse auf der Landschaftsskala und deren Dynamik zu quantifizieren und die den Schadstoffabbau dominierenden Landschaftselemente zu identifizieren. Dies erfolgte auf Basis detaillierter Feld- und Laboruntersuchungen und unter Nutzung neuester analytischer Methoden und Sensortechniken sowie auf Basis stochastischer Strömungs- und Transportmodellierungen. Die zugehörigen Feldarbeiten wurden im Einzugsgebiet der Ammer, einem Nebenfluss des Neckars bei Tübingen, durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die im Oberflächengewässer (P1: Rivers) unter Basisabflussbedingungen vorkommenden Konzentrationen organischer Schadstoffe durch den Eintrag aus den Kläranlagen dominiert werden. Die bei Starkniederschlägen vorkommenden Mischwasserentlastungen (Regenwasserüberläufe) tragen ein deutlich höheres Toxizitätspotential in sich, als es unter Basisabflussbedingen der Fall ist. Die in Regenüberläufen vorkommenden partikelgebundenen Schadstoffe können darüber hinaus im Flusssediment über lange Zeiträume gespeichert werden. In den Gewässern erster Ordnung (Sub- Catchments, P2) wird die Wasserqualität vornehmlich durch das Zusammenspiel von hydrologischen und reaktiven Prozessen gesteuert: Dynamische und bi-direktionale Wasser- und Stoffflüsse zwischen Grundwasser und Oberflächengewässern unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung (In-, bzw. Exfiltration) und die zugehörigen Stickstoffumsetzungsprozesse (Denitrifizierung, Nitrifizierung) im Gewässerbett und in der hyporheischen Zone bedingen eine entsprechende Variabilität der Nitratkonzentrationen im Oberflächengewässer und im Grundwasser und prägen dadurch die Wasserqualität. Die Hydrogeologie und Geochemie der Talauen (P3, P4) ist durch steile biogeochemische Gradienten charakterisiert. Dies begünstigt zum einen effektive biogeochemische Umsetzungs- und Abbauprozesse von redox-sensitiven Spezies wie Nitrat, kann sich aber ungünstig auf Schadstoffe auswirken, die vornehmlich unter oxischen Bedingungen abbaubar sind. Die Umsetzung von Stoffen innerhalb der Talauensedimente wird zudem deutlich durch die An- oder Abwesenheit hydrogeologischer Strukturen beeinflusst. Im vorliegenden Fall sind dies die flachen, Grundwasser-führenden Schichten in der Talaue, die hydraulisch aktiven Strukturen innerhalb der Hangsedimente sowie der unterlagernde alluviale Kieskörper. Dessen räumliche Ausbreitung wurde mittels eigens entwickelter geophysikalischer Methoden kartiert. An den Rändern der Talaue kommt es aufgrund deutlich unterschiedlicher Redoxverhältnisse in den Sedimenten (Hangschutt vs. kohlenstoffreiche Torf- und Kalksandlagen) zu redox-induzierten zyklischen Stoffumsetzungsprozessen. Der Eintrag von Elektronenakzeptoren und die Unterschiede im Gehalt an organischem Material führen hier zu steilen geochemischen Gradienten und steuern somit auch die Schadstoffabbauprozesse (Nitrat, Glyphosat). Mittels Felduntersuchungen und Modellierungen des geklüfteten Aquifers (P5) konnte gezeigt werden, dass Fe(II) und reduzierter Schwefel (Sulfid) als Elektronendonatoren zur Denitrifizierung im tieferen Grundwasser beitragen. Mittels molekularbiologischer Untersuchungen konnte ebenfalls gezeigt werden, dass alternative Elektronendonatoren (z.B. H2, CH4) oder weitere Umsetzungsprozesse innerhalb des Stickstoff-Kreislaufs (z.B. Anammox, dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium, Chemodenitrifikation) ebenfalls zum Nitratabbau beitragen können. Die Gesteine des Oberen Muschelkalks können Pestizide (Atrazin) speichern, was zur Retardation beim Stofftransport und langsamer Rückdiffusion von Atrazin führt. Der Verbleib von Nitrat und Pestiziden in landwirtschaftlich genutzten Böden (P6) hängt wesentlich von der heterogenen Verteilung der Stoffe, deren Sorptionseigenschaften und den Wechselwirkungen mit den physikalisch-chemischen Bodenparametern ab. Glyphosat hat sich als Modellverbindung bewährt, da es aufgrund seiner variablen physikalisch-chemischen Eigenschaften – je nach Speziierung – verschiedenen Abbau- und Festlegungsprozessen im Boden unterliegt. Im Rahmen der Modellierung des Stofftransports unter Berücksichtigung von Unsicherheiten (P7, P8) wurde ein stochastisches Modellkonzept entwickelt. Dieses koppelt 1-D Boden-Pflanzen Modelle (basierend auf bodenphysikalischen Parametern und verbesserten Pedotransferfunktionen) mit 3-D Modellen zum Stofftransport im Untergrund, wobei Ensembles plausibler Modellrealisationen berechnet werden. Innerhalb des Modellkonzeptes wurden Methoden entwickelt, die eine durch „Machine Learning“ unterstützte Vorauswahl von plausiblen Parameterkonstellationen, globale Sensitivitätsanalysen und Datenassimilationsmethoden ermöglichen. Die CAMPOS Einzelprojekte wurden durch Bayessche Modelauswahl und einer modelbasierten Optimierung des Designs (beispielsweise bei der Planung von Experimenten) unterstützt. Das im Rahmen des Datenmanagementprojekts (INF) aufgesetzte Datenmanagementsystem erlaubt die Beschreibung, Prozessierung und Speicherung aller in CAMPOS im Feld gewonnenen Daten. Die Datenbank kann darüber hinaus auch externe Daten (digitale Höhenmodelle, Landnutzung, geologische Karten, Bodenkarten, Satellitenaufnahmen, hydrologische Datenreihen, meteorologische Daten, etc.) sowie Daten verschiedenen Formats (Labor- und Modelldaten) integrieren. Alle Daten sowie die zugehörigen Metadaten werden zentral gespeichert. Daten werden über das Forschungsdatenbanksystem (FDAT) der Universität Tübingen veröffentlicht (inkl. zugehöriger „Persistent Identifier“: PID). Die zentralen Projekte (S1, S2) unterstützten CAMPOS bei den Labor-, Feld- und Modellierarbeiten, beim Datenaustausch sowie bei der internen und externen Kommunikation.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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