Endbericht zum Forschungsprojekt ß/Q US 08,31, Analyse von Agrar- und Umweltmaßnahmen im Bereich des landwirtschaftlichen Gewässerschutzes vor dem Hintergrund der EG-Wasserrahmenrichtlinie in der Flussgebietseinheit Weser" AGRUM-Weser Peter Kreins 1, Horst Behrendt 2, Horst Gömann 1, Claudia Heidecke 1, Ulrike Hirt 2, Ralf Kunkel 3, Kirsten Seidel 1, Björn Tetzlaf/und Frank Wendland 3 07. März 2009 Laufzeit: 01.10.2005 bis 30.09.2008 (Bewilligungszeitraum) Das diesem Bericht zugrunde liegende Modellvorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren 1 Johann Heinrich von Thünen-Institut (vti), Institut für Ländliche Räume, Braunschweig 2 Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) im Forschungsverbund Berlin e.v. 3 Forschungszentrum Jülich (FZJ), Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre - Agrosphäre (ICG-4), Jülich AGRUM FGG Weser Forschungszentrum Johann Heinrich von Thünen-Institut
Verzeichnis der Abbildungen Verzeichnis der Tabellen Verzeichnis der Karten Abkürzungsverzeichnis I VII X XIII XXII 1. Einleitung, Zielsetzung und Vorgehensweise 1 2. Charakterisierung des Einzugsgebiets der FGE Weser 5 2.1 Einordnung der Untersuchungsregion 5 2.2 Landwirtschaftliche Landnutzung und Tierhaltung ' 10 2.2.1 Struktur der Landnutzung im Untersuchungsgebiet 10 2.2.2 Struktur der Tierhaltung im Untersuchungsgebiet 14 2.3 Betriebsstruktur 16 3. Modellverbund, Methodik 18 3.1 Agrarökonomische Modellierung mit RAUMIS 18 3.1.1 Zielsetzung des Modellsystems 18 3.1.2 Nährstoffbilanzierung im RAUMIS-Modell 21 3.1.3 Weiterentwicklung der N-Bilanzierung für die Beschreibung des Ist-Zustands 30 3.1.4 Implementierung des Stickstoffvergleichs laut Düngeyerordnung 32 3.2 Modellierung der diffusen Stickstoffeinträge mit GROWA/WEKU 33 3.2.1 Simulation der austragsrelevanten Abflusskomponenten mit dem Wasserhaushaltsmodell GROWA 34 3.2.1.1 Hydrologische Grundbegriffe und Definitionen 34 3.2.1.2 Berechnung der Gesamtabflusshöhe 38 3.2.1.3 Berechnung der Höhe des Oberflächenabflusses 39 3.2.1.4 Berechnung der Sickerwasserhöhe 40 3.2.1.5 Berechnung der Grundwasserneubildung und des Zwischenabflusses 40 3.2.1.6 Datengrundlagen 42 3.2.1.7 Quantifizierung des Nitratabbaus im Boden (DENUZ- Modell), 43
II 3.2.1.8 Potenzielle Stickstoffausträge aus dem Boden- /Nitratkonzentrationen im Sickerwasser 45 3.2.2 Simulation des reaktiven Nitrattransports im Grundwasser (WEKU-Modell) 46 3.2.2.1 Analy se des Nitratabbauvermögens der Grundwasserleiter 48 3.2.2.2 Modellierung der Grundwasserverweilzeiten im oberen Aquifer 50 3.2.2.3 Modellierung des reaktiven Stickstofftransports im oberen Aquifer 53 3.2.2.4 Datengrundlagen 56 3.2.3 Quantifizierung der Nitrateinträge in die Oberflächengewässer 56 3.3 MONERIS 57 3.3.1 Modellierung der Hydrologie 60 3.3.1.1 Abflussbaum 61 3.3.1.2 Abflussgleichung 61 3.3.1.3 Abflusskalibrierung 61 3.3.1.4 Berechnung der Gewässeroberfläche 62 3.3.1.5 Quantifizierung von Nährstoffeihträgen 64 3.3.1.6 Nährstoffeinträge aus diffusen Quellen 64 3.3.1.6.1 Nährstoffeinträge durch Abschwemmung 65 3.3.1.6.2 " Nährstoffeinträge durch Erosion 66 \ 3.3.1.6.3. Nährstoffeinträge aus Dränagen 68 3.3.1.6.4 Nährstoffeinträge aus dem Grundwasser 70 3.3.1.6.5 Nährstoffeinträge von urbanen Systemen 72 3.3.2 Nährstofffrachten der Flüsse 75 3.3.3 Retention in den Flusssystemen 76 3.4 Zusammenspiel der Modelle im Modellverbund 76 4. Datenbasis 81 4.1 Agrarstatistik 81 4.1.1 Agrarstrukturerhebung 82 4.1.2 Bodennutzungshaupterhebung 83 4.1.3 Viehzählung 84 4.1.4 Ernte- und Betriebsberichterstattung (EBE) für Feldfrüchte und Grünland 84 4.1.5 Landwirtschaftliche Gesamtrechnung 85
III 4.1.6 Statistik zum Düngemittelhandel 85 4.1.7 KTBL-Daten 86 4.2 Oberflächenwasserkörper 86 4.3 Klimadaten 87 4.4 Atmosphärische Deposition 94 4.4.1 Stickstoff-Deposition 94 4.4.2 Phosphordeposition 95 4.5 Digitales Geländemodell 96 4.6 Landnutzungsdaten 97 4.6.1 Infoterra 97 4.6.2 ATKIS 99 4.7 Bodendaten im Einzugsgebiet der FGE Weser. 100 4.8 Erstellung einer Karte der künstlich gedränten Flächen 106 4.9 Hydrogeologische Daten 110 4.10 Urbane Gebiete 112 4.11 Monitoringdaten 117 4.12 Sensivitätsanalysen der Eingangsdaten 119 5. Wasserhaushalt und Eintragspfade 122 5.1 Ergebnisse der Wasserhaushaltsmodellierung mit GROWA 122 5.1.1 Berechnete Wasserhaushaltskomponenten 122 5.1.2 Validierung der Modellergebnisse zum Wasserhaushalt 128 5.2 MONERIS. 130 5.2.1 Wasserhaushalt 130 5.2.2 Erosion 133 6. Analyse des Ist-Zustandes der Nährstoffeinträge und -frachten in der FGE Weser 135 6.1 Entwicklung der Nährstoffbilanzüberschüsse in Deutschland 136 6.2 Nährstoffbilanz für das Jahr 2003 138 6.2.1 Mineraldünger 138 6.2.2 Organischer Dünger 140 6.2.3 Entzüge 145
IV 6.2.4 N- und P-Bilanzüberschüsse 146 6.3 Nährstoffeinträge in die Grundwasserkörper 148 6.3.1 Landwirtschaftliche Überschüsse und atmosphärische N- Deposition 148 6.3.2 Quantifizierung des Nitratabbaus im Boden 149 6.3.3 Stickstoffausträge ausdem Boden und Nitratkonzentrationen im Sickerwasser 152 6.3.4 Validierung der Modellergebnisse zur Nitratkonzentration im Sickerwasser 156 6.4 Nährstoffeinträge in die Oberflächengewässer über die vom FZJ unterschiedenen Eintragspfade 165 6.4.1 Nährstoffeinträge in die Oberflächengewässer über den Direktabfluss 166 6.4.2 Nährstoffeinträge ins Grundwasser 167 6.4.3 Nährstoffeinträge in die Oberflächengewässer über den Grundwasserabfluss 168 6.4.4 Gesamte diffuse Nährstoffeinträge in die Oberflächengewässer über den Direktabfluss und den Grundwasserabfluss 173 6.4.5 Validierung der vom FZ-Jülich modellierten diffusen Nitrateinträge in die Oberflächengewässer 174 6.5 Nährstoffeinträge in die Oberflächengewässer über die vom IGB unterschiedenen Eintragspfade 176 6.5.1 Pfade des N-und P-Eintrages gesamt und für die Teilräume 177 6.5.2 N-und P-Einträge und Frachten der Teilräume der FGE Weser 179 6.5.3 Pfadbezogene Auswertung der räumlichen Verteilung der N-und P-Nährstoffeinträge 181 6.5.3.1 Nährstoffeinträge über Punktquellen 181 6.5.3.2 Direkteintrag in die Oberflächengewässer über atmosphärische Deposition 183 6.5.3.3 Nährstoffeinträge in die Oberflächengewässer durch Ab schwemmung 183 6.5.3.4 Nährstoffeinträge über Erosion in die Oberflächengewässer 184 6.5.3.5 Nährstoffeinträge über Dränagen in die Oberflächengewässer 186 6.5.3.6 Nährstoffeinträge über Grundwasser/Interflow in die Oberflächengewässer 188 6.5.3.7 Nährstoffeinträge über urbane Gebiete 189
V 6.5.4 Gesamte diffuse Nährstoffeinträge in Oberflächengewässer über alle diffusen Pfade nach IGB 193 6.5.5 N-und P-Konzentrationen der Hauptläufe 193 6.5.6 Validierung der Ergebnisse von MONERIS 197 6.6 Zusammenfassung der Ergebnisse des IGB und des FZJ für den IST- Zustand der Stickstoffeinträge 198 7. Analyse der Auswirkungen von Maßnahmen zur Erreichung der Bewirtschaftungsziele nach EG-Wasserrahmenrichtlinie 200 7.1 Einordnung von Baseline-und Maßnahme-Effekten 200 7.2 Auswirkungen veränderter Rahmenbedingungen in der Landwirtschaft auf die Nährstoffüberschüsse im Baseline-Szenario bis 2015 202 7.2.1 Allgemeine Agrarpolitik 202 7.2.2 Agrarumweltmaßnahmen \ 203 7.2.3 Sonstige Einflussgrößen 207 7.2.4 Erwartbare Entwicklung der landwirtschaftlichen Landnutzung und Produktion 209 7.2.5 Auswirkungen der erwartbaren Anpassungen in der Landwirtschaft auf die Nährstoffüberschüsse 213 7.3 Auswirkungen des Baseline-Szenarios auf die Nitrateinträge ins Grundwasser und die Oberflächengewässer (FZJ) 217 7.3.1 Nitrateinträge in die Grundwasserkörper 217 7.3.2 Nitrateinträge in die Oberflächengewässer 221 7.3.2.1 Nitrateinträge über den Direktabfluss 221 7.3.2.2 Nitrateinträge über den Grundwasserabfluss 222 7.3.2.3 Abschätzung der Denitrifikationskapazität reduzierter Aquifere 223 7.4 Auswirkungen des Baseline-Szenarios auf die Nährstoffeinträge in die Oberflächengewässer (IGB) 226 7.5 Handlungsgebiete und Handlungsbedarf 237 7.5.1 Handlungsgebiete und Handlungsbedarf Grundwasser 237 7.5.2 Handlungsbedarf zur Erreichung der Ziele für die Oberflächengewässer 242 7.5.2.1 Überprüfung des Handlungsbedarf zur Umsetzung der Abwasserrichtlinie 242 7.5.2.2 Handlungsbedarf für die Oberflächengewässer nach Erreichen eines guten Grundwasserzustands 243
_VI 7.6 Maßnahmen zur Erreichung der Bewirtschaftungsziele nach EG- Wasserrahmenrichtlinie 247 7.6.1 Systematisierung von Nährstoffminderungsmaßnahmen 247 7.6.2 Ausgewählte ergänzende Maßnahmen 252 7.6.3 Mögliche Maßnahmenkombination zur Erreichung der Ziele für das Grund wasser -. 254 7.6.3.1 Auswirkungen der Grundwassermaßnahmen auf die Oberflächengewässer 257 7.6.4 Mögliche Maßnahmenkombination zur Erreichung der Ziele für die Oberflächengewässer 259 8. Zusammenfassung 261 9. Fazit 276 10. Literatur 278 11. Anhang 289 11.1 Ausgewählte ergänzende Maßnahmen aus dem LA WA-Maßnahmenkatalog 300 11.1.1 Keine Wirtschaftsdüngerausbringung nach der Ernte 300 11.1.2 Zwischenfrucht mit frühem Umbruch 301 11.1.3 Zwischenfrucht mit spätem Umbruch 302 11.1.4 Einsatz von Grundwasser schonender Ausbringungstechnik für Gülle und Gärsubstrate 303 11.1.5 Grünlandextensivierung 3 04 11.1.6 Förderung von Extensivkulturen 305 11.1.7 Reduzierte N-Mineraldüngung (Acker) inklusive Verzicht auf Spätgabe bei Getreide 306 11.1.8 Winterrübsen 307 11.1.9 Ökologischer Landbau 308