Einfluss der Landschaftswasserdynamik auf die Nitratbelastung im Kontext des Klimawandels
Die Belastung von Böden und Gewässern mit Nitrat stellt aufgrund des intensiven Einsatzes von Düngemitteln ein globales Umweltproblem dar. Eine im Fachjournal Science veröffentlichte Untersuchung des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) verdeutlicht, dass sowohl die Menge des durch die Landschaft fließenden Wassers als auch dessen Fließgeschwindigkeit maßgeblich das Risiko der Nitratbelastung bestimmen. Veränderungen im Nitratgehalt sind häufig klimatisch bedingt und werden durch extreme Wetterereignisse wie Starkregen oder Dürrephasen beeinflusst, welche den Wasserkreislauf beschleunigen oder verlangsamen.
Hintergrund und Methodik
Seit der vorindustriellen Ära haben sich die Stickstoffeinträge in terrestrische Ökosysteme durch menschliche Aktivitäten, insbesondere durch synthetische und organische Düngemittel, verdoppelt. Überschüssiger Stickstoff gelangt in Gewässer, was zu Überdüngung führt und die Nahrungsmittelproduktion, Trinkwasserqualität sowie die Stabilität von Ökosystemen gefährdet.
Zur besseren Analyse des Nitratkreislaufs entwickelte das Forschungsteam ein prozessbasiertes Modell, das Wasser- und Stickstoffflüsse mithilfe stabiler Wasserisotope nachverfolgt. Dieses Modell wurde auf mehr als 3.800 Flussgebiete in Europa angewandt, um die Geschwindigkeit des Wasserkreislaufs zu kartieren und deren Einfluss auf die Nitratbelastung unter verschiedenen klimatischen Bedingungen seit den 1980er Jahren zu bewerten. Zudem wurden Projektionen bis zum Ende des 21. Jahrhunderts erstellt.
Die Bedeutung der Fließgeschwindigkeit für die Nitratbelastung
Die Fließgeschwindigkeit beeinflusst das Verhältnis zwischen dem Transport von Nitrat und dessen biologischem Abbau. Hohe Fließgeschwindigkeiten, wie sie etwa an der nordwestlichen Küste Europas oder in Gebirgsregionen vorkommen, reduzieren die Zeitspanne für den Nitratabbau. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Nitrat aus Böden in Grundwasser und Oberflächengewässer ausgewaschen wird. Im Gegensatz dazu ermöglichen langsamere Fließgeschwindigkeiten, wie sie in Tieflandgebieten typisch sind, eine längere Verweildauer, wodurch Pflanzen und Mikroorganismen mehr Zeit für den Abbau von Nitrat haben.
Dr. Songjun Wu vom IGB betont: „Während bisher vor allem menschliche Stickstoffeinträge als Ursache für Nitratbelastung betrachtet wurden, zeigt unsere Studie, dass auch die Fließgeschwindigkeit eine wesentliche Rolle bei der Nitratauswaschung spielt.“
Klimatische Extreme seit den 1980er Jahren und deren Auswirkungen
Die Untersuchung zeigt, dass klimabedingte Veränderungen im Wasserhaushalt seit den 1980er Jahren maßgeblich die Entwicklung des Nitratkreislaufs beeinflussen. Moderate Schwankungen führen im Allgemeinen zu einer Verringerung der Nitratauswaschung, während extreme Veränderungen diese verstärken.
- Starke Beschleunigungen während feuchter Perioden können dazu führen, dass Nitrat schnell in Gewässer gespült wird, ohne ausreichend Zeit für den biologischen Abbau.
- Eine deutliche Verlangsamung, oft verbunden mit Dürre, reduziert die Aufnahme von Nitrat durch Pflanzen und Mikroorganismen, was zu einer Anreicherung im Boden und zu plötzlichen Auswaschungen bei starken Niederschlägen führt.
Zur Beschreibung dieser Prozesse führen die Forscher das Konzept der „Feuchtigkeitsgrenzen“ ein. Innerhalb dieser Grenzen bleibt die Nitratbelastung vergleichsweise gering. Wird der Bereich jedoch überschritten – sowohl bei zu feuchten als auch bei zu trockenen Bedingungen – steigt die Auswaschung von Nitrat deutlich an.
Prof. Dörthe Tetzlaff (IGB, Humboldt-Universität zu Berlin) erläutert, dass diese Feuchtigkeitsgrenzen helfen können, einen sicheren Handlungsspielraum zu definieren, der gegenüber hydrologischen Veränderungen widerstandsfähig ist, und gleichzeitig potenzielle Risiken der Nitratauswaschung frühzeitig zu erkennen.
Prognosen für Europa bis zum Jahr 2100
Die Studie liefert zudem Szenarien zur zukünftigen Entwicklung des Wasser- und Stickstoffkreislaufs in Europa:
- Im Szenario mit niedrigen Treibhausgasemissionen bleiben die hydrologischen Veränderungen überwiegend im feuchten Bereich. Dies führt in über 70 % der europäischen Flussgebiete zu einer Verringerung der Stickstoffauswaschung, bedingt durch höhere Temperaturen und längere Vegetationsperioden, die die Aufnahme und den Abbau von Nitrat fördern.
- Bei hohen Emissionen ist mit einer anhaltenden Austrocknung in großen Teilen Ost- und Südeuropas zu rechnen, was die Aufnahme von Nitrat durch Vegetation und Mikroorganismen einschränkt. Dies erhöht das Risiko einer Stickstoffanreicherung im Boden und einer verstärkten Auswaschung bei Extremereignissen.
Professor Chris Soulsby von der University of Aberdeen weist darauf hin, dass dieser Trend zur Trockenheit nicht nur die Wassermenge, sondern auch die Wasserqualität beeinträchtigt und potenziell auch andere Regionen wie Zentral- und Ostasien betrifft.
Strategien zur Minderung negativer Effekte
Die Studie unterstreicht die Bedeutung, hydrologische Veränderungen innerhalb der definierten Feuchtigkeitsgrenzen zu halten. Dies kann durch das Management von Klimaextremen oder durch eine Verringerung der menschlichen Nitrateinträge erreicht werden. Maßnahmen umfassen unter anderem:
- Fruchtfolgeplanung
- Optimierte Düngung
- Verbesserte Abwasserbehandlung
Wissenschaftliche Kontaktpersonen
Prof. Dörthe Tetzlaff, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)
https://www.igb-berlin.de/profile/doerthe-tetzlaff
Originalpublikation
Songjun Wu et al., Divergent evolution of nitrogen cycling along gradients of landscape water velocities. Science 392, 1188-1193 (2026). DOI: 10.1126/science.aed0399
