Unser Autor: Dr. Franz Antony, INGUS GmbH:

Die Bedeutung der Grundwassermessstellen nimmt für die Festlegung nitratbelasteter Gebiete noch weiter zu. Im August wurden mit der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zur Gebietsausweisung (AVV GeA) bundeseinheitlich höhere Anforderungen an die Auswahl und den Betrieb von Messstellen beschlossen. Neben einer Mindestanzahl an Messstellen, gelten künftig erhöhte Anforderungen an deren Qualität, sowie an die Entnahme von Wasserproben. Der Bundesrat segnete das am 18. September 2020 ab.

Schon ab 2020 soll mit Hilfe der Länder das sogenannte Ausweisungsmessnetz nach einheitlichen Kriterien für ganz Deutschland etabliert und in den Folgejahren weiter optimiert werden. Wichtig: Für diese Messstellen muss belegt sein, dass sie tatsächlich landwirtschaftlich beeinflusst sind.

Um in der oft hitzigen Debatte über Nitratmessstellen besser mitreden zu können, ist es wichtig, den Weg des Nitrats über das Sickerwasser bis ins Grundwasser (GW) genauer zu kennen und Grundwassermessstellen „lesen“ zu lernen.

Durch seine über 25-jährige Erfahrung in der landwirtschaftlichen Grundwasserschutzberatung im Norden und in der Mitte Deutschlands, kann das Ingenieurbüro Ingus auf umfangreiche Praxisdaten zurückgreifen.

Vom Boden ins Grundwasser

Seit Jahren wird heftig über GW-Messstellen zum Nachweis der landwirtschaftlichen Nitrateinträge gestritten. Dabei sind die Zusammenhänge zwischen der Nitratauswaschung aus dem Wurzelraum, der abwärts gerichteten Nitratverlagerung mit dem Sickerwasser und dem Nitrateintrag ins Grundwasser für die meisten Agrarregionen in Deutschland gut untersucht.

Fachliche Basis hierfür ist das Zonenmodell, das von der Bodenoberfläche, über den Wurzelraum und die darunter liegende Sickerwasserdränzone den Weg des Nitrats bis ins obere Grundwasser mit Hilfe verschiedener Messmethoden fast lückenlos beschreibt.

Ü1: ZONENMODELL UND UNTERSUCHUNGSMETHODEN

Verschiedene Messmethoden

Neben der Nmin-Beprobung im Oberboden kommen im Sickerwasserbereich (1,2 bis 5 m) Nitrattiefbohrungen zum Einsatz. Diese erfassen die Nitratgehalte unter Ackerflächen für mehrere zurückliegende Sickerwasserneubildungsjahre, also das Nitrat, was aus dem Wurzelraum nach unten meist über Winter herausgelaufen ist. Die Bohrungen werden je nach Standort 3 bis 5 m tief gesetzt und ab ca. 1,2 m in 30 bis 40 cm-Schichten schrittweise nach unten beprobt.

Mit dieser Methode lässt sich der Tiefenverlauf der Nitratwerte zwischen der Unterkante des Wurzelraumes und im besten Falle bis zur Grundwasseroberfläche bestimmen. Im Grunde handelt es sich dabei um eine tiefenverlängerte Nmin-Probe. Ab der oberen GW-Zone erfassen dann die GW-Messstellen das Nitrat.

Die Nitratausträge aus der Wurzelzone sind in der Regel umso größer,

• je höher der Herbst-Nmin-Wert (0 bis 90 cm) kurz vor Beginn der winterlichen Sickerwasserneubildung (ca. Mitte Oktober) ist,
• je wasserdurchlässiger die Böden sind (Wasserhaltevermögen und Häufigkeit der winterlichen Durchwaschung);
• je höher der Anteil an organischer Düngung ist (schwer steuerbare Nitratfreisetzung),
• je intensiver die Bodenbearbeitung zwischen Sommer und Herbst ist (jeder Grubberstrich im Sommer erhöht den Herbst-Nmin-Wert um ca. 25 kg N/ha),
• je höher die Humusgehalte im Boden sind (relevant ab > 4%),
• je geringer die Herbst-/Winterbegrünung ist, bis hin, dass sie ganz fehlt.

Niedrige Herbst-Nmin-Werte entscheidend

Gemäß der Verwaltungsvorschrift für die Binnendifferenzierung soll neben den Nitratmesswerten auch der Stickstoff(N)-Bilanz-Überschuss einer Region für die Ausweisung der roten Gebiete mit berücksichtigt werden. Dabei handelt es sich um eine rechnerische Größe. Diese stimmt aber vielfach nicht mit der tatsächlichen Nitratauswaschung überein.

Ein Beispiel: Der N-Flächenbilanzsaldo von Silomais ist wegen der Ganzpflanzenernte meist negativ (0 bis minus 60 kg N/ha), die daraus berechnete Nitratbelastung im Sickerwasser wäre 0 mg/l.

Tatsächlich aber liegen die gemessenen Herbst-Nmin-Werte (Anfang November) wegen des häufigen Einsatzes organischer Dünger und deren herbstlicher Nachmineralisation zwischen 60 und 120 kg N/ha.

Der Herbst-Nmin-Wert ist der beste Indikator, den Nitrataustrag aus der Wurzelzone von Ackerböden realistisch und verlässlich zu beschreiben. Dies gilt besonders für Böden, die über Winter mindestens einmal vom Regen durchwaschen werden, da hier eine enge Beziehung zwischen Höhe des Herbst-Nmin-Wertes und der tatsächlichen Nitratbelastung im Sickerwasser besteht.

Aufgrund dieses engen Zusammenhangs lässt sich daraus der Nitratgehalt im Sickerwasser vergleichsweise sicher berechnen und kommt dem tatsächlich gemessenen Wert relativ nahe. Die Berechnung erfolgt über die einfache Formel: Herbst-Nmin-Wert x 443 / Sickerwasserrate. Die Zahl 443 ist der Umrechnungsfaktor von N zu Nitrat.

Diese Zusammenhänge lassen sich abhängig vom Viehbesatz (GV-Besatz) anhand umfassender mehrjähriger Herbst-Nmin-Messungen, den daraus berechneten Nitratkonzentrationen im Sickerwasser und die über Nitrattiefbohrungen tatsächlich gemessenen Nitratwerte belegen.

Ü2: PRAXISDATEN VON HERBST-NMIN UND NITRAT IM SICKERWASSER

Vom Herbst-Nmin zum Nitrat im Sickerwasser

Die Berechnungsformel ist für Regionen (siehe oben) mit weniger als 45 Bodenpunkten und Sickerwasserraten (SWR) zwischen 200 und 350 mm gut einsetzbar. In Übersicht 2 wurde zur Berechnung eine SWR von 250 mm angenommen. Hiernach ergibt sich für die vom Beratungsbüro Ingus untersuchten landwirtschaftlichen Regionen in der Norddeutschen Tiefebene für die Jahre 2011 bis 2018 folgendes Bild:

• Regionen mit 1,4 GV-Besatz: Der mittlere Herbst-Nmin-Wert liegt bei 81 kg N/ha (1100 Nmin-Proben), die daraus berechnete jährliche Nitratkonzentration im Sickerwasser bei 144 mg/l. Die tatsächlich im Sickerwasser über Nitrattiefbohrungen gemessene Nitratkonzentration weist 122 mg/l (200 Bohrungen) auf.
  
  
  
  
• Regionen mit 0,6 GV-Besatz: Der mittlere Herbst-Nmin-Wert beträgt 58 kg N/ha (1205 Nmin-Proben), was rechnerisch 103 mg Nitrat/l im Sickerwasser ergibt; tatsächlich gemessen wurden 73 mg/l (160 Bohrungen).
  
  
  
  
• Trinkwassergewinnungsgebiete mit 0,6 GV-Besatz und einer Grundwasserschutzberatung sowie umfassenden Vertragsgewässerschutzmaßnahmen: Der mittlerer Herbst-Nmin-Wert erreicht gute 43 kg N/ha (961 Nmin-Proben), was rechnerisch noch 76 mg Nitrat/l im Sickerwasser ergibt, tatsächlich gemessen wurden nur 67 mg/l (80 Bohrungen).

Diese Untersuchungsprogramme zeigen vor allem eins deutlich: Je geringer der mittlere Herbst-Nmin-Wert einer Agrarregion, umso niedriger sind die tatsächlich gemessenen Nitratwerte im Sickerwasser. Fakt ist auch, dass für die hier ausgewählten Boden-Klima-Räume der Norddeutschen Tiefebene mit weniger als 45 Bodenpunkten und 200 bis 350 mm SWR tatsächliche Nitratwerte im Sickerwasser unter Ackerflächen zwischen 80 mg (unter 0,5 GV/ha) und 200 mg Nitrat/l (über 1,5 GV/ha) festzustellen sind.

Sind 50 mg Nitrat/l im Sickerwasser überhaupt möglich?

Um im Modellierungsansatz der Verwaltungsvorschrift zu Binnendifferenzierung den N-Bilanzsaldo zu bewerten, wird für jede Region unter Einbeziehung von Bodenart und Sickerwassermenge zuvor der N-Saldo berechnet, der maximal zu tolerieren ist, damit bereits im Sickerwasser 50 mg Nitrat/l nicht überschritten werden. Dabei ist wichtig zu unterscheiden: Die für die EU-Nitrat-Bewertung maßgebliche, viel zitierte 50 mg/l-Nitratgrenze gilt immer für Grundwasser, nicht für Sickerwasser.

Zwar ist Sickerwasser die Vorstufe von Grundwasser und Nitrat im Sickerwasser stellt immer auch eine potenzielle Eintragsgefahr ins Grundwasser dar. Allerdings muss bei einer ehrlichen Nitratdiskussion berücksichtigt werden, dass Ackerbau in sensiblen Bodenklimaräumen selbst bei hohen Anstrengungen schwer möglich ist, wenn bereits im Sickerwasser Nitratwerte von unter 50 mg Nitrat/l erzielt werden sollen.

So ist es beispielsweise in den seit Jahrzehnten bestehenden Trinkwasserschutzkooperationen schon ein großer Erfolg, wenn im Mittel der Ackerflächen weniger als 80 mg Nitrat/l im Sickerwasser erreicht werden. Auch der Ökolandbau schafft die Unterschreitung des 50 mg/l-Wertes nur bei extensiver Ackernutzung mit geringem Wirtschaftsdüngereinsatz und einem hohen Anteil an Feldgras.

Die letzten beiden Säulen in Übersicht 2 zeigen, wie niedrig der mittlere Herbst-Nmin-Wert in sensiblen Bodenklimaräumen sein müsste, um 50 mg Nitrat/l bereits im Sickerwasser einzuhalten. Im konkreten Beispiel mit 250 mm SWR liegt der Wert bei 28 kg N/ha. Für jährliche SWR von 200 bis 350 mm ergibt sich daraus ein Korridor von 25 bis 35 kg N/ha, der einzuhalten wäre.

Ein Zwischenfazit

In nitratsensiblen Gebieten wäre es aus fachlicher Sicht schon ein enormer Fortschritt, mittlere Herbst-Nmin-Werte unter 45 kg N/ha und somit mittlere Nitratwerte im Sickerwasser unter 80 mg/l zu erreichen. Würden wir in Deutschland dies schaffen, wäre eine Trendumkehr auf jeden Fall erreicht und die EU-Kommission mit der Umsetzung der EG-Nitratrichtlinie und der EG-Wasserrahmenrichtlinie deutlich zufriedener.

Messwerte richtig bewerten

GW-Messstellen sind das wichtigste Werkzeug der Wasserwirtschaft, um GW-Stände zu messen und Wasserproben zu entnehmen. Im letzteren Fall spricht man von GW-Gütemessstellen.

Ü3: KENNZEICHEN EINER GW-MESSSTELLE

Für diese sind jetzt mit der neuen Verwaltungsvorschrift erstmals einheitliche Mindestanforderungen definiert. Sie zielen darauf ab, in jedem Bundesland ein speziell auf die landwirtschaftlichen Einzugsgebiete ausgerichtetes GW-Messstellennetz zu etablieren, mit dem die nitratbelasteten GW-Körper bzw. Teilkörper sicherer ausgewiesen werden sollen – daher auch der neue Name Ausweisungsmessnetz.

Richtig ist, dass die bisher ausgewählten GW-Messstellen tatsächlich nicht immer eindeutig einem landwirtschaftlichen Einzugsgebiet zugeordnet werden konnten. Richtig ist auch, dass in vielen Bundesländern die Messstellenanzahl bisher nicht ausgereicht hat, die räumliche Ausdehnung der roten Gebiete vergleichsweise sicher festzulegen.

Ein weiterer zentraler Aspekt hat darüber hinaus immer wieder für Verwirrung bei der Bewertung und Interpretation von Nitratwerten in GW-Messstellen gesorgt. Es geht um die Frage, warum in gleicher Tiefe manche Messstellen sehr hohe Nitratwerte zeigen und andere dagegen Werte nahe Null, obwohl oben die gleiche Landwirtschaft stattfindet. Hauptgrund hierfür ist der im Untergrund, je nach hydrogeologischer Ausstattung, ablaufende natürliche Nitratabbau durch die Denitrifikation.

Was ist Denitrifikation?

Bei der Denitrifikation reduzieren bestimmte, im Untergrund lebende Bakterien (sog. Denitrifikanten) Nitrat (NO3-) zu molekularem Luftstickstoff (N2), auch Nitratatmung genannt. Diese Reaktion dient den Bakterien zur Energiegewinnung. Im Grundwasser findet sie immer dann statt, wenn geringe Sauerstoffgehalte vorliegen, Nitrat von oben eingetragen wird und oxidierbare Stoffe, z.B. reduzierte Eisen-Schwefelverbindungen (FeS2) vorhanden sind. Hierbei handelt es sich um eine Redoxreaktion, bei der die genannten Metall-Schwefelverbindungen zu Fe3+ und SO42- (Sulfat) oxidiert werden.

Erfahrene Fachleute im Messstellen- und Brunnenbau erkennen oft schon am Aussehen und am Geruch des gehobenen Bohrmaterials, ob im Untergrund Denitrifikation stattfindet oder nicht.

Bewertung landwirtschaftlicher Nitrat-Einträge

Ob Denitrifikation stattfindet, hängt wesentlich vom Sauerstoffgehalt im Grundwasser ab. Dabei gilt die einfache, aber sichere Grundregel:

Immer wenn der Sauerstoffgehalt im Grundwasser unter 2 mg O2/l liegt, kommt es zu 100% Nitratabbau durch Denitrifikation, sodass man gar kein Nitrat aus der Landwirtschaft direkt bestimmen kann. Bei O2-Gehalten von 2 bis 5 mg/l findet teilweise Nitratabbau statt, bei über 5 mg O2/l gibt es dagegen keine nennenswerte Denitrifikation im Grundwasserleiter mehr.

Dieses Wissen muss bekannt sein und angewendet werden, wenn man über die Eignung bzw. Zeigereigenschaften von GW-Messstellen für die Messung landwirtschaftlicher Nitrateinträge im Sinne der DüV entscheidet. Demnach gilt aus fachlicher Sicht:

• Nicht geeignet sind alle GW-Messstellen mit umfassendem mikrobiellem Nitratabbau (Denitrifikation) infolge eines geringen Sauerstoffgehaltes (unter 2 mg O2/l) im Grundwasser. Diese Messstellen haben keine direkten Zeigereigenschaften für Nitrat.
  
  
  
  
• Geeignet sind dagegen nur GW-Messstellen ohne bzw. mit geringer Denitrifikation (Sauerstoffgehalt über 2 mg O2/l), aber auch nur dann, wenn die landwirtschaftliche Nutzung im Umfeld sicher zugewiesen werden kann. Diese Messstellen haben direkte Zeigereigenschaften für Nitrat.

Ü4: EINFLUSS DES UNTERGRUNDES AUF DIE DENITRIFIKATION

Abschließend zeigt Übersicht 4 die hohe Bedeutung der Denitrifikation am Beispiel eines hydrogeologischen Querschnitts zwischen Südniedersachsen und Hamburg, die vom Prinzip her auf das gesamte Norddeutschland übertragbar ist. Hier sind symbolisch GW-Messstellen eingehängt, die mal etwas tiefer oder flacher ins Grundwasser eintauchen. Messstellen mit Denitrifikation sind dunkelblau gefärbt, Messstellen ohne Denitrifikation hellblau. Tatsächlich sind nach den vorherigen Aussagen nur die hellblauen GW-Messstellen für eine Bewertung landwirtschaftlicher Nitrateinträge geeignet.

Es bleibt zu hoffen, dass dies künftig bei der behördlichen Eignungsprüfung der Ausweisungsmessnetze für die nitratsensiblen Gebiete ausreichend beachtet wird.

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K O M M E N T A R

Besser messen, mehr kooperieren

Nitrat lässt sich nicht wegmessen. Klar ist, je besser GW-Messstellen in Tiefenzonen ohne Denitrifikation gesetzt sind, umso realistischer werden Nitrateinträge erfasst. Es ist unverständlich, warum der einfache, aber wichtige Parameter Sauerstoffgehalt im Grundwasser bisher nicht genutzt wurde, um durch Denitrifikation beeinflusste Messstellen für die Beschreibung landwirtschaftlicher Nitrateinträge herauszunehmen. Dies hätte viele Streitdiskussionen bei der bisherigen Festsetzung der roten Gebiete verhindert.

Klar ist aber auch, wer Grundwasser schützen will, muss an der richtigen Stelle anfassen. Natürlich sollten Nährstoffbilanzen weitgehend ausgeglichen sein und eine Überdüngung vermieden werden. Doch viel wirksamer ist es, das Nitratniveau der Böden im Herbst herunterzufahren (eingeschränkte Herbst-düngung, Zwischenfrüchte, Bodenruhe), denn geringe Herbst-Nmin-Werte sind der zentrale Schlüssel für eine Trendumkehr der Nitrateinträge ins Grundwasser. Das ist seit langem bekannt und wird in freiwillig arbeitenden Trinkwasserschutzkooperationen durch die Landwirte erfolgreich umgesetzt.

Bewährtes nutzen

Warum die Erfahrungen der regionalen Kooperationen bisher bei den Neuerungen des Düngerechts 2017 und 2020 zumindest nicht als Teil der Lösung berücksichtigt wurden, ist nicht nachvollziehbar. So sind z.B. in den zurückliegenden Jahren in vielen Kooperationen Niedersachsens die Bilanzüberschüsse um 20 bis 40 kg N/ha, die Herbst-Nmin-Werte auf Flächen mit Maßnahmen um 20 bis 30 kg N/ha und die Nitratwerte im Sickerwasser um 20 bis 30 mg/l reduziert worden. Für das Trinkwasser reicht das zwar oft noch nicht aus, für das Grundwasser in den roten Gebieten wäre das aber schon ein enormer Erfolg und die Trendumkehr vielfach eingeleitet.