Der Einfluss der Hydrologie auf die Phosphor-Freisetzung und -Retention in einem teilvernässten Spreewald Polder

Abstract

Natürliche Niederungsgebiete wirken als effektive Phosphor Senke. Landwirtschaftliche Nutzung und Drainage führt zur Transformation zu Phosphor Quellen. Dem Spreewald, ein Feuchtgebiet und seiner Funktionsweise als Phosphor Quelle oder –Senke, kommt im Einzugsgebiet der Spree eine wichtige Rolle zu. Die vorhandenen Kenntnisse der Phosphor Umsatzprozesse und des Phosphor Austausches zwischen den Flächen und dem Fließgewässernetz sind jedoch gering. Praktikable Ansätze zur Beschreibung des Phosphor Austauschverhaltens von Nährstoffen in den ausgedehnten Polderregionen liegen nicht vor. Anhand hydrologischer, geohydraulischer und biogeochemischer Prozessuntersuchungen in einer Polderlandschaft mit typischer Stauhaltung konnten die Phosphor Freisetzungs- und Retentionsprozesse ausgewiesen werden. Unter Nutzung verschiedener Modellansätze (geohydraulische Modellierung, Stofftransportmodellierung und Statistische Modelle) und der Berechnung von Phosphor Prozessraten werden horizontale und vertikale Phosphor Fluxe in den Flächen-Wasser Übergangszonen quantifiziert. Die Ergebnisse gehen in ein Phosphor Bilanzmodell ein, das die P-Quellen und Senkenfunktion von Polder Teilflächen (überstaut, genutzt) und des gesamten Polders in Monatsschritten abbildet. Die biogeochemischen Phosphor Umsatzprozesse sowie der horizontale und vertikale Transport werden wesentlich von den hydrologischen und den klimatischen Bedingungen gesteuert. Sie stellen die primären Einflussgrößen der P Senken oder -Quellenfunktion dar. Im Polder wird die Phosphor Netto Freisetzung der genutzten Bereiche durch eine hohe Phosphor Netto Retention in den überstauten Flächen abgemindert. Szenario Untersuchungen zeigen, dass sinkende Grabenwasserstände zu einer erheblichen Erhöhung der Phosphor Emissionen aus dem Grundwasserpfad führen. Ansteigende Phosphor Fluxe bei sinkenden Wasserständen legen ein zunehmendes Eutrophierungsrisiko in den Gräben sowie für unterhalb gelegene aquatische Systeme nahe.

Natural wetlands effectively retain phosphorus. Agricultural cultivation and drainage by ditches transform them to phosphorus sources. In the Spree catchment, the Spreewald, a large scaled lowland has a strategic importance operating as a phosphorus sink or phosphorus source. Anyhow, knowledge of its phosphorus turnover processes and the phosphorus exchange behavior between the plain and the river and ditch network are marginal. Practicable approaches to reproduce the phosphorus exchange behavior in its typical polder areas are missing. Based on process investigations in a polder area with typical weir regulation, phosphorus retention and remobilization processes are characterized. Combining different model approaches (groundwater modeling, matter transport modeling and statistical models) and calculating process rates, the horizontal and vertical phosphor fluxes in the water soil/sediment transition zones are quantified. The outcomes are used as input data for a phosphorus balance model reproducing the phosphorus source and sink character of used and rewetted polder areas and for the whole polder in monthly time steps. Results from process and transport investigations point out that biogeochemical turnover processes and horizontal or vertical phosphorus transport are driven by hydrological and climatological conditions. Net phosphorus release found in the extensive used polder areas is counteracted by significant net phosphorus retention in the rewetted parts. Scenario analyses identify decreasing ditch water levels to cause a considerable increase of phosphorus emissions from the groundwater pathway. Consequently, the increasing phosphorus fluxes at decreasing water levels provoke a growing risk for eutrophication in the ditches but also in the downstream aquatic systems.