Abteilung Umweltchemie

Sedimenteinträge durch Erosion sowie Abschwemmungen von Pflanzenschutzmitteln und Nährstoffen aus der Landwirtschaft belasten unsere Gewässer. Verschiedene Feldstudien weisen darauf hin, dass die Flächen, von denen diese Einträge stammen, räumlich begrenzt sind. Insbesondere Phosphor, Pflanzenschutzmittel und Sedimente gelangen vorwiegend durch schnelle Abflussprozesse auf einem geringen Anteil der landwirtschaftlichen Fläche in die Gewässer. Diese sogenannten beitragenden Flächen betragen im Schnitt etwa 20% der Gesamtfläche. Um beitragende Flächen zu identifizieren, stehen verschiedene Werkzeuge zur Verfügung. Wir haben einige davon auf vier Betrieben getestet. Insbesondere die Identifikation von Flächen, die zur Erosion beitragen, wurde von den Landwirten als realistisch eingeschätzt. Beitragende Flächen für Erosion und Abschwemmung sind oft nicht deckungsgleich. Die Identifikation von beitragenden Flächen wird limitiert durch die begrenzten räumlichen Bodeninformationen. In der Schweiz stehen nur für wenige Gebiete Bodeninformationen mit genügend hoher Auflösung zur Verfügung.

Identification of areas contributing disproportionally to water pollution – problem of missing soil data. Input into streams due to erosion and runoff of pesticides and nutrients from agricultural fields pose a threat to our water bodies. Field studies indicate that these losses originate from limited parts of a given catchment. This holds especially for fine sediments, pesticides and phosphorus, which are mainly transported by fast flow processes that are generated only on certain locations. These critical source areas (CSAs) seem to cover in many cases about 20% of the total area. For identifying CSA in space, several tools are available. We have tested some of them on four different test farms. The risk areas for erosion agreed well with the field experience of the local farmers. The risk areas for runoff and erosion were in many situations not overlapping. Identifying risk areas in Switzerland is in many situations severely hampered by the coarse soil maps, which are available.

Field studies have shown that diffuse herbicide losses from agricultural fields to surface waters often originate from only a limited part of a given catchment. These critical source areas (CSA) are characterized by the occurrence of fast flow processes like surface runoff or macropore flow to tile drains. A reliable identification of CSA offers promising options for mitigation measures to reduce diffuse herbicide pollution of surface waters.
We tested the predictability of locating CSA with the physically based hydrological water balance model SMDR (Soil Moisture Distribution & Routing). The study area was a small agricultural catchment in Switzerland in which herbicide transport to surface waters had been investigated in field studies and a large spatial variability of herbicide losses was detected. SMDR was adapted to the local conditions by implementing a model for artificial drains and considering the connectivity to the stream. [...]

Felduntersuchungen haben gezeigt, dass diffuse Herbizidabschwemmungen aus der Landwirtschaft in Oberflächengewässer nur von einem kleinen Bereich des Einzugsgebiets stammen. Diese so genannten Risikogebiete sind dadurch gekennzeichnet, dass dort schnelle hydrologische Abflussprozesse wie Oberflächenabfluss und Makroporenfluss zum Drainagensystem auftreten können. Eine zuverlässige Identifizierung solcher Risikoflächen würde es erlauben, effektive Massnahmen zur Reduzierung von Herbizideinträgen in die Oberflächengewässer umzusetzen.
Wir haben untersucht, inwiefern solche Risikogebiete mit einem physikalisch basierten hydrologischen Wasserbilanzmodell (Soil Moisture Distribution & Routing) vorhergesagt werden können. Unser Untersuchungsgebiet war ein kleines landwirtschaftliches Einzugsgebiet in der Schweiz, in dem der Herbizidtransport in das Oberflächengewässer vorgängig in Feldstudien untersucht worden war. Dabei zeigten diese Untersuchungen eine grosse räumliche Variabilität der Herbizidabschwemmung. Um die lokalen Begebenheiten zu berücksichtigen, haben wir das hydrologische Modell erweitert und zusätzlich den Abfluss durch das Drainagesystem und die Konnektivität zum Oberflächengewässer explizit berücksichtigt. [...]

Field studies have shown that diffuse herbicide losses to surface waters often originate from a limited part of a catchment only. These critical source areas (CSA) are characterized by the occurrence of fast-flow processes like surface runoff or macropore flow to tile drains. Moreover, topographic barriers often interrupt the overland flow into the adjacent brook and lead to internal sink areas. From there artificial drains can create a shortcut to the stream network. We tested the predictability of CSA with a modified version of the hydrological Soil Moisture Distribution & Routing model (SMDR). The study area was a small agricultural catchment in Switzerland, in which herbicide losses to surface waters had been experimentally investigated. The small-scale structures, relevant for surface connectivity, were derived using terrain analysis algorithms based on a high-resolution digital elevation map. The analysis showed that surface runoff from a large part (66%) of the study area cannot reach the stream network. Based on prior parameter estimates, the simulated discharge agreed well with the measured values for spring 2000 (Nash–Sutcliffe coefficient of 0.88). Surface saturation was mainly predicted for Gleysol areas, whereby topography was the main driver, and not soil properties. The spatial distribution of CSA and predicted runoff processes agreed well with measured herbicide losses. The main losses were predicted for connected areas prone to surface runoff; additional drained sinks (reinfiltration areas on unconnected areas) were identified as potential risk areas. The predictions are subject to substantial uncertainties. A local sensitivity analysis revealed that the model is most sensitive to parameters describing the lower boundary of the soil (deep percolation and depth of the soil). The spatial extent and the efficiency of the drainage system are also crucial for the spatial variability of herbicide losses.