Abteilung Umweltchemie

Shortcut

Eintrag von Pestiziden aus der Landwirtschaft in die Schweizer Oberflächengewässer:
Hydraulische Kurzschlüsse sind ein wichtiger Eintragspfad, der bisher weitgehend übersehen wurde.

Pestizide werden in der Landwirtschaft weitverbreitet eingesetzt. Nach ihrer Anwendung können sie in Oberflächengewässer transportiert werden, dort die Wasserqualität beeinträchtigen und erhebliche negative Auswirkungen auf die Gewässerlebewesen haben. Frühere Forschungsprojekte haben gezeigt, dass sogenannte hydraulische Kurzschlüsse (Englisch: shortcuts) einen wichtigen Eintragspfad für Pestiziden in Oberflächengewässer darstellen können. Zu hydraulischen Kurzschlüssen gehören Einlauf- und Wartungsschächte von Regenentwässerungssystemen, aber auch Strassen, Wege, Einlaufrinnen und Entwässerungsgräben. Die Relevanz hydraulischer Kurzschlüsse für den Pestizidtransport in landwirtschaftlichen Einzugsgebieten wurde jedoch nur in Einzelfällen untersucht und es war unklar wie wichtig sie generell im Vergleich zu anderen Eintragspfaden sind. Dieses Projekt verfolgte daher das Ziel, die Relevanz hydraulischer Kurzschlüsse erstmals schweizweit systematisch zu untersuchen.

Die Resultate des Projekts zeigen, dass der Transport via hydraulische Kurzschlüsse ein wesentlicher Eintragspfad für Pestizide in die Schweizer Oberflächengewässer ist. Dabei sind Einlaufschächte der Strassenentwässerung der wichtigste Kurzschluss-Typ. Pestizide können durch drei Hauptprozesse via Kurzschlüsse in Oberflächengewässer gelangen:

  1. Abschwemmung via Kurzschlüsse (siehe untenstehende Abbildung): Oberflächenabfluss, der während eines Regenereignisses nach einer Pestizidanwendung auf einem Feld gebildet wird, ist mit Pestiziden belastet. Dieser Oberflächenabfluss kann in einen Kurzschluss fliessen und durch diesen in ein Oberflächengewässer geleitet werden.
  2. Drift via Kurzschlüsse (siehe untenstehende Abbildung): Bei der Pestizidanwendung wird durch Drift (d.h. Windverfrachtung) ein Teil der Spritzflüssigkeit auf Nichtzielflächen (z.B. nahe gelegene Strassen oder Wege) abgelagert. Während den nachfolgenden Regenereignissen kann diese Spritzflüssigkeit von den Nichtzielflächen in Kurzschlüsse geschwemmt und durch diese in Oberflächengewässer geleitet werden.
  3. Unsachgemässe Handhabung: Durch unsachgemässe Handhabung bei der Pestizidanwendung (z.B. Leckagen der Spritzgeräte, versehentliches Verschütten, Nichteinhalten von Abstandsauflagen) kann Spritzflüssigkeit auf befestigte Flächen (z.B. Strassen oder Feldwege) gelangen. Während nachfolgenden Regenereignissen kann diese in Kurzschlüsse geschwemmt und durch diese in Oberflächengewässer geleitet werden.

Trotz ihrer grossen Bedeutung für die Belastung von Oberflächengewässern mit Pestiziden wurden hydraulische Kurzschlüsse in der Vergangenheit weitgehend übersehen. Die bestehenden gesetzlichen Bestimmungen und Reduktionsmassnahmen berücksichtigen den Transport via hydraulische Kurzschlüsse nicht und können Pestizideinträge über diesen Eintragspfad folglich nicht verhindern. Pestizideinträge über hydraulische Kurzschlüsse sollten daher im Pestizid-Zulassungsprozess berücksichtigt werden, sowie auch in den gesetzlichen Bestimmungen und bei Reduktionsmassnahmen. Darüber hinaus sollte bei Landwirten ein Bewusstsein für diesen Prozess geschaffen werden und zukünftige Forschung sollte darauf hinarbeiten, die verbleibenden Wissenslücken in Bezug auf hydraulische Kurzschlüsse zu schliessen.

Publikationen

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         .; Stamm, C.
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         iss catchment
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          pathways
' (161 chars) description => protected'Agricultural pesticides transported to surface waters pose a major risk for
         aquatic ecosystems. Modelling studies indicate that the inlets of agricultur
         al storm drainage systems can considerably increase the connectivity of surf
         ace runoff and pesticides to surface waters. These model results have howeve
         r not yet been validated with field measurements. In this study, we measured
          discharge and concentrations of 51 pesticides in four out of 158 storm drai
         nage inlets of a small Swiss agricultural catchment (2.8 km<sup>2</sup>) an
         d in the receiving stream. For this, we performed an event-triggered samplin
         g during 19 rain events and collected plot-specific pesticide application da
         ta. Our results show that agricultural storm drainage inlets strongly influe
         nce surface runoff and pesticide transport in the study catchment. The conce
         ntrations of single pesticides in inlets amounted up to 62 µg/L. During so
         me rain events, transport through single inlets caused more than 10% of the
         stream load of certain pesticides. An extrapolation to the entire catchment
         suggests that during selected events on average 30 to 70% of the load in the
          stream was transported through inlets. Pesticide applications on fields wit
         h surface runoff or spray drift potential to inlets led to increased concent
         rations in the corresponding inlets. Overall, this study corroborates the re
         levance of such inlets for pesticide transport by establishing a connectivit
         y between fields and surface waters, and by their potential to deliver subst
         antial pesticide loads to surface waters.
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         r contamination than direct drift to surface waters?
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         drainage
' (84 chars) description => protected'Spray drift is considered a major pesticide transport pathway to surface wat
         ers. Current research and legislation usually only considers direct spray dr
         ift. However, also spray drift on roads and subsequent wash-off to surface w
         aters was identified as a possible transport pathway. Hydraulic shortcuts (s
         torm drainage inlets, channel drains, ditches) have been shown to connect ro
         ads to surface waters, thus increasing the risk of drift wash-off to surface
          waters. However, the importance of this pathway has never been assessed on
         larger scales. To address this knowledge gap, we studied 26 agricultural cat
         chments with a predominance of arable cropping (<em>n</em> = 17) and viney
         ards (<em>n</em> = 9). In these study sites, we assessed the occurrence of
          shortcuts by field mapping. Afterwards, we modelled the areas of roads drai
         ned to surface waters using a high-resolution digital elevation model (0.5 
         m resolution) and a multiple flow algorithm. Finally, we modelled drift depo
         sition to drained roads and surface waters using a spatially explicit, geore
         ferenced spray drift model. Our results show that for most sites, the drift
         to drained roads is much larger than the direct drift to surface waters. In
         arable land sites, drift to roads exceeds the direct drift by a factor of 4.
         5 to 18, and in vineyard sites by 35 to 140. In arable land sites, drift to
         drained roads is rather small (0.0015% to 0.0049% of applied amount) compare
         d to typical total pesticide losses to surface waters. However, substantial
         drift to drained roads in vineyard sites was found (0.063% to 0.20% of appli
         ed amount). Current literature suggests that major fractions of the drift de
         posited on roads can be washed off during rain events, especially for pestic
         ides with low soil adsorption coefficients. For such pesticides and particul
         arly in vineyards, spray drift wash-off from drained roads is therefore expe
         cted to be a major transport pathway to surface waters.
' (1955 chars) serialnumber => protected'0048-9697' (9 chars) doi => protected'10.1016/j.scitotenv.2021.151102' (31 chars) uid => protected23874 (integer) _localizedUid => protected23874 (integer)modified _languageUid => protectedNULL _versionedUid => protected23874 (integer)modified pid => protected124 (integer)
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         e waters
' (84 chars) journal => protected'Hydrology and Earth System Sciences' (35 chars) year => protected2021 (integer) volume => protected25 (integer) issue => protected'4' (1 chars) startpage => protected'1727' (4 chars) otherpage => protected'1746' (4 chars) categories => protected'' (0 chars) description => protected'Surface runoff represents a major pathway for pesticide transport from agric
         ultural areas to surface waters. The influence of artificial structures (e.g
         . roads, hedges, and ditches) on surface runoff connectivity has been shown
         in various studies. In Switzerland, so-called hydraulic shortcuts (e.g. inle
         t and maintenance shafts of road or field storm drainage systems) have been
         shown to influence surface runoff connectivity and related pesticide transpo
         rt. Their occurrence and their influence on surface runoff and pesticide con
         nectivity have, however, not been studied systematically.<br /> To address t
         hat deficit, we randomly selected 20 study areas (average size of 3.5 km<
         sup>2</sup>) throughout the Swiss plateau, representing arable cropping syst
         ems. We assessed shortcut occurrence in these study areas using three mappin
         g methods, namely field mapping, drainage plans, and high-resolution aerial
         images. Surface runoff connectivity in the study areas was analysed using a
         2×2 m digital elevation model and a multiple-flow algorithm. Parameter un
         certainty affecting this analysis was addressed by a Monte Carlo simulation.
          With our approach, agricultural areas were divided into areas that are eith
         er directly, indirectly (i.e. via hydraulic shortcuts), or not at all connec
         ted to surface waters. Finally, the results of this connectivity analysis we
         re scaled up to the national level, using a regression model based on topogr
         aphic descriptors, and were then compared to an existing national connectivi
         ty model.<br /> Inlet shafts of the road storm drainage system were identifi
         ed as the main shortcuts. On average, we found 0.84 inlet shafts and a tota
         l of 2.0 shafts per hectare of agricultural land. In the study catchments,
         between 43 % and 74 % of the agricultural area is connected to surface w
         aters via hydraulic shortcuts. On the national level, this fraction is simil
         ar and lies between 47 % and 60 %. Considering our empirical observation
         s led to shifts in estim...
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         mit Pflanzenschutzmitteln
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         uf, dessen Entwässerung oft direkt in Oberflächengewässer führt. Es wirk
         t damit als hydraulischer Kurzschluss und als Transportpfad für Pflanzensch
         utzmittel (PSM). Felduntersuchungen und Modellrechnungen zeigen, dass gleich
          viel Ackerfläche über Kurzschlüsse mit einem Gewässer verbunden ist wie
          direkt angeschlossen ist. Zusätzlich wurden bedeutende PSM-Konzentrationen
          in Kurzschlüssen gemessen. Das weist darauf hin, dass Kurzschlüsse erhebl
         ich zur Belastung der Schweizer Gewässer mit PSM beitragen.
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Schönenberger, U. T.; Beck, B.; Dax, A.; Vogler, B.; Stamm, C. (2022) Pesticide concentrations in agricultural storm drainage inlets of a small Swiss catchment, Environmental Science and Pollution Research, 29, 43966-43983, doi:10.1007/s11356-022-18933-5, Institutional Repository
Schönenberger, U. T.; Simon, J.; Stamm, C. (2022) Are spray drift losses to agricultural roads more important for surface water contamination than direct drift to surface waters?, Science of the Total Environment, 809, 151102 (12 pp.), doi:10.1016/j.scitotenv.2021.151102, Institutional Repository
Schönenberger, U.; Stamm, C. (2021) Hydraulic shortcuts increase the connectivity of arable land areas to surface waters, Hydrology and Earth System Sciences, 25(4), 1727-1746, doi:10.5194/hess-25-1727-2021, Institutional Repository
Schönenberger, U.; Dax, A.; Singer, H.; Stamm, C. (2020) Hydraulische Kurzschlüsse. Hohe Bedeutung für die Belastung der Gewässer mit Pflanzenschutzmitteln, Aqua & Gas, 100(11), 65-71, Institutional Repository