Zugl.: Hohenheim, Univ., Diss., 2002. / Zusammenfassung auch in Deutsch.

Thesis (doctoral)--Universität Hohenheim, 2001.

Zugl.: Hohenheim, Universiẗat, Diss., 2007.

Zugl.: Wien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2005

Die im ökologischen Pflanzenbau oftmals durchgeführte Grundbodenbearbeitung mit dem Pflug wird genutzt, um Unkräuter und Krankheitserreger möglichst wirksam zu regulieren, zusätzlich soll die Mineralisierung von Stickstoff im Boden angeregt werden. Eine intensive Bodenbearbeitung mit dem Pflug birgt jedoch ein erhöhtes Risiko der Bodenerosion durch Wind sowie Wasser, zudem wird die Bildung von Bodenverdichtungen im Wurzelbereich der angebauten Kulturpflanze gefördert. Der Einsatz des Pfluges führt zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch bei den einge-setzten Zugfahrzeugen, zusätzlich steigt der Arbeitszeitbedarf. Der vorliegende Versuch im ökologischen Landbau beschäftige sich mit den Effekten einer reduzierten Bodenbearbeitung mit dem Grubber und Direktsaat im Vergleich zu einer wendenden Bearbeitung mit Pflug auf Ertragsbildung, Unkrautwachstum und Stickstoffflüsse im Fruchtfolgeglied Erbse und Winterweizen. Hierzu erfolgte die Anlage eines Feldversuches am Standort Pinkowitz bei Dresden (Parabraunerde aus Löss, 55 Bodenpunkte) in einer 2- (Erbse) bzw. 3-faktoriellen (Weizen) Spaltanlage in den Jahren 2009 und 2010. Die Körnererbse wurde am 19.04.09 bzw. 08.04.10 nach einer Grundbodenbearbeitung mit dem Pflug bzw. Grubber oder in Direktsaat eingesät. Eine Woche später erfolgte die Einsaat einer Untersaat mit Erdklee zur Gründüngung in der Hälfte der Parzellen. Am 26.10.09 bzw. 23.10.10 wurde Winterweizen analog zu den Saatsystemen zur Körnererbse (Pflug/Grubber/Direktsaat), jedoch im 90 Grad Winkel versetzt zur Einsaat der Erbse, eingesät. In einem Teilversuch wurde mittels 15N-Isotopenanreicherung von Erdklee-sprossmasse die Verfügbarkeit des Stickstoffes aus der Sprossmasse des Erdklees im Winterweizen quantifiziert. Ziel der Versuche war es die Effekte des Anbaus von Erbsen und Weizen bei konservierender Bodenbearbeitung im ökologischen Pflanzenbau im Vergleich zu einer intensiven Bodenbearbeitung zu identifizieren und daraus Strategien für einen verstärkten Einsatz von reduzierter Bodenbearbeitung und Direktsaat abzuleiten.   Es erfolgte die Erhebung der Sprosstrockenmasse von Erbse, Erdklee und Unkraut zu BBCH 20, 65 und 89, sowie vor der Saat des Weizens. Die Sprossmasse des Weizens und des Unkrautes erfolgte zu den BBCH-Stadien 39, 59 und 89 des Weizens. Zusätzlich wurden in beiden Kulturen zur Druschreife eine Beerntung per Hand und ein Kernparzellendrusch durchgeführt. Zeitnah zur Entnahme von Pflanzenproben fand eine Entnahme von Bodenproben zur Bestimmung des Nmin-Vorrates im Boden statt. Zudem erfolgten Erhebungen zur Bodentemperatur, der Lagerungsdichte des Bodens im Saathorizont und der Bodenfeuchte. Aus den gewonnenen Daten konnten mehrere Indizes und Kennzahlen zur Ertragsbildung und Stickstoffversorgung der angebauten Kulturpflanzen errechnet werden. Die Ertragsleistung der Körnererbse war nach einer reduzierten Bodenbearbeitung leicht, jedoch nicht signifikant vermindert. Auch eine Einsaat der Erbse in Direktsaat hatte lediglich in einem Versuchsjahr eine signifikante Minderung des Kornertrages zu Folge. Die Keimung des Erbsensaatgutes war nach Einsaat in Direktsaat beeinträchtigt und die Erbse konnte diesen verminderten Feldaufgang nicht kompensieren. Die verringerte Fähigkeit der Erbse zur Kompensation geringer Feldaufgänge wurde durch eine hohe Unkrautsprossmasse, einen geringen Stickstoffversorgungsindex der Erbse zur Blüte sowie einer hohen Lagerungsdichte des Bodens außerhalb des Säschlitzes verursacht. Um auch unter Direktsaat-bedingungen höhere Kornerträge zu erzielen müssen die genauen Ursachen für den geringen Feldaufgang ermittelt werden, da sich im vorliegenden lediglich Anhaltspunkte wie eine ungenaue Saatgutablege und ein verstärktes Auftreten von Pflanzenkrankheiten dafür ergeben haben. Die Folgekultur Winterweizen war nach einer Saat in Direktsaat im Vergleich zu Pflug und Grubber in der Ertragsbildung massiv beeinträchtigt. Wurde die Vorfrucht Erbse in Direktsaat gesät, zeigte sich ein leicht negativer Effekt auf den Kornertrag des Weizens unabhängig davon, ob die Folgefrucht Weizen nach einer Bodenbearbeitung mit Pflug und Grubber oder in Direktsaat gesät wurde. Eine einmalige Anwendung von Direktsaat bei Erbse war im vorliegenden Versuch auch unter den Bedingungen des ökologischen Landbaus gut möglich, die Ertragsrückgang betrug 13,3 % in 2009 bzw. 26,2 % in 2010. Die Untersaat Erdklee reduzierte das Wachstum des Unkrautes in allen Varianten der Bodenbearbeitung und konkurrenzierte die Deckfrucht lediglich schwach, so dass in 2009 eine Minderung des Kornertrages um 1,1 dt ha-1 in 2010 um 4,6 dt ha-1 verzeichnet wurde. Die Beurteilung der Umsetzungsprozesse des Stickstoffes aus der Erdkleesprossmasse mittels 15N-Spurenanreicherung von Winterweizen über das Aufbringen von angereichertem Erdkleesprossmaterial war in jeder Variante der Bodenbearbeitung sicher möglich. Die Aufnahme von Stickstoff aus der Erdklee-sprossmasse durch den Winterweizen ging mit Rücknahme der Bodenbearbeitungs-intensität zurück, so stammten zur Abreife des Weizens nach einer Pflugsaat 13,0 % des Stickstoffes im Spross des Weizens aus der Sprossmasse des Erdklees, nach Grubber bzw. Direktsaat betrug dieser Anteil 8,6 % bzw. 8,5 %. Die Mineralisierung des Stickstoffes aus der Erdkleesprossmasse hielt jedoch nach konservierender Bodenbearbeitung insgesamt nicht lange an, so dass keine Steigerung der Korn-proteingehalte über eine zusätzliche Bereitstellung von Stickstoff während der Kornfüllungsphase erzielt werden konnte.

Die im ökologischen Pflanzenbau oftmals durchgeführte Grundbodenbearbeitung mit dem Pflug wird genutzt, um Unkräuter und Krankheitserreger möglichst wirksam zu regulieren, zusätzlich soll die Mineralisierung von Stickstoff im Boden angeregt werden. Eine intensive Bodenbearbeitung mit dem Pflug birgt jedoch ein erhöhtes Risiko der Bodenerosion durch Wind sowie Wasser, zudem wird die Bildung von Bodenverdichtungen im Wurzelbereich der angebauten Kulturpflanze gefördert. Der Einsatz des Pfluges führt zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch bei den einge-setzten Zugfahrzeugen, zusätzlich steigt der Arbeitszeitbedarf. Der vorliegende Versuch im ökologischen Landbau beschäftige sich mit den Effekten einer reduzierten Bodenbearbeitung mit dem Grubber und Direktsaat im Vergleich zu einer wendenden Bearbeitung mit Pflug auf Ertragsbildung, Unkrautwachstum und Stickstoffflüsse im Fruchtfolgeglied Erbse und Winterweizen. Hierzu erfolgte die Anlage eines Feldversuches am Standort Pinkowitz bei Dresden (Parabraunerde aus Löss, 55 Bodenpunkte) in einer 2- (Erbse) bzw. 3-faktoriellen (Weizen) Spaltanlage in den Jahren 2009 und 2010. Die Körnererbse wurde am 19.04.09 bzw. 08.04.10 nach einer Grundbodenbearbeitung mit dem Pflug bzw. Grubber oder in Direktsaat eingesät. Eine Woche später erfolgte die Einsaat einer Untersaat mit Erdklee zur Gründüngung in der Hälfte der Parzellen. Am 26.10.09 bzw. 23.10.10 wurde Winterweizen analog zu den Saatsystemen zur Körnererbse (Pflug/Grubber/Direktsaat), jedoch im 90 Grad Winkel versetzt zur Einsaat der Erbse, eingesät. In einem Teilversuch wurde mittels 15N-Isotopenanreicherung von Erdklee-sprossmasse die Verfügbarkeit des Stickstoffes aus der Sprossmasse des Erdklees im Winterweizen quantifiziert. Ziel der Versuche war es die Effekte des Anbaus von Erbsen und Weizen bei konservierender Bodenbearbeitung im ökologischen Pflanzenbau im Vergleich zu einer intensiven Bodenbearbeitung zu identifizieren und daraus Strategien für einen verstärkten Einsatz von reduzierter Bodenbearbeitung und Direktsaat abzuleiten.   Es erfolgte die Erhebung der Sprosstrockenmasse von Erbse, Erdklee und Unkraut zu BBCH 20, 65 und 89, sowie vor der Saat des Weizens. Die Sprossmasse des Weizens und des Unkrautes erfolgte zu den BBCH-Stadien 39, 59 und 89 des Weizens. Zusätzlich wurden in beiden Kulturen zur Druschreife eine Beerntung per Hand und ein Kernparzellendrusch durchgeführt. Zeitnah zur Entnahme von Pflanzenproben fand eine Entnahme von Bodenproben zur Bestimmung des Nmin-Vorrates im Boden statt. Zudem erfolgten Erhebungen zur Bodentemperatur, der Lagerungsdichte des Bodens im Saathorizont und der Bodenfeuchte. Aus den gewonnenen Daten konnten mehrere Indizes und Kennzahlen zur Ertragsbildung und Stickstoffversorgung der angebauten Kulturpflanzen errechnet werden. Die Ertragsleistung der Körnererbse war nach einer reduzierten Bodenbearbeitung leicht, jedoch nicht signifikant vermindert. Auch eine Einsaat der Erbse in Direktsaat hatte lediglich in einem Versuchsjahr eine signifikante Minderung des Kornertrages zu Folge. Die Keimung des Erbsensaatgutes war nach Einsaat in Direktsaat beeinträchtigt und die Erbse konnte diesen verminderten Feldaufgang nicht kompensieren. Die verringerte Fähigkeit der Erbse zur Kompensation geringer Feldaufgänge wurde durch eine hohe Unkrautsprossmasse, einen geringen Stickstoffversorgungsindex der Erbse zur Blüte sowie einer hohen Lagerungsdichte des Bodens außerhalb des Säschlitzes verursacht. Um auch unter Direktsaat-bedingungen höhere Kornerträge zu erzielen müssen die genauen Ursachen für den geringen Feldaufgang ermittelt werden, da sich im vorliegenden lediglich Anhaltspunkte wie eine ungenaue Saatgutablege und ein verstärktes Auftreten von Pflanzenkrankheiten dafür ergeben haben. Die Folgekultur Winterweizen war nach einer Saat in Direktsaat im Vergleich zu Pflug und Grubber in der Ertragsbildung massiv beeinträchtigt. Wurde die Vorfrucht Erbse in Direktsaat gesät, zeigte sich ein leicht negativer Effekt auf den Kornertrag des Weizens unabhängig davon, ob die Folgefrucht Weizen nach einer Bodenbearbeitung mit Pflug und Grubber oder in Direktsaat gesät wurde. Eine einmalige Anwendung von Direktsaat bei Erbse war im vorliegenden Versuch auch unter den Bedingungen des ökologischen Landbaus gut möglich, die Ertragsrückgang betrug 13,3 % in 2009 bzw. 26,2 % in 2010. Die Untersaat Erdklee reduzierte das Wachstum des Unkrautes in allen Varianten der Bodenbearbeitung und konkurrenzierte die Deckfrucht lediglich schwach, so dass in 2009 eine Minderung des Kornertrages um 1,1 dt ha-1 in 2010 um 4,6 dt ha-1 verzeichnet wurde. Die Beurteilung der Umsetzungsprozesse des Stickstoffes aus der Erdkleesprossmasse mittels 15N-Spurenanreicherung von Winterweizen über das Aufbringen von angereichertem Erdkleesprossmaterial war in jeder Variante der Bodenbearbeitung sicher möglich. Die Aufnahme von Stickstoff aus der Erdklee-sprossmasse durch den Winterweizen ging mit Rücknahme der Bodenbearbeitungs-intensität zurück, so stammten zur Abreife des Weizens nach einer Pflugsaat 13,0 % des Stickstoffes im Spross des Weizens aus der Sprossmasse des Erdklees, nach Grubber bzw. Direktsaat betrug dieser Anteil 8,6 % bzw. 8,5 %. Die Mineralisierung des Stickstoffes aus der Erdkleesprossmasse hielt jedoch nach konservierender Bodenbearbeitung insgesamt nicht lange an, so dass keine Steigerung der Korn-proteingehalte über eine zusätzliche Bereitstellung von Stickstoff während der Kornfüllungsphase erzielt werden konnte.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Stand des Wissens 2.1 Effekte verschiedener Intensitäten der Bodenbearbeitung 2.2 Direktsaatversuche im ökologischen Landbau 2.3 Untersaat 2.4 N-Transfer aus der Untersaat in die Folgefrucht 3 Material und Methoden 3.1 Standorteigenschaften und Witterung 3.2 Versuchsaufbau 3.3 Probennahme und Probenaufarbeitung 3.4 Statistische Analysen 4 Ergebnisse 4.1 Zwischenfrucht 4.2 Erbse 4.2.1 Auflaufen der Erbse 4.2.2 Bestandsentwicklung und Kornertrag der Erbse 4.2.3 Harvest-Indizes und Stickstoffakkumulation 4.2.4 N-Aufnahme der Sommergerste 4.3 Winterweizen 4.3.1 Etablierung des Winterweizens 4.3.2 Bestandsentwicklung und Kornertrag des Winterweizens 4.3.3 Harvest-Indizes und Kornproteingehalt des Winterweizens 4.3.4 Nmin unter Winterweizen 4.4 Stickstoffaufnahme des Weizens aus 15N-markiertem Erdklee 5 Diskussion 5.1 Ertragsleistung Erbse 5.2 Ertragsleistung Winterweizen 5.3 Legume Untersaat Erdklee 5.4 15N-Anreicherung 6 Zusammenfassung 7 Literaturverzeichnis 8. Anhang Versicherung

The process based soil erosion simulation model EROSION 3D is applied on regional scale for the federal state of Saxony/Germany. This survey is aimed on modeling soil loss, sediment transport, deposition resp. the input of particle attached nutrient and pollutant input into surface water bodies for 10years storm event and three land use scenarios. The available region-wide geo-data were preprocessed to be used in the parameterization interface DPROC. This software has been extended to parameterize large areas as well as small catchments. The basis of parameterization is a relational data base consisting of measured or estimated specific model soil parameters. These values have been derived by heavy rainfall simulation experiments below field conditions. The data base has been extended by the new results, which cover different soil tillage practices. The new experiments were conducted with a newly developed methodology. The experimental results show a significant relation of soil loss from the mechanical impact due to soil tillage. Only the non-tillage practice is able to protect soils efficiently from erosional soil losses. In order to describe particle attached nutrient and pollutant transport, soil samples were analyzed determining the element content of different particle fractions. The regional scale simulations identify the Saxonian Loess Belt as hotspot of soil erosion. However considerable amounts can also be expected in certain areas of the low mountain range. Particle attached element inputs into surface water bodies correspond to main sediment delivery areas. The amounts of erosional soil losses could be reduced to 90 % in case of consequently and area-wide transformation to conservation tillage practices. The calculated phosphorous inputs into surface waters on catchment scale are proofed to be valid. Compared to empirical based phosphorous and heavy metal yields the results in this study exceed this findings by a wide range. The differences are caused by lacking an event based consideration, which disregards system maximal impacts. Since erosion is an exclusive non continuous process, those maximal impacts are highly relevant and have to be considered in case of planning and execution of erosion and water protection concepts. / In der vorliegenden Arbeit wird das prozessbasierte Erosionsprognosemodell EROSION 3D flächendeckend auf regionaler Ebene für den Freistaat Sachsen angewendet. Ziel der Untersuchungen ist es, Bodenabtrag, Sedimenttransport und -deposition bzw. den Eintrag partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe in Oberflächengewässer für ein 10jähriges Starkniederschlagsereignis und drei verschiedene Landnutzungsszenarien zu beschreiben. Dazu wurden im Vorfeld verfügbare Geo-Basisdaten so aufbereitet, dass sie für die semiautomatische Parametrisierung mit der Software DPROC verwendet werden können. Diese Software wurde so erweitert, dass sowohl größere Einzugsgebiete als auch einzelne Teileinzugsgebiete parametrisiert werden können. Grundlage der Parametrisierung bildet eine relationale Datenbank, die auf Messwerten bzw. davon abgeleiteten Schätzwerten aus Starkregenexperimenten unter Feldbedingungen basiert. Der vorhandene Datenfundus wurde durch neue Ergebnisse zu verschiedenen Verfahren der ackerbaulichen Bodenbearbeitung mittels neu entwickelter Methodik korrigiert und erweitert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Feststoffaustrages von der Eingriffsintensität bei der Bodenbearbeitung. Dabei ist die Direktsaat die einzige Bewirtschaftungsform, die den Boden effektiv vor Erosion schützt. Um den selektiven partikelgebundenen Nähr- und Schadstofftransport prozessbasiert abzuschätzen, wurden die Stoffgehalte für die Partikelfraktionen Sand, Schluff und Ton an Bodenproben bestimmt. Die regionalskalierten Simulationen identifizieren die sächsische Lössregion als Schwerpunkt der Bodenerosion in Sachsen. Beträchtliche Bodenabträge sind darüber hinaus in den sächsischen Mittelgebirgen zu erwarten. Partikelgebundene Stoffeinträge in Oberflächengewässer verteilen sich in Abhängigkeit von den Sedimentliefergebieten. Die Bodenumlagerungsprozesse einschließlich der damit verbundenen partikelgebundenen Stoffeinträge lassen sich bei konsequenter Umstellung auf konservierende Bewirtschaftungsmethoden entsprechend den Modellergebnissen um mehr als 90 % reduzieren. Im Rahmen der Modellvalidierung konnte die Zuverlässigkeit der berechneten Phosphorausträge auf Einzugsgebietsebene belegt werden. Verglichen mit empirisch basierten mittleren jährlichen Abschätzungen sind die in dieser Arbeit berechneten ereignisbezogenen Phosphor- und Schwermetallausträge um ein Vielfaches höher. Zurückzuführen sind diese Unterschiede vor allem darauf, dass bei den rein empirischen Ansätzen, die maximale Belastungsspitzen unberücksichtigt bleiben. Da Erosion stets ein diskontinuierlicher Prozess ist, sind diese Belastungsspitzen im höchsten Maße relevant und bei der Planung und Durchführung von Erosions- und Gewässerschutzkonzepten unbedingt zu berücksichtigen.

The process based soil erosion simulation model EROSION 3D is applied on regional scale for the federal state of Saxony/Germany. This survey is aimed on modeling soil loss, sediment transport, deposition resp. the input of particle attached nutrient and pollutant input into surface water bodies for 10years storm event and three land use scenarios. The available region-wide geo-data were preprocessed to be used in the parameterization interface DPROC. This software has been extended to parameterize large areas as well as small catchments. The basis of parameterization is a relational data base consisting of measured or estimated specific model soil parameters. These values have been derived by heavy rainfall simulation experiments below field conditions. The data base has been extended by the new results, which cover different soil tillage practices. The new experiments were conducted with a newly developed methodology. The experimental results show a significant relation of soil loss from the mechanical impact due to soil tillage. Only the non-tillage practice is able to protect soils efficiently from erosional soil losses. In order to describe particle attached nutrient and pollutant transport, soil samples were analyzed determining the element content of different particle fractions. The regional scale simulations identify the Saxonian Loess Belt as hotspot of soil erosion. However considerable amounts can also be expected in certain areas of the low mountain range. Particle attached element inputs into surface water bodies correspond to main sediment delivery areas. The amounts of erosional soil losses could be reduced to 90 % in case of consequently and area-wide transformation to conservation tillage practices. The calculated phosphorous inputs into surface waters on catchment scale are proofed to be valid. Compared to empirical based phosphorous and heavy metal yields the results in this study exceed this findings by a wide range. The differences are caused by lacking an event based consideration, which disregards system maximal impacts. Since erosion is an exclusive non continuous process, those maximal impacts are highly relevant and have to be considered in case of planning and execution of erosion and water protection concepts.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI Symbole und Einheiten XIII Zusammenfassung XV Abstract XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 1.3 Stand der Forschung 6 1.3.1 Prozesse und Skalen der Bodenerosion 6 1.3.2 Einflussgrößen der Bodenerosion 8 1.3.3 Erosionsschäden 13 1.3.4 Gesetzliche Regelungen zum Erosionsschutz 15 1.3.5 Erosionsmodellierung 16 1.3.6 Niederschlagssimulationen zur Parametererfassung 25 1.3.7 Kornfraktionsspezifische Verteilung partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe 27 2 Material und Methoden 30 2.1 Untersuchungsgebiet 30 2.1.1 Allgemeine Charakteristik 30 2.1.2 Flächennutzung 31 2.1.3 Boden und Relief 31 2.1.4 Gewässer 33 2.1.5 Klima 34 2.1.6 Planungsebenen 34 2.2 Simulationsmodell EROSION 3D 36 2.2.1 Modellgrundlagen 36 2.2.2 Modellalgorithmen 39 2.2.3 Modellparameter 48 2.3 Parametrisierungsinterface DPROC 50 2.3.1 Programmgrundlagen 50 2.3.2 Datenbank 51 2.3.3 Flächenauswahl und Datenzuschnitt 53 2.4 Experimentelle Untersuchungen 56 2.4.1 Untersuchungsstandorte 56 2.4.2 Durchführung von Erosionsexperimenten mit Starkregensimulation 59 2.4.3 Parameterableitung 62 2.4.4 Korrektur- und Erweiterung der DPROC-Datenbank 65 2.5 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer 68 2.5.1 Regionalisierung und Validierung amtlicher Datenquellen 68 2.5.2 Probenahmen und Laboranalysen 68 2.5.3 Bestimmung der kornfraktionsspezifischen Phosphor- und Schwermetallgehalte 70 2.5.4 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer unter Verwendung der Simulationsergebnisse 71 2.6 Statistische Auswertung der experimentellen Daten 73 2.7 GIS-Daten und Datenaufbereitung 74 2.7.1 Reliefdaten 74 2.7.2 Bodendaten 75 2.7.3 Landnutzung und Bodenbearbeitung 75 2.7.4 Niederschlagsdaten 77 2.7.5 Andere Flächendaten 78 2.8 Simulationsrechnungen 79 2.8.1 Aufteilung in Untereinheiten 79 2.8.2 Szenarien 79 2.9 Risikoabschätzung 81 2.9.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 81 2.9.2 Oberflächengewässer 82 2.10 Modellvalidierung 84 2.10.1 Gebietsauswahl und Gebietscharakteristik 84 2.10.2 Datengrundlagen der Modellvalidierung 85 2.10.3 Modellparametrisierung 86 3 Ergebnisse 90 3.1 Experimentelle Ergebnisse 90 3.1.1 Starkregensimulationen 90 3.1.2 Ableitung sachsenweiter kornfraktionsspezifischer Stoffgehalte 91 3.2 Ergebnisse aus GIS-Operationen 98 3.2.1 Reliefdaten 98 3.2.2 Landnutzungsdaten 98 3.2.3 Andere GIS-Daten 99 3.3 Ergebnisse aus Simulationsrechnungen 105 3.3.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 105 3.3.2 Oberflächengewässer 112 3.4 Ergebnisse zur Modellvalidierung 126 3.4.1 Aus Messdaten abgeleitete Ergebnisse 126 3.4.2 Simulationsrechnungen zur Modellvalidierung 130 4 Diskussion 132 4.1 Experimentelle Ergebnisse 132 4.1.1 Messdaten 132 4.1.2 Abgeleitete Daten 135 4.1.3 Zusammenfassende Bewertung der experimentellen Daten 141 4.1.4 Kornfraktionsspezifische Stoffgehalte und -verteilungen 142 4.2 GIS-Daten 145 4.2.1 Reliefdaten 145 4.2.2 Bodendaten 145 4.2.3 Landnutzungsdaten 146 4.2.4 Regionalisierte Stoffgehalte 147 4.3 Weiterentwicklung und Korrektur der DPROC-Datenbank 149 4.4 Modellvalidierung 153 4.5 Simulationsrechnungen 156 4.5.1 Bodenabtrag und Deposition 156 4.5.2 Sediment- und partikelgebundener Stofftransport 163 5 Schlussfolgerung 170 6 Literatur 176 Anhang II A I Erosionsmodelle i A II DPROC-Übersetzungstabellen ii A III GIS-Daten viii A IV Interpolierte Oberboden-Schwermetallgehalte xii A V Daten der Starkregensimulationen xix A VI Elementgehalte der Bodenproben lxi A VII Simulationsrechnungen lxxi / In der vorliegenden Arbeit wird das prozessbasierte Erosionsprognosemodell EROSION 3D flächendeckend auf regionaler Ebene für den Freistaat Sachsen angewendet. Ziel der Untersuchungen ist es, Bodenabtrag, Sedimenttransport und -deposition bzw. den Eintrag partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe in Oberflächengewässer für ein 10jähriges Starkniederschlagsereignis und drei verschiedene Landnutzungsszenarien zu beschreiben. Dazu wurden im Vorfeld verfügbare Geo-Basisdaten so aufbereitet, dass sie für die semiautomatische Parametrisierung mit der Software DPROC verwendet werden können. Diese Software wurde so erweitert, dass sowohl größere Einzugsgebiete als auch einzelne Teileinzugsgebiete parametrisiert werden können. Grundlage der Parametrisierung bildet eine relationale Datenbank, die auf Messwerten bzw. davon abgeleiteten Schätzwerten aus Starkregenexperimenten unter Feldbedingungen basiert. Der vorhandene Datenfundus wurde durch neue Ergebnisse zu verschiedenen Verfahren der ackerbaulichen Bodenbearbeitung mittels neu entwickelter Methodik korrigiert und erweitert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Feststoffaustrages von der Eingriffsintensität bei der Bodenbearbeitung. Dabei ist die Direktsaat die einzige Bewirtschaftungsform, die den Boden effektiv vor Erosion schützt. Um den selektiven partikelgebundenen Nähr- und Schadstofftransport prozessbasiert abzuschätzen, wurden die Stoffgehalte für die Partikelfraktionen Sand, Schluff und Ton an Bodenproben bestimmt. Die regionalskalierten Simulationen identifizieren die sächsische Lössregion als Schwerpunkt der Bodenerosion in Sachsen. Beträchtliche Bodenabträge sind darüber hinaus in den sächsischen Mittelgebirgen zu erwarten. Partikelgebundene Stoffeinträge in Oberflächengewässer verteilen sich in Abhängigkeit von den Sedimentliefergebieten. Die Bodenumlagerungsprozesse einschließlich der damit verbundenen partikelgebundenen Stoffeinträge lassen sich bei konsequenter Umstellung auf konservierende Bewirtschaftungsmethoden entsprechend den Modellergebnissen um mehr als 90 % reduzieren. Im Rahmen der Modellvalidierung konnte die Zuverlässigkeit der berechneten Phosphorausträge auf Einzugsgebietsebene belegt werden. Verglichen mit empirisch basierten mittleren jährlichen Abschätzungen sind die in dieser Arbeit berechneten ereignisbezogenen Phosphor- und Schwermetallausträge um ein Vielfaches höher. Zurückzuführen sind diese Unterschiede vor allem darauf, dass bei den rein empirischen Ansätzen, die maximale Belastungsspitzen unberücksichtigt bleiben. Da Erosion stets ein diskontinuierlicher Prozess ist, sind diese Belastungsspitzen im höchsten Maße relevant und bei der Planung und Durchführung von Erosions- und Gewässerschutzkonzepten unbedingt zu berücksichtigen.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI Symbole und Einheiten XIII Zusammenfassung XV Abstract XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 1.3 Stand der Forschung 6 1.3.1 Prozesse und Skalen der Bodenerosion 6 1.3.2 Einflussgrößen der Bodenerosion 8 1.3.3 Erosionsschäden 13 1.3.4 Gesetzliche Regelungen zum Erosionsschutz 15 1.3.5 Erosionsmodellierung 16 1.3.6 Niederschlagssimulationen zur Parametererfassung 25 1.3.7 Kornfraktionsspezifische Verteilung partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe 27 2 Material und Methoden 30 2.1 Untersuchungsgebiet 30 2.1.1 Allgemeine Charakteristik 30 2.1.2 Flächennutzung 31 2.1.3 Boden und Relief 31 2.1.4 Gewässer 33 2.1.5 Klima 34 2.1.6 Planungsebenen 34 2.2 Simulationsmodell EROSION 3D 36 2.2.1 Modellgrundlagen 36 2.2.2 Modellalgorithmen 39 2.2.3 Modellparameter 48 2.3 Parametrisierungsinterface DPROC 50 2.3.1 Programmgrundlagen 50 2.3.2 Datenbank 51 2.3.3 Flächenauswahl und Datenzuschnitt 53 2.4 Experimentelle Untersuchungen 56 2.4.1 Untersuchungsstandorte 56 2.4.2 Durchführung von Erosionsexperimenten mit Starkregensimulation 59 2.4.3 Parameterableitung 62 2.4.4 Korrektur- und Erweiterung der DPROC-Datenbank 65 2.5 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer 68 2.5.1 Regionalisierung und Validierung amtlicher Datenquellen 68 2.5.2 Probenahmen und Laboranalysen 68 2.5.3 Bestimmung der kornfraktionsspezifischen Phosphor- und Schwermetallgehalte 70 2.5.4 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer unter Verwendung der Simulationsergebnisse 71 2.6 Statistische Auswertung der experimentellen Daten 73 2.7 GIS-Daten und Datenaufbereitung 74 2.7.1 Reliefdaten 74 2.7.2 Bodendaten 75 2.7.3 Landnutzung und Bodenbearbeitung 75 2.7.4 Niederschlagsdaten 77 2.7.5 Andere Flächendaten 78 2.8 Simulationsrechnungen 79 2.8.1 Aufteilung in Untereinheiten 79 2.8.2 Szenarien 79 2.9 Risikoabschätzung 81 2.9.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 81 2.9.2 Oberflächengewässer 82 2.10 Modellvalidierung 84 2.10.1 Gebietsauswahl und Gebietscharakteristik 84 2.10.2 Datengrundlagen der Modellvalidierung 85 2.10.3 Modellparametrisierung 86 3 Ergebnisse 90 3.1 Experimentelle Ergebnisse 90 3.1.1 Starkregensimulationen 90 3.1.2 Ableitung sachsenweiter kornfraktionsspezifischer Stoffgehalte 91 3.2 Ergebnisse aus GIS-Operationen 98 3.2.1 Reliefdaten 98 3.2.2 Landnutzungsdaten 98 3.2.3 Andere GIS-Daten 99 3.3 Ergebnisse aus Simulationsrechnungen 105 3.3.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 105 3.3.2 Oberflächengewässer 112 3.4 Ergebnisse zur Modellvalidierung 126 3.4.1 Aus Messdaten abgeleitete Ergebnisse 126 3.4.2 Simulationsrechnungen zur Modellvalidierung 130 4 Diskussion 132 4.1 Experimentelle Ergebnisse 132 4.1.1 Messdaten 132 4.1.2 Abgeleitete Daten 135 4.1.3 Zusammenfassende Bewertung der experimentellen Daten 141 4.1.4 Kornfraktionsspezifische Stoffgehalte und -verteilungen 142 4.2 GIS-Daten 145 4.2.1 Reliefdaten 145 4.2.2 Bodendaten 145 4.2.3 Landnutzungsdaten 146 4.2.4 Regionalisierte Stoffgehalte 147 4.3 Weiterentwicklung und Korrektur der DPROC-Datenbank 149 4.4 Modellvalidierung 153 4.5 Simulationsrechnungen 156 4.5.1 Bodenabtrag und Deposition 156 4.5.2 Sediment- und partikelgebundener Stofftransport 163 5 Schlussfolgerung 170 6 Literatur 176 Anhang II A I Erosionsmodelle i A II DPROC-Übersetzungstabellen ii A III GIS-Daten viii A IV Interpolierte Oberboden-Schwermetallgehalte xii A V Daten der Starkregensimulationen xix A VI Elementgehalte der Bodenproben lxi A VII Simulationsrechnungen lxxi