An important factor in the release of phosphorus by soil erosion, with corresponding consequences on the quality of surface waters, is the formation of aggregates and their stability. Around the eutrophic Lake Hallwil six arable lands were examined in five repetitions regarding aggregate and particle size distribution, P-contents of the different fractions and aggregate stability. Central to this was the use of the setting column for fractionation of soil samples. In the case of Lake Hallwil the risk of phosphorus discharges by soil erosion seems low since the phosphorus is mainly bound in aggregates which are transported over short distances only. Thus other pathways (runoff from grassland, leaching via drains) may be more important.
Die übermässige Belastung der Schweizer Mittellandseen mit Phosphor (P) stellt seit Jahren ein grosses Problem dar, da es sich um einen limitierenden Nährstoff handelt. Folgen eines Überschusses dieses Nährstoffs können Algenblüten, Sauerstoffmangel und infolge dessen Fischsterben sein. Für die Belastung verantwortlich gemacht wird insbesondere die Landwirtschaft wegen Drainagen, Bodenerosion und der Nährstoffabschwemmung von Grasland (Prasuhn, 2010).
Im Hallwilersee liegt eine übermässige P-Belastung während über 100 Jahren vor. See-externe Massnahmen wie die Abwasserreinigung und der finanzielle Anreiz für Landwirte zur Reduktion der P-Düngung im Rahmen des Phosphorprojekts der Kantone Aargau und Luzern stellen wichtige Werkzeuge zur Gesundung des Hallwilersees dar. Die jährliche P-Belastung des Sees konnte von rund 16 t P Mitte der 1970er Jahre auf 3.5 t P im Jahr 2008 reduziert werden (Stöckli, 2010). Als see-interne Massnahme wird der See seit 1986 künstlich belüftet. Im Winter wird Druckluft als Zirkulationshilfe und im Sommer Sauerstoff zur Belüftung ins Tiefenwasser gepumpt.
Innerhalb des Einzugsgebiets des Hallwilersees wurden sechs Ackerböden auf ihre Phosphorkonzentration untersucht. Das Ziel bestand darin, den Boden mittels Setzsäule in unterschiedliche Aggregatklassen zu fraktionieren und damit das Risiko für den Austrag von C und P in Vorfluter und Seen abzuschätzen. Es wird angenommen, dass der P-Eintrag in den Hallwilersee nur zu einem kleinen Teil aus der Erosion landwirtschaftlich genutzter Flächen stammt. Der Hauptteil wird in der Abschwemmung von Gülle und Dünger von Landwirtschaftsflächen vermutet.
Das Untersuchungsgebiet befindet sich im Schweizer Mittelland rund um den
Hallwilersee. Das Mittelland ist sowohl die bevölkerungsstärkste
Region der Schweiz, als auch der wirtschaftliche Schwerpunkt des Landes. Es
bildet den wichtigsten Siedlungs- und Landwirtschaftsraum der Schweiz. Aus
diesem Grund sind rund um den Hallwilersee, welcher eine Fläche von
10.29 km
Geologisch betrachtet liegt das Mittelland im Bereich des Molassemeeres, wodurch hauptsächlich Gesteine wie Nagelfluh, Mergel und Sandsteine zu finden sind. Überprägt wurde das ganze Gebiet durch die Vergletscherung. Während des Pleistozäns waren grosse Teile des Mittellands von Gletschern bedeckt, welche sich mehrfach ausdehnten und wieder zurückzogen. Das Gebiet des Hallwilersees war während der Würm-Eiszeit mit einer 600–700 m dicken Eisschicht bedeckt. Noch heute sind zahlreiche Moränen aus unterschiedlichen Phasen der würmzeitlichen Vergletscherung durch den Reussgletscher sichtbar (Annaheim et al., 1958). Die drei grossen Mittellandseen Baldeggersee, Sempachersee und Hallwilersee sind alle nach der letzten Eiszeit aus Toteislöchern entstanden.
Die Böden entwickelten sich in erster Linie aus Moränenmaterial aus der Würmeiszeit. Es handelt sich vorwiegend um Braunerden, Parabraunerden und Gleye, welche grossflächig eine relativ homogene Verteilung aufweisen. Oft handelt es sich um Lehme, welche relativ schlecht durchlässig sind und mit Drainagen entwässert werden (Prasuhn, 2010). Die Mächtigkeit der Böden variiert zwischen mässig tiefgründig bis tiefgründig.
Probestandorte.
Für die Untersuchungen wurden sechs Standorte ausgewählt (Abb. 1), deren Auswahl auf verschiedenen Faktoren basierte. Sie sollten alle in Hanglage sein, dieselbe Vorkultur (in diesem Fall Mais) haben und in den letzten Monaten nicht gedüngt worden sein. Pro Standort wurden fünf Messpunkte (Wiederholungen) definiert, um welche in einem Radius von einem Meter mit einer kleinen Schaufel fünfmal ca. 300 g Oberboden bis zu einer Tiefe von max. 8 cm entnommen wurden. Aufgrund des starken Regens in den Vortagen war der Boden sehr feucht bis nass.
Die Proben wurden im Labor mehrere Tage im Trockenschrank bei 40
Die Proben wurden mittels Setzsäule, deren Prinzip auf dem Stokes'schen
Gesetz basiert, in fünf Klassen fraktioniert. Die verwendeten Setzzeiten
ergeben sich aus den Standard-Siebgrössen für die Nasssiebung:
250, 125, 63 und 32
Die einzelnen Fraktionen wurden getrocknet, ausgewogen und anschliessend für die weiteren Untersuchungen auf P- und C-Gehalt, Korngrössen und Aggregatstabilität verwendet. Die Korngrössenanalyse wurde im aggregierten und im dispergierten Zustand mittels Mastersizer 2000 von Malvern durchgeführt.
Der totale Phosphorgehalt wurde nach der Methode von Saunders und
Williams (1955), verändert nach Gallet et al. (2003) bestimmt.
Es wurden 0.5 g Boden im Muffelofen bei 540
Für die Messung der Aggregatstabilität gibt es aufgrund der
unterschiedlichen Zerfallsmechanismen von Aggregaten diverse Messmethoden.
Für diese Arbeit wurde die von Kemper und Rosenau (1986)
beschriebene „Nasse-Sieb-Methode“ von Eijkelkamp Agrisearch
Equipment gewählt. Das Gerät besteht aus acht Sieben mit einer
Maschengrösse von 250
Es wurden 4 g Boden mit einem Durchmesser von 1–2 mm in die Siebe gegeben und
mittels Sprühflasche angefeuchtet. Anschliessend wurden die Siebe mit
den Aggregaten vollständig in die Behälter eingetaucht. Während
des Siebvorgangs wurden die Siebe 20 min lang mit einer Frequenz von 34
Mal pro Minute auf- und abwärts bewegt. Nach dem Siebvorgang befanden
sich jene Aggregate, welche eine geringe Stabilität aufweisen und
deshalb zerfallen sind, in den Behältern. In den Sieben befanden sich
die stabilen Aggregate. Das Wasser mit den instabilen Aggregaten sowie die
stabilen Aggregate auf dem Sieb wurden je in einen separaten Behälter
gegeben und nach dem Trocknen bei 40
Sowohl bei der Fraktionierung der Aggregate mittels Setzsäule als auch in der Korngrössenverteilung wurden lediglich geringfügige Unterschiede zwischen den einzelnen Flächen gefunden und es ergab sich ein sehr homogenes Bild über alle sechs Untersuchungsflächen.
Prozentualer Gewichtsanteil pro Aggregat- und Korngrössenfraktion mit Standardabweichung.
Abbildung 2 zeigt den prozentualen Gewichtsanteil pro Fraktion. Als Aggregatfraktion gilt der gemessene Wert im aggregierten Zustand, die Korngrössenfraktion stellt den Messwert im dispergierten Zustand dar. Es wurde jeweils der durchschnittliche Gewichtsanteil der einzelnen Fraktionsklassen sowohl für die Aggregate als auch für die Korngrössen über alle Messpunkte und Flächen berechnet. Es ist deutlich zu sehen, dass die Verteilung der Aggregate und jene der Korngrössen gegenläufig sind. Die Verteilung der Aggregate aufgrund der Setzsäulen-Fraktionierung zeigt eine starke Gewichtszunahme mit grösser werdenden Aggregaten. Zwischen 60 und 72 % des Materials setzen sich jeweils während den ersten 40 s ab. Rund 14–17 % haben sich während des zweiten Intervalls von 40 bis 120 s, und 8–13 % des Materials während des dritten Intervalls von 120 bis 600 s gesetzt. Entsprechend gering ist der Gewichtsanteil der feinsten Fraktionen, welche sich zwischen 10 und 30 min respektive nach 30 min gesetzt haben. Diese Fraktionen machen einen Gewichtsanteil von jeweils 3–5 % aus.
Die Gewichtsverteilung der mineralischen Partikel, also der Korngrössen,
zeigt einen gegensätzlichen Verlauf. Während sich die
Gewichtsanteile der Korngrössen-Fraktionen > 32
Anteil der Korngrössen an den Aggregaten. Grössere Korngrössen als Aggregate ergeben sich aus der Bestimmung von Korngrösse und Aggregatsgrösse mit unterschiedlichen Methoden.
Abbildung 3 zeigt die Korngrössenverteilung innerhalb der einzelnen
Aggregatfraktionen, welche mittels Nasssiebung ermittelt wurde. Alle
Fraktionen weisen einen sehr hohen Anteil an Partikeln < 32
P-Konzentration pro Aggregat- und Korngrössenfraktion.
Abbildung 4 zeigt die Verteilung der P-Konzentration in den einzelnen Fraktionen
der Aggregate sowie der mittels Nasssiebung erhobenen Korngrössen. Die
mittlere Gesamt-Phosphor-Konzentration auf den sechs Untersuchungsflächen
bewegt sich zwischen 820 mg P kg
Wird der in Abb. 5 dargestellte prozentuale Gehalt an Phosphor betrachtet,
ist wie bereits bei der Gewichtsverteilung eine gegenläufige Verteilung
der Aggregat- und der Korngrössenfraktionen zu erkennen. Während der
Gehalt bei den Korngrössenfraktionen sowohl vom Gewicht als auch von der
Konzentration beeinflusst wird und eine starke Zunahme des Gehalts mit
abnehmender Korngrösse zu beobachten ist, wird der P-Gehalt bei den
Aggregaten aufgrund der geringen Konzentrationsunterschiede zwischen den
einzelnen Fraktionen lediglich vom Gewicht bestimmt. Folglich binden die
grossen Aggregate mehr P als die kleinen. Aufgrund des hohen Gewichtanteils
der Aggregate > 250
Prozentualer P-Gehalt pro Aggregat- und Korngrössenfraktion mit Standardabweichung.
Prasuhn und Braun (1994) haben für den Kanton Bern die
Phosphorverluste aus diffusen Quellen in die Oberflächengewässer
abgeschätzt. Sie haben aus Literaturwerten von pflanzenverfügbaren
P-Gehalten in Böden Gesamt-Phosphor-Konzentrationen (P
Die mittlere Aggregatstabilität weist eine geringe Variabilität
zwischen den einzelnen Flächen auf (vgl. Abb. 6). Auf Fläche 4 ist
die Aggregatstabilität mit 90.8 % am höchsten, Fläche 6 weist
mit 83.7 % die geringste Stabilität der Aggregate auf. Der
Durchschnitt über sämtliche Messpunkte (
Aggregatstabilität pro Fläche.
Die Aggregatstabilität gibt Hinweise auf das Verhalten eines Bodens unter den Einflüssen von Wasser, Wind und der Bewirtschaftung. Sie drückt aus, wie stark der Zusammenhalt der Aggregate bei einer von aussen einwirkenden Kraft ist (Amézketa, 1999). Die Aggregatstabilität ist auch ein wichtiger Faktor für die Aggregatverteilung. Würden die Böden eine geringe Aggregatstabilität aufweisen, wäre es in der Setzsäule zu einem stärkeren Zerfall gekommen. Dies wiederum hätte den Anteil der kleineren Aggregate erhöht. Durch die hohe Aggregatstabilität kam es jedoch nur zu einem geringen Aggregatzerfall. Auf die Untersuchungsflächen übertragen bedeutet dies im Falle eines Niederschlagsereignisses einen geringen Aggregatzerfall und somit ein geringes Erosionsrisiko. Dies steht im Widerspruch zur Erosionsrisikokarte des Bundesamts für Landwirtschaft (BLW, 2010), in welcher das Hallwilersee-Einzugsgebiet eine hohe potentielle Erosionsgefährdung aufweist. Bei den Feldbegehungen konnten keine sichtbaren Spuren von Bodenerosion festgestellt werden, obwohl es in den Tagen und Wochen vor der Untersuchung zu starken Niederschlägen gekommen war. Auch die Landwirte der untersuchten Standorte gaben an, aktuell oder in der Vergangenheit noch nie Probleme mit Erosion gehabt zu haben. Somit kann davon ausgegangen werden, dass die Aggregatstabilität ein sehr wichtiger Faktor bezüglich Erosion ist und insbesondere in Gebieten mit Hanglage ein sehr wichtiger Faktor ist.
Anfällig auf Erosion sind laut Starr et al. (2000) jene
Partikel und Aggregate kleiner als 63
Prozentualer Anteil von P an erosionsanfälligen Bodenpartikeln und Aggregaten.
Durch die Aggregation der einzelnen Bodenteilchen zu Aggregaten kommt es zu
einer Verteilung der feinen Bodenpartikel und somit des adsorbierten
Phosphors in sämtlichen Aggregatfraktionen. Aus diesem Grund sind die
Konzentrationsunterschiede von P in den einzelnen Aggregatfraktionen nicht
so stark ausgeprägt wie bei den Korngrössenfraktionen, wie die
Resultate gezeigt haben. Deshalb ist entgegen der Aussagen von
Auerswald (1989) sowie Sharpley et al. (1981) bei den hier
untersuchten Böden nicht mit einer Anreicherung von Phosphor im
Erosionsmaterial zu rechnen. Wichtig hierbei ist auch die Erkenntnis von
Starr et al. (2000), dass mindestens 73 % des mobilisierten
Materials wieder in der Landschaft deponiert werden und nicht bis in die
Gewässer transportiert werden. Bei Prasuhn und Braun (1994)
ist von 80 % die Rede. Im Fall der vorliegenden Arbeit sind rund 90 %
der gesamten Bodenprobe Aggregate > 63
Beim Hallwilersee stellt sich nun die Frage, welche anderen Ursachen neben der Erosion für den Phosphoreintrag verantwortlich sind und wie dieser Eintrag verhindert werden kann. Prasuhn und Braun (1994) nehmen an, dass diffuse Quellen rund 70 % des Phosphorverlustes ausmachen, gegenüber 30 % aus punktuellen Quellen. Von den diffusen Quellen kommt neben Erosion auch Abschwemmung von Grünland, Bachbetterosion, zu P aus dem Laubfall und Auswaschung unter Wald in Frage. Wenn also die Erosion nicht den Haupteintrag bildet, muss entweder die Abschwemmung, die Auswaschung oder der Drainagenabfluss dafür verantwortlich sein. Drainagen leiten Niederschlagswasser bereits innerhalb der obersten 100 cm des Bodens in ein Oberflächengewässer. Die mit dem Drainageabfluss erfassten Nährstoffe haben somit nur eine kurze Strecke, um sich an Bodenpartikel im Gerinne zu binden. Daher ist Drainagenwasser meist nährstoffreich. Im Einzugsgebiet des Hallwilersees sind zahlreiche Flächen drainiert Aus diesem Grund dürften die Drainagen ein wichtige Rolle bei der P-Verlagerung spielen.
Ein wichtiger Prozess beim P-Eintrag in die Gewässer ist die Adsorption von gelöstem Phosphor an Bodenteilchen. Dieser Prozess spielt insbesondere bei Niederschlagsereignissen eine bedeutende Rolle, weil dadurch der Anteil des gelösten P reduziert wird. Das transportierte Bodenmaterial stellt somit eine P-Senke und nicht eine P-Quelle dar. Entscheidend ist bei diesem Prozess die selektive Erosion feiner Partikel, die eine höhere Adsorptionskapazität für P aufweisen (Barbosa et al., 2009). Mit zunehmender Konzentration an suspendiertem Sediment im Abfluss nimmt daher die Konzentration des gelösten Phosphors ab. Entscheidend ist dabei die Aggregation des Bodenmaterials. Je stärker ein Boden aggregiert ist, desto geringer ist der Anteil der nicht-aggregierten suspendierten Tonpartikel und somit auch die Adsorption des gelösten Phosphors. Für die untersuchten Flächen bedeutet dies, dass die Fähigkeit, bei einem Niederschlagsereignis gelösten Phosphor an Bodenteilchen zu binden, relativ gering ist, da die Böden eine hohe Aggregatstabilität aufweisen und somit wenig nicht-aggregierte Ton- und Feinschluffpartikel vorhanden sind.
Da der erosive Eintrag von Phosphor in den Hallwilersee aufgrund der starken Aggregation und der Konzentration des Phosphors in den grösseren Aggregaten eher gering ist, muss die Abschwemmung eine wichtigere Rolle spielen. Um diese Annahme zu beweisen, wären weitere Untersuchungen in diese Richtung von Interesse.
Ein wichtiger Faktor bei der Freisetzung von Phosphor durch Bodenerosion ist
die Bildung von Aggregaten sowie deren Stabilität. Feine phosphorreiche
Bodenpartikel werden durch Aggregation in Mikro- oder Makroaggregaten
eingebunden. Aufgrund ihres höheren Gewichts und der selektiven Erosion
von Material < 63
Die hohe Aggregation und Aggregatstabilität der Böden deuten darauf hin, dass der Eintrag von Phosphor in den Hallwilersee über flächenhafte Erosion gering ist. Lineare Erosion kann allerdings grössere Aggregate transportieren, sodass die hohen P-Gehalte der Böden auf diese Weise zu hohen P-Einträgen führen.
Folglich müssen noch andere Quellen für den Eintrag verantwortlich sein. Eine mögliche Ursache ist beispielsweise die Abschwemmung aus Grasland. Insbesondere bei Starkniederschlägen direkt nach dem Ausbringen von Gülle oder Mist ist die Gefahr der Abschwemmung durch Oberflächenabfluss oder die Auswaschung über Drainagen hoch und die entsprechende Phosphor-Fracht dürfte enorm sein.Edited by: P. Greenwood Reviewed by: two anonymous referees