Nährstoffe

(Modelle: DENUZ-WEKU-MEPhos)

Das Erreichen des guten qualitativen Zustands gemäß den Anforderungen der EU-Nitratrichtlinie, der EU-Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) und der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (EU-MSRL) ist unklar bzw. aufgrund übermäßiger Nährstoffeinträge in vielen Regionen eher unwahrscheinlich. Vor diesem Hintergrund wurden das reaktive N-Transportmodell DENUZ/WEKU (Wolters et al., 2022; Kunkel et al., 2017, Wendland et al., 2009) und das P-Transportmodell MEPhos (Tetzlaff & Wendland, 2012; Tetzlaff et al., 2009) entwickelt.

Die Modelle DENUZ-WEKU-MEPhos berücksichtigen sechs diffuse Eintragspfade und bis zu fünf punktförmige Eintragsquellen für Stickstoff und Phosphor. Die mit den Modellen durchgeführten Analysen umfassen:

• die Berechnung von aktuellen Stickstoff- und Phosphorbelastungen,

• die Identifizierung von „Hotspot“-Gebieten für die Einführung von Maßnahmen zur Minderung von Nährstoffeinträgen,

• die Bestimmung des erforderlichen Umfangs der Nährstoffreduzierung zur Erreichung der Qualitätsziele für Grundwasser und Oberflächengewässer sowie

• die Vorhersage der Auswirkungen von Maßnahmen zur Nährstoffreduzierung.

Wissenstransfer und Außenwirkung:

Seit 2010 unterstützen DENUZ-WEKU-MEPhos Modellergebnisse die Erstellung von Flussgebietsbewirtschaftungsplänen und Maßnahmenprogrammen gemäß den Anforderungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie und der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie in den Bundesländern Hamburg, Hessen, Mecklenburg-Vorpommern, Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz, Sachsen-Anhalt, Schleswig-Holstein und Thüringen (z.B. Wolters et al., 2023; Wolters et al., 2021; Wendland et al., 2020; Ta et al., 2020; Kunkel et al, 2017).

Seit 2018 werden die Modelle DENUZ-WEKU-MEPhos auch im Rahmen von deutschlandweiten Nährstoffmodellierungen eingesetzt (z.B. Schmidt et al., 2020; Eysholdt et al., 2022; Wolters et al. 2022; Schmidt et al., 2023; Tetzlaff et al., 2024), wie z.B. im Rahmen des Projektes RELAS, das im Auftrag des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) durchgeführt wird. Ziel dieses Projektes, das gemeinsam mit dem Thünen-Institut für Ländliche Entwicklung (Braunschweig) und dem Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (Berlin) bearbeitet wird, ist es zu analysieren, ob die Maßnahmen der novellierten Düngeverordnung (2020) geeignet sind, die Ziele der EU-Nitratrichtlinie zu erreichen (Wirkungsmonitoring). Die Ergebnisse der Modellierung mit den DENUZ-WEKU-MEPhos-Modellen fließen in den jährlich zu erstellenden Bericht der Bundesregierung an die Europäische Kommission ein.

Wichtige F&E Projekte:

Wichtige Publikationen:

• Tetzlaff, B.; Kunkel, R.; Eysholdt, M.; Nguyen, H.H.; Venohr, M.; Wolters, T.; Zinnbauer, M.; Wendland, F. (2024): Modelling Current-State N- and P-Fluxes into Surface Waters in Germany. Water, 16, 1872. https://doi.org/10.3390/w16131872
• Wolters, T.; McNamara, I.; Tetzlaff, B.; Wendland, F. (2023): Germany-Wide High-Resolution Water Balance Modelling to Characterise Runoff Components as Input Pathways for the Analysis of Nutrient Fluxes. Water, 15, 3468. https://doi.org/10.3390/w15193468 \
• Schmidt, B., Eysholdt, M., Fischer, M., Kreins, P., Krüger, A., Kunkel, R., Nguyen, H.-H., Tetzlaff, B., Trepel, M., Venohr, M., Wendland, F., Wolters, T., Zinnbauer, M. (2023): AGRUM-DE als gemeinsames Instrument der Land- und Wasserwirtschaft für die bundesweite Nährstoffmodellierung. Hydrologie & Wasserbewirtschaftung, 68, (1), 6-22. DOI: 10.5675/HyWa_2024.1_1
• Wolters, T.; Berthold, G.; Kunkel, R.; Tetzlaff, B.; Thomas, A.; Zacharias, M.; Wendland, F. (2023): Multi-Tier Validation of a Macroscale Nitrogen Model for Groundwater Management in Watersheds Using Data from Different Monitoring Networks. Water, 15, 2277. https://doi.org/10.3390/w15122277
• Wolters, T., Bach, T., Eisele, M., Eschenbach, W., Kunkel, R., McNamara, I., Well, R., Wendland, F. (2022): The derivation of denitrification conditions in groundwater: combined method approach and application for Germany. Ecological Indicators, Volume 144, 109564, ISSN 1470-160X, DOI.org/10.1016/j.ecolind.2022.109564.
• Eysholdt, M., Kunkel, R., Rösemann, C., Wendland, F., Wolters, T., Zinnbauer, M. & Fuß, R. (2022): A model based estimate of nitrate leaching in Germany for GHG reporting. Journal of Plant Nutrition and Soil Science,1–14, DOI.org/10.1002/jpln.202200119.
• Wolters, T., Cremer, N., Eisele, M., Herrmann, F., Kreins, P., Kunkel, R., Wendland, F. (2021): Checking the plausibility of modelled nitrate concentrations in the leachate on federal state scale in Germany.- Water, 13(2), 226, Doi.org/10.3390/w13020226.
• Kronvang, B., Wendland, F. Kovar, K., Fraters, D. (Eds.) (2020): Land Use and Water Quality.- Special issue Water, 12, 2412. 248 pages. ISBN 978-3-03943-503-6 (Hbk); ISBN 978-3-03943-504-3, DOI:org/10.3390/books978-3-03943-504-3.
• Wendland, F., Bergmann, S., Eisele, M., Gömann, H., Herrmann, F., Kreins, P., Kunkel, R. (2020): Model-Based Analysis of Nitrate Concentration in the Leachate—The North Rhine-Westfalia Case Study, Germany.- Water, 12(2), 550 [10.3390/w12020550].
• Ta, P., Tetzlaff, B., Trepel, M., Wendland, F. (2020): Implementing a Statewide Deficit Analysis for Inland Surface Waters According to the Water Framework Directive—An Exemplary Application on Phosphorus Pollution in Schleswig-Holstein (Northern Germany).- Water 12(5), 1365 [10.3390/w12051365].
• Schmidt, B., Kuhn, U., Trepel, M., Kreins, P., Zinnbauer, M., Eysholdt, M., Osterburg, B., Löw, P., Wendland, F., Herrmann, F., Kunkel, R., Tetzlaff, B., Wolters, T., Venohr, M., Nguyen, H. (2020): Modellansatz zur Bestimmung der Nährstoffbelastung und ihrer Reduktion in allen deutschen Flussgebieten.- Wasser und Abfall, 1-2, 33-38.
• He, Q., Wendland, F., Molkenthin, F. (2019): The analysis of nitrogen load and simulation uncertainty using SWAT in a catchment with paddy field in China.- Water Science and Technology, 80.4, 806-816, DOI: 10.2166/wst.2019.326.
• Eschenbach, W., Budziak, D., Elbracht, J., Höper, H., Krienen, L., Kunkel, R., Meyer, K., Well, R., Wendland, F. (2018): Möglichkeiten und Grenzen der Validierung flächenhaft modellierter Nitrateinträge ins Grundwassermit der N2/Ar-Methode.- Grundwasser – Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie, 23(2):125-139, DOI:10.1007/s00767-018-0391-6.
• Kunkel, R., Herrmann, F., Kape, H.-E., Keller, L., Koch, F., Tetzlaff, B., Wendland, F. (2017): Simulation of terrestrial nitrogen fluxes in Mecklenburg-Vorpommern and scenario analyses how to reach N-quality targets for groundwater and the coastal waters.- Environmental Earth Science, 76(4):146, DOI 10.1007/s12665-017-6437-8.
• Heidecke, C., Ackermann, A., Kreins, P., Kuhr, P., Kunkel, R., Tetzlaff, B., Wendland, F., Mahnkopf, J., Venohr, M. (2016): Erreichbarkeit der Nährstoffreduzierungsziele in Niedersachsen fraglich.- Wasser & Abfall 18, 7/8, 21-25.
• Kuhn, U., Schmidt, B., Heidecke, C., Kreins, P., Ackermann, A., Wendland, F., Kunkel, R., Venohr, M., Mahnkopf, J. (2016): Nährstoffmanagement in der Flussgebietseinheit Weser im Spannungsfeld zwischen Wasserwirtschaft und Landwirtschaft - Ergebnisse des Projektes AGRUM+.- Korrespondenz Wasserwirtschaft, 9 (4), 216-225.
• Kunkel, R., Kape, H.-E., Keller, L., Koch, F., Tetzlaff, B., Wendland, F. (2016): Szenarien für die Reduzierung von Stickstoffeinträgen zum Erreichen der Grundwasser- und Meeresschutzziele in Mecklenburg-Vorpommern. – Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, 60 (2), 119–134, DOI: 10.5675/HyWa_2016,2_2.
• Tetzlaff, B., Bock, A., Krause, D., Marowsky, K. (2015): Eutrophierungsprobleme im Altmühlsee als Folge diffuser und punktförmiger P-Einträge – 2. Managementoptionen zur Verringerung der Gewässerbelastung.- Korrespondenz Wasserwirtschaft, 8(5), 284-289, DOI: 10.3243/kwe2015.05.002.
• Tetzlaff, B., Krause, D., Marowsky, K., Bock, A. (2015): Eutrophierungsprobleme im Altmühlsee als Folge diffuser und punktförmiger P-Einträge – Modellierung und Ergebnisse.- Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, 59(1), 23-36, DOI: 10.5675/HyWa_2015,1_2.
• Andelov, M., Kunkel, R., Uhan,J. & Wendland, F. (2014): Determination of nitrogen reduction levels necessary to reach groundwater quality targets in Slovenia.- Journal of Environmental Sciences, 29-9, 1806-1818, DOI: 10.1016/j.jes.2014.06.027.
• Celen, M., Karpuzcu, M., Engin, G., Tetzlaff, B., Wendland, F. (2014): Modelling of the Total Phosphorus Input Pathways in Porsuk Reservoir Catchment in Turkey.- Environmental Earth Sciences, 72 (12): 5019–5034, DOI:10.1007/s12665-014-3371-x.
• Wendland, F., Heidecke, C., Keller, L., Kreins, P., Kuhr, P., Tetzlaff, B., Trepel, M., Wagner, A. (2014): Räumlich differenzierte Quantifizierung der Stickstoffeinträge ins Grundwasser und die Oberflächengewässer in Schleswig-Holsteins.- Korrespondenz Wasserwirtschaft 6/14, 327-332.
• Tetzlaff, B., Haider, J., Kreins, P., Kuhr, P., Kunkel, R., Wendland, F. (2013): Grid-based modelling of nutrient inputs from diffuse and point sources for the state of North Rhine-Westphalia (Germany) as a tool for river basin management according to EU-WFD.- River Systems, 20/3–4, 213–229, DOI: 10.1127/1868-5749/2013/0060.
• Kuhr, P., Haider, J., Kreins, P., Kunkel, R., Tetzlaff, B., Vereecken, H., Wendland, F. (2013): Model Based Assessment of Nitrate Pollution of Water Resources on a Federal State Level for the Dimensioning of Agro-environmental Reduction Strategies: The North Rhine-Westphalia (Germany) Case Study. - Water Resources Management, 27(3), 885-909, DOI: 10.1007/s11269-012-0221-z.
• Hirt, U., Kreins, P., Kuhn, U., Mahnkopf, J., Venohr, M., Wendland, F. (2012): Management options to reduce future nitrogen emissions into rivers: A case study of the Weser river basin, Germany.- Agricultural Water Management, 115, 118-131, DOI: 10.1016/j.agwat.2012.08.005.
• Kuhr, P.; Kreins, P.; Kunkel, R.; Voigt, H.J.; Wolter, R. & Wendland, F. (2012): Konzeptionelles hydro(geo)logisches Modell zur Bewertung von Maßnahmen zur Reduktion der Grundwasserbelastungen durch Nitrat. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 56, H.3, 111-125.
• Tetzlaff, B., Wendland, F. (2012): Modelling sediment input to surface waters for Ger-man states with MEPhos: Methodology, sensitivity and uncertainty.- Water Resources Management, 26-1,165-184, DOI: 10.1007/s11269-011-9911-1.
• Tetzlaff, B., Friedrich, K., Vorderbrügge, T., Vereecken, H., Wendland, F. (2011): Distributed modelling of mean annual soil erosion and sediment delivery rates to surface waters.- Catena, 102, 13-20, DOI:10.1016/j.catena.2011.08.001.
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• Wendland, F., Behrendt, H., Hirt, U., Kreins, P., Kuhn, U., Kuhr, P., Kunkel, R., Tetzlaff, B. (2010): Analyse von Agrar- und Umweltmaßnahmen zur Reduktion der Stickstoffbelastung von Grundwasser und Oberflächengewässer in der Flussgebietseinheit Weser.- Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, 54 (4), 231 – 244.
• Wendland, F., Jahnke, C., Kunkel, R., Meier, K., Schmalenstroer, M., Schütz., C., Voigt, H.-J. (2010): Zur Beziehung zwischen Nmin – Gehalt im Boden und Nitratkonzentration im oberflächennahen Grundwasser.- GWF-Wasser/Abwasser, 384-393.
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• Wendland, F., Behrendt, H., Gömann, H., Hirt, U., Kreins, P., Kuhn, U., Kunkel, R., Tetzlaff, B. (2009): Determination of nitrogen reduction levels necessary to reach groundwater quality targets in large river basins: the Weser basin case study, Germany. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 85 (1), 63-78, DOI:10.1007/s10705-009-9248-9.
• Kunkel, R., Eisele, M., Wendland, F: (2008): Assessing necessary nutrient reduction for measurement planning in groundwater bodies. Water Science and Technology, 58 (12), 2295-2302, DOI: 10.2166/wst.2008.821.
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• Kunkel, R., Eisele, M., Schäfer, W., Tetzlaff, B., Wendland, F. (2008): Planning and implementation of nitrogen reduction measures in catchment areas based on a determination and ranking of target areas. Desalination, 226, 1-12, DOI:10.1016/j.desal.2007.01.231
• Montzka, C., Canty, M., Kreins, P., Kunkel, R., Menz, G., Vereecken, H., Wendland, F. (2008): Multispectral remotely sensed data in modelling the annual variability of nitrate concentrations in the leachate. Environmental Modelling & Software, 23 (8), 1070-1081, DOI.org/10.1016/j.envsoft.2007.11.010.
• Guse, B., Bronstert, A., Rode, M., Tetzlaff, B., Wendland, F. (2007): Application of two phosphorus models with different complexities in a mesoscale river catchment. Advances in Geosciences, 11, 77-84, https://doi.org/10.5194/adgeo-11-77-2007.
• Tetzlaff, B., Kreins, P., Kunkel, R., Wendland, F. (2007): Area-differentiated modelling of P-fluxes in heterogeneous macroscale river basins. Water Science and Technology, 55 (3), 123-131, DOI: 10.2166/wst.2007.080.
• Tetzlaff, B., Wendland, F. (2007): P-pollution in a heavily urbanized river basin from point and diffuse sources - the River Ruhr case study (Germany). Water Science and Technology, 56 (1), 29-37, DOI: 10.2166/wst.2007.433.
• Tetzlaff, B., Kunkel, R., Schäfer, W., Wendland, F. (2007): Determination and ranking of target areas in catchments for the implementation of nitrogen reduction measures. Advances in Geosciences, 11, 69-75, https://doi.org/10.5194/adgeo-11-69-2007.
• Wendland, F., Kunkel, R., Gömann, H., Kreins, P. (2007): Water fluxes and diffuse nitrate pollution at the river basin scale: interfaces for the coupling of agroeconomical models with hydrological approaches. Water Science and Technology, 55 (3), 133-142, DOI: 10.2166/wst.2007.081.
• Kreins, P., Gömann, H., Herrmann, S., Kunkel, R., Wendland, F. (2007): Integrated agricultural and hydrological modelling within an intensive livestock region. Advances in the Economics of Environmental Resources, 7, 113-143, DOI:10.1016/S1569-3740(07)07006-X.
• Gömann, H., Kreins, P., Kunkel, R., Wendland, F. (2005): Model based impact analysis of policy options aiming at reducing diffuse pollution by agriculture - a case study for the river Ems and a sub-catchment of the Rhine. Environmental Modelling & Software, 20, 261-271, https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2004.01.004.
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• Kunkel, R., Bach, M., Behrendt, H., Wendland, F. (2004): Groundwater-borne nitrate intakes into surface waters in Germany. Water Science and Technology, 49, 11-19, DOI:10.2166/wst.2004.0152.
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• Wendland, F., R. Kunkel, A. Grimvall, B. Kronvang & D. I. Muller-Wohlfeil (2002): The SOIL-N/WEKU model system - a GIS-supported tool for the assessment and management of diffuse nitrogen leaching at the scale of river basins. Water Science and Technology, 45, 285-292, DOI: 10.2166/wst.2002.0260.
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• Wendland, F., R. Kunkel, A. Grimvall, B. Kronvang & D. I. Muller-Wohlfeil (2001): Model system for the management of nitrogen leaching at the scale of river basins and regions. Water Science and Technology, 43, 215-222, https://doi.org/10.2166/wst.2001.0428.
• Kunkel, R., F. Wendland & H. Albert (1999): Zum Nitratabbau in den grundwasserführenden Gesteinsschichten des Elbeeinzugsgebietes. Wasser und Boden, 51, 16-19.
• Wendland, F., M. Bach & R. Kunkel (1998): The influence of nitrate reduction strategies on the temporal development of the nitrate pollution of soil and groundwater throughout Germany - a regionally differentiated case study. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 50, 167-179, DOI:10.1023/A:1009736227245.
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• Wendland, F., H. Albert, M. Bach & R. Schmidt (1994): Atlas zum Nitratstrom in der Bundesrepublik Deutschland. Deutsche Gewässerkundliche Mitteilungen, 37-41.