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Simulation und Beurteilung der Pflanzenschutzmittelbelastung kleiner Fließgewässer auf Landschaftsebene

Simulation and assessment of pesticide entries into small streams on a landscape level

  • Die Abschätzung der Eintragswahrscheinlichkeit von Pestiziden in Gewässer ist insbesondere im Landschaftsmaßstab aufgrund der erforderlichen ereignisbezogenen Probenahmetechniken mit erheblichem Kostenaufwand verbunden. Simulationsmodelle können hierbei eine wichtige Alternative zur Planung von Risiko-Minimierungsmaßnahmen darstellen. Hauptziele dieser Arbeit waren (A) die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs, mit dessen Hilfe das Eintragsrisiko von Pestiziden in Oberflächengewässer im Landschaftsmaßstab abgeschätzt werden kann und sich Risiko-Minimierungsmaßnahmen effektiv planen lassen, sowie (B) die Durchführung einer Expositions- und Risikoabschätzung sowie die Abschätzung negativer Effekte von Pestiziden auf die Artenzahlen von Fließgewässer-Lebensgemeinschaften des Braunschweiger Umlands. Exposition, Risiko und Effekte In den Abschnitten 1.1 und 1.2 wurde das Simulationsmodell auf landwirtschaftlich beeinflusste Fließgewässer des Braunschweiger Umlands angewendet. Abschnitt 1.3 gibt einen Überblick über allgemeine Anwendungsmöglichkeiten des Simulators und den Systemaufbau. Abschnitt 1.1 - Scenario based simulation of runoff-related pesticide entries into small streams on a landscape level (Englische Publikation, S. 27): Auf Basis des von der OECD vorgeschlagenen (ratio of exposure to toxicity) REXTOX-Modells wurde der Pestizideintrag für 737 Probestellen bei kleineren Fließgewässern des Braunschweiger Umlands simuliert. Die Simulation wurde für die 15 im Untersuchungsgebiet am häufigsten nachgewiesenen Pestizide für je acht verschiedene Umweltszenarien durchgeführt. Die Szenarien umfassten Management-Maßnahmen, wie z.B. die Variation der Randstreifenbreite, sowie klimatische und saisonale Aspekte. Die höchsten Konzentrationen wurden für ein Szenario ohne Randstreifen und gleichzeitig erhöhten Niederschlägen vorhergesagt. Anhand der simulierten Konzentrationen wurde das Risiko für aquatische Lebensgemeinschaften auf Basis von Standard-Toxizitätstests (Endpunkte EC50, LC50) und eines Sicherheitsfaktors abgeschätzt. Abschnitt 1.2 - Linking land use variables and invertebrate taxon richness in small and medium-sized agricultural streams on a landscape level (Englische Publikation, S. 50): In dieser Studie wurden die langjährigen mittleren Artenzahlen von Fließgewässer-Invertebratentaxa im landwirtschaftlich geprägten Braunschweiger Umland (Untersuchungen über 15 Jahre bei 90 Gewässern an 202 Probestellen) auf Wechselbeziehungen mit verschiedenen Umweltfaktoren, wie z.B. der Gewässerbreite, der Landnutzung (Landwirtschaft, Wald, Wiese, Siedlung), der Bodenart sowie landwirtschaftlich bedingter Stressoren untersucht. Der Stress, der von der landwirtschaftlichen Nutzung ausgeht, wurde dabei durch das Risiko des Auftretens von Oberflächenabfluss (runoff) von der Ackerfläche in das Gewässer ausgedrückt. Der Faktor "Risk of Runoff" wurde von dem von der OECD vorgeschlagenen "ratio of exposure to toxicity" (REXTOX)-Modell abgeleitet. Durch multivariate Statistik konnten insgesamt 39,9% der Varianz in der Artenzahl erklärt werden, wobei die Gewässerbreite mit 25,3% den wichtigsten Faktor darstellte, gefolgt vom Faktor "Risk of Runoff" mit 9,7%. Abschnitt 1.3 - Informationssystem zur ökotoxikologischen Bewertung der Gewässergüte in Bezug auf Pflanzenschutzmitteleinträge aus der Landwirtschaft - Systemaufbau und Anwendungsmöglichkeiten (Tagungsbeitrag S. 61): Abschnitt 1.3 enthält einen kurzen Überblick über das Simulationssystem, generelle Anwendungsmöglichkeiten sowie Anwendungsbeispiele. Das Simulationssystem Ein wichtiger Aspekt für den Einsatz eines Simulationsmodells im Rahmen der Risikoabschätzung ist dessen einfache Anwendbarkeit in der Praxis. Dazu zählen die leichte Verfügbarkeit der benötigten Eingangsdaten, die Umsetzung des Modells in eine Softwareanwendung sowie die entsprechende Dokumentation des Systems. Abschnitt 1.4 - Informationssystem zur ökotoxikologischen Bewertung der Gewässergüte in Bezug auf Pflanzenschutzmitteleinträge aus der Landwirtschaft - Simulationsmodell und Systemaufbau (BMBF-Bericht, S. 67): In diesem Abschnitt wird das verwendete Modell, die "simplified formula for indirect loadings caused by runoff" (SFIL), der schematische Aufbau des Simulationssystems sowie der Ablauf des Datenverarbeitungsprozesses dargestellt. Abschnitt 1.5 - Benutzerhandbuch (BMBF-Bericht, S. 71): Das Benutzerhandbuch enthält Informationen über die Installation des Systems, die Erzeugung der benötigten Eingangsdaten, zur allgemeinen Arbeit mit dem System sowie Anwendungsbeispiele (Was-wäre-wenn-Analyse). Abschnitt 1.6 - Technische Dokumentation (BMBF-Bericht, S. 104): Die technische Dokumentation beschreibt die Struktur der Import-/Export-Datenbanktabellen des Simulators.
  • The estimation of the potential risk of pesticide entries into streams - and therefore the potential risk for the ecosystems - is an important requirement for the planning of risk mitigation strategies. Especially on the landscape level the required event triggered sampling methods are conjuncted with considerable efforts with regard to input data, time and personnel. To circumvent these problems simulation models form a reasonable alternative. The aims of this work were (A) the development of a simulation tool for the estimation of pesticide entries into surface waters on the landscape level, and (B) the application of the simulator for an exposure- and risk-assessment as well as the assessment of negative effects of pesticides on aquatic communities. Section 1 - Exposure-, Risk- and Effects In sections 1.1 and 1.2 the simulation model was applied to a multitude of small and medium sized streams in an agricultural impacted study area around the city of Braunschweig, Germany. Section 1.3 gives an overview of the simulators field of application and the general system structure. Section 1.1 - Scenario based simulation of runoff-related pesticide entries into small streams on a landscape level (English publication, p. 27): In this paper we present a simulation tool for the simulation of pesticide entry from arable land into adjacent streams. We used the ratio of exposure to toxicity (REXTOX) model proposed by the OECD which was extended to calculate pesticide concentrations in adjacent streams. We simulated the pesticide entry on the landscape level at 737 sites in small streams situated in the central lowland of Germany. The most significant model parameters were the width of the no-application-zone and the degree of plant-interception. The simulation was carried out using eight different environmental scenarios, covering variation of the width of the no-application-zone, climate and seasonal scenarios. The highest in-stream concentrations were predicted at a scenario using no (0 m) buffer zone in conjunction with increased precipitation. According to the predicted concentrations, the risk for the aquatic communities was estimated based on standard toxicity tests and the application of a safety factor. Section 1.2 - Linking land use variables and invertebrate taxon richness in small and medium-sized agricultural streams on a landscape level (English publication, p. 50): In this study the average numbers of invertebrate species across an arable landscape in central Germany (surveys from 15 years in 90 streams at 202 sites) were assessed for their correlation with environmental factors such as stream width, land use (arable land, forest, pasture, settlement), soil type and agricultural derived stressors. The stress originating from arable land was estimated by the factor "risk of runoff", which was derived from a runoff-model (rainfall induced surface runoff). Multivariate analysis explained 39.9% of the variance in species number, revealing stream width as the most important factor (25.3%) followed by risk of runoff (9.7%). Section 1.3 - Informationssystem zur ökotoxikologischen Bewertung der Gewässergüte in Bezug auf Pflanzenschutzmitteleinträge aus der Landwirtschaft - Systemaufbau und Anwendungsmöglichkeiten (German publication, p. 61): Section 1.3 contains a short overview of the simulation tool, the field of application and some examples of use, covering the effects of the width of the buffer zone as well as the creation of risk maps on the landscape level. Section 2 - The simulation tool An important aspect for the employment of a simulation model in the context of risk assessment is the applicability in practice: the accessibility of the needed input data, the conversion of the mathematical model into a software application that can be run on any current personnel computer and also an appropriate end-user documentation of the system. Section 1.4 - Informationssystem zur ökotoxikologischen Bewertung der Gewässergüte in Bezug auf Pflanzenschutzmitteleinträge aus der Landwirtschaft - Simulationsmodell und Systemaufbau (German report, p. 67): In this section a general overview of the simulation model as well as the schematic system structure given. Section 1.5 - Benutzerhandbuch (German report, p. 71): The user manual contains details concerning the installation of the system, generation of the required input data and the general use of the system. Moreover it presents some application examples (what-if analyses). Section 1.6 - Technical documentation (German report, p. 104): The technical documentation describes internal structures and processes of the simulation system. Section 1.6 provides information regarding the required structure of input/output tables.

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Metadaten
Author:Michael Probst
URN:urn:nbn:de:hbz:kob7-246
Referee:Ralf Schulz, Matthias Liess
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2006/03/09
Date of publication:2006/03/09
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2006/02/21
Release Date:2006/03/09
Tag:Klimawandel; Landschaftsebene; Modellierung; Pestizide; Pflanzenschutzmittel; Randstreifen; Risiko-Beurteilung; Risiko-Minimierung; Runoff; Simulation
agriculture; buffer zones; climate change; land use; landscape level; macroinvertebrates; modeling; pesticides; risk assessment; runoff; simulation
GND Keyword:Fließgewässer; Klimaänderung; Landwirtschaft; Makroinvertebraten; Pestizid; Pflanzenschutzmittel
Number of pages:138
Institutes:Fachbereich 7 / Fachbereich 7
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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