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Diffuse Pflanzenschutzmitteleinträge in Gewässer angrenzend an Acker- und Weinanbau: Exposition, Effekte und Ableitung geeigneter Risikominderungsmaßnahmen

Diffuse pesticide entry in aquatic ecosystems in an arable and a vineyard region: exposure, effects and risk mitigation measures

  • Auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebrachte Pflanzenschutzmittel (PSM) können über diffuse Eintragswege (z.B. Oberflächenabfluss) auch in Gewässer gelangen, und eine Bedrohung für die aquatische Lebensgemeinschaft darstellen. Zum Schutz der aquatischen Gemeinschaft werden im derzeitigen Verfahren der deutschen PSM-Zulassung bereits bei Bedarf spezifische Anwendungsbestimmungen festgelegt. Über diese Maßnahmen hinaus, können jedoch weitere Ansätze sinnvoll sein. Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Dissertation Gewässer innerhalb einer Acker- und einer Weinanbauregion in Deutschland hinsichtlich ihrer PSM-Exposition in Folge von Oberflächenabfluss und (mögliche) Effekte auf aquatische Makroinvertebraten untersucht, um zu überprüfen, ob eine Umsetzung von Risikominderungsmaßnahmen in diesen Gebieten notwendig wäre. Die Ergebnisse zeigten, dass Gewässer in beiden Gebieten PSM-Konzentrationen ausgesetzt sind, in Folge derer Effekte auf die Makroinvertebraten zu erwarten sind. In der Ackeranbauregion war die beobachtete Toxizität dabei überwiegend auf die Insektizide Lambda-Cyhalothrin (in der Wasserphase) und Alpha-Cypermethrin (in der Sedimentphase) zurückzuführen. In der Weinanbauregion waren dagegen Rückstände von Fungiziden von übergeordneter Bedeutung und neben organischen Fungiziden wurden in diesen Gewässern außerdem ökotoxikologisch bedenkliche Kupferkonzentrationen in der Wasser- als auch in der Sedimentphase gefunden. In der Ackeranbauregion wurden neben der PSM-Exposition auch Effekte der PSM auf die Gemeinschaft der aquatischen Gemeinschaften im Freiland untersucht. Die Makroinvertebratengemeinschaft wurde insgesamt überwiegend von, gegenüber PSM toleranten Arten dominiert, was eine hohe PSM-Exposition an allen Probestellen vermuten lässt. Diese Vermutung spiegelt sich auch in den erhöhten PSM-Rückständen wider (logTUMax > -2; TUMax: Maximale Toxic Unit per sample), die in den Proben der Sedimentphase festgestellt wurden. An zwei Probestellen nahm die Abundanz und Anzahl sensitiver Arten (indiziert durch das SPEcies At Risk-Indikatorsystem) in Folge toxischer Lambda-Cyhalothrinkonzentrationen in der Wasserphase (logTUMax > -0,6) ab. An gering mit PSM belasteten Gewässern (logTUMax < -3,5) konnte dagegen eine signifikante Beeinträchtigung sensitiver Makroinvertebraten nicht festgestellt werden. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass in beiden Untersuchungsgebieten die Umsetzung von Maßnahmen zum Schutz der aquatischen Gemeinschaft notwendig wäre. Für Oberflächenabfluss werden häufig bewachsene Uferrandstreifen als Minderungsmaßnahme vorgeschlagen. Ein mindernder Einfluss auf die PSM-Konzentration mit zunehmender Breite konnte jedoch für die bereits in den Untersuchungsregionen vorhandenen Uferrandstreifen nicht festgestellt werden. Dieses Ergebnis konnte in der Weinanbauregion auf die hohe Anzahl an befestigten Feldwegen und damit verbundener Wegeinleitungen zurückgeführt werden, die den Oberflächenabfluss in konzentrierter Form zügig in Richtung Gewässer ableiten, und damit die Reduktionseffektivität der Uferrandstreifen erheblich reduzieren. Ein ähnlicher Prozess fand vermutlich auch in der Ackeranbauregion statt, in Folge einer hohen Anzahl an Erosionsrillen, die ein flächenhaftes Eindringen des Oberflächenabflusses in den Randstreifen und damit eine effektive Filterung verhindern. Außerdem dürften Entwässerungsgräben, welche den Oberflächenabfluss von den landwirtschaftlichen Flächen in die Gewässer weiterleiten, zu den beobachteten PSM-Konzentrationen trotz breiter Uferrandstreifen beigetragen haben. Um PSM-Einträge über Oberflächenabfluss effektiv zu reduzieren, sollten Risikominderungsmaßnahmen umgesetzt werden, die auf die jeweilig identifizierten Haupteintragswege fokussieren. Als geeignete Maßnahmen wurden mit Gras bewachsene Feldwege und bewachsene Gräben oder Rückhaltebecken identifiziert. Darüber hinaus kann auch die Optimierung bereits vorhandener Uferrandstreifen hinsichtlich ihrer Reduktionseffektivität sinnvoll sein. Insgesamt zeigen die Daten der beiden Freilanduntersuchungen die große Bedeutung, Maßnahmen spezifisch für die jeweilige PSM-Belastungssituation von Gewässern zu identifizieren. Um diesen Prozess zu unterstützen wurde im Rahmen der vorliegenden Dissertation ein Leitfaden für die Identifizierung geeigneter Risikominderungsmaßnahmen an belasteten Gewässern entwickelt. Basierend auf einer Kartierung expositionsrelevanter landschaftlicher Parameter wird ein Set an geeigneten Maßnahmen für die jeweilige Belastungssituation vorgeschlagen. Anhand einer Bewertung der Effektivität dieser Maßnahmen PSM-Einträge zu reduzieren, ihrer Umsetzbarkeit und zu erwartenden Akzeptanz kann der Anwender schließlich die jeweiligen Maßnahmen zur Umsetzung auswählen. Der Leitfaden leistet damit einen wichtigen Beitrag zur praktischen Implementierung von Minderungsmaßnahmen.
  • The transport of pesticides from agricultural land into surface waters via diffuse entry pathways such as runoff is a major threat to aquatic ecosystems and their communities. Although certain risk mitigation measures are currently stipulated during pesticide product authorisation, further approaches might be needed to manage hot spots of pesticide exposure. Such a management is, for example, required by the European Union- directive for the sustainable use pesticides (2009/128/EC). The need for mitigation measures was investigated within the present thesis at stream sites draining an arable and a vineyard region in Germany by characterising pesticide exposure following edge-of-field runoff and (expected) effects on the aquatic macroinvertebrates. The results of these field studies showed, that streams in both regions were exposed to pesticide concentrations suggesting effects on the macroinvertebrate community. In the arable region the observed toxicity was mainly attributed to the insecticides lambda-cyhalothrin (in the water-phase samples) and alpha-cypermethrin (in the suspended particle samples), whereas in the vineyard region fungicides were most important. Furthermore stream water and suspended particles sampled in the vineyard region showed critical copper concentrations, which might cause ecotoxicological effects in the field. In addition to pesticide exposure, in the arable region also the effects on aquatic macroinvertebrates were assessed in the field. Generally, invertebrate fauna was dominated by pesticide-tolerant species, which suggested a high pesticide exposure at almost all sites. The elevated levels of suspended particle contamination in terms of maximum toxic units per sample (logTUMax > -2) reflect also this result. At two sites that received high aqueous-phase entries of the insecticide lambda-cyhalothrin (logTUMax > -0.6), the abundance and number of sensitive species (indicated by the SPEcies At Risk index) decreased during the pesticide application period. In contrast, at sites characterised by low water-phase toxicity (logTUMax < -3.5), no acute significant negative effects on macroinvertebrates were observed. In conclusion these data showed that in both regions the implementation of risk mitigation measures is needed to protect the aquatic communities. To mitigate runoff-related pesticide entries, riparian buffer strips are often recommended. However, the mitigating influence with increasing buffer strip width could not be demonstrated for riparian buffers which were already present in the arable and vineyard region. This result was attributed in the vineyard region to the high number of paved field paths associated with artificial erosion rills, which concentrate and rapidly transport receiving edge-of-field runoff in stream direction. Consequently the pesticide reduction efficiency of buffer strips is considerably reduced. We assumed that a similar process occurred in the arable region, due to a high number of erosion rills, which complicate a laminar sheet flow of edge-of-field runoff through the riparian buffer strip. Additionally also the presence of ephemeral drainage ditches, which led surface runoff from the agricultural fields to the streams may have contributed to observed pesticide entries despite wide buffers. Effective risk mitigation measures should address these identified most important input pathways in the study areas. As possible measures the implementation of grassed field paths and vegetated ditches or wetlands were suggested. In general also the improvement of currently present riparian buffer strips regarding their efficiency to reduce pesticide runoff entries should be taken into account. In conclusion the results of the field studies underline the importance that risk mitigation measures are identified specifically for the respective pollution situation in stream catchments. To facilitate this process, a user guide was developed within the present thesis for identifying appropriate mitigation measures at high-risk sites. Based on a survey of exposure relevant landscape parameter a set of risk mitigation measures is suggested that focus on the specific pollution situation. Currently the guide includes 12 landscape- and six application-related measures and presents an overview of these measures" efficiency to reduce pesticide entries via runoff and spray drift, their feasibility and expected acceptability to farmers. Based on this information the user can finally choose the mitigation measures for implementation. The present guide promotes the practical implementation of appropriate risk mitigation measures in pesticide-polluted streams, and thus the protection of aquatic stream communities against pesticide entries.

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Metadaten
Author:Renja Bereswill
URN:urn:nbn:de:hbz:lan1-9509
Advisor:Ralf Schulz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2014/01/16
Date of publication:2014/01/16
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2013/10/02
Release Date:2014/01/16
Tag:Abdrift; Makroinvertebraten; Oberflächenabfluss; Risikominderungsmaßnahmen; Uferrandstreifen
buffer strips; monitoring; pesticide; risk mitigation measures; surface water
GND Keyword:Exposition; Gewässer; Monitoring; Pestizid; Pflanzenschutzmittel
Number of pages:150 Seiten
Institutes:Fachbereich 7 / Fachbereich 7
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
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