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Mitigation of aquatic nonpoint-source pesticide pollution with vegetated treatment systems

Risikominderung von Pestizideinträgen aus diffusen Quellen mit bepflanzten Systemen

  • Recent EU-frameworks enforce the implementation of risk mitigation measures for nonpoint-source pesticide pollution in surface waters. Vegetated surface flow treatments systems (VTS) can be a way to mitigate risk of adverse effects in the aquatic ecosystems following unavoidable pollution after rainfall-related runoff events. Studies in experimental wetland cells and vegetated ditch mesocosms with common fungicides, herbicides and insecticides were performed to assess efficiency of VTS. Comprehensive monitoring of fungicide exposure after rainfall-related runoff events and reduction of pesticide concentrations within partially optimised VTS was performed from 2006-2009 at five vegetated detention ponds and two vegetated ditches in the wine growing region of the Southern Palatinate (SW-Germany). Influence of plant density, size related parameters and pesticide properties in the performance of the experimental devices, and the monitored systems were the focus of the analysis. A spatial tool for prediction of pesticide pollution of surface waters after rainfall-related runoff events was programmed in a geographic information system (GIS). A sophisticated and high resolution database on European scale was built for simulation. With the results of the experiments, the monitoring campaign and further results of the EU-Life Project ArtWET mitigation measures were implemented in a georeferenced spatial decision support system. The database for the GIS tools was built with open data. The REXTOX (ratio of exposure to toxicity) Risk Indicator, which was proposed by the OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development), was extended, and used for modeling the risk of rainfall-related runoff exposure to pesticides, for all agricultural waterbodies on European scale. Results show good performance of VTS. The vegetated ditches and wetland cells of the experimental systems showed a very high reduction of more than 90% of pesticide concentrations and potential adverse effects. Vegetated ditches and wetland cells performed significantly better than devices without vegetation. Plant density and sorptivity of the pesticide were the variables with the highest explanatory power regarding the response variable reduction of concentrations. In the experimental vegetated ditches 65% of the reduction of peak concentrations was explained with plant density and KOC. The monitoring campaign showed that concentrations of the fungicides and potential adverse effects of the mixtures were reduced significantly within vegetated ditches (Median 56%) and detention ponds (Median 38%) systems. Regression analysis with data from the monitoring campaign identified plant density and size related properties as explanatory variables for mitigation efficiency (DP: R²=0.57, p<0.001; VD: R²=0.19, p<0.001). Results of risk model runs are the input for the second tool, simulating three risk mitigation measures. VTS as risk mitigation measures are implemented using the results for plant density and size related performance of the experimental and monitoring studies, supported by additional data from the ArtWET project. Based on the risk tool, simulations can be performed for single crops, selected regions, different pesticide compounds and rainfall events. Costs for implementation of the mitigation measures are estimated. Experiments and monitoring, with focus on the whole range of pesticides, provide novel information on VTS for pesticide pollution. The monitoring campaign also shows that fungicide pollution may affect surface waters. Tools developed for this study are easy to use and are not only a good base for further spatial analysis but are also useful as decision support of the non-scientific community. On a large scale, the tools on the one hand can help to compute external costs of pesticide use with simulation of mitigation costs on three levels, on the other hand feasible measures mitigating or remediating the effects of nonpoint-source pollution can be identified for implementation. Further study of risk of adverse effects caused by fungicide pollution and long-time performance of optimised VTS is needed.
  • Aktuelle Entwicklungen in der Europäischen Gesetzgebung fordern die Umsetzung von Risikominderungsmaßnahmen, die diffuse Einträge von Pestiziden in Oberflächengewässer und deren Schadwirkung mindern sollen. Bepflanzte Gräben und Feuchtgebiete (vegetated treatment systems: VTS) bieten die Möglichkeit potenzielle Schadwirkung von Pestizideinträgen infolge von Oberflächenabflussereignissen zu mindern, die mit anderen Maßnahmen unvermeidbar wären. Versuche in experimentellen Feuchtgebieten und bepflanzten Gräben wurden durchgeführt, um die Funktionstüchtigkeit möglicher Systeme zu untersuchen. In fünf Rückhaltebecken und zwei bepflanzten Gräben in der Weinbauregion Südpfalz (Südwestdeutschland) wurde von 2006 bis 2009 eine umfangreiche Beprobung von belastetem Wasser nach Starkregenereignissen vorgenommen und die Reduktionsleistung der Systeme bezüglich der eingetragenen Konzentrationen ermittelt. Der Einfluss von Pflanzendichte, Größe der Systeme und Eigenschaften der eingetragenen, bzw. experimentell eingespeisten Substanzen war Schwerpunkt bei der Auswertung der Ergebnisse. Zur Vorhersage der Gewässerbelastung nach niederschlagsbezogenem Oberflächenabfluss wurde in einer Geoinformationsumgebung (GIS) ein Simulationswerkzeug entwickelt. Das Werkzeug arbeitet mit einer sehr exakten Datenbank von hoher räumlicher Auflösung auf Europäischer Ebene. Basierend auf den Erkenntnissen der Experimente, den Ergebnissen der beprobten Gewässer und weiteren Daten von anderen Systemen, die im EU-Life Projekt ArtWET erhoben wurden, ist ein zweites räumliches Werkzeug entstanden, das zur Entscheidungsunterstützung dient und mit dem Risikominderungsmaßnahmen simuliert werden können. Ergebnisse der Experimente und Feldstudien zeigen, dass in experimentellen Feuchtgebieten und bepflanzten Gräben Reduktionen von über 90% der eingetragenen Pestizidkonzentrationen möglich sind. Bepflanzte Gräben und Feuchtgebiete zeigten signifikant bessere Reduktion als unbepflanzte. Pflanzendichte und Sorptivität an organischen Kohlenstoff wurden als Variablen mit der größten Erklärungskraft für die Zielvariable Reduktion der Pestizidkonzentrationen identifiziert (im Gräben-Mesokosmos konnten 65% der Variabilität mit den Variablen Pflanzendichte und KOC erklärt werden. In der Feldstudie wurde gezeigt, dass Fungizidkonzentrationen innerhalb der Rückhaltebecken (Median 38%) und bepflanzten Gräben (Median 56%) signifikant reduziert wurden. Die Regressionsanalyse mit diesen Daten zeigte, dass neben der Pflanzendichte auch die Größe der Systeme Einfluss auf die Reduktion der Pestizidkonzentrationen hat (DP: R²=0.57, p<0.001; VD: R²=0.19, p<0.001). Die Datenbank für die GIS Werkzeuge wurde mit frei verfügbaren Europäischen Daten aufgebaut. Der erweiterte, von der OECD empfohlene REXTOX Risikoindikator wurde modifiziert und für die Risikomodellierung für alle Agrargewässer auf Europäischer Ebene angewandt. Die Ergebnisse der Risikosimulationen bieten die Datenbasis für das zweite Werkzeug, in dem auch die VTS als Risikominderungsmaßnahme eingearbeitet sind. Die Berechnung der Risikominderungsmaßnahmen kann für die einzelnen Kulturen, ausgewählte Gebiete und unterschiedliche Pestizide durchgeführt werden. Kosten für die Risikominderungsmaßnahmen werden ermittelt. Die Ergebnisse liefern wichtige neue Erkenntnisse zur Nutzung von bepflanzten Systemen als Risikominderungsmaßnahmen für diffuse Pestizideinträge in Agrargewässer. Die Proben der Weinbaugewässer zeigen, dass auch die bisher schlecht untersuchte Gruppe der Fungizide nachteilige Auswirkungen auf aquatische Ökosysteme haben kann. Die entwickelten GIS Werkzeuge sind leicht anwendbar und damit nicht nur als Basis für zukünftige Untersuchungen geeignet, sondern auch als Entscheidungsunterstützung in der praktischen Umsetzung außerhalb der Forschung hilfreich. Auf Europäischer Ebene können die GIS-Werkzeuge einerseits externe Kosten der Gewässerverschmutzung durch diffuse Pflanzenschutzmitteleinträge berechnen, indem die Kosten der unterschiedlichen Risikominderungsmaßnahmen abgeschätzt werden. Andererseits kann die Simulation der Maßnahmen bei der Entscheidungsfindung zur Umsetzung der Vorgaben der Wasserrahmenrichtlinie helfen. Zukünftige Studien sind insbesondere im Bereich der Fungizidbelastung von Oberflächengewässern und der langfristigen Funktionstüchtigkeit von bewachsenen Gräben und Feuchtgebieten als Risikominderungsmaßnahmen notwendig.

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Metadaten
Author:David Elsaesser
URN:urn:nbn:de:hbz:lan1-7231
Referee:Ralf Schulz, Ralf Schäfer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2011/11/28
Date of publication:2011/11/28
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2011/11/29
Release Date:2011/11/28
Tag:Fungicides; Pesticides; mitigation; pollution; vegetated treatment systems
GND Keyword:Aquatisches Ökosystem; Fungizid; Minderung; Pestizid; Wasserverschmutzung
Number of pages:149
Institutes:Fachbereich 7 / Fachbereich 7
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
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