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Die vorliegende Arbeit betrachtet den Einfluss von Wald- und Wirtschaftswegen auf Abflussentstehung und Bodenerosionsraten innerhalb eines bewaldeten Einzugsgebiets im Naturschutzgebiet Laacher See. Hierfür wurden sowohl bestehende Erosions- und Akkumulationsformen im Gelände kartiert, als auch Erosionssimulationen mittels einer Kleinberegnungsanlage durchgeführt. Zuletzt erfolgte eine Modellierung des Erosionspotentials auf Grundlage der Simulationsergebnisse.
Die Analyse bestehender Erosions- und Akkumulationsformen im Gelände gab einen Hinweis auf Bodenerosionsraten von Wegoberflächen, die zwischen 27,3 und 93,5 t ha-1 a-1 und somit in derselben Größenordnung wie Erosionsraten unter intensiver ackerbaulicher Nutzung lagen.
Die Simulationsläufe zeigten, dass persistente Waldwege ein deutlich verändertes Infiltrationsverhalten aufwiesen. Auf natürlichen Waldböden lag der Anteil des infiltrierten Niederschlags bei durchschnittlich 96%. Im Falle von Waldwegen nahm dieser Anteil im Mittel auf 14% bis 7% ab. Besonders auffällig waren die Ergebnisse auf Rückegassen, auf denen ein erheblicher Einfluss der Bodenverdichtung durch Befahrung nachgewiesen werden konnte. Hier sank der Anteil des infiltrierten Niederschlags auf 31% in den Fahrspuren, zwischen den Spuren wurden noch 76 % infiltriert.
Während der Simulationsläufe konnten maximale Sedimentmengen von 446 g m-2 erodiert werden, was einer mittleren Bodenerosionsrate von 4,96 g m-2 min-1 entspricht. Diese hohen Abtragsraten wurden auf persistenten Wegen mit geringer Befestigung gemessen. Rückegassen wiesen die geringsten Abtragswerte auf, maximal konnten 37 g m-2 erodiert werden, gleichbedeutend mit einer Abtragsrate von 0,41 g m-2 min-1. Die erodierten Sedimentmengen betrugen im Mittel bei Wegen 167 bis 319 g m-2 und im Falle von Rückegassen 17 g m-2. Anhand von Vergleichsmessungen auf Waldstandorten, bei denen ein mittlerer Bodenabtrag von ca. 5 g m-2 festgestellt wurde, konnte eine erhöhte Erodierbarkeit für jedwede Form der Weganlage bestätigt werden.
Auf Basis der im Gelände gemessenen Abtragsraten wurden die Modellierungen kalibriert. Die Ergebnisse der ABAG / DIN 19708 zeigten für das betrachtete Untersuchungsgebiet eine mittlere jährliche Bodenerosionsgefährdung von 2,4 - 5,8 t ha-1 a-1 für persistente Wege und von 0,5 t ha-1 a-1 für Rückegassen. Im Vergleich zum Mittelwert weitgehend unbeeinflusster Waldflächen im Untersuchungsgebiet von 0,1 t ha-1 a-1 zeigte sich abermals ein erhöhtes Abtragspotential. Die physikalisch basierte Modellierung der Beregnungsversuche mittels WEPP zeigte ein zufriedenstellendes Ergebnis bei der Einschätzung des Abflussverhaltens, so wurden für persistente Wege nur Abweichungen von maximal -5% festgestellt. Die Abflussmodellierung auf Rückegassen sowie die generelle Modellierung der Bodenerosion während der Beregnungsversuche zeigte sich im Kontrast hierzu noch fehlerbehaftet, was ursächlich mit der für ein physikalisches Modell relativ geringen Eingangsdatentiefe zu begründen ist.
Es wurde nachgewiesen, dass Waldwege einen bedeutenden Einfluss auf den Wasserhaushalt und das Bodenerosionsgeschehen haben. Der Rückhalt von Niederschlägen wird gemindert und es kommt zu intensivierten Bodenerosionsprozessen. Schlecht befestigte Wege zeigten einen stark erhöhten Bodenabtrag, der zu ökologischen Folgeschäden führen kann. Der Abtrag kann ebenso zu einer Beeinträchtigung der Befahrbarkeit führen. Anhand der Folgen lässt sich die Relevanz der Betrachtung von Abfluss- und Bodenerosionsprozessen auf Wald- und Wirtschaftswegen deutlich machen. Die vorliegende Arbeit stellt die erste Studie dar, innerhalb derer Abfluss- und Bodenerosionspozesse für Walderschließungsnetzwerke in Mitteleuropa untersucht wurden.
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.