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Studies have shown that runoff and spray-drift are important sources of nonpoint-source pesticide pollution of surface waters. Owing to this, public concern over the presence of pesticides in surface and ground water has resulted in intensive scientific efforts to find economical, yet environmentally sound solutions to the problem. The primary objective of this research was to assess the effectiveness of vegetated aquatic systems in providing buffering between natural aquatic ecosystems and agricultural landscape following insecticide associated runoff and spray-drift events. The first set of studies were implemented using vegetated agricultural ditches, one in Mississippi, USA, using pyrethroids (bifenthrin, lambda-cyhalothrin) under simulated runoff conditions and the other in the Western Cape, South Africa using the organophosphate insecticide, azinphos-methyl (AZP), under natural runoff and spray-drift conditions. The second set of studies were implemented using constructed wetlands, one in the Western Cape using AZP under natural spray-drift conditions and the other in Mississippi, USA using the organophosphate MeP under simulated runoff conditions. Results from the Mississippi-ditch study indicated that ditch lengths of less than 300 m would be sufficient to mitigate bifenthrin and lambda-cyhalothrin. In addition, data from mass balance calculations determined that the ditch plants were the major sink (generally > 90%) and/or sorption site for the rapid dissipation of the above pyrethroids from the water column. Similarly, results from the ditch study in South Africa showed that a 180 m vegetated system was effective in mitigating AZP after natural spray drift and low flow runoff events. Analytical results from the first wetland study show that the vegetated wetland was more effective than the non-vegetated wetland in reducing loadings of MeP. Mass balance calculations indicated approximately 90% of MeP mass was associated with the plant compartment. Ninety-six hours after the contamination, a significant negative acute effect of contamination on abundances was found in 8 out of the 15 macroinvertebrate species in both wetland systems. Even with these toxic effects, the overall reaction of macroinvertebrates clearly demonstrated that the impact of MeP in the vegetated wetland was considerably lower than in the non-vegetated wetland. Results from the constructed wetland study in South Africa revealed that concentrations of AZP at the inlet of the 134 m wetland system were reduced by 90% at the outlet. Overall, results from all of the studies in this thesis indicate that the presence of the plant compartment was essential for the effective mitigation of insecticide contamination introduced after both simulated and natural runoff or spray-drift events. Finally, both the vegetated agricultural drainage ditch and vegetated constructed wetland systems studied would be effective in mitigating pesticide loadings introduced from either runoff or spray-drift, in turn lowering or eliminating potential pesticide associated toxic effects in receiving aquatic ecosystems. Data produced in this research provide important information to reduce insecticide risk in exposure assessment scenarios. It should be noted that incorporating these types of best management practices (BMPs) will decrease the risk of acute toxicity, but chronic exposure may still be an apparent overall risk.
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.
Quellen sind hochdiverse Lebensräume mit einer stark spezialisierten Fauna, wobei noch Lücken im Verständnis der besiedlungsrelevanten Faktoren für die aquatische Makrofauna bestehen, so dass die Arbeit einen klärenden Beitrag hinsichtlich anthropogener Veränderungen und ihrer Auswirkungen auf die Besied-lung leisten will. Basierend auf Daten von 334 Quellen aller Grundwasserlandschaften von Rheinland-Pfalz wurden die Quellen morphologisch und faunistisch bewertet. Außerdem wurden die Quellen des Landes morphologisch typisiert, Referenzquellen analysiert und ein Ansatz für die morphologische und faunistische Leitbildentwicklung gegeben. Außerdem wird ein selbst entwickeltes, kompaktes Kartier- und Bewertungsverfahren zur Quellstruktur vorgestellt, wo bislang noch ein Defizit bestand. Das Verfahren erfasst in einem Erfassungsbogen alle ökologisch bedeutsamen Strukturparameter und bewertet in einem 5-stufigen System. Quellen sind hochdiverse Lebensräume mit kleinen Populationen in isolierter Lage. Bei der Untersuchung der 310 Quellen wurden insgesamt 292 Arten bzw. höhere Taxa des Makrozoobenthos nachgewiesen. Es wurden 89 quellassoziierte Taxa gezählt, hiervon waren 24 krenobiont und 65 krenophil. Der Anteil der quellassoziierten Fauna an der Gesamtfauna lag bei über 30%. Es fanden sich 19 Erstnachweise für Rheinland-Pfalz, 9 besondere Nachweise (seltene Arten) und 19 Rote-Liste-Arten. Erstnachweise fanden sich in wenig bearbeiteten Dipterengruppen, vor allem den Psychodidae (13), Limoniidae (5) und ferner den Simu-liidae (1). Bei den Köcherfliegen wurden etliche seltene Arten gefunden, welche bisher in Rheinland-Pfalz kaum gefunden wurden. Häufigere krenobionte Taxa waren Crunoecia irrorata, Bythinella dunkeri, Niphar-gus sp., Pisidium personatum, Salamandra salamandra, Thaumalea sp., Agabus guttatus, Crenobia alpina, Oxycera sp. und Beraea maura. Die durchschnittliche Taxazahl pro Quelle betrug 11, die maximale 62 Taxa. Schüttung und Morphologie der Quellen waren von Naturraum und Grundwasserlandschaft abhängig, so schütteten etwa Buntsandsteinquellen ergiebiger und konstanter als Tonschieferquellen. Quellen spiegeln die Hydrologie ihrer Einzugsgebiete wider, so dass in verschiedenen hydrogeologischen Einheiten die chemischen Parameter differierten. In einzelnen Quellen schwankte die Hydrochemie jahreszeitlich aber nur gering. Der pH-Wert etwa war im Quellwasser versauerungsgefährdeter Gebiete niedrig (Hunsrück, Pfälzer-wald), der Nitratgehalt anthropogen bedingt hoch in intensiv landwirtschaftlich genutzten Räumen. Die morphologische Quelltypologie, welche sich in erster Linie auf gängige Quelltypen stützte, ergab in elf hydrogeologischen Quelltypenräumen vier Basisquelltypen und fünf geochemische Sondertypen. Die Wan-derquelle wurde neu hinzu genommen. Die landesweite Verteilung der Quelltypen ergab bei ungefassten Quellen 57 % Sicker-, 32 % Sturz-, 9 % Tümpel- und über 2 % Wanderquellen. Wanderquellen dürften aber noch öfter vorkommen. Relief und Substrateigenschaften waren entscheidende Faktoren für die Typologie, so dass etwa Sturzquellen vor allem im Buntsandstein häufig waren, während Sickerquellen im Tonschiefer des rheinischen Schiefergebirges dominierten. Es wurden 85 Strukturreferenzquellen als typische, naturnahe Beispiele für einzelne Quelltypenräume genannt. Etwa zwei Drittel aller Quellen waren strukturell beein-trächtigt bis stark geschädigt, 59 % gefasst. Fassungen, Verrohrungen und Betonverbau waren ökologisch besonders bedeutsam. In Regionen mit intensiver Landwirtschaft lagen generell die stärksten Schädigungen vor. Im Forst waren Quellen durch Nadelholzmonokulturen und in den Hochlagen pufferarmer Mittelgebirge durch Versauerung geschädigt. Hinsichtlich der Besiedlung ergaben sich Unterschiede zwischen den Naturräumen, beeinflusst durch die Faktoren Geologie, Hydrochemie, Schüttungsverhältnisse, Landnutzung im Einzugsgebiet sowie die Struk-turvielfalt an der Quelle. Strukturell unveränderte und unversauerte Quellen besaßen im Schnitt höhere Ta-xazahlen. Einzelne Faktoren mit Einfluss auf die Besiedlung wurden in ihrer Auswirkung getestet. In Quel-len ist die Versauerung grundsätzlich besiedlungsbeschränkend und überlagert strukturelle Faktoren. Bei niedrigen pH-Werten kommt es zu verminderten Taxazahlen, allerdings sind viele Quellorganismen offen-sichtlich an eine leichte Versauerung angepasst, da in sauren Quellen der Anteil der Quellfauna höher war. Außerdem ergab die Untersuchung, dass neue und intakte Fassungen weniger Taxa und Quelltaxa aufwiesen, während bei alten und verfallenen Fassungen oft eine hohe Quelltaxazahl vorlag, so dass diese als sekundär ökologisch wertvoll zu bezeichnen sind. Die Umfeldnutzung und die Größe des Quellbereichs sind ebenfalls wichtig, so dass Quellen in Laub- und Mischwald sowie in extensivem Grünland am besten besiedelt waren. Die stärksten statistischen Zusammenhänge mit der faunistischen Besiedlung ergaben sich bei den Bewer-tungsergebnissen des Strukturverfahrens, was zeigt, dass das Verfahren realistisch bewertet. Multivariate statistische Methoden dienten der Ermittlung von Besiedlungsfaktoren und der Leitbildentwick-lung. Es ergab sich eine unterschiedliche Besiedlung bei verschiedener Hydrogeologie und Hydrochemie sowie bei verschiedenen Quelltypen. Allerdings waren die Ergebnisse nicht eindeutig, so dass die Trennung der Quelltypen nur teilweise gelang und die Quelltypen von den Grundwasserlandschaften überlagert waren. Die Faunenunterschiede verschiedener Regionen waren größer als die einer Region, so dass morphologische Quelltypen faunistisch nur innerhalb einer hydrogeologischen Einheit von Bedeutung sind. Es wurden regionale faunistische Leitarten für vier Grundwasserlandschaften genannt, wobei sich auf wenige hochstete Quellarten beschränkt wurde. Die Arbeit zeigt, dass faunistisch orientierte Leitbilder nur unter Schwierigkeiten anzugeben sind und vollständige Typuszönosen für größere Gebiete grundsätzlich in Frage zu stellen sind. Sehr häufige grundsätzliche Leitarten für Quellen silikatischer Mittelgebirge in Rheinland-Pfalz sind Crunoecia irrorata und Bythinella dunkeri.