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Nutrient Cycling in Agroecosystems

, Volume 76, Issue 1, pp 49–65 | Cite as

Nitrogen inputs in ground and surface waters in the middle Mulde catchment

  • Ulrike HirtEmail author
Original Paper

Abstract

As the EU Water Framework Directive (WFD) is translated into national legislation, the nitrogen (N) concentration in many rivers will have to be significantly reduced. In order to implement suitable measures, the relevant pathways and input quantities of nitrogen discharge have to be identified. For the Middle Mulde catchment in Saxony, Germany (2,700 km2), a pathway-related model is developed to quantify point and diffuse nitrogen discharges. Calculated N-input via point sources is 2,400 Mg entering the rivers in the study area every year. The main point input representing over 50% of the total is via municipal sewage treatment plants, followed by the industrial direct dischargers and the combined sewer overflows, amounting to approx. 20% (462 Mg and 444 Mg) each. The diffuse nitrogen discharges from the soil zone of the arable land amount to a total of 8,050 Mg per year in the 1980s and 2,815 Mg in the 1990s. The inputs via the groundwater flow make up the main proportion for the 1980s with 5,303 Mg, followed by 1,480 Mg from tile drainage and 1,267 Mg from direct runoff. In the 1990s the nitrogen discharge fell sharply with the considerable fall in the surpluses in the agricultural nitrogen balance after German reunification with 1,934 Mg (groundwater flow), 454 Mg (drainage runoff) and 410 Mg (direct runoff). Sensitivity analyses show that the parameter “total atmospheric deposition” represents the highest uncertainties, because of its uncertain quantification and the high sensitivity of the results to this variable.

Keywords

Diffuse input GIS Land use Mesoscale modelling Nitrogen Point source River Mulde catchment 

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Notes

Acknowledgements

I wish to acknowledge the financial support provided by the German Ministry of Education and Research, project ”Ecological research in the riverine landscape of the River Elbe, No: 0339586”.

References

  1. Abraham J, Hülsbergen K-J (2004) Bewirtschaftung und Stoffhaushalt in der Lössregion. In: Becker A, Lahmer W (eds) Wasser- und Nährstoffhaushalt im Elbegebiet und Möglichkeiten zur Stoffeintragsminderung. Konzepte für die nachhaltige Entwicklung einer Flusslandschaft, vol. 1, Weißensee Verlag, Berlin, pp 259–266Google Scholar
  2. Arnold JG, Allen PM, Bernhardt G (1993) A comprehensive surface-groundwater flow model. Journal of Hydrology 142:47–69CrossRefGoogle Scholar
  3. ATV-Regelwerk A-131 (1991) Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen ab 5.000 EW. St. Augustin, GermanyGoogle Scholar
  4. Bamberg H-F, Busse W, Ginzel G, Glugla G, Schlinker K, Ziegler G (1981) KdT-Empfehlung zur Ermittlung der Grundwasserneubildung. Zentrales Geologisches Institut, WTL-Sonderheft 5, BerlinGoogle Scholar
  5. Bastian O, Schreiber KF (eds) (1994) Analyse und ökologische Bewertung der Landschaft. G. Fischer, Jena, Stuttgart, GermanyGoogle Scholar
  6. Behrendt H, Huber P, Kornmilch M, Opitz D, Schmoll O, Scholz G, Uebe R (2000) Nutrient balances of German river basins. UBA-Texte 23, BerlinGoogle Scholar
  7. BITÖK (Bayreuth Institute for Terrestrial Ecosystem Science) (ed) (2000) Forschungsbericht 1999. Jahresbericht an das BMBF. BMBF-Vorhaben Nr. PT BEO 51 – 0339476 C, Bayreuth, GermanyGoogle Scholar
  8. BMU (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit) (2001) Umweltpolitik, Wasserwirtschaft in Deutschland, Teil 1, Grundlagen, BerlinGoogle Scholar
  9. Boden AG (1994) Bodenkundliche Kartieranleitung. Schweizerbart, Hannover, GermanyGoogle Scholar
  10. Böhme F, Russow R, Neue H-U (2002) Airborne nitrogen input at four locations in the German state of Saxony-Anhalt – measurements using the 15N-based ITNI-system. Stable isotopes in environmental research. Isot Environ Health Sci 38:95–102CrossRefGoogle Scholar
  11. De Vries W, Kros J, Oenema O, de Klein J (2002) Uncertainties in the fate of nitrogen II: a quantitative assessment of the uncertainties in major nitrogen fluxes in the Netherland. Nutr Cycl Agroecosyst 66:71–102CrossRefGoogle Scholar
  12. Di HJ, Cameron KC (2002) Nitrate leaching in temperate agroecosystems: sources, factors and mitigationg strategies. Nutr Cycl Agroecosyst 46:237–256CrossRefGoogle Scholar
  13. Dörhöfer G, Josopait G (1980) Eine Methode zur flächendifferenzierten Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate. Geologisches Jahrbuch C 27. Schweizerbart, Stuttgart, GermanyGoogle Scholar
  14. DVWK (ed) (1996) Ermittlung der Verdunstung von Land- und Wasserflächen. DVWK-Merkblätter zur Wasserwirtschaft 238, BonnGoogle Scholar
  15. Dyck S, Peschke G (1995) Grundlagen der Hydrologie. Verl. für Bauwesen, BerlinGoogle Scholar
  16. Federal Department of the Environment (ed) (2003) Chemische Gewässerklassifikation (http://www.umweltbundesamt.de/wasser/themen/ow_s3.htm), Stand 1.5.05.
  17. Feldwisch N, Frede H-G (1998) Auswaschungsgefahr von Nitrat. In: Frede G, Dabbert S (eds) Handbuch zum Gewässerschutz in der Landwirtschaft. Ecomed, Landsberg, pp 40–57Google Scholar
  18. Franko U, Schmidt T, Volk M (2001) Modellierung des Einflusses von Landnutzungsänderungen auf die Nitrat-Konzentration im Sickerwasser. In: Horsch H, Ring I, Herzog F (eds) Nachhaltige Wasserbewirtschaftung und Landnutzung. Metropolis, Marburg, Germany, pp 147–163Google Scholar
  19. Gauger Th, Anshelm F, Schuster H, Erisman JW, Vermeulen AT, Draaijers GPJ, Bleeker A, Nagel H-D (2002) Mapping of ecosystem-specific long-term trends in deposition loads and concentrations of air pollutants in Germany and their comparison with Critical Loads and Critical Levels. Final Report on behalf of Federal Environmental Agency (Umweltbundesamt), Berlin. BMU/UBA FE-No 299 42 210. Part 1: Deposition Loads 1990–1999. 207 p. Part 2: Mapping Critical Levels Exceedances. 104 p. Institut für Navigation der Universität StuttgartGoogle Scholar
  20. Gauger Th, Köble R, Spranger T, Bleeker A, Draaijers G (2001) Deposition loads of sulphur and nitrogen in germany. A comparison of national and international mapping results. Water, Air, Soil Pollut: Focus 1(1–2):353–373Google Scholar
  21. Gebel M (1999) Entwicklung und Anwendung des Modells N-BILANZ zur Quantifizierung von Stickstoffeinträgen in mesoskaligen Flußeinzugsgebieten. Ph.D. Thesis, Dresden University, Dresden, GermanyGoogle Scholar
  22. German Federal Environmental Agency (2003) Deutscher Umweltindex: Wasser (http://www.umweltbundesamt.de/dux/wa-inf.htm)
  23. Glugla G, Jankiewicz P, Rachimow C, Lojek K, Richter K, Fürtig G, Krahe P (2003) Wasserhaushaltverfahren zur Berechnung vieljähriger Mittelwerte der tatsächlichen Verdunstung und des Gesamtabflusses. BfG-Bericht, vol. 1342, 106 SGoogle Scholar
  24. Glugla G, König B (1989) Der mikrorechnergestützte Arbeitsplatz Grundwasserdargebot. Wasserwirtschaft-Wassertechnik 8:178–181Google Scholar
  25. Herzog F, Kunze J, Weiland M, Volk M (2001) Modellierung der Grundwasserneubildung im Lockergesteinsbereich Mitteldeutschlands. Wasser & Boden 53(3):32–36Google Scholar
  26. Heyder D (1993) Nitratverlagerung, Wasserhaushalt und Denitrifikationspotential in mächtigen Lößdecken und einem Tonboden bei unterschiedlicher Bewirtschaftung. Bonner Bodenkundl. Abh. 10, BonnGoogle Scholar
  27. Hirt U, Meyer BC, Hammann T (2005a) Proportions of subsurface drainages in large areas—methodological study in the Middle Mulde catchment (Germany). J Plant Nutr Soil Sci 168:375–385CrossRefGoogle Scholar
  28. Hirt U, Hammann T, Meyer BC (2005b) Mesoscalic estimation of nitrogen discharge via drainage systems. Limnologica 35(3):206–219Google Scholar
  29. Hirt U (2004a) Großräumige Stickstoffbilanzen für das mittlere Muldegebiet. In: Becker A, Lahmer W (eds) Wasser- und Nährstoffhaushalt im Elbegebiet und Möglichkeiten zur Stoffeintragsminderung. Konzepte für die nachhaltige Entwicklung einer Flusslandschaft, vol 1. Weißensee Verlag, Berlin, pp 252–258Google Scholar
  30. Hirt U (2004b) Uncertainties in the mesoscale modelling of water and nitrogen fluxes. In: Geller W, Blachuta J, Blazkova S, Claus E, Dubicki A, Feldmann H, Guhr H, Helios-Rybicka E, Holzmann H, Szalinska W, von Tümpling W, Zaray G (eds) 11th Magdeburg Seminar on Waters in Central and Eastern Europe: Assessment, Protection, Management, vol 18. UFZ-Bericht 84–85Google Scholar
  31. Hirt U (2003) Regional differenzierte Abschätzung der Stickstoffeinträge aus punktuellen und diffusen Quellen in die Gewässer der mittleren Mulde. UFZ-Bericht 3, Leipzig, GermanyGoogle Scholar
  32. Hirt U, Meyer BC, Hammann T (2003) Changes in Nitrogen Input via drainage systems into the Mulde catchment (Germany) – a mesoscalic approach. In: Mander Ü, Antrop M (eds) Multifunctional landscapes Vol III: Continuity and change. Advances in Ecological Sciences 16. Wit Press, Southampton, pp 201–221Google Scholar
  33. Honisch M (1996) Abhängigkeit des Wasser- und Stoffhaushalts einer Lößlandschaft von Standorten und Bewirtschaftungsintensität. Ph.D. Thesis. Hohenheim University, Hohenheim, GermanyGoogle Scholar
  34. Kersebaum KC, Wenkel K-O (1998) Modelling water and nitrogen dynamics at three different spatial scales – influence of different data aggregation levels on simulation results. Nutr Cycl Agroecosyst 50:313–319CrossRefGoogle Scholar
  35. Korsaeth A, Bakken LR, Riley H (2003) Nitrogen dynamics of grass as affected by N input regimes, soil texture and climate: lysimeter measurements and simulations. Nutr Cycl Agroecosyst 66:181–199CrossRefGoogle Scholar
  36. Kroeze C, Aerts R, van Breemen N, van Dam D, van der Hoek K, Hofschreuder P, Hoosbeek M, de Klein J, Kros H, van Oene H, Oenema O, Tietema A, van der Veeren R, de Vries W (2003) Uncertainties in the fate of nitrogen I: an overview of sources of uncertainty illustrated with a Dutch case study. Nutr Cycl Agroecosyst 66:43–69CrossRefGoogle Scholar
  37. Krysanova V, Haberlandt U (2002) Assessment of nitrogen leaching from arable land in large river basins. Part I: Simulation experiments using a process-based model. Ecol Model 150(3):255–275CrossRefGoogle Scholar
  38. Krysanova V, Müller-Wohlfeil D-I, Becker A (1998) Development and test of a spatially distributed hydrological/water quality model for mesoscale watersheds. Ecol Model 106:261–289CrossRefGoogle Scholar
  39. Kunkel R, Wendland F (2002) The GROWA98 model for water balance analysis in large river basins – the river Elbe case study. J Hydrol 259:152–162CrossRefGoogle Scholar
  40. Mannsfeld K, Richter H (1995) Naturräume in Sachsen. Forschungen zur dt. Landeskunde 238, Trier, GermanyGoogle Scholar
  41. Mehlert S (1996) Untersuchungen zur atmogenen Stickstoffdeposition und zur Nitratverlagerung. Bestimmung verschiedener Formen der atmogenen Stickstoffdeposition und Untersuchungen zur Nitratverlagerung in Schwarzerdeböden mit unterschiedlichen Norg- und Corg-Gehalten mittels der 15N-Isotopentracermethode, vol 22. UFZ-Bericht, Leipzig, 154 SGoogle Scholar
  42. OSPAR (Oslo-Paris-Commission) (1996): Principles of the comprehensive study of riverine inputs and direct discharges (RID)Google Scholar
  43. Portage County Planning (eds) (2004) Portage County groundwater. Runoff – What’s the Difference? http://www.uwsp.edu/water/portage/undrstnd/runoff.htm (1.8.04)
  44. SMUL (Sächsisches Staatsministerium für Umwelt und Landwirtschaft) (eds) (2000) Waldzustandsbericht 2000. Dresden, GermanyGoogle Scholar
  45. Starck H-G, Göbel B, Reiche E-W, Widmoser P (1999) Darstellung und Bewertung von mesoskaligen Stickstoffmodellen. Studie für den Forschungsverbund Elbe-ökologie. BfG-Mitteilungen 3. Koblenz, Berlin, GermanyGoogle Scholar
  46. Ullrich A, Hirt U (2002) Quantifizierung der punktuellen Stickstoffeinträge in die Flüsse des Einzugsgebietes der mittleren Mulde, vol 4. Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall, pp 679–686Google Scholar
  47. Volk M, Geyler S (2001) Grundwasserneubildung und Entnahme. In: Horsch H, Messner F, Volk M (eds) Integriertes Bewertungsverfahren zur Ableitung einer nachhaltigen Wasserbewirtschaftung und Landnutzung im Torgauer Raum, vol 24. UFZ-Bericht, pp 169–182Google Scholar
  48. Volk M, Herzog F, Schmidt T, Geyler S (2001) Modellierung des Einflusses von Landnutzungsänderungen auf die Nitrat-Konzentration im Sickerwasser. In: Horsch H, Ring I, Herzog F (eds) Nachhaltige Wasserbewirtschaftung und Landnutzung. Metropolis, Marburg, Germany, pp 147–163Google Scholar
  49. Voss G, Zepp H (1987) Zur Nitratverlagerung in der ungesättigten Zone mächtiger Lößdecken unter verschiedenen Kulturen. Z f Kulturtechnik und Flurbereinigung 28:198–207Google Scholar
  50. Weigel A, Russow R, Körschens M, (2000) Quantification of airborne N-input in long-term field experiments and its validation through measurements using 15N isotope dilution. J Plant Nutr Soil Sci 163:261–265CrossRefGoogle Scholar
  51. Wendland F (1992) Nitrat im Grundwasser der “alten” Bundesländer. Berichte aus der Ökologischen Forschung 8. Jülich, GermanyGoogle Scholar
  52. Wendland F, Kunkel R (1999) Das Nitratabbauvermögen im Grundwasser des Elbeeinzugsgebietes: Analyse von Wasserhaushalt, Verweilzeiten und Grundwassermilieu im Flußeinzugsgebiet der Elbe (deutscher Teil), Abschlußbericht. Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Umwelt 13, Jülich, GermanyGoogle Scholar
  53. Wendland F, Kunkel R (1998) Der Landschaftswasserhaushalt im Flußeinzugsgebiet der Elbe. Verfahren, Datengrundlagen und Bilanzgrößen. Analyse von Wasserhaushalt, Verweilzeiten und Grundwassermilieu im Flußeinzugsgebiet der Elbe. Schriften des Forschungszentrums Jülich 12, Jülich, GermanyGoogle Scholar
  54. Werner W, Wodsack H-P (eds) (1994) Stickstoff- und Phosphateintrag in Fließgewässer Deutschlands unter besonderer Berücksichtigung des Eintragsgeschehens im Lockergesteinsbereich der ehemaligen DDR. Agrarspectrum – Schriftenreihe der Agrar-, Forst-, Ernährungs-, Veterinär- und Umweltforschung 22, Frankfurt (Main), GermanyGoogle Scholar

Copyright information

© Springer Science+Business Media B.V. 2006

Authors and Affiliations

  1. 1.Department of Lowland Rivers and Shallow LakesInstitute of Freshwater Ecology and Inland FisheriesBerlinGermany

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