Organischer Kohlenstoff in Bächen – Auswirkungen ackerbaulicher Bewirtschaftungspraktiken

Mit über 45 % Flächenanteil stellt Landwirtschaft die dominante Landnutzungsform in Niederösterreich dar. Die intensive landwirtschaftliche Nutzung von Einzugsgebieten kann zu einem beträchtlichen Eintrag an gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) und anorganischen Nährstoffen in Gewässersysteme führen, die grundlegende Stoffwechselprozesse verändern und den ökologischen Zustand von Fließgewässern langfristig verschlechtern (Graeber et al. 2015; Williams et al. 2010; Wilson and Xenopoulos 2009). Die Menge und Zusammensetzung des eingetragenen DOC kontrolliert das Wachstum und die Aktivität von Bakterien im Gewässer und beeinflusst den aquatischen Kohlenstoffkreislauf (Stanley et al. 2012; Tank et al. 2010).

DOC ist eine Mischung verschiedener organischer Kohlenstoffverbindungen, die je nach Herkunft und Alter aus einfachen Kohlenhydraten und Aminosäuren bis hin zu komplexen Molekülen mit teilweise hoher Aromatizität bestehen (Graeber et al. 2015). Während kleine Moleküle, wie z. B. Einfachzucker, von Mikroorganismen sofort aufgenommen und größtenteils veratmet werden, müssen komplexe aromatische Gruppen erst nach und nach mithilfe von Enzymen aufgeschlossen werden und dienen zum Aufbau mikrobieller Biomasse (Findlay et al. 2001). Somit wirkt sich der Anteil an labilen und refraktären Kohlenstoffverbindungen auf den Stoffwechsel von Gewässerbakterien aus. In natürlichen oder naturnahen Bächen mit einer hydrologisch gut angebundenen Bachaue stammt ein Großteil des im Wasser gelösten organischen Materials von Ufergehölzen und weist daher einen hohen Anteil an refraktären Bestandteilen auf (Stutter et al. 2018). Fehlt jedoch die Beschattung, kann es in nährstoffbelasteten Gewässern zu einem massiven Wachstum an Algen kommen, deren Exsudate zu einer Erhöhung des labilen Kohlenstoffs führen. Weitere Quellen für labilen Kohlenstoff in landwirtschaftlichen Gebieten sind unter anderem Ausbringung von Gülle, Drainagen oder Bodenbearbeitung. Hohe Mengen an leicht verfügbarem Kohlenstoff können zu einer erhöhten Sauerstoffzehrung in den Sedimenten von Bächen führen, die sich unter ungünstigen Bedingungen, wie z. B. einer geringen Wasserführung und hohen Wassertemperaturen, bis in die Wassersäule bemerkbar macht. Trotz einer steigenden Anzahl an Studien über den Einfluss von landwirtschaftlicher Nutzung auf die Menge und die Qualität des organischen Materials in Bächen ist bis heute der Zusammenhang zwischen bestimmten Bewirtschaftungspraktiken, der Veränderung des organischen Materials beim Transport durch den Boden und dessen Einfluss auf die Wasserqualität nicht ausreichend bekannt. Das NFB-Projekt „Organic carbon cycling in streams: Effects of agricultural land use (ORCA)“ (www.​organic-carbon.​at) beschäftigte sich mit dem Einfluss landwirtschaftlicher Bewirtschaftungspraktiken (z. B. Düngung) und hydrologischer Transportpfade (u. a. Oberflächenabfluss, Grundwasser, Drainagen etc.) auf die Menge und die Zusammensetzung des gelösten organischen Materials in Fließgewässern. Des Weiteren untersuchten wir, wie sich unterschiedliche DOC-Quellen auf die Wasserqualität und den Sauerstoffhaushalt der Gewässer auswirken.

Die intensive landwirtschaftliche Nutzung der Einzugsgebiete kann zu einem erhöhten Eintrag an labilem gelösten organischen Kohlenstoff in Fließgewässer führen. Diese labilen Kohlenstoffquellen haben das Potenzial, den Sauerstoffverbrauch in den Gewässern zu stimulieren und zu einer verstärkten Sauerstoffzehrung in den Sedimenten zu führen. Erhöhte Wassertemperaturen, Nährstoffbelastungen sowie eine Anreicherung an organischem und anorganischem Feinmaterial in den Bachsedimenten aufgrund erhöhter Bodenerosion können diesen Effekt noch weiter verstärken. Unsere Perkolationsversuche zeigen, dass bei entsprechend langer Bodenpassage die Wirkung von Düngung auf den Eintrag von organischem Kohlenstoff und Nährstoffen in Fließgewässer jedoch abgemildert werden kann.

Auf globaler Ebene hat die Intensivierung der Landwirtschaft bereits den Eintrag von gelöstem organischen Kohlenstoff in Oberflächengewässer verändert. Zusätzlich werden durch die Klimaerwärmung künftig viele Regionen während der Sommermonate mit trockenen Böden und Starkregen zu kämpfen haben. Besonders Starkregenereignisse auf trockengefallenen Böden werden Oberflächenabflüsse mit hohen Sedimentkonzentrationen begünstigen. Folglich wird künftig mehr gelöster organischer Kohlenstoff aus dem Oberboden ohne jegliche Bodenpassage in anliegende Gewässer verfrachtet werden. Daher ist es unabdingbar, Wissen zu generieren, das die Wirkung von landwirtschaftlicher Bewirtschaftung auf den Austrag von gelöstem organischen Kohlenstoff aus dem Boden in die Oberflächengewässer abschätzt. Zudem wäre zu empfehlen, die Qualität des gelösten organischen Materials mittels einfacher Indizes in ein Gewässermonitoring aufzunehmen. Das könnte z. B. mithilfe von derzeit in Entwicklung befindlichen Sensoren geschehen, die diverse organische Belastungen von Gewässern anhand ausgewählter Fluoreszenz-Peaks direkt im Freiland messen können. So wurde auch im Rahmen des ORCA-Projekts ein Sensor entwickelt und getestet, mit dessen Hilfe der Frische-Index und der Fluoreszenz-Index in der Wassersäule relativ einfach und rasch vor Ort erhoben und so eine mögliche Belastung durch labiles, mikrobiell produziertes organisches Material festgestellt werden kann (Posnicek et al. 2018).