Projekt 17898/01

Schlagbezogene Risikoabschätzung zum Pflanzenschutzmitteleintrag in Gewässer als Bestandteil des Informationssystems Integrierte Pflanzenproduktion (ISIP)

Projektdurchführung

Justus-Liebig-Universität GießenInstitut für Landschaftsökologie undRessourcenmanagementFachbereich 09
Heinrich-Buff-Ring 26 - 32
35392 Gießen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Kontamination von Oberflächengewässern mit Pflanzenschutzmitteln (PSM) und ihren Metaboliten kann eine ernsthafte Bedrohung für aquatische Ökosysteme darstellen. Diese Einträge sind vorrangig landwirtschaftlichen Ursprungs. Ein Schritt in Richtung einer nachhaltigeren Landwirtschaft ist die sog. Integrierte Pflanzenproduktion. Mit diesem Anbausystem wird versucht, die Beeinträchtigung der Umwelt durch Pflanzenschutzmaßnahmen so weit wie möglich zu vermindern.
Um die Integrierte Pflanzenproduktion in der Landwirtschaft in Deutschland weiter zu verbreiten, unterstützt und fördert die Deutsche Bundesstiftung Umwelt das Online-Beratungssystem ISIP (Informationssystem Integrierte Pflanzenproduktion). ISIP ist ein web-basiertes Informationssystem (www.isip.de), das es Beratern und Landwirten ermöglicht, die jeweils optimale Entscheidung über Pflanzenschutz- und Düngungsmaßnahmen im Einzelbetrieb schlag- und applikationsspezifisch zu treffen. ISIP stellt den Nutzern die dafür notwendige fachliche Informationsbasis bereit, ohne dass sich die Nutzer um die Beschaffung und Aktualisierung des Fachwissens kümmern müssen, was in Zukunft mit einem immer größeren Zeit- und Kostenaufwand verbunden sein wird.
Aufgabe des vorliegenden Projekts war die Entwicklung eines schlag- und anwendungsspezifischen Ansatzes zur Risikoabschätzung für Pflanzenschutzmitteleinträge in Oberflächengewässer über die diffusen Eintragspfade Oberflächenabfluss (Runoff), Erosion und Drainage. Dieser Ansatz zur Risikoabschätzung soll als Werkzeug zur Entscheidungsunterstützung für Berater und Landwirte im Hinblick auf die Gewässerökologie in das ISIP-Beratungsangebot eingebunden werden und dort die Zielkomponente Minimierung der Gewässergefährdung abdecken. Der Ansatz soll den Landwirten und Pflanzenschutzberatern bei der Entscheidung helfen, ob eine bestimmte Anwendung (z. B. Herbstapplikation in Wintergetreide) eines bestimmten Wirkstoffs auf dem Schlag des Landwirts ein inakzeptables Risiko für aquatische Organismen darstellt oder nicht.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Zielkomponente Minimierung der Gewässergefährdung wurden Modellansätze zur schlag- und anwendungsspezifischen Risikoabschätzung entwickelt und im Internet-Portal ISIP implementiert. Das Projekt umfasste zwei Kernaufgaben:
1. Entwicklung von Modellansätzen zur Abschätzung des Risikos von Pflanzenschutzmittel-Einträgen in Oberflächengewässer (risk assessment).
2. Einbindung der anwendungs- und standortspezifischen Risikoabschätzung in ISIP als ökologische Komponente der Entscheidungsfindung (decision support).
Zu diesem Zweck wurden Simulationen für die diffusen Eintragspfade Drainage, Oberflächenabfluss (Runoff) und Erosion durchgeführt. [Mögliche diffuse Einträge über Spraydrift wurden nicht berücksichtigt, da davon ausgegangen wird, dass die Landwirte die gesetzlich vorgeschriebenen Abstandsauflagen einhalten.]
Die Drainage-Berechnungen wurden mit dem Preferential-Flow-Modell MACRO 4.3b durchgeführt, das auch im europäischen Zulassungsverfahren (FOCUS surface water scenarios; FOCUS, 2001) als Drainagemodell eingesetzt wird. Die Evaluierung des Modells anhand einer Reihe von Datensätzen aus europäischen Drainagestudien ergab, dass MACRO 4.3b, unter Benutzung der Pedotransferfunktionen von MACRO_DB2, mit hinreichender Vorhersagegüte ohne vorhergehende Kalibrierung für die Schätzung von Pflanzenschutzmitteleinträgen über Drainagen in Oberflächengewässer eingesetzt werden kann. Für die prädiktive Modellierung der Drainageeinträge wurde ein szenarienbasierter Ansatz mit 8 drainagerelevanten Bodenklassen, 19 Boden/Klima-Szenarien und jeweils einem repräsentativen Wetterjahr verwendet. Für 109 verschiedene Wirkstoffe mit 229 in Deutschland zugelassenen Anwendungen (Anwendung hier = Kombination von Wirkstoff, Kulturpflanze und Applikationssaison) wurden MACRO-Simulationen durchgeführt. Das Maximum des täglichen Wirkstoffaustrags über den Simulationszeitraum, das dazugehörige Datum und der dazugehörige Drainagefluss wurden aus dem MACRO-Output extrahiert, als Grundlage für die spätere Berechnung der Wirkstoffkonzentrationen im Oberflächengewässer.
Für die Simulation von Runoff- und Erosionsausträgen wurde das Modell PRZM 3.21b ausgewählt, das auch im europäischen Zulassungsverfahren (FOCUS surface water scenarios) als Runoff- und Erosionsmodell eingesetzt wird. Eine Modellevaluierung anhand einer Reihe von europäischen Datensätzen zeigte, dass PRZM 3.21b mit hinreichender Vorhersagegüte für die Schätzung von Runoffeinträgen in Oberflächengewässer verwendet werden kann. Analog zur Drainage-Modellierung wurde ein Ansatz auf Szenario-Basis für die Runoff-Vorhersagen gewählt, der 5 Bodenklassen mit unterschiedlicher Anfälligkeit für Oberflächenabfluss, 8 Klimaszenarien mit unterschiedlicher Starkniederschlagshäufigkeit und 20 verschiedene Wetterjahre pro Klimaszenario umfasste. PRZM-Simulationen wurden für 185 verschiedene Wirkstoffe mit 444 zugelassenen Anwendungen durchgeführt. Das Maximum des täglichen Runof-faustrags über den Simulationszeitraum, das dazugehörige Datum und das dazugehörige Runoffvolumen wurden aus dem PRZM-Output extrahiert; analoges gilt für die Erosionsausträge.
Aufgrund der Anforderungen der web-basierten Anwendung in ISIP müssen die Berechnung der Predicted Environmental Concentrations in surface water (PECsw) und die anschließende Risikoabschätzung online und eingabespezifisch im ISIP Risk-Assessment-Modul durchgeführt werden. Um die Nutzerakzeptanz des ISIP-Online-Beratungsangebotes nicht durch überlange Reaktionszeiten des System zu gefährden, kann eine Berechnung von Langzeit-PECsw aufgrund des relativ hohen Rechenzeitaufwands nicht durchgeführt werden. Es erscheint daher vertretbar, ausschließlich initiale PECsw für akute Expositi-on zu berechnen. Außerdem war es aufgrund des erheblichen Rechenaufwandes und des Fehlens regi-onalisierter Daten zu Sedimenteigenschaften von Vorflutern ebenfalls nicht möglich, die Pflanzenschutzmitteleinträge über Erosion bei der PECsw-Berechnung zu berücksichtigen. Es konnte jedoch mit einer konservativen Abschätzung gezeigt werden, dass für die initialen PEC im Wasserkörper die dadurch verursachte Einbuße in der Vorhersagegüte gering ist, so dass die Berechnung der initialen PECsw nur aus den PSM-Einträgen in der gelösten Phase über Oberflächenabfluss (Runoff) zu rechtfertigen ist. Die nach diesem Ansatz ermittelten PECsw beziehen sich auf den Auslass eines kleinen Einzugsgebiets mit etwa 10 km2 Fläche (Anwendbarkeitsbereich der verwendeten Methode: ca. 1 bis 100 km2 Fläche), was ungefähr der Fläche einer kleineren Gemeinde entspricht. Die höhere der beiden PECsw (PECsw durch Runoffeinträge und PECsw durch Drainageeinträge) wird mit der akuten aquatischen maximalen tolerablen Konzentration für den entsprechenden Wirkstoff verglichen. Dies ist die höchste Konzentrati-on, bei der für alle Test-Taxa der geforderte Sicherheitsfaktor (Toxicity/Exposure Ratio, TER) von 10 oder 100 eingehalten wird und daher für keine der Test-Spezies ein Risiko erwartet wird.
Die schlag- und anwendungsspezifische Bewertung des Risikos für das aquatische Ökosystem wird in ISIP schließlich folgendermaßen vorgenommen und dem Nutzer präsentiert:
· Ist die berechnete PECsw niedriger als die maximale tolerable Konzentration, so kann man erwarten, dass kein signifikantes Risiko für die aquatische Lebensgemeinschaft besteht.
· Ist die berechnete PECsw höher als die maximale tolerable Konzentration, so kann eine Gefährdung der aquatischen Lebensgemeinschaft nicht ausgeschlossen werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die MACRO-Simulationen ergaben große Unterschiede der PSM-Drainageausträge zwischen verschiedenen Wirkstoffen, Böden und Klimaszenarien. Für bestimmte Boden/Klima-Kombinationen können sowohl der Gesamtaustrag als auch der maximale Tagesaustrag nicht unbeträchtliche Anteile der Aufwandmenge erreichen. Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass die Bedeutung von Pflanzenschutzmitteleinträgen in Oberflächengewässer über Drainagen im deutschen Zulassungsverfahren, in dem Drainageeinträge immer noch als standardisierte Prozentzahlen der Aufwandmenge berechnet werden, bisher unterschätzt worden ist. Eine Unsicherheitsanalyse identifizierte die jährliche Variabilität des Wetters als bedeutendste Unsicherheitsquelle in Bezug auf Drainageausträge von Pflanzenschutzmitteln. In späteren Untersuchungen sollte diesem Einflussfaktor noch größere Aufmerksamkeit gewidmet werden.
Die PRZM-Simulationen ergaben beträchtliche Unterschiede bzgl. der Runoff- und Erosionsausträge zwischen verschiedenen Anwendungen, Böden und meteorologischen Inputdaten (Klimaszenarien und Wetterjahre). Auf runoff- und erosionsanfälligen Böden können sowohl der Gesamtaustrag als auch der maximale Tagesaustrag signifikante Anteile der applizierten Menge erreichen. Eine Unsicherheitsanalyse ergab, dass auch für die Runoffausträge die jährliche Variabilität des Wetters die wichtigste Unsicher-heitsquelle ist (analog zu den Dränageausträgen). Durch die probabilistische Komponente (Simulation von 20 Wetterjahren pro Klimaszenario) in der vorhersagenden PRZM-Modellierung kann diese Unsi-cherheit erfasst und die jährliche Variabilität des Wetters in der Expositionsabschätzung berücksichtigt werden.
In den meisten Fällen waren, für die gleiche Anwendung, die PECsw durch Runoffeinträge höher als die PECsw durch Drainageeinträge. Es waren nicht nur zwischen verschiedenen Anwendungen und Eintragspfaden große Unterschiede bzgl. der PECsw festzustellen, sondern auch zwischen verschiedenen Regionen in Deutschland. Die Notwendigkeit eines regional differenzierten Ansatzes zur Expositions- und Risikoabschätzung wird durch diese Ergebnisse nochmals unterstrichen.
Viele Unsicherheitsquellen tragen zur Gesamtunsicherheit in den berechneten PECsw bei. Zumindest die bedeutendsten Unsicherheitsquellen, wie unter anderem die jährliche Variabilität des Wetters, müssen im Prozess der Risikoabschätzung berücksichtigt werden, um eine verlässliche Grundlage für Entscheidungen zu schaffen. Der Einsatz probabilistischer Methoden in der aquatischen Riskoabschätzung für Pflan-zenschutzmittel wird daher nachdrücklich empfohlen.
Für den im Rahmen dieses Projektes entwickelten und in ISIP implementierten Ansatz zur Abschätzung und Bewertung des Risikos der Beeinträchtigung aquatischer Ökosysteme durch PSM-Einträge (infolge der Anwendung auf Landwirtschaftsflächen) sind weitere Verbesserungen vorstellbar. Dies betrifft namentlich die Berücksichtigung vonTransportund Abbau der PSM-Wirkstoffe in den Gewässern, sowie von Austauschprozessen mit dem Gewässersediment. Wenn detailliertere regionalisierte Daten über Ab-flussverhältnisse und Morphologie der Oberflächengewässer in Deutschland und ihre Sedimenteigenschaften zur Verfügung stehen würden, wäre es möglich, die simulierten PSM-Austräge über Drainagefluss, Runoff und Erosion als Input für ein aquatisches Pesticide-Fate-Modell (z.B. TOXSWA) zu nutzen, das die Fließgeschwindigkeit und Wasser-Sediment-Interaktionen berücksichtigt. Damit wäre es dann auch möglich, Langzeit-PEC zu berechnen und chronische Exposition und Effekt im Risikoabschätzungsprozess zu berücksichtigen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Um die Ergebnisse des Projekts auch auf internationaler Ebene einer breiten Fachöffentlichkeit zugänglich zu machen, wurde der Projektbericht in englischer Sprache erstellt; weiterhin erleichtert dies die Auskopplung von Publikationen für einschlägige wissenschaftliche Zeitschriften (derzeit geplant sind drei Publikationen in peer-reviewed journals). Außerdem soll die Dissertation von Stefan Reichenberger, die weitgehend identisch mit dem vorliegenden Projektbericht ist, in 150 Exemplaren gedruckt und auf natio-naler und EU-Ebene unter Behörden, Industrie und wissenschaftlichen Institutionen verbreitet werden. Ferner sind Vorträge und Poster auf Fachtagungen geplant. Schließlich ist vorgesehen, auf der ISIP -Homepage eine Dokumentation des Risk-Assessment-Moduls zum Download anzubieten. Das vorliegende Projekt und seine Ergebnisse sind bislang auf folgenden Veranstaltungen vorgestellt worden:
· Vorstellung des Konzepts des Risikoabschätzungsansatzes mit dem Vortrag Schlagbezogene Risikoabschätzung zum Pflanzenschutzmitteleintrag in Gewässer auf der Veranstaltung ISIP - Eröffnung der interaktiven Online-Beratung für die Pflanzenproduktion am 19.05.2003 bei der Deutschen Bundesstiftung Umwelt in Osnabrück (M. Bach)
· Präsentation des Konzepts und ausgewählter Zwischenergebnisse auf dem 3rd European Modelling Workshop in Catania (M. Bach)
· Poster-Präsentation auf dem SETAC Europe 14th Annual Meeting in Prag im April 2004 (S. Reichenberger)
· Präsentation des Ansatzes, des Risk-Assessment-Moduls und ausgewählter Ergebnisse am 17.11.2004 bei der BASF AG in Limburgerhof (S. Reichenberger).


Fazit

In diesem Projekt wurde ein schlag- und anwendungsspezifischer Ansatz zur Risikoabschätzung für Pflanzenschutzmitteleinträge in Oberflächengewässer über die diffusen Eintragspfade Oberflächenab-fluss (Runoff) und Drainage entwickelt. Der Ansatz wurde in ein Software-Modul umgesetzt, das derzeit in das Online-Informationssystem ISIP (Informationssystem Integrierte Pflanzenproduktion) für Landwirte und Berater integriert wird. Der Nutzen des ISIP Risk-Assessment-Moduls ist in erster Linie darin zu se-hen, dass es den Landwirten die Möglichkeit eröffnet, das Risiko für die aquatische Umwelt in ihre Entscheidung, welches Pflanzenschutzpräparat (bzw. welchen Wirkstoff) sie einsetzen sollen, mit einzubeziehen. Neben diesem Kernziel können aus dem Projekt verschiedene weitere Schlussfolgerungen abgeleitet werden:
· Die Evaluierung der verwendeten Drainage- und Runoff-Modelle anhand einer Reihe von Datensätzen aus Feldstudien zeigt, dass die Modelle MACRO 4.3b (unter Benutzung der Pedotransferfunktionen von MACRO_DB2) und PRZM 3.21b mit hinreichender Vorhersagegüte für die Schätzung von PSM-Einträgen in Oberflächengewässer über Drainagen bzw. Oberflächenabfluss benutzt werden können.
· Die Simulationen ergaben große Unterschiede bzgl. der PSM-Konzentrationen in Oberflächengewässern nicht nur zwischen verschiedenen Anwendungen und Eintragspfaden, sondern auch zwischen verschiedenen Regionen in Deutschland. Die Notwendigkeit einer regional differenzierten Expositions- und Risikoabschätzung ist daher offensichtlich.
· Eine große Anzahl von Unsicherheitsquellen trägt zur Gesamtunsicherheit in den berechneten PSM-Konzentrationen in Oberflächengewässern bei. Zumindest die wichtigsten Unsicherheitsquellen, z. B. die jährliche Variabilität des Wetters, müssen im Prozess der Risikoabschätzung berücksichtigt werden, um eine verlässliche Grundlage für Entscheidungen zu schaffen. Der Einsatz probabilistischer Methoden in der aquatischen Risikoabschätzung für Pflanzenschutzmitteleinträge wird daher nachdrücklich empfohlen.
· Die demonstrierte Notwendigkeit einer regionalen Differenzierung und einer probabilistischen Abschätzungen steht im Gegensatz zur gegenwärtigen Praxis der Risikoabschätzung im deutschen PSM-Zulassungsverfahren.
· Der in diesem Projekt entwickelte Ansatz zur Risikoabschätzung berücksichtigt den Einfluss regionaler Faktoren (Klima, Landnutzung, Praxis des Pflanzenschutzmitteleinsatzes, flächenspezifischer Abfluss, Anteil drainierten Ackerlands) auf die vorhergesagten Wirkstoffkonzentrationen im Oberflächengewässer. Diese regionale Differenzierung ermöglicht sowohl die Erstellung von Risikokarten für Deutschland als auch die Durchführung einer deutschlandweiten probabilistischen Risikoabschätzung für eine bestimmte Anwendung. Deshalb kann der Ansatz eine brauchbare Grundlage für die Verbesserung der Zulassungspraxis in Deutschland liefern.
Ein weiteres potentielles Anwendungsfeld für den hier entwickelten Ansatz zur Risikoabschätzung ist die Implementierung der Wasserrahmenrichtlinie 2000/60/EC (Water Framework Directive, WFD). Die Wasserrahmenrichtlinie verlangt von den EU-Mitgliedsstaaten, Managementpläne für Einzugsgebiete aufzu-stellen, wofür Kenntnisse über die Quellen und Mengen von PSM-Einträgen in Oberflächengewässer essentiell sind. Aufgrund des weitgehenden Fehlens von Monitoring-Daten für Oberflächengewässer und der hohen Kosten, die mit Monitoring-Programmen verbunden sind, wird in den meisten Einzugsgebieten die Abschätzung von PSM-Einträgen und Konzentrationen auf der Basis von modellgestützten Berech-nungen erfolgen müssen. Ein in diesem Zusammenhang zu verwendender Modellierungsansatz sollte Folgendes ermöglichen:
· Identifikation von Gebieten mit Oberflächengewässern, für die ein signifikantes Risiko einer PSM-Kontamination aus diffusen Quellen und einer Schädigung des aquatischen Ökosystems besteht.
· Berechnung der potentiellen PSM-Exposition für nicht beprobte Oberflächengewässer.
· Abschätzung der potentiellen Effekte von risikomindernden Maßnahmen (mitigation measures).
Alle drei Ziele sind mit dem vorgeschlagenen Ansatz (ggf. nach geringfügigen Modifikationen) erreichbar. Zielgruppen des in diesem Projekt entwickelten Ansatzes zur Risikoabschätzung sind daher sowohl ISIP-Nutzer, d. h. Landwirte und Pflanzenschutzberater (Risikoabschätzung für Pflanzenschutzmaßnahmen in Bezug auf aquatische Ökosysteme) als auch die Wasserwirtschaft (modellbasierte Schätzung von PSM-Einträgen aus diffusen Quellen in kleine Einzugsgebiete als Teil von Einzugsgebiets-Management-Konzepten). Zusammengefasst ist dieser Risikoabschätzungsansatz geeignet, die Qualität des Oberflächenwassers in Deutschland zu verbessern.