Seit der vorindustriellen Zeit haben sich die menschlichen Stickstoffeinträge in die terrestrische Biosphäre verdoppelt. Sie stammen vor allem aus großen Mengen synthetischer und organischer Düngemittel. Überschüssiger Stickstoff gelangt in Gewässer und erhöht das Risiko einer Überdüngung. Dies gefährdet die Nahrungsmittelproduktion, die Trinkwassergewinnung sowie die langfristige Stabilität von Ökosystemen.

Um den Nitratkreislauf besser zu verstehen, entwickelte ein Forschungsteam ein prozessbasiertes Modell zur Verfolgung von Wasser- und Stickstoffflüssen mithilfe stabiler Wasserisotope. Das Modell wurde auf mehr als 3.800 europäische Flussgebiete angewendet. Dabei kartierten die Forschenden die Geschwindigkeiten des Wasserkreislaufs und untersuchten, wie sich Veränderungen seit den 1980er Jahren auf die Nitratbelastung auswirken.

Warum die Fließgeschwindigkeit entscheidend ist

Die Fließgeschwindigkeit beeinflusst das Gleichgewicht zwischen Transport und Verstoffwechselung von Nitrat. In Regionen mit hoher Fließgeschwindigkeit, etwa an der nordwestlichen Küste Europas oder in Gebirgsregionen, bleibt weniger Zeit für den Nitratabbau. Dadurch steigt das Risiko, dass Nitrat aus Böden in Grund- und Oberflächengewässer ausgewaschen wird.

In Tieflandregionen mit geringerer Fließgeschwindigkeit haben Pflanzen und Mikroorganismen hingegen mehr Zeit, Nitrat abzubauen.

„Bisher wurde die Nitratbelastung hauptsächlich auf menschliche Einträge wie Düngemittel zurückgeführt. Wir konnten jedoch zeigen, dass auch die Fließgeschwindigkeit eine entscheidende Rolle bei der Nitratauswaschung spielt“, sagt der Hauptautor Dr. Songjun Wu vom IGB.

Klimatische Extreme verstärken die Belastung

Die Analyse seit den 1980er Jahren zeigt, dass klimabedingte Veränderungen im Wasserhaushalt die Entwicklung des Nitratkreislaufs maßgeblich beeinflussen. Moderate Schwankungen können die Nitratauswaschung verringern, während extreme Bedingungen sie verstärken.

Stark feuchte Perioden beschleunigen den Wasserfluss, sodass Nitrat schneller in Gewässer gelangt, ohne ausreichend abgebaut zu werden. Umgekehrt führt eine starke Verlangsamung – häufig verbunden mit Dürre – zu einer verminderten Aufnahme durch Pflanzen und Mikroorganismen. Dies begünstigt eine Anreicherung im Boden und eine spätere, schubartige Auswaschung bei Starkregen.

Zur Beschreibung dieser Dynamik führen die Forschenden das Konzept der „Feuchtigkeitsgrenzen” ein. Innerhalb dieser Grenzen bleibt die Nitratbelastung vergleichsweise stabil. Werden sie überschritten, steigt das Risiko der Auswaschung deutlich. Projektleiterin Prof. Doerthe Tetzlaff erklärt: „Sie können dabei helfen, einen sicheren Handlungsspielraum zu definieren, der gegenüber hydrologischen Veränderungen widerstandsfähig ist. Sie können auch genutzt werden, um potenziell erhöhte Risiken bei der Nitratauswaschung zu identifizieren.“

Zukunftsszenarien bis 2100

Die Studie prognostiziert unterschiedliche Entwicklungen des Wasser- und Stickstoffkreislaufs in Europa bis zum Ende des 21. Jahrhunderts.

• In einem Szenario mit niedrigen Emissionen bleiben die hydrologischen Veränderungen überwiegend im feuchten Bereich. In mehr als 70% Europas wird eine geringere Stickstoffauswaschung erwartet. „Dieses Szenario lässt sich durch höhere Temperaturen und längere Vegetationsperioden erklären, die die Aufnahme und Verstoffwechselung in Pflanzen und Organismen fördern“, sagt Dörthe Tetzlaff.

• In Szenarien mit hohen Emissionen könnte eine zunehmende Austrocknung vor allem in Ost- und Südeuropa die Aufnahmefähigkeit von Vegetation und Mikroorganismen verringern. Dies erhöht das Risiko von Stickstoffanreicherung und späterer Auswaschung bei Extremereignissen. „Dieser Trend zur Trockenheit birgt doppelte Risiken sowohl für die Wassermenge als auch für die Wasserqualität und könnte auch andere Regionen wie Zentral- und Ostasien betreffen“, sagt Mitautor Professor Chris Soulsby.

Maßnahmen zur Risikominderung

Die Studie betont, dass es entscheidend ist, hydrologische Veränderungen innerhalb der definierten Feuchtigkeitsgrenzen zu halten. Dies kann durch zwei zentrale Ansätze erreicht werden: Die Anpassung an Klimaextreme, um starke Schwankungen im Wasserhaushalt zu begrenzen sowie die Reduktion menschlicher Stickstoffeinträge, etwa durch Fruchtfolge, optimierte Düngung und verbesserte Abwasserbehandlung. Diese Maßnahmen können dazu beitragen, die Nitratbelastung zu senken und die Qualität von Trinkwasserressourcen langfristig zu sichern.

Quelle: IGB