Stoffwolke, simuliert

Der Blick in den Boden

Die Forscher des Instituts Agrosphäre (ICG IV) erkunden, wie sich Pflanzenschutz- oder Düngemittel im Boden verteilen, ob sie zu harmlosen Substanzen abgebaut werden oder ob sie in das Grundwasser gelangen. Dazu entwickeln die Wissenschaftler immer raffiniertere Untersuchungsmethoden.

Manchmal finden Wissenschaftler wertvolle Anregungen außerhalb ihrer Spezialdisziplin. Prof. Harry Vereecken, studierter Landwirt, bewundert die Möglichkeiten der Hirnforschung. Dort machen moderne bildgebende Verfahren sichtbar, was sich im Schädelinneren abspielt – ein chirurgischer Eingriff ist dazu nicht nötig. Der Leiter des Instituts Agrosphäre im Forschungszentrum Jülich hat die Vision, das Objekt Ackerboden einmal auf ähnliche Weise durchleuchten zu können, um so die Wasser- und Stoffströme in ihm zu verfolgen. Dann ließe sich beispielsweise klären, ob im Boden kleinste Kanäle entstehen, durch die Wasser besonders schnell sickert – und mit ihm die Pflanzenschutzmittel, die der Bauer auf seinem Feld versprüht hat.

Acker unter Strom

Ein Team um Vereecken tüftelt daran, dass aus der Vision Realität wird. Das Kürzel MERIT – Magneto-Electrical Resistivity Imaging Technique – deutet an, wie das Verfahren funktionieren soll: analysiert werden magne-tische und elektrische Felder im Boden. Sie entstehen, wenn die Wissenschaftler mithilfe von Elektroden eine Spannung anlegen, also den Acker unter Strom setzen.

Elektrische Felder im Boden zu vermessen, ist nicht neu. Geophysiker setzen die so genannte geoelektrische Tomographie ein, um Bodenstrukturen zu erkunden oder beispielsweise Müllbehälter zu orten. „Kaum jemand nutzt jedoch die Methode mit dem Ziel, Informationen über den Transport von Stoffen im Boden zu erhalten“, sagt Vereecken. Die Jülicher Forscher haben beispielsweise den Weg einer Salzlösung durch den Untergrund verfolgt, die sie zuvor in den Boden injiziert hatten – als Modell für einen Schadstoff, der mit Regenwasser in den Boden gelangt. Auf den Bildern, die die Wissenschaftler mithilfe des Computers aus den Messdaten berechneten, lässt sich die wandernde Salzwolke aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit gut erkennen.

Computergrafik, gezeichneter dreidimensionaler, länglicher Stab dient als optische Hilfe für die innen konfus liegenden Farbflecke, an oberen Bildrand eine Farbskala.
Computermodell einer Stoffwolke

Komplettes Neuland betreten die Agrosphären-Forscher mit dem Versuch, mit Magnetfeldsensoren zusätzlich zur elektrischen auch die magnetische Antwort auf die angelegte Spannung abzufragen. „Davon erhoffen wir uns schärfere Bilder“, sagt Dr. Andreas Kemna, MERIT-Projektleiter. Der Geophysiker erklärt: „Außerdem sprechen magnetische Felder auf die gleichen Bodenstrukturen und Stoffströme teilweise anders an als elektrische Felder. Durch ihre Analyse werden wir also neue Informationen erhalten.“

Miniaturacker im Stahlmantel

Herkömmlich wird das Umweltverhalten von Pflanzenschutzmitteln in Lysimetern getestet – Edelstahlzylinder mit einem Bodenblock darin, der aus einem Acker ausgestochen wurde (Bild 3). Die Oberseite der Lysimeter kann bearbeitet und bepflanzt werden; an der Unterseite – meist in einer Tiefe von 1,20 Meter – tritt das Sickerwasser aus. Aufgefangen und analysiert, soll es verlässliche Hinweise darauf geben, wie viel vom jeweils getesteten Pflanzenschutzmittel ins Grundwasser gelangen würde, wenn Bauern es auf ihren Feldern versprühen würden. Lysimeterstudien sind für die Zulassung von Pflanzenschutzmitteln gesetzlich vorgeschrieben, wenn bei der Substanz im Vorversuch eine Versickerungsneigung gefunden wurde.

Die Wissenschaftler vom Institut Agrosphäre haben während eines Projekts mit dem Kurznamen FELS (Feld/Lysimeter/Labor/Simulation) untersucht, ob das Ergebnis solcher Lysimeterversuche tatsächlich die reale Situation im Feld wiedergibt. Dazu legten sie in Merzenhausen – etwa zehn Kilometer vom Forschungszentrum Jülich entfernt – einen Feld- und einen Kleinparzellenversuch in unmittelbarer Nachbarschaft zu sechs Lysimetern an. Ein aufwändiges System von begehbaren Schächten, quergetriebenen Tunneln und unterirdischen Keramikplatten ermöglichte es, in Tiefen von 40 Zentimetern und von 1,20 Meter Wasser aufzufangen, das durch den Ackerboden gesickert war. Wesentlich dabei: „Der Boden über den Wassersammelpunkten blieb ungestört, unterschied sich also in nichts von dem eines normalen Ackers“, erläutert Projektleiter Dr. Thomas Pütz.

Vier Fotos, erstes Foto Stahlzylinder in die Erde eines Ackers getrieben, links und rechts vom Stahlrohr sind Betonplatten eingezogen, oben die Öffnung halb verdeckend, liegen ebenfalls zwei Betonplatten. Zweites Foto unterirdisches Tunnelsystem, aus der Decke ragt eines der dicken Stahlrohre. Drittes Foto oberirdisch sieht das Ganze wie ein Blumenkübel aus, vielleicht einen guten Meter im Durchmesser und genauso hoch. Viertes Foto die Stahlrohre stehen auf speziell angeordneten Platten, alle paar Meter ein weiteres Rohr.
Lysimeter

Noch sind nicht alle Daten ausgewertet. Doch ein Resultat steht fest: „Was den Transport von Stoffen betrifft, haben die Lysimeter mit ihrer Fläche von jeweils einem Quadratmeter die Heterogenität des etwa ein Hektar großen Ackers nahezu vollständig erfasst“, sagt Vereecken. Mit anderen Worten: Ein relativ kleiner Erdblock ist repräsentativ für ein ganzes Feld.

Neuartiger Stickstoffdünger

Die Jülicher Experten haben in Zusammenarbeit mit der Industrie Lysimeter nicht nur zur Umweltprüfung von Pflanzenschutzmitteln eingesetzt, sondern auch zu der von neuartigem Stickstoff-Dünger. Herkömmlicher Dünger enthält Stickstoff entweder direkt als Nitrat oder als Ammonium, aus dem Bodenbakterien umgehend Nitrat erzeugen. Das Problem: Nitrate werden leicht ausgewaschen, gelangen dann ins Grund- und Trinkwasser, wo sie zu einer Gesundheitsgefahr für den Menschen werden können. Die BASF AG hat einen so genannten Nitrifikationsinhibitor entwickelt, der die Aktivität der Bodenbakterien hemmt. Dadurch steht das Ammonium im Dünger den Pflanzen länger als stickstoffhaltiger Nährstoff zur Verfügung. „Unsere Tests zeigten, dass die neue Substanz nicht der Beelzebub ist, der den Teufel austreibt“, sagt Pütz. Das Lysimeter-Sickerwasser enthielt den Nitrifikationsinhibitor in sehr geringer Konzentration unterhalb des Trinkwasser-Grenzwerts.

Seit kurzem steht den Agrosphären-Forschern eine unterirdische, begehbare Anlage mit wägbaren, 2,50 Meter hohen Lysimetern zur Verfügung. An die Unterseite der Erdblöcke kann eine Saugspannung angelegt werden, die der im natürlichen Ackerboden entspricht. Die Wissenschaftler sind nun erstmals in der Lage, die Stoffdynamik und den Wasserhaushalt simultan zu registrieren.