@phdthesis{nokey,

title = {Modelling of single and mixed pesticide applications and their effects on soil organisms in agricultural landscapes},

author = {Alexandra Sybertz},

doi = {10.18154/RWTH-2024-07602},

year  = {2024},

date = {2024-07-18},

school = {RWTH Aachen University},

abstract = {Der Verlust der Biodiversität ist eine der größten aktuellen Herausforderungen der Menschheit. Grund für diese Entwicklung sind verschiedene Stressoren, wie der Klimawandel, Landnutzungsänderungen oder die Einwanderung invasiver Arten. Chemische Verschmutzung der Lebensräume, welche durch industrielle Abgase oder die direkte Applikation von Chemikalien als Pestizide verursacht wird, gehört ebenfalls dazu. Bedenkt man, dass das Kompartiment Boden etwa 58 % der auf der Erde vorkommenden Arten beherbergt, wird die Relevanz dieser Stressoren für die Biodiversität deutlich. Daher ist u.a. das Verständnis potentieller Auswirkungen von Pestiziden auf Bodenorganismen unabdingbar, um zukünftig einen wirksamen Schutz dieses Habitats gewährleisten zu können. Zurzeit werden Pestizide in Bezug auf Einzelsubstanzen und deren Einzelanwendung bewertet. Die Auswirkungen von Pestizidspritzfolgen und deren zeitlicher Relevanz bleiben unberücksichtigt. In dieser Forschungsarbeit wird ein integrativer Modellansatz entwickelt und evaluiert, der sowohl Spritzfolgen, als auch Effekte auf Einzelorganismen und Populationen bewertet. Pestizideffekte werden dabei in Abhängigkeit von zeitlicher und räumlicher Belastung berücksichtigt. Der Modellansatz basiert auf den drei Modellen MITAS+GUTS, MIXCOP und MITAS L, die jeweils unterschiedliche Aspekte der Belastung von Bodenorganismen betrachten. Die Modelle basieren auf bereits vorhandenen ökotoxikologischen Daten, die über den Modellansatz neu bewertet werden können. Es zeigt sich allerdings, dass nur eine geringe Verfügbarkeit von detaillierten ökotoxikologischen Daten, insbesondere zu terrestrischen Organismen besteht. Diese sind häufig nur in aggregierter Form als sogenannte Effektendpunkte, wie beispielsweise LC50-Werte, veröffentlicht. Es konnten dennoch ausreichend ökotoxikologische Informationen gewonnen werden, um diesen Modellansatz zu evaluieren. Das MITAS+GUTS Modell ermöglicht die Vorhersage eines zeitabhängigen Effekts für einen Einzelorganismus. Es eignet sich, um den Effekt von Spritzapplikationen mit verschiedenen Pestiziden für verschiedene Bodenorganismen abzuschätzen. Somit können Auswirkungen auf unterschiedliche Bodenorganismen miteinander verglichen und sensitivere Arten detektiert werden. Zum Beispiel wird im Rahmen der Arbeit für eine angewendete Pestizidspritzfolge der Collembole F. candida im Vergleich zu den ebenfalls berücksichtigten Regenwürmern als sensitiverer Organismus identifiziert. Die Sensitivität dieser Collembolenart wird unter Verwendung des MIXCOP Modells weiter untersucht. Das MIXCOP Modell simuliert eine Population von F. candida in einer vertikalen Bodensäule und ist in der Lage eine zeit- und bewegungsabhängige Exposition der Einzeltiere, sowie den daraus resultierenden Effekt zu berechnen. Simulationen mit verschiedenen Pestiziden und einer Spritzfolge haben gezeigt, dass der Applikationszeitpunkt und die Abbaugeschwindigkeit der Substanz einen großen Einfluss auf die Population haben können. Der Effekt eines Pestizid-Applikationsszenarios auf die Population wird dabei immer als Abweichung von einer stabilen unbelasteten Population betrachtet. Das MIXCOP Modell zeigt teilweise starke Populationseffekte für eine Pestizidanwendung, welche innerhalb der akzeptablen regulatorischen Schwelle für terrestrische Bodenorganismen liegt. Die Simulation einer jährlichen Applikation von je zwei verschiedenen Pestiziden für vier Jahre zeigt keine Wiedererholung der Population bis zum Ende des simulierten Zeitraums. MIXCOP ist in der Lage neben der vertikalen Bodenbetrachtung auch den zeitlichen Aspekt mit zu berücksichtigen. Dabei kann für bis zu fünf Jahre auch eine Art Pestizid-Applikationsgeschichte simuliert werden. Das MITAS L Modell betrachtet die horizontale Verteilung von Pestiziden in der Landschaft und deren potentielles Risiko für Bodenorganismen. Variable Applikationsmengen in einer Anbaufläche werden genauso wie die Exposition von Ackerrandflächen berücksichtigt. Gleichzeitig kann neben einem variablen flächenbezogenen Risiko, auch ein mittlerer kumulierter Risikowert für die gesamte Fläche berechnet werden. Dies ermöglicht die Kalkulation eines potentiellen Gesamtrisikos für neue Applikationsmethoden zum Beispiel im Bereich des Precision Farming. Gleichzeitig eignet sich MITAS L als Basis für eine Risikobewertung in der Fläche. Dabei könnte beispielsweise das Risiko für einen Landschaftsausschnitt, bestehend aus Acker und Ackerrandflächen, für verschiedene Anwendungsszenarien berechnet werden. Dies ermöglicht die ökotoxikologische Bewertung von neuen Applikationssystemen wie z.B. mit Drohnen. Anhand von Anwendungsbeispielen wird gezeigt, dass der integrative Modellansatz (MITAS+GUTS, MIXCOP und MITAS L) zur prospektiven und retrospektiven Evaluierung der Auswirkungen von Pestiziden in der Landschaft genutzt werden kann. Zudem eignet er sich für die Betrachtung verschiedener räumlicher Ebenen (vertikale Bodensäule & horizontale Fläche), sowie für die Betrachtung verschiedener Organisationsebenen (Einzelorganismen & Population) und verschiedener Auswirkungsberechnungen (Risikoindikator & Effekt). Mit den Anwendungsbeispielen werden die Anwendungsgrenzen, sowie Stärken und Schwächen des Modellansatzes aufgezeigt. Daraus werden Verbesserungs- und Weiterentwicklungspotentiale erarbeitet. Es wird gezeigt, dass sich der integrative Modellansatz basierend auf MITAS+GUTS, MIXCOP und MITAS L eignet, um verschiedene Pestizid-Anwendungsoptionen zu bewerten. Dies kann zukünftig dabei helfen die chemische Verschmutzung in der Agrarlandschaft und deren Auswirkungen auf Bodenorganismen zu reduzieren.},

keywords = {},

pubstate = {published},

tppubtype = {phdthesis}

}