Arbeitsgebiet

• Simulation von Pestizideinträgen in Fließgewässer
• Risikobeurteilung von Pestizideinträgen für aquatische Organismen
• Einsatz von GIS bei Umweltproblenen
• Entwurf und Implementierung von Datenbankanwendungen
• Softwareentwicklung im Bereich Fließgewässerbewertung und EU-WRRL

Publikationen

Probst, M., Berenzen, N., Lentzen-Godding, A., Schulz, R. 2005. Scenario based simulation of runoff-related pesticide entries into small streams on a landscape level. Ecotoxicology and Environmental Safety 62/2 (2005) 145-159. (→ abstract)

Probst, M., Berenzen, N., Lentzen-Godding, A., Schulz, R., Liess, M. 2004. Linking land use variables and invertebrate taxon richness in small and medium-sized agricultural streams on a landscape level. Ecotoxicology and Environmental Safety 60/2 (2005) 140-146. (→ abstract)

Tagungsbeiträge

Probst, M. 2007. Simulation und Beurteilung der Pflanzenschutzmittelbelastung kleiner Fließgewässer auf Landschaftsebene. Vortrag auf dem ESRI Anwendertreffen Südwest am 20.04.2007 im MEGARON Mannheim bei Dr. Knoell Consult GmbH Mannheim.

Probst, M., Berenzen, N., Lentzen-Godding, A. 2002. Informationssystem zur öko-toxikologischen Bewertung der Gewässergüte in Bezug auf Pflanzenschutzmitteleinträge aus der Landwirtschaft - Systemaufbau und Anwendungsmöglichkeiten. Deutsche Gesellschaft für Limnologie (DGL), Tagungsbericht 2002, Braunschweig, Germany, Band 2, 585-589.

Probst, M. 2002. Praktische Umsetzung der EU-WRRL in Niedersachsen: Erfassung und Bewertung - Die Gewässerinformationssysteme BOG-2000 und BOG-Archiv. Deutsche Gesellschaft für Limnologie (DGL), Tagungsbericht 2002, Braunschweig, Germany, Band 1, 180-184.

Berichte

Schulz, R., Liess, M., Berenzen, N., Lentzen-Godding, A., Probst, M. 2003. Abschlußbericht zum Forschungsvorhaben des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, Förderkennzeichen 0339804, "Informationssystem zur ökotoxikologischen Bewertung der Gewässergüte in Bezug auf Pflanzenschutzmitteleinträge aus der Landwirtschaft“.
Im Internet unter → http://edok01.tib.uni-hannover.de/edoks/e01fb04/381683206.pdf (TIB: Technische Informationsbibliothek, Universitätsbibliothek Hannover).

Softwareprojekte

Probst, M. 2007. Online Pesticide Simulator: Ein Java-Applet zur Simulation in Risikobewertung des PSM-Eintrags in Fließgewässer. Version 1.0. © 2007 Dr. Michael Probst, → Systemberatung Probst, Braunschweig. Internet-Link: → http://www.mipro-online.de/science/psmsim/index.html.

Probst, M., Berenzen, N., Lentzen-Godding, A. 2003. PSM-SIM: Ein Informationssystem zur ökotoxikologischen Bewertung der Gewässergüte in Bezug auf Pflanzenschutzmitteleinträge aus der Landwirtschaft, Version 1.2.1 / 27.11.2003. Anwendungsprogramm für MS-Windows®, © TU-Braunschweig, AG-Limnologie.

Dissertation

Probst, M. 2005. "Simulation und Beurteilung der Pflanzenschutzmittelbelastung kleiner Fließgewässer auf Landschaftsebene". Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades, Fachbereich 7: Natur- und Umweltwissenschaften der Universität Koblenz-Landau, Campus Landau. 139 S.
Im Internet unter → http://kola.opus.hbz-nrw.de/frontdoor.php?source_opus=24 (Bibliothek der Universität Koblenz-Landau). (→ Zusammenfassung)

Diplomarbeit

Probst, M. 1998. "Entwurf, Implementierung und Anwendung eines Informationssystems zur Untersuchung der Reaktion aquatischer Lebensgemeinschaften auf diffuse Insektizideinträge". Diplomarbeit, Technische Universität Braunschweig:119 S.

Probst, M., Berenzen, N., Lentzen-Godding, A., Schulz, R. 2005. Scenario based simulation of runoff-related pesticide entries into small streams on a landscape level. Ecotoxicology and Environmental Safety 62/2 (2005) 145-159.

The prediction of runoff-related pesticide entry into surface waters on a landscape level usually requires considerable efforts regarding input data, time and personnel. Therefore the need for an easy to use simulation tool with easily accessible input data, for example from already existing public sources, is obvious. In this paper we present a simulation tool for the simulation of pesticide entry from arable land into adjacent streams. Our aim was to develop a tool applicable on the landscape-level using “real world data” from numerous sites as well as for the simulation of parameter case studies concerning particular parameters at single sites. We used the REXTOX (Ratio of EXposure to TOXicity) model proposed by the OECD, which had been successfully validated in the study area as part of a previous study, and which was extended to calculate pesticide concentrations in adjacent streams. We simulated the pesticide entry on the landscape level at 737 sites in small streams situated in the central lowland of Germany with winter wheat, barley and sugar beat as the main agricultural crops. A sensitivity analysis indicated that the most significant model parameters were the width of the no-application-zone and the degree of plant-interception. The simulation was carried out for the 15 most frequently detected found substances in the study area using eight different environmental scenarios, covering variation of the width of the no-application-zone, climate and seasonal scenarios. The highest in-stream concentrations were predicted at a scenario using no (0 m) buffer zone in conjunction with increased precipitation. According to the predicted concentrations, the risk for the aquatic communities was estimated based on standard toxicity tests and the application of a safety factor. The simulation results are presented by means of risk maps for the study area showing the simulated pesticide concentration and the resulting ecological risk for numerous sites under varying scenarios as well as by case study diagrams with focus on the model behavior under the influence of single parameters. Risk maps confirmed the importance of no-application (buffer) zones for the levels of pesticide input. They also indicated the importance of the existing no-application zones for certain compounds - and in some cases the need for a further evaluation of these regulations. The simulation tool was implemented as a standard PC-software combining the REXTOX-model with a geographical information system (GIS) and can be used on any current personal computer. All input data was taken from public sources of German authorities. With little effort the tool should be applicable for other areas with similar data quality.

Keywords: risk assessment, pesticides, runoff, buffer zones, simulation, modeling, landscape level, climate change, risk mitigation

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Probst, M., Berenzen, N., Lentzen-Godding, A., Schulz, R., Liess, M. 2004. Linking land use variables and invertebrate taxon richness in small and medium-sized agricultural streams on a landscape level. Ecotoxicology and Environmental Safety 60/2 (2005) 140-146.

In this study the average numbers of invertebrate species across an arable landscape in central Germany (surveys from 15 years in 90 streams at 202 sites) were assessed for their correlation with environmental factors such as stream width, land use (arable land, forest, pasture, settlement), soil type and agricultural derived stressors. The stress originating from arable land was estimated by the factor “risk of runoff”, which was derived from a runoff-model (rainfall induced surface runoff). Multivariate analysis explained 39.9% of the variance in species number, revealing stream width as the most important factor (25.3%) followed by risk of runoff (9.7%). The results showed that wider streams – with or without agricultural stressors - contained significantly higher species numbers than smaller streams. This can be explained by potentially more diverse in-stream structures leading to more habitats and niches. However, negative effects on species number owing to runoff from arable land could be distinguished from the effect of stream width: the number of species within each stream width class significantly decreased with increasing risk of runoff. Therefore the factor “risk of runoff” is considered to express a significant proportion of the variability in macroinvertebrate communities caused by stressors of agricultural origin.

Keywords: land use, runoff, agriculture, macroinvertebrates

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Probst, M. 2005. "Simulation und Beurteilung der Pflanzenschutzmittelbelastung kleiner Fließgewässer auf Landschaftsebene". Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades, Fachbereich 7: Natur- und Umweltwissenschaften der Universität Koblenz-Landau, Campus Landau. 139 S. Im Internet unter http://kola.opus.hbz-nrw.de/frontdoor.php?source_opus=24 (Bibliothek der Universität Koblenz-Landau).

Zusammenfassung

Die Abschätzung der Eintragswahrscheinlichkeit von Pestiziden in Gewässer ist insbesondere im
Landschaftsmaßstab aufgrund der erforderlichen ereignisbezogenen Probenahmetechniken mit erheblichem
Kostenaufwand verbunden. Simulationsmodelle können hierbei eine wichtige Alternative zur Planung von
Risiko-Minimierungsmaßnahmen darstellen.

Hauptziele dieser Arbeit waren

(A) die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs, mit dessen Hilfe das Eintragsrisiko von Pestiziden
in Oberflächengewässer im Landschaftsmaßstab abgeschätzt werden kann und sich
Risiko-Minimierungsmaßnahmen effektiv planen lassen, sowie

(B) die Durchführung einer Expositions- und Risikoabschätzung sowie die Abschätzung negativer
Effekte von Pestiziden auf die Artenzahlen von Fließgewässer-lebensgemeinschaften des Braunschweiger
Umlands.


Exposition, Risiko und Effekte

In den Abschnitten 1.1 und 1.2 wurde das Simulationsmodell auf landwirtschaftlich beeinflusste
Fließgewässer des Braunschweiger Umlands angewendet. Abschnitt 1.3 gibt einen Überblick über
allgemeine Anwendungsmöglichkeiten des Simulators und den Systemaufbau.

Abschnitt 1.1 - Scenario based simulation of runoff-related pesticide entries into small streams on
a landscape level (Englische Publikation, S. 27): Auf Basis des von der OECD vorgeschlagenen (ratio
of exposure to toxicity) REXTOX-Modells wurde der Pestizideintrag für 737 Probestellen bei kleineren
und mittleren Fließgewässern des Braunschweiger Umlands simuliert. Die Simulation wurde für die 15
im Untersuchungsgebiet am häufigsten nachgewiesenen Pestizide für je acht verschiedene
Umweltszenarien durchgeführt. Die Szenarien umfassten Management-Maßnahmen, wie z.B. die Variation
der Randstreifenbreite, sowie klimatische und saisonale Aspekte. Die Breite des Randstreifens und
die Pflanzen-Interzeption wurden als die wichtigsten Einflussgrößen identifiziert. Die höchsten
Konzentrationen wurden für ein Szenario ohne Randstreifen und gleichzeitig erhöhten Niederschlägen
vorhergesagt. Anhand der simulierten Konzentrationen wurde das Risiko für aquatische
Lebensgemeinschaften auf Basis von Standard-Toxizitätstests (Endpunkte EC50, LC50) und eines
Sicherheitsfaktors abgeschätzt. Die Simulationsergebnisse wurden in Form von Risiko-Karten
dargestellt, welche das ökologische Risiko für eine Vielzahl von Gewässerabschnitten des
Untersuchungsgebiets anhand wechselnder Szenarien abbilden. Fallstudien-Diagramme geben Auskunft
über das Modellverhalten bei Änderung einzelner Parameter. Die Ergebnisse bestätigten die Bedeutung
von Randstreifen für die Eintragsminderung von Pestiziden in Gewässer. Sie gaben weiterhin
Aufschluss über die Notwendigkeit der Einhaltung bestehender Abstandsauflagen sowie die
Überarbeitung dieser Auflagen für einige Substanzen.

Abschnitt 1.2 - Linking land use variables and invertebrate taxon richness in small and medium-sized
agricultural streams on a landscape level (Englische Publikation, S. 50): In dieser Studie wurden
die langjährigen mittleren Artenzahlen von Fließgewässer-Invertebratentaxa im landwirtschaftlich
geprägten Braunschweiger Umland (Untersuchungen über 15 Jahre bei 90 Gewässern an 202 Probestellen)
auf Wechselbeziehungen mit verschiedenen Umweltfaktoren, wie z.B. der Gewässerbreite, der
Landnutzung (Landwirtschaft, Wald, Wiese, Siedlung), der Bodenart sowie landwirtschaftlich bedingter
Stressoren untersucht. Der Stress, der von der landwirtschaftlichen Nutzung ausgeht, wurde dabei
durch das Risiko des Auftretens von Oberflächenabfluss (runoff) von der Ackerfläche in das Gewässer
ausgedrückt. Der Faktor "Risk of Runoff" wurde von dem von der OECD vorgeschlagenen "ratio of
exposure to toxicity" (REXTOX) -Modell abgeleitet. Durch multivariate Statistik konnten insgesamt
39,9% der Varianz in der Artenzahl erklärt werden, wobei die Gewässerbreite mit 25,3% den
wichtigsten Faktor darstellte, gefolgt vom Faktor "Risk of Runoff" mit 9,7%. Die Ergebnisse haben
gezeigt, dass größere Gewässer - unabhängig von der landwirtschaftlichen Belastung - signifikant
höhere Artenzahlen aufweisen als kleine Gewässer. Dies kann durch den potenziell höheren
Strukturreichtum in größeren Gewässern erklärt werden, der zu mehr Habitaten und Nischen führt.
Trotzdem konnten durch Oberflächenabfluss von landwirtschaftlichen Flächen bedingte, negative
Effekte auf die Artenzahl vom Einfluss der Gewässerbreite getrennt werden: die mittlere Anzahl der
Arten innerhalb verschiedener Gewässer-Breitenklassen nahm mit steigendem Runoff-Risiko signifikant
ab.

Abschnitt 1.3 - Informationssystem zur ökotoxikologischen Bewertung der Gewässergüte in Bezug auf
Pflanzenschutzmitteleinträge aus der Landwirtschaft - Systemaufbau und Anwendungsmöglichkeiten
(Tagungsbeitrag S. 61): Abschnitt 1.3 enthält einen kurzen Überblick über das Simulationssystem,
generelle Anwendungsmöglichkeiten im Rahmen von Risiko-Minimierungsmaßnahmen sowie konkrete
Anwendungsbeispiele zur Abschätzung des Einflusses der Randstreifenbreite sowie zur Erstellung von
Risikokarten im Landschaftsmaßstab.

Das Simulationssystem

Ein wichtiger Aspekt für den Einsatz eines Simulationsmodells im Rahmen der Risikoabschätzung ist
dessen einfache Anwendbarkeit in der Praxis. Dazu zählen die leichte Verfügbarkeit der benötigten
Eingangsdaten, z.B. bei Behörden und öffentlichen Institutionen, die Umsetzung des Modells in eine
Softwareanwendung, die auf jedem handelsüblichen Personal Computer betrieben werden kann sowie die
entsprechende Dokumentation des Systems für die Anwender.

Abschnitt 1.4 - Informationssystem zur ökotoxikologischen Bewertung der Gewässergüte in Bezug auf
Pflanzenschutzmitteleinträge aus der Landwirtschaft - Simulationsmodell und Systemaufbau
(BMBF-Bericht, S. 67): In diesem Abschnitt wird das dem Simulationssystem zugrunde liegende
mathematische Modell, die "simplified formula for indirect loadings caused by runoff" (SFIL), mit
den erforderlichen Eingangsparametern vorgestellt. Weiterhin werden der schematische Aufbau des
Simulationssystems sowie der Ablauf des Datenverarbeitungsprozesses dargestellt.

Abschnitt 1.5 - Benutzerhandbuch (BMBF-Bericht, S. 71): Das Benutzerhandbuch enthält Informationen
über die Installation des Systems, die Erzeugung der benötigten Eingangsdaten per GIS oder
Szenario-Generator, zur allgemeinen Arbeit mit dem System sowie Anwendungsbeispiele zur Erstellung
von Risikokarten und zum Einstieg in die Abschätzung der Wirkung von Risiko-Minimierungsmaßnahmen
(Was-wäre-wenn-Analyse).

Abschnitt 1.6 - Technische Dokumentation (BMBF-Bericht, S. 104): Die technische Dokumentation
beschreibt die Struktur der Simulator-Importschnittstelle, die Verwendung öffentlicher
Datenbestände, das Format der GIS-Eingangsdaten sowie die Datenformate des Szenario-Generators.
Weiterhin wird das Format der Datenbanktabellen aufgelistet, der Inhalt der Installations-CD
dokumentiert sowie die Quelltexte wichtiger Komponenten angegeben.

Keywords: Risiko-Beurteilung, Pflanzenschutzmittel, Pestizide, Runoff, Randstreifen, Simulation, Modellierung, Landschaftsebene, Klimawandel, Risiko-Minimierung, Landnutzung, Landwirtschaft, Makroinvertebraten, Fließgewässer