Heidkamp, Arne:
ISBN 3899594061

Pedotransfer-Funktionen zur Sorption von Schwermetallen in Waldböden. HORIZONTE Bd. 18 # Pb., 196 S., 46 Abb., 28 Tab.

SCHLAGWORTE:
Bodenkunde
Pedotransfer-Funktion
Schwermetalle
Sorption

Im Kompartiment Waldboden ist die Sorption ein wichtiger steuernder Prozess bei der Verteilung von Schwermetallen zwischen Fest- und Lösungsphase. Die Quantifizierung der Schwermetallkonzentration in Lösung und der sorbierten Menge ist für die Bewertung des Filter- und Puffervermögens von Waldböden bei wechselnden Stoffbeständen von großer Bedeutung. Für die Quantifizierung eignen sich Sorptionsversuche, die jedoch mit einem hohen experimentellen Aufwand verbunden sind und deshalb standortspezifisch nicht als Standardverfahren eingesetzt werden können. Daher werden aus Sicht des vorsorgenden stofflichen Bodenschutzes Verfahren und Modelle benötigt, die für unterschiedliche Skalenniveaus trotz eingeschränkter Verfügbarkeit von Eingangsdaten mit hinreichender statistischer Genauigkeit die Bewertung der Filterfunktion von Böden quantitativ gewährleisten.

Zu diesem Zweck werden Pedotransfer-Funktionen zur Sorption von Schwermetallen an einem ausgewählten Stichprobenkollektiv abgeleitet und parametrisiert. Für die Herleitung von Pedotransfer-Funktionen wird der etablierte Ansatz der erweiterten Freundlich-Isotherme herangezogen. Derzeit existieren Pedotransfer-Funktionen zur Sorption nur für einige Schwermetalle bzw. nur für Böden unter ackerbaulicher Nutzung. Aus diesem Grund erfolgte eine umfangreiche Untersuchung zum Sorptionsverhalten der Elemente Cd, Co, Cu, Cr, Ni, Pb und Zn in Böden unter forstlicher Nutzung.

Im Rahmen der Arbeit wurden 648 Mineralbodenproben aus Profilen entnommen, wobei die Profile in der Nähe zu Standorten des deutschen bzw. österreichischen Bodenzustandsinventur-Programmes aufgegraben wurden. Der Untersuchungsschwerpunkt ist die Ermittlung des statistischen Zusammenhangs zwischen den Sorptionseigenschaften der aufgeführten Elemente und den sorptionsrelevanten Bodenkenngrößen, die maßgeblich die Stärke der Bindung am Sorbenten bestimmen (z.B. der Boden-pH-Wert, die Gehalte an Ton, organischer Substanz oder Sesquioxiden). Das Sorptionsverhalten wurde mit Batch-Experimenten untersucht. An die Sorptionsdaten wurde die Freundlich-Isotherme angepasst.

Aufgrund des hohen Stichprobenumfangs müssen die Sorptionsexperimente mit einem möglichst geringen Arbeitsaufwand durchgeführt werden. Die Verringerung des experimentellen Aufwandes wurde erreicht, indem die verschiedenen Elemente gleichzeitig als so genannte "Cocktails" mit geringen Konzentrationen zum Boden zugegeben wurden. Die Elementzugaben mit höheren Konzentrationen wurden hingegen in gesplitteten Cocktails angeboten.

Eine wichtige Einflussgröße bei Sorptionsexperimenten ist die Ionenstärke. Bei Voruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass bei zunehmender Ionenstärke, eingestellt durch unterschiedliche Konzentrationen des Begleitelektrolyts Ca(NO3)2, die Konzentration der o. g. Elemente in der gelösten Phase signifikant zunimmt. Als Konsequenz der Untersuchungen wurden die Sorptionsexperimente mit der Ionenstärke eingestellt, welche die Ionenstärke einer Probe in situ repräsentiert.

Für die Parametrisierung der Freundlich-Isothermen und entsprechend für die Güte der Pedotransfer-Funktionen ist die Ermittlung der bereits sorbierten Elementfraktion (S0) zur Korrektur der Isothermen von Bedeutung. Zur Bestimmung von S0 wurden drei Methoden miteinander verglichen (EDTA-, EDTA-Cocktail-Extraktion, Isotopenverdünnungsanalyse IVA). Für die Elemente Cd, Pb, Cu, Zn und Ni (A-Horizonte) liefern alle drei Methoden gleich gute Ergebnisse. Die Sorptionsisothermen der B- und C-Horizonte von Ni waren nach Korrektur mit dem EDTA-Gehalt im Vergleich zum IVA-Gehalt bei logarithmierter Darstellung im unteren Konzentrationsbereich konkav gekrümmt, so dass die IVA-Methode zur S0-Bestimmung herangezogen wurde. Die Isothermen von Co und Cr wurden ausschließlich mit dem EDTA-Gehalt korregiert.

Auf der Basis von multiplen linearen Regressionsanalysen wurden Pedotransfer-Funktionen mit unterschiedlichen Kombinationen an sorptionsrelevanten Bodenkenngrößen parametrisiert. Für die Elemente Cd, Cu, Cr, Ni und Pb konnten Pedotransfer-Funktionen mit einem hohen adjustierten Bestimmtheitsmaß als Gütekriterium abgeleitet werden. Hingegen fiel die Güte der Anpassung bei Co und Zn niedriger aus. Dabei zeigte sich, dass die Varianz der sorbierten Menge neben der elementspezifischen Lösungskonzentration weitestgehend durch die Variablen [H+]-Konzentration, Corg-Gehalt und KAKeff des Bodens erklärt werden konnte. Nur bei den Elementen Pb und Co war der erklärende Anteil an der Varianz der sorbierten Menge durch die Gehalte an oxalatlöslichen Fe bzw. Mn, neben der elementspezifischen Lösungskonzentration, signifikant höher als der Anteil der übrigen Variablen.

Die Güte der Anpassung konnte teilweise erhöht werden, indem spezifische Pedotransfer-Funktionen abgeleitet wurden. Diese Funktionen basieren auf einem eingeschränkten Datensatz, der durch definierte Merkmalsausprägungen (z. B. Ausgangssubstrat, Horizonte, Pufferbereiche) ausgewählt wurde. Bei den Elementen Cd, Co, Ni und Zn konnte vor allem durch eine Gruppierung nach Horizonten eine verbesserte Prognoseeffizienz für Oberböden (gruppierte A-Horizonte) erzielt werden. Die höhere Prognoseeffizienz der spezifischen Pedotransfer-Funktionen wurde durch eine Confirmation (Kreuz-Validierung) an einem unabhängigen Datensatz geprüft und für Oberböden bestätigt.

Des Weiteren wurde die Effizienz der Vorhersage von Pedotransfer-Funktionen durch eine Validierung geprüft, wobei standortspezifische Schätzwerte mit in situ Messungen verglichen wurden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Bodenlösungskonzentrationen der Elemente Cd, Cr, Cu, Ni, Pb und Zn in situ gut vorhergesagt werden konnten. Signifikante Abweichungen der Schätzwerte wurden beobachtet, wenn die dominierende sorptionsrelevante Bodenkenngröße eines Standortes in der verwendeten Pedotransfer-Funktion nicht enthalten war.

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