Prognose des Schwermetallhaushaltes von Landschaften mit dem Modell ATOMIS

Abstract

Das Modell ATOMIS (Assessment Tool for Metals in Soils) prognostiziert für die Schwermetalle Ni, Cu, Zn und Cd landnutzungsabhängig den Schwermetallhaushalt in landwirtschaftlich genutzten Oberböden. In dieser Arbeit wurde das Modell anhand von Messdaten aus einer intensiv ackerbaulich genutzten Region validiert und die Unsicherheit der Modellergebnisse abgeschätzt. Im Rahmen der Validierung wurde der Oberboden von 24 unterschiedlich bewirtschafteten Ackerstandorten in der Wetterau (Hessen) beprobt und hinsichtlich der Schwermetallgehalte und charakteristischer Bodeneigenschaften analysiert. Für diese Standorte liegen langfristige Dokumentationen zur Flächenbewirtschaftung (Düngemitteleinsatz etc.) vor, welche als Eingangsdaten in der Modellierung mit ATOMIS berücksichtigt werden. Die Validierung erfolgte durch den Vergleich der simulierten Schwermetallgesamtgehalte am Ende des Bilanzierungszeitraumes mit den gemessenen Daten aus Königswasser-Extrakten. Des Weiteren wurden die Zwischenergebnisse der im Modell implementierten Pedotransferfunktionen geprüft. Hierbei wurde die simulierte sorbierte Schwermetallfraktion mit gemessenen EDTA-extrahierbaren Werten verglichen. Die berechneten Bodenlösungskonzentrationen wurden den Analyseergebnissen aus Ca(NO3)2-Extrakten gegenübergestellt. Die Validierungsergebnisse zeigen, dass das Modell ATOMIS die Schwermetallgesamt-gehalte für alle Elemente im Größenbereich der Messwerte der untersuchten Standorte berechnet. Dabei sind die Unsicherheiten der Modellergebnisse mit Variationskoeffizienten von < 10 % bei Cu und < 20 % bei Ni, Zn und Cd als niedrig einzuschätzen. Die modellierte Änderung der Schwermetallgesamtgehalte (Schwermetall-Akkumulation) im simulierten Zeitraum ist jedoch meist sehr gering und wird teilweise durch die Modellunsicherheiten überdeckt. Bei der Validierung der sorbierten und gelösten Schwermetallfraktion sind sehr hohe Unsicherheiten in der Bilanzierung mit ATOMIS festzustellen (insbesondere für Ni, Cu und Zn). Die potenziell austauschbaren Schwermetallgehalte werden durch das Modell zum Teil stark unterschätzt, insbesondere bei Ni. Dadurch werden auch die Bodenlösungskonzen-trationen und damit der Schwermetallaustrag aus dem Boden deutlich unterschätzt. Die Bilanzierung von Cd ergab dagegen für beide Fraktionen gute Ergebnisse und geringere Unsicherheiten.

ATOMIS (Assessment Tool for Metals in Soils) is a model that estimates site-specifically the long-term evolution of heavy metals (Ni, Cu, Zn, Cd) in top soils depending on land use and cultivation system. In this study, the model was validated on the basis of measured data from soils in an intensive agricultural used region called Wetterau (Hesse/Germany). Samples from the top soil were taken at 24 sites and analysed for heavy metal contents and characteristic soil properties. For the sample sites longtime management documentations (soil tillage, fertilization, etc.) were available. The validation of ATOMIS was accomplished by comparing the predicted total heavy metal contents with the measured values (aqua regia extracted) of the 24 sites. The model is based on two pedotransfer functions to calculate sorbed and solved heavy metal concentrations in the soil. These results were also considered in the validation process by comparing the simulations with measured contents in EDTA- and Ca(NO3)2 extracts. Furthermore, the uncertainties of the different model outputs were assessed.The results show good model predictions for total heavy metal contents depending on land management for almost all examined sites regarding Ni, Cu, Zn, and Cd. The uncertainty of the model results was very low. The coefficient of variation was less than 10 % for Cu and slightly higher (< 20 %) for Ni, Zn, and Cd. However the calculated rates for accumulation and decline of the metal contents in the soil were very low over the simulated time periods. In this way, the model uncertainties partially bracketed the changes of the metal contents in the calculated period. Consequently the considered time period was too short for some sites to achieve a clear concentration trend which limits the conclusions that can be drawn from the validation results. The validation of other heavy metal fractions showed high uncertainties of model results in predicting the potential exchangeable (sorbed) as well as solved metal concentrations in the soil. The model underestimated the measured data for Ni, Cu and Zn which leads to an under predicted and uncertain metal output estimation for these elements. In contrast, simulated solved Cd concentrations were in range of the observed values for most sites and the output uncertainty was lower compared to the other metals.