SFB 299 4. Phase

Bearbeiter/Bearbeiterin:

Dipl.-Geökol., / Dipl.-Ing. Umweltsch. Dorit Zörner

Laufzeit:

2006-2008

Schlagwörter:

ATOMIS, Validierung, Monte Carlo Simulation, Schwermetalle, Unischerheitsanalyse, Sensitivitätsanalyse

Kurzbeschreibung:

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Validierung des Modells ATOMIS und die Prüfung der Übertragbarkeit in eine intensiv genutzte Agrarregion (Wetterau/Hessen).Das Schwermetallbilanzmodell ATOMIS berechnet in Abhängigkeit der Landnutzung und des Bewirtschaftungssystems regional differenziert den Schwermetallhaushalt in Oberböden von Landschaften. Es kann somit zur Abschätzung des Risikos von Schadstoffanreicherungen und der Beurteilung der Nachhaltigkeit von Landnutzungsoptionen verwendet werden. Auf der Eintragsseite berücksichtigt ATOMIS die Schwermetallzufuhr über Düngemittel (einschließlich Klärschlamm) und die atmosphärische Deposition. Der Schwermetallaustrag erfolgt über Auswaschung der in der Bodenlösung vorliegenden Schwermetallfraktion mit dem Sickerwasser und deren Entzug durch Pflanzen. Dabei werden die Bodenlösungskonzentrationen standortspezifisch über zwei Pedotransferfunktionen aus den Schwermetallgesamt-gehalten abgeleitet. In Jahresschritten wird durch die Berechnung der Ein- und Austräge, ausgehend von einem Anfangsgehalt im Boden, der Schwermetallstatus für die Elemente Nickel, Kupfer, Zink und Cadmium bilanziert. Um die Validität der Modellergebnisse zu prüfen, wurden mit ATOMIS die schlagspezifischen Schwermetallbilanzen von 24 Standorten berechnet und den Vor-Ort gemessenen Schwermetallgehalten gegenübergestellt. Die Untersuchungsstandorte befinden sich in der intensiv landwirtschaftlich genutzten Region Wetterau (Hessen) und sind durch hohe Schwermetalleinträge über Düngemittel, insbesondere durch die Ausbringung von Klärschlamm, geprägt. Für die Modellierung der Standorte standen Bewirtschaftungsdaten bezogen auf einen Zeitraum von 7 bis 14 Jahren zur Verfügung. Schwermetallanalysen vom Beginn der jeweils dokumentierten Zeitspanne dienten hierbei als Anfangsgehalte für die Bilanzierungen. Die berechneten Schwermetallgesamtgehalte am Ende des Bilanzierungszeitraumes wurden zur Validierung der Modellergebnisse mit den aktuell gemessenen Gehalten aus Königswasserextrakten verglichen. Des Weiteren wurden die Ergebnisse der Pedotransferfunktionen (potentiell austauschbare und gelöste Schwermetalle) anhand der Messwerte aus EDTA- und Ca(NO3)2-Extrakten validiert.
Alle in das Modell eingehenden Parameter und die Modellvariablen wurden zudem einer Unsicherheits- und Sensitivitätsanalyse unterzogen, um die Unsicherheit der Modellergebnisse und die dafür sensitiven Größen zu ermitteln. Über ein stratifiziertes Verfahren, das Latin-Hypercube-Sampling, wurden Parameterkombinationen ermittelt, für die im Rahmen einer Monte-Carlo-Simulation mit dem Modell ATOMIS der Schwermetallhaushalt berechnet wurde. Über die Streuung der modellierten Schwermetallgesamtgehalte sowie die Streuung der Ergebnisse für die sorbierte und gelöste Fraktion konnten die Unsicherheiten des Modelloutputs abgeschätzt werden. Durch Integration aller variierten Parameter in eine multiple lineare Regression wurden die sensitiven Größen für die Berechnung der Schwermetallgehalte bestimmt.

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 299 "Landnutzungskonzepte für periphere Regionen" durchgeführt.

Projektträger:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Veröffentlichungen:

2007

ZÖRNER, D, REIHER, W., GÄTH, S. (2007): Validierung eines Berechnungstools für Schwermetalle im Boden anhand schlagspezifischer Schwermetallbilanzen. In: Mitteilungen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft. Band 110/Heft 1, S. 261-262.

2008

ZÖRNER, D, REIHER, W., GÄTH, S. (2008): Validation of an assessment tool for heavy metals in soils using site-specific heavy metal balances. In: Eurosoil 2008, 25 – 29 August 2008, Vienna, Austria: Book of Abstracts S. 315; University of Natural Resources and Applied Life Sciences Vienna.

2009

WALDHARD, R., BACH, M., BORRESCH, R., BREUER, L., DIEKÖTTER, T., FREDE, H.G., GÄTH, S., GINZLER, O., GOTTSCHALK, T., JULICH, S., KÖHLER, W., KRUMPHOLZ, M., KUHLMANN, F., OTTE, A., REGER, B., REIHER, W., SCHMITZ, K., SCHMITZ, P.M., SHERIDAN, P., SIMMERING, D., WEIST, C., WOLTERS, V., ZÖRNER, D.: Evaluating today’s landscape multifunctionality and providing an alternative future: a normative scenario approach. Ecology and Society (eingereicht).

ZÖRNER, D, REIHER, W., GÄTH, S. (2009): Bewertung der Schwermetallbelastung anhand einer multifunktionalen Referenz-Landschaft. In: Berichte der BDG, Beitrag zu: Böden - eine endliche Ressource, 5.-13. September 2009, Bonn.