The fate and impact of fertiliser derived contaminants in New Zealand soils – development of a priority assessment model

Abstract

Hauptanliegen dieser Forschungsarbeit war eine systematische Bewertung der Mengen an anorganischen Schadelementen, die mit Düngemitteln in die Fläche gelangen, sowie deren Auswirkungen auf die Umwelt. Es wurde eine retrospektive Betrachtung einer großen Anzahl düngergebundener anthropogener Schadstoffe über eine repräsentative Auswahl mit Düngemitteln versorgter natürlicher und produktiver Landnutzungstypen und Bodentypen in Neuseeland durchgeführt. Um die Konsequenzen der Zufuhr von Spurenelementen für die Umwelt und die menschliche Gesundheit zu modellieren wurde eine systematische und transparente Priorisierungsmethode eingesetzt, die dazu diente, künftig zu erwartende Probleme und vorrangig zu lösende Aufgaben zu identifizieren. Bewertet wurden sowohl Spurenelemente in organischen als auch solche in anorganischen (mineralischen) Düngemitteln. Die modellierten Ergebnisse wurden mithilfe eines umfangreichen Bodenmonitoringdatensatzes sowie mehrerer kleinerer Datensätze zu Grundwasser, Flüssen und Strömen, Seen und Wattsedimenten validiert. Ein Großteil der Daten stammen aus der Waikato Region. Somit lassen sich die resultierenden Ergebnisse zusammen mit der dazugehörigen Hintergrundinformation von Politikern, Ressourcenmanagern und Wissenschaftlern als Hilfestellung bei der Entscheidungsfindung und Prioritätensetzung nutzen. Die Studie erbrachte folgende Ergebnisse: Keine der betrachteten Düngemittelgruppen war frei von jeglichen Schadstoffen. In mineralischen Düngern waren im Vergleich zu Hintergrundgehalten in Böden vor allem die Konzentrationen an Ag, B, Cd, F, REE, Sr und U stark erhöht, während in Wirtschaftsdüngern und anderen organischen Düngemitteln insbesondere Cu und Zn hohe Konzentrationen aufwiesen. Die Validierung der Ergebnisse anhand des Bodenmonitoringdatensatzes bestätigte, dass das Modell eine präzise Einschätzung der Umweltrisiken anorganischer Schadelemente liefert. Diejenigen Elemente, für die das Modell eine Anreicherung aufgrund von mineralischer PDüngung bzw. organischer Düngung vorhersagte (z.B. Cd, P, U, F, La, Zn), waren in gedüngten Böden im Vergleich zu Hintergrundböden tatsächlich erhöht. Elemente, denen eine hohe Mobilität zugeschrieben wurde, zeigten generell keine Anreicherung im Boden, auch dann nicht, wenn sie mit der Düngung in hohen Mengen zugeführt wurden, z.B. Bor. Viele der in den Wasserproben gemessenen Elemente zeigten einen Zusammenhang mit der Landnutzung, so waren beispielsweise die Konzentrationen von B, Ca und K in denjenigen Proben am niedrigsten, die aus mit natürlichem Wald bestandenen Einzugsgebieten stammten, während Proben von Flächen unter waldwirtschaftlicher oder Weidenutzung höhere Gehalte dieser Elemente aufwiesen. Von den aus dem Grundwassermonitoring stammenden Proben zeigten nur 15% messbare Cd-Gehalte, wobei diese überwiegend aus Regionen mit intensiver Landwirtschaft kamen. Der höchste gemessene Gehalt betrug allerdings nur die Hälfte des Trinkwasserstandards für Neuseeland und lag damit deutlich unterhalb des sog. „Trigger Values“ (= Prüfwert) zum Schutz von Frischwasserreserven für 95% der Arten. Drei von Algenblüte betroffene Seen zeigten Anstiege im Wasser-pH auf Werte >8,5, wodurch dramatische Veränderungen in der Lösungschemie hervorgerufen werden können, die sich z.B. in der Freisetzung einiger Elemente wie Mo, U und V in die Wassersäule zeigen. Diese Beobachtungen erfordern eine weitergehende Untersuchung. Zwischen dem Düngemitteleinsatz und den Gehalten an F und U in Frischwasserseesedimenten wurde keine Beziehung gefunden, das mit der Düngung eingetragene F und U scheinen vollständig vom Boden zurückgehalten zu werden. Andererseits waren die Gehalte an P, Cd, Cu, Ag und Zn in einigen der Frischwasserseesedimentproben erhöht, insbesondere dort, wo die Seen von intensiv genutztem Farmland umgeben waren. Dies untermauert die Annahme, dass als Quelle der Elementgehalte Dünger in Betracht kommen. Die vorliegende Studie identifizierte spezifische Auswirkungen der unterschiedlichen Spurenelemente für die Umwelt Neuseelands. Diese waren wie folgt: F-Anreicherung im Boden bzw. die Aufnahme von Boden durch Weidetiere ist als wahrscheinlichster Mechanismus für die Aufnahme von Fluor durch Weidetiere zu sehen. Hier gab es einen Mangel an risikobasierten Richtlinien, die der Forschung zum Management der Auswirkungen von F auf Tiere und Ökosystemrezeptoren einen Weg weisen könnten. U reicherte sich im Boden an bzw. wurde effektiv in Seesedimenten zurückgehalten. Wie bei Fluor gab es auch bezüglich U einen Mangel an risikobasierten Richtlinien, die der Forschung zum Management der Auswirkungen von U auf Tiere und Ökosystemrezeptoren einen Weg weisen könnten. Düngung trägt nicht nur Uran in den Boden ein, sondern sie erhöht auch die Verfügbarkeit von nativem, persistentem Uran, da sie die Verwitterung von Bodenmineralen fördert. Die diesem Phänomen der verstärkten Verwitterung zugrunde liegenden Mechanismen sollten genauer untersucht werden. Cd war in allen gedüngten Landnutzungsvarianten der vorliegenden Studie im Boden angereichert. Ein Teil des zugeführten Cadmiums wurde nicht vom Boden zurückgehalten und war so der Pflanzenaufnahme bzw. der Auswaschung ins Wasser und in Sedimente zugänglich. Ag-Gehalte waren in einigen Düngertypen unerwartet hoch und stellen möglicherwiese einen neu zutage tretenden Schadstoff in Düngemitteln dar. Die hier gewonnenen Ergebnisse lassen annehmen, dass bisher wenig Ag auf neuseeländischen Böden eingetragen wurde, während die erhöhten Ag-Gehalte in Wattsedimenten nahe legen, dass Ag vom Boden in die Flussmündungen transferiert wird. Daher sollte dieses Element weiterhin durch die Forschung beobachtet werden, um Transfer- und Akkumulationsmechanismen sowie Risiken für die Umwelt besser identifizieren zu können. B war hoch mobil in solchen Böden, die bedeutende Mengen an B-Zufuhr durch Dünger und andere Produkte erhielten, jedoch akkumulierte es in salzreichen Wattsedimenten. Dieser Prozess ebenso wie seine Implikationen für das Leben im Brackwasserregime sind bisher nur unvollständig verstanden und sollten weiter untersucht werden. In Neuseeland konnten keine Langzeitversuchsflächen gefunden werden, die dem Vergleich von alternativen Düngemitteln mit herkömmlichen mineralischen Düngern gewidmet sind. Es wäre zu überlegen, solche Langzeitversuche einzurichten, um derartige Vergleiche durchführen zu können. Es wird vorgeschlagen, dass die Forschung sich einer Ausweitung des sog. „Fertmark Quality Assurance Systems“ (= Qualitätssicherungssystem) widmet, welches neben Grenzwerten für Cd auch solche für weitere elementare Schadstoffe in mineralischen und organischen Düngern enthalten sollte.

Auf Wunsch des Autors / der Autorin ist diese Dissertation nur als Druckausgabe verfügbar.