Kupferverfügbarkeiten in Sonderkulturen – eine einfache Erstabschätzung des Leaching- Alterungsfaktors am Beispiel Qualitätsweinbau

Copper availability in specialty crops – a simple preliminary assessment of leaching-aging factor on the example quality viticulture

Hohe Aufwandmengen an Cu-haltigen Pflanzenschutzmitteln in der Vergangenheit haben zu einer Akkumula­tion in Böden geführt (Komarek et al., 2010; Strumpf et al., 2011; Juang et al., 2012), andererseits erfolgt bis heute ein ständiger Eintrag neuen Kupfers – wenn auch in deutlich geringeren Mengen – auf die langjährig genutzten Flächen. Dieser Umstand wäre nicht relevant, wenn sich die Toxizität von Kupfer gegenüber Bodenorganismen bei Böden mit frisch zugefügtem Kupfer und bei langjährig kontaminierten Freilandböden nicht deutlich unterscheiden würde (z.B. Scott-Fordsmand et al., 2000; Oorts et al., 2006; Ruyters et al., 2013). Dies wird auf eine Alterung der Rückstände zurückgeführt (Ma et al., 2006), was auf Festlegungs- und Salzeffekten im Freiland beruht (z.B. van Sprang et al., 2008) und sich expositionsseitig direkt auf die Kupferverfügbarkeiten auswirkt (z.B. Weidenauer, 2012).

Der Alterungseffekt erschwert die Übertragung von Schwellenwerten aus Laborversuchen auf Freilandbedingungen im Sinne einer Risikobetrachtung erheblich. In einer im Auftrag des European Copper Institute (ECI) vorgenommenen „freiwilligen Risikoabschätzung“ kupferhaltiger Pflanzenschutzmittel (PSM) wurden die Kupferverfügbarkeiten in Freiland- und Laborböden in unterschiedlichen Regressionsansätzen bei unterschiedlicher Belastung auf der Basis bis 2007 vorliegender Studien zusammenfassend dargestellt (Delbeke, 2008). Hier zeigte sich, dass zur Prognose von Konzentrationen, bis zu der sich keine Auswirkungen auf die Umwelt zeigen (PNECs), noch ein Korrekturfaktor (‚Leaching – Alterungsfaktor’ – L/A-Faktor) benötigt wird, der diese Akkumulation in einem Regressionsansatz neben den bioverfügbaren Anteilen bei der Berechnung gesondert berücksichtigt.

Für eine sachgerechte Abbildung von ‚worst case‘ Szenarien ist die Höhe dieses Korrekturfaktors und dessen noch ausstehende Validierung von entscheidender Bedeutung. Dieser Faktor benötigt jedoch eine weitere wissenschaftliche Begründung (SCHER, 2009).

Da das Metall und Nährelement Kupfer als natürlicher Bestandteil der Geosphäre nicht abgebaut wird, wurde es als ‚persistenter Stoff’ eingestuft, mit der Folge, dass Expositionsszenarien ermittelt werden müssen. Dies sind quantitative oder qualitative Abschätzungen des Verhältnisses Dosis zu Konzentration eines Stoffes, welcher gegenüber einem Schutzgut exponiert ist oder sein kann.

Für eine Pflanzenschutzmittel-Bewertungsbehörde ist es wichtig, – in einem europaweit akkordierten Verfahren wie bei Kupfer – auf begutachtete Werte zurück zu greifen.

Von der Österreichischen Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit (AGES) wurde die Gewichtung des Korrekturfaktors in die Diskussion eingebracht. Diese beruht auf den in der REACH-Bewertung (Europäische Chemikalienverordnung – Anonym, 2006) festgelegten Vorgaben zur Datengewinnung und Risikobetrachtung. Die Berechnung der PNEC’s erfolgte analog zu dieser chemikalienrechtlichen Prozedur mit Daten aus durchgeführten Studien, welche in der REACH-Bewertung angefallen sind, und Literaturbefunden (Dellantonio, 2012).

Im REACH Bewertungsbericht (van Sprang et al., 2008) wurde dieser Faktor als 25.-Perzentil der gesamten experimentell bestimmten Leaching-Alterungsfaktoren definiert: „... there is sufficient justification to assume that the toxicity under field conditions is less than under laboratory conditions, and a reasonable worst case generic L/A of 2.0 is proposed for all soils.“

Die Höhe des Leaching-Alterungsfaktor von 2 wurde auch seitens der EFSA (Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit) im technischen Report „Pre-Assessment of Environmental Impact of Zinc and Copper Used in Animal Nutrition“ (Monteiro et al., 2010) akzeptiert, dort heißt es: „… a reasonable worst case generic L/A [factor] of 2.0 is proposed for all soils.“

Unter der Annahme, dass die 25.-Perzentile (wie im REACH Verfahren angewendet) ein ausreichendes Schutzniveau bieten und zugleich dem Vorsorgegedanken Rechnung tragen, kann der von der AGES vorgeschlagene Korrekturfaktor in der Höhe 2 unter konservativen Aspekten nachvollzogen werden.

Aber es gibt auch Studien, in denen ein L/A-Faktor von > 3 postuliert wird (z.B. Ruyters et al., 2013). Der L/A-Faktor wird hier über die Toxizitätsdifferenz zwischen Feldböden und Böden mit frisch zugefügtem Kupfer bei der gleichen nachteiligen Wirkung über ökotoxikologische Tests mit Pflanzen, Invertebraten und Mikroorganismen nach normierten Verfahren abgeleitet. Fehlende Toxizität in den Feldproben erfordert hier zusätzlich eine Korrektur, die auf einer konservativen Schätzung für das 10%ige Wirkungsniveau (ED₁₀) im Feld basiert.

Daraus ergeben sich Fragen, die noch beantwortet werden müssen:

Um die in der weinbaulichen Praxis existierenden Kupferverfügbarkeiten realitätsnah abbilden zu können und im Qualitätsweinbau zu einer sachgerechten Bewertung des Risikos für Bodenorganismen beizutragen, soll mit Hilfe von Freilanddaten mit Regenwurmlebensgemeinschaften der Versuch unternommen werden, die Höhe des L/A-Faktors abzuschätzen und das im Rahmen einer ‚freiwilligen Risikoabschätzung’ Regressionsmodell weiter zu entwickeln. Dies soll die wissenschaftlichen Grundlagen verbreitern und damit einen Beitrag zu leisten, die Kupferverfügbarkeiten in nationalen und europäischen Rechtsetzungen zu etablieren.

Unter Berücksichtigung des „Leitfadens zur Koordinierung der Monitoringaktivitäten der Untersuchungen zum Belastungszustand von landwirtschaftlich genutzten Flächen infolge von Anwendungen mit kupferhaltigen Pflanzenschutzmitteln – BVL“ wurden Qualitätsweinbaustandorte identifiziert, die jeweils aus mindestens einer mit Reben bestockten Prüffläche, einer seit längerem aus der Nutzung genommenen Rebfläche mit Kupferaltlast – Referenzfläche – und einer Fläche ohne anthropogene Kupferbelastung – Kontrollfläche bestehen. Diese Auswahl berücksichtigt alle belastungs- und wirkungsprägenden Hauptmerkmale und bindet zugleich alle Qualitätsweinanbaugebiete und ihre repräsentativen Standorte ein.

Inzwischen hat das JKI bei 24 ausgewählten Reblagen biologische Statuserfassungen unter Nutzung von Regenwürmern als empfindliche Indikatororganismen zur Darstellung der Auswirkungen von Kupfereinträgen auf die Bodenfruchtbarkeit (nach normierten Verfahren DIN EN ISO, 2011-09) durchgeführt. Dabei wurden Reblagen unterschiedlicher Belastung und Exposition sowie unterschiedlich langer Nutzung berücksichtigt. Auf jeder Untersuchungsfläche wurden 4 × 0,25 m² (4 Versuchsglieder/Teilflächen), wie bereits bei Riepert et al. (2013) beschrieben, beprobt.

Parallel zu der biologischen Zustandserhebung der Regenwurmzönosen wurden Mischproben von jeder Teil­fläche entnommen und im Labor elementanalytische Untersuchungen und Bestimmung der wichtigsten bodenkundlichen Parameter nach normierten Verfahren durchgeführt. Das verwendete Methodeninventar entspricht dem, wie es bereits bei den Belastungserhebungen im Qualitätsweinbau verwendet wurde (Strumpf et al., 2011).

Ergebnisse und Diskussion

In den Voruntersuchungen wurde festgestellt, dass bei Gesamtgehalten von 2 bis 774 mg Cu/kg Boden (TM) der Zusammenhang zwischen regenwurmverfügbarem Kupfer im CaCl₂-Extrakt (Cu_CaCl2) bzw. pflanzenverfügbarem Kupfer im NH₄NO₃-Extrakt (Cu_NH4NO3) und den Gesamtgehalten (Cu_ges) offenbar von mehreren Einflussgrößen abhängig ist (Strumpf und Strassemeyer, 2012).

In Abb. 1 wurden die Ergebnisse der Voruntersuchung und die der vorliegenden Studie zusammengefasst. Aufgrund der Unterschiedlichkeit der Standorte zeigen die ermittelten bioverfügbaren Kupferanteile (Cu_CaCl2 und Cu_NH4NO3) im Boden aller analysierten Flächen keine gute lineare Korrelation (R² < 0,6) mit den Kupfer-Gesamtgehalten. Für eine detaillierte Analyse der Abhängigkeiten (z.B. Multiregressionsanalyse) müssten weitere Bodenparameter und -eigenschaften berücksichtigt werden.

Abb. 1. Lineare Abhängigkeiten der Cu-Gehalte (A: CaCl₂-Extrakt und B NH₄NO₃-Extrakt) vom Cu-Gesamt­gehalt (Cu_ges) aller analysierten Bodenproben(n = 1155) der Prüf-(+, blau) Referenz-(x, rot) und Kon­trollflächen(o, grün) für den Bodenhorizont bis 20 cm.

Auch bei getrennter Betrachtung der einzelnen Flächentypen (Abb. 2) ist kein wesentlich besserer Zusammenhang zwischen bioverfügbarem Kupfer und dem Bodengesamtgehalt nachzuweisen. Unterschiedliche Bewirtschaftungsszenarien verbunden mit unterschiedlicher Pflanzenschutzintensität (von langjährig – intensiv bis ohne Kupfereinträge) hätten deutlichere Unterschiede der Bestimmtheitsmaße erwarten lassen.

Abb. 2. Lineare Abhängigkeiten der Cu-Gehalte (A: CaCl₂-Extrakt und B NH₄NO₃-Extrakt) vom Cu-Gesamt­gehalt (Cu_ges) aller analysierten Bodenproben(n = 1155) der Prüf-(+, blau) Referenz-(x, rot) und Kon­trollflächen(o, grün) für den Bodenhorizont bis 20 cm.

Bei einer verfeinerten Expositionsabschätzung mittels multivariater Diskriminanzanalyse unter Einbindung mehrerer Bodenparameter konnten keine klaren Zusammenhänge zwischen den Kupfer-Bodengesamtgehalten und den regenwurmverfügbaren Kupfergehalten im CaCl₂-Extrakt nachgewiesen werden (z.B. Strumpf und Strassemeyer, 2012). Ein wesentlicher Einflussfaktor ist der Boden pH-Wert. Die in dieser Studie untersuchten Weinbergsböden zeigen in der Regel pH-Werte > 6,5. In einer vergleichbaren Studie (Brun et al., 1998) wurde berichtet, dass bei pH-Werten von ≥ 6,4 der Zusammenhang zwischen Gesamtkupfergehalten und CaCl₂-extrahierbarem Kupfer deutlich an Bestimmtheit verliert.

Um reale Expositionen und die damit verbundenen Auswirkungen gegenüber wichtigen Indikatoren der Bodengüte realistisch abbilden zu können, müssen für die Expositionsabschätzung Daten mit gealterten Freilandböden ausgewertet werden. Dies kann zum Beispiel durch Verknüpfung von Bodengesamt- und/oder Modellextraktgehalten mit gemessenen Kupfergehalten in den gesammelten Regenwürmern von langjährig bewirtschafteten Qualitätsweinbaustandorten unter Berücksichtigung der berechneten Biokonzentrationsfaktoren erfolgen.

Gleichung 1:

Die Verwendung von BCF’s, hat den Vorteil, dass alle Faktoren, die die Verfügbarkeit am Standort beeinflussen, sich im Ergebnis in konkreten Kupfergehalten in der Gruppe der Lebensformtypen der Regenwurmzönose widerspiegeln und so über die modellhaft bestimmten Extraktgehalte direkt in die Berechnung einfließen.

In einem vereinfachten Regressionsansatz wurde geprüft, ob eine Risikoabschätzung über verfügbare Kupfergehalte in Modellextrakten (CaCl₂-Extrakt und NH₄NO₃-Extrakt) in Verbindung mit gemessenen Kupfergehalten in der Regenwurmzönose für den Pfad Boden/Bodenorganismen bei ökologisch und konventionell bewirtschafteten Böden möglich ist (Strumpf et al., 2013). Dies basierte auf der Annahme, dass der Anteil bioverfügbaren Kupfers auf der Summe aller Einzeleinflussfaktoren (Tab. 1) beruht und diese zu standortspezifischen Verfügbarkeiten (Expositionen) führen, welche sich in den bestimmten Gehalten in den Bodenextrakten wieder finden.

Es wurde schon darauf hingewiesen, dass die Untersuchungsfläche in Bezug auf die verfügbarkeitsprägenden Einzeleinflussfaktoren klein strukturiert und damit einhergehend zwischen den gewählten Versuchsgliedern (Teilflächen) starke Schwankungen auftreten können (Riepert et al., 2013). Diese führen sowohl bei chemischen (physiko-chemische Bodenparameter, Bodengesamt- und bioverfügbare Kupfergehalte) als auch bei biologischen Kenndaten (Gesamtabundanz, Abundanzverteilung auf Lebensformen, Artenvielfalt, Biomasse) zu starken Streuungen zwischen und innerhalb der Teilflächen. Um methodisch bedingte ‚Ausreißer’ zu eliminieren und praxisangelehnte Wertepaare bei der Verknüpfung der Ex­positionskonzentration mit der Effektseite zu erzeugen, erschien es deshalb sinnvoll, auf der Grundlage von gemittelten Werten für jede Teilfläche bzw. Untersuchungsfläche Risikoabschätzungen vorzunehmen.

Abb. 3 fasst das Ergebnis des Vergleichs der beiden verwendeten Extraktionsverfahren (CaCl₂- und NH₄NO₃-Extrakt) zur Prognose des Kupferanreicherungsverhaltens in Regenwürmern auf Basis der berechneten BCF’s unter Einbeziehung von 24 Qualitätsweinbaubetrieben mit 78 Beprobungsflächen (Prüf-, Referenz- und Kontrollflächen) zusammen. Für die Auftragung in Abb. 3 wurden für jede Teilfläche – die gemittelten Gehaltswerte in den ausge­lesenen Regenwürmern, der berechnete BCF der Regenwurmzönose sowie die entsprechenden Kupfergehalte im Bodenextrakt verwendet.

Abb. 3. Doppelt logarithmischer Zusammenhang zwischen den Kupfergehalten im Bodenextrakt und den auf der Basis von Extraktgehalten berechneten Biokonzentrationsfaktoren der Regenwurmzönose von Prüf-(+, blau) Referenz-(x, rot) und Kontrollflächen(o, grün), n = 229.

Die Prüfung unterschiedlicher Regressionsansätze ergab, dass durch eine Verknüpfung berechneter Biokonzentrationsfaktoren (BCF’s) mit bioverfügbaren Kupfer­anteilen (Cu_Extrakt) von langjährig bewirtschafteten (gealterten) Weinbaustandortböden eine Möglichkeit gegeben scheint, schutzzielbezogene Kupferverfügbarkeiten modellhaft zu beschreiben. Die größte Übereinstimmung konnte bei Annahme eines doppelt logarithmischen Zusammenhangs zwischen BCF und Cu_Extrakt erreicht werden. Dabei zeigt sich, dass die Korrelation des BCF zum NH₄NO₃-Extrakt (mit R² = 0,83) deutlich enger ist als die zum CaCl₂-Extrakt (mit R² = 0,68).

Dementsprechend werden die Ergebnisse vorangegangener Studien bestätigt, dass das NH₄NO₃-Extrakt, welches nach der BBodSchV (Anonym, 1999) pflanzenverfügbares Kupfer beschreibt, zur Darstellung des regenwurmverfügbaren Kupfers besser geeignet ist, als das nach DIN CEN, 2007 beschriebene regenwurmverfügbare Kupfer im CaCl₂-Extrakt.

In Tab. 2 sind die Mittelwerte und Standardabweichungen der Kupfergehalte im Bodenextrakt (Cu_Extrakt), der Kupfergehalte der Regenwürmer (Cu_Regenwurm) und der berechneten BCF’s zusammengefasst. Die BCF’s wurden zuerst für die einzelnen Teilflächen und anschließend die Mittelwerte je Flächentyp berechnet.

Bei den untersuchten Prüf- und Referenzflächen liegen die im Königswasser (KW) ermittelten Kupfergesamtgehalte bei den langjährig ökologisch und/oder konventionell bewirtschafteten Prüfflächen und den im Durchschnitt seit mehr als 10 Jahren nicht mehr weinbaulich genutzten Referenzflächen (Brachen) in der gleichen Größenordnung. Bei der Belastungserhebung in deutschen Qualitätsweinbaugebieten wurden für den Bodenhorizont 0 bis 20 cm (entspricht der Ausgrabungstiefe der Regenwürmer) im Mittel Gesamtgehalte bei Prüfflächen in Höhe von 102 mg Cu/kg Boden (TM) und bei Referenzflächen in Höhe von 100 mg Cu/kg Boden (TM) gefunden (Strumpf et al., 2011). Die Mittelwerte der in dieser Studie untersuchten Stichprobe liegen bei Prüf- bzw. Referenzflächen mit 102 bzw. 96 mg Cu/kg Boden (TM) in diesem Bereich, was zeigt, dass höher belastete Flächen bei der modellhaften Ableitung des L/A-Faktors nicht unterrepräsentiert sind.

Bei den gewählten Kontrollflächen mit geringen Gesamtgehalten [≤ 40 mg Cu/kg Boden (TM)] – welche in der Größenordnung der Hintergrundgehalte des Standorts liegen – sind die Kupfergehalte in den Modellextrakten niedrig. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass das Kupfer hier geogenen Ursprungs ist und – fest eingebaut in die Bodenmatrix – nur wenig verfügbar vorliegt. Diese Flächen wurden nach Auskunft der beteiligten Betriebe niemals weinbaulich genutzt und haben keine ‚frischen’ Kupfergaben erhalten.

Bei Betrachtung der Mittelwerte beider Modellextrakte für die Prüf- und Referenzflächen zeigt sich, dass im NH₄NO₃-Extrakt tendenziell höhere Mittelwerte bestimmt werden als im CaCl₂-Extrakt. Trotz der starken Streuung der einzelnen Werte lassen sich signifikante Unterschiede der Mittelwerte (t-Test, mit einem Vertrauensbereich von 95%) feststellen.

Bei Bezug auf Gesamtgehalte ist die Cu-Anreicherung im Gewebe der Regenwürmer gering (BCF’s KW deutlich < 1). Bei den höher belasteten Prüf- und Referenzflächen liegt der Anreicherungsfaktor im Mittel sogar unter dem für Regenwürmer von Kontrollflächen bestimmten Wert. Wird bei Berechnung des BCF’s der CaCl₂-Extrakt verwendet, lassen sich statistisch keine Unterschiede zwischen Prüf-, Referenz- und Kontrollfläche nachweisen. Bei Verwendung des NH₄NO₃-Extraktes unterscheiden sich die gemittelten BCF-Werte der drei Flächentypen signifikant voneinander. Der Anreicherungsfaktor für Regenwürmer (BCF) in den Prüf- und Referenzflächen ist im Mittel signifikant kleiner als in den Kontrollflächen. Ist dies einer verringerten Bioverfügbarkeit durch Alterung des Kupfers geschuldet? Eine steigende Kupferexposition führt nicht zu der erwarteten Kupferanreicherung in den Lumbriciden, was auf deren Anpassung an die Standortbedingungen hindeutet.

Die chemischen Ursachen dieses Phänomens und die Auswirkungen auf Regenwurmzönosen sind noch völlig unklar und bedürfen noch weiterer Aufklärung. Auf der Effektseite wurde von Riepert et al. (2013) berichtet, dass aus der Nutzung genommene Flächen auch nach längerer Zeit (> 10 Jahre) nicht in dem Maße wiederbesiedelt werden, dass die Artenvielfalt und Abundanz derjenigen naturnaher Kontrollflächen entspräche. Dies steht im Einklang mit anderen Literaturbefunden (Ma, 2005), dass die Wiederbesiedlungsrate kontaminierter Flächen niedrig ist und die Kupfergehalte in Regenwürmern hinter der Erwartung zurück bleiben. Dies wird einem Meidungsverhalten während der Besiedlung zugeschrieben, welches bei Laboruntersuchungen sowohl mit frisch zudotiertem als auch festgelegtem ‚alten‘ Kupfer im Meidungs-/Fluchttest für Regenwürmer (DIN ISO, 2008) nachgewiesen wird.

Durch Korrelation der BCF mit bioverfügbaren Kupfer­anteilen im Modellextrakt soll der Versuch unternommen werden einen Alterungsfaktor abzuschätzen, der wiede­rum eine realistische Bewertung von Umweltkonzentra­tionen ermöglichen soll. Der Vorteil der Verwendung von realitätsnahen experimentellen Freilanddaten von allen deutschen Qualitätsweinanbaugebieten liegt darin, dass hier sowohl standortspezifische Kupfergehalte in der Regenwurmzönose als auch die direkt auf die Regenwürmer einwirkenden mobilen Kupferanteile inklusive das auf Alterung zurückzuführende Verfügbarkeitsdefizit im Boden mit einfließen.

Man kann zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht ausschließen, dass mit fortschreitender Bewirtschaftung der Flächen sich die Beiträge der Einzelfaktoren zur ‚Gesamtverfügbarkeit‘ untereinander verschieben und einige dieser Faktoren dominanter werden – z.B. Festlegungsprozesse mit einhergehender Minderung der Kupfer-Gesamtverfügbarkeit, was aber im Endeffekt keinen Einfluss auf die gemessene ‚Gesamtverfügbarkeit’ hat.

Weil die Expositionskonzentration in Zusammenhang mit der Anreicherung von Kupfer im Gewebe von Lum­briciden steht, können in einem einfachen Regressionsansatz die Kupferverfügbarkeiten in den Extrakten mit den analysierten Regenwurmgehalten des Standorts verknüpft werden (Pfad Boden/Bodenorganismen). Das in tiefere Bodenschichten verlagerte Kupfer (was durch Leachingprozesse herausgelöst werden kann) und sein bioverfügbarer Anteil geht hier in die Abschätzung ein, da Gewebegehalte des anözischen Lebensformtyps der Regenwurmzönose miterfasst werden – hier unter der Annahme einer Exposition von Kupfer über die Haut. Unberücksichtigt bleibt, dass eine Kupferanreicherung über die gesamte Vegetationsperiode erfolgt (Beprobungszeitpunkt) und bei höheren Bodengehalten verstärkt aktive oder passive Regelungsmechanismen (bedarfsorientierte’ Aufnahme, Ausschleusung oder Detoxifikation, Meidung) einwirken, die die Gewebegehalte limitieren könnten.

Verknüpft man die flächenbezogenen Mittelwerte des Kupfers in Regenwurmzönosen mit den gemittelten Boden- und Modellextraktgehalten und den daraus berechneten BCF’s kann der L/A-Faktor für jede Lage auf der Grundlage der im Qualitätsweinbau real existierenden Kupferverfügbarkeiten nach Gleichung 2 abgeschätzt werden.

Gleichung 2:

Bei der Abschätzung wird berücksichtigt, dass der durchschnittliche Wassergehalt der Regenwürmer sowohl art­spezifisch (z.B. Pokarzhevskii et al., 2000) als auch in Abhängigkeit von den Standortbedingungen von 65 bis 90% variieren kann (z.B. Lee, 1985). Da sich die Kupfergehalte auf Trockenmasse (TM) des Bodens beziehen, wurden die analysierten durchschnittlichen internen Cu-Gehalte in Würmern noch mit dem Faktor 4 multipliziert, um die Berechnung des L/A-Faktors bei gleichem Bezug durchführen zu können. Dies beruht auf der vereinfachten Annahme, dass im Wurm im Mittel 25% Trockenmasse (TM) vorhanden ist. Die berechneten L/A-Faktoren sind als Mittelwerte in Tab. 3 dargestellt.

Höher belastete Sonderkulturböden sind dort existent, wo eine langjährige Bewirtschaftung mit kupferhaltigen PSM mit einher gehender Alterung der Cu-Rückstände stattgefunden hat. Prüf- und Referenzflächen werden seit über 100 Jahren bewirtschaftet und das in den Boden eingetragene Kupfer unterliegt seitdem – trotz jährlich neuer Zufuhr ‚frischen’ Kupfers, wenn auch heute mit deutlich geringeren Aufwandmengen als in der Vergangenheit – gleichermaßen einem Alterungsprozess. Unterschiede sind nur bei der Anwendung kupferhaltiger PSM zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten vorhanden, welche nur auf den bewirtschafteten Dauerkulturflächen (Prüfflächen) erfolgt.

Subtrahiert man den berechneten L/A-Faktor der Prüfflächen von dem analog berechneten L/A-Faktor der Referenzflächen desselben Extrakts, so erhält man aus der Differenz den Anteil ‚nicht gealterten’ Kupfers, der direkt in das Biokonzentrations-/Anreicherungsverhalten bei Lumbriciden eingeht.

Die Exposition des Schutzguts Bodenorganismus hängt von der Menge bioverfügbaren Kupfers ab und drückt sich im Biokonzentrations-/Anreicherungsverhalten aus. Die in den naturnahen Kontrollflächen ermittelten Gesamt- und bioverfügbaren Kupferanteile (Cu_CaCl2, Cu_NH4NO3) sind geringer als bei den langjährig mit Kupfer belasteten Prüf- und Referenzflächen (s. Tab. 2). Geringere Verfügbarkeiten führen nach Gleichung 1 zu höheren BCF-Werten. Die BCF Werte der Kontrollflächen sind deshalb größer als bei den Prüf- und Referenzflächen (Tab. 3).

Das Phänomen höherer Kupferbelastung bei geringer Verfügbarkeit auf langjährig bewirtschafteten Sonderkulturflächen ist nur erklärbar durch Kupfer-Festlegungsprozesse (Alterung/Sequestrierung). Das auf den Kontrollflächen vorhandene (geogene) Kupfer unterlag stets Alterungsprozessen. Zudem wurde auf diesen Flächen niemals Kupfer aufgebracht, weshalb der aus 23 beprobten Kon­trollflächen berechnete mittlere BCF als Ausgangswert für die Ableitung des L/A-Faktors dient.

Die gemittelten BCF’s von Prüf- und Referenzflächen zeigen bei den verwendeten Modellextrakten nur beim Cu_NH4NO3 Unterschiede, die sich bei den berechneten L/A-Faktoren (Tab. 3) widerspiegeln. Die Höhe der berechneten L/A-Faktoren steigt in der Reihenfolge CaCl₂-Extrakt < KW-Extrakt < NH₄NO₃-Extrakt.

Ein Alterungsfaktor von rund 1 sagt aus, dass auf den Weinanbauflächen keine Alterung stattfindet. Unter Berücksichtigung der realen Standortverfügbarkeiten bei Verwendung des CaCl₂-Extraktes wird bei Prüfflächen ein Korrekturwert von 1,5 und bei den Referenzflächen von 1,7 abgeschätzt. Die relativ geringen L/A-Faktoren sowie das für den CaCl₂-Extrakt ermittelte mittlere Bestimmtheitsmaß (R²) von ~ 0,68 in Abb. 3 bestätigen die These, dass bei Verwendung des CaCl₂-Extrakts die aus Alterung des Kupfers resultierenden Verfügbarkeitsdefizite nicht angemessen erfasst werden.

Im internationalen Normungsgeschehen (ISO TC 190 Soil Quality) für die umweltbezogene Verfügbarkeit gilt die CaCl₂-Extraktion als ein Modell für die Bodenfauna (DIN CEN, 2007), welches bis heute nicht wissenschaftlich begründet wurde. Aus Studien mit Labor- und/oder Freilandböden ist bekannt, dass bei Gehalten < 100 mg Cu/kg Boden (TM) ein Zusammenhang zwischen Wurmgehalten und CaCl₂-Extrakt-Gehalten besteht (z.B. Janssen et al., 1997; van Gestel, 2008), der bei höheren Boden­gesamtgehalten zunehmend verloren geht. Diese Studie zeigt, dass die aus dem normierten Verfahren gewonnenen Datensätze zur Ableitung des L/A-Faktors nicht geeignet sind, weshalb mit dem CaCl₂-Extrakt die Exposition von Regenwurmzönosen nicht zufriedenstellend modelliert und prognostiziert werden kann.

Der Zusammenhang zwischen den Kupfergehalten in Regenwurmzönosen und den Kupferanteilen im NH₄NO₃-Extrakt ist mit einem Bestimmtheitsmaß R² von ~ 0,83 (s. Abb. 3) sehr viel enger als bei Verwendung des CaCl₂-Extrakts. Der berechnete L/A-Faktor in Höhe von 3,1 bei den Prüfflächen und 3,7 bei Referenzflächen ist aber höher als bei Verwendung des CaCl₂-Extrakts.

Der Wert des mit diesem einfachen Regressionsansatz erhaltenen L/A-Faktors von 3,7 für Referenzflächen (Weinbrachen) sollte jedoch nicht überschätzt werden, weil hier trotz eines höheren Kupfermittelwertes im NH₄NO₃-Extrakt keine höhere Anreicherung des Kupfers im Regenwurmgewebe nachweisbar ist (Tab. 2). Die Ursachen bedürfen noch einer Aufklärung.

Beide Extraktionsverfahren scheinen für die Abschätzung des L/A-Faktors wenig geeignet zu sein. Unter Verwendung des CaCl₂-Extraktes ist der L/A-Faktor eher unterschätzt und bei Verwendung des NH₄NO₃-Extrakts eher überschätzt.

Bei Verwendung von –Kupfergesamtgehalten (KW) beträgt der Korrekturfaktor bei den Prüfflächen ~ 1,8 und bei Referenzflächen ~ 1,7. Die Höhe des L/A-Faktors steht hier in direktem Zusammenhang mit der berücksich­tigten breiten Schichtung der Belastung und der Bewirtschaftungshistorie der ausgewählten Reblagen.

Es bleibt festzuhalten, dass mit gemittelten Daten­sätzen ein Korrekturfaktor für Festlegungsprozesse unter Verwendung der KW-Extrakte abgeschätzt werden kann, der dem bereits vorgeschlagenen Wert von 2 sehr nahe kommt. Die in der Literatur beschriebenen Alterungs­effekte wurden oft an zu dotierten Laborböden mit Singlespezies untersucht (z.B. Smolders et al., 2009). Der in dieser Studie auf Grundlage von Anreicherungsfaktoren in Lumbriciden ermittelte Korrekturfaktor erfolgte im Gegensatz dazu unter Verwendung von Daten, die auf Feld­flächen des Qualitätsweinbaus in Deutschland ermittelt wurden und berücksichtigt dementsprechend standort­spezifische Einflussgrößen, welche reale Expositionsszenarien widerspiegeln.

Unter Verwendung der Modellextrakte für regenwurmverfügbares Kupfer (Cu_CaCl2) und pflanzenverfügbares Kupfer (Cu_NH4NO3) wurden unterschiedliche Korrekturfaktoren berechnet. Um validierte Entscheidungshilfen für die Zulassungsbehörden hinsichtlich der Berechnung realistischer Bodenkonzentrationen im Rahmen der confirmatory data im EU Bewertungsprozesse zu erarbeiten, müssen noch weitere Daten auf Basis der Bioverfügbarkeit erhoben werden.

Das hohe Bestimmtheitsmaß R² ~ 0,83 beim NH₄NO₃-Extrakt, welches bei der Korrelation von Kupfergehalten im Bodenextrakt mit Biokonzentrationsfaktoren der Regenwurmzönose erreicht wird, zeigt, dass die Risiken auf die Bodenzönose am besten unter Verwendung dieses Extrakts bewertet werden können. So werden die enorme Standortvielfalt und die unterschiedlichen Parameter, welche die Bioverfügbarkeit von Kupfer beeinflussen, berücksichtigt und zugleich standortbezogene Risikobewertungen ermöglicht.

Mit dem aus den bisherigen Studien resultierenden Wissensfortschritt zu Verbleib, Verhalten und Exposition kupferhaltiger Pflanzenschutzmittel in Sonderkulturböden und ihren Auswirkungen auf die Bodenqualität wird vorgeschlagen, Nutzen-Risiko-Bewertungen auf der Grundlage von Maßnahmewerten im NH₄NO₃-Extrakt für den Pfad Boden/Bodenorganismen in den EU Bewertungsprozess einzuführen.