Skalierung von Sorptionsisothermen und physikochemischen Bodeneigenschaften zur Quantifizierung der feldskaligen Variabilität der Retardation reaktiver Stoffe in Böden
Final Report Abstract
Das vorliegende Projekt, das die Eignung von Skalierungsfaktoren zur Quantifizierung der feldskaligen Variabilität der Retardation reaktiver Stoffe in Böden (am Beispiel von Schwermetallen) behandelt, wurde seit September 2010 auf der Basis umfangreicher Bodenprobenahmen und Laboranalytik bearbeitet. Für die Probenahmen wurden zwei ackerbaulich genutzte Standorte mit Substraten und Bodentypen ausgewählt, die für große Bereiche Norddeutschlands repräsentativ sind (Löss, Parabraunerde; Geschiebedecksand, Braunerde). Beprobt wurden jeweils der Ap-Horizont (Oberboden, 0 – 30 cm) und darunter folgende Horizonte (Unterboden, 30 – 60 cm) entlang von Transekten im Abstand von 5 m. Je Ober- bzw. Unterboden wurden 50 Proben plus jeweils eine Mischprobe entnommen. An allen Proben wurden Sorptionsisothermen für die Schwermetalle Cd, Cu, Zn und Pb gemessen. Weiterhin wurden wichtige, sorptionsrelevante Bodeneigenschaften wie Korngrößenverteilung, pH-Wert, Gehalt an organisch gebundenem Kohlenstoff, Kationenaustauschkapazität, oxalatlösliche Oxide analysiert. Die Ausgangshypothese des Projekts, dass Skalierungsfaktoren geeignet sind, die Variabilität der Sorptionsisothermen auf der Feldskala zu quantifizieren, wurde durch die Ergebnisse der Skalierung der Sorptionsisothermen für Ober- und Unterböden an beiden Untersuchungsstandorten bestätigt. Die Skalierungserfolge, quantifiziert durch die Reduzierung der Abweichungsquadrate, sind durchweg gut bis sehr gut (meist > 80%, teilweise > 90%). Die nicht durch Skalierungsfaktoren erfassbaren Variabilitätsanteile sind als nicht-lineare Variabilität der Sorptionsisothermen aufzufassen. Deren relative Bedeutung lässt sich durch den Quotient der Variationskoeffizienten der Parameter n und k der Freundlichgleichung ausdrücken. Zwischen diesen Quotienten und den Skalierungserfolgen besteht eine signifikante lineare Beziehung, die durch frühere, unabhängige Daten bestätigt wird. Der zu erwartende Skalierungserfolg bzw. die Eignung eines Standorts für die Sorptionsskalierung lässt sich somit anhand der Isothermenparameter vorab einschätzen. Auch die Hypothese, dass mit Skalierungsfaktoren als Variabilitätsmaß der Sorption Simulationen des reaktiven Stofftransports mit numerischen Modellen gut machbar sind, wurde durch die Projektergebnisse bestätigt. Allerdings mit der klaren Einschränkung, dass die Skalierungsfaktoren und die Referenzisotherme direkt aus Messungen berechnet vorliegen müssen. Diese Einschränkung rührt daher, dass die weiteren Hypothesen des Projekts (zwischen Skalierungsfaktoren für Sorptionsisothermen bestehen signifikante Korrelationen; Skalierungsfaktoren der Kationenaustauschkapazität und der Sorptionsisothermen sind eng korreliert) weitgehend falsifiziert wurden. Skalierungsfaktoren der Schwermetallsorption können meist nicht aus einfach messbaren Bodeneigenschaften wie beispielsweise der KAK auf statistischem Wege abgeschätzt werden. Auch zwischen verschiedenen Schwermetallen ist die Korrelation der Skalierungsfaktoren je nach Standort und Bodenhorizont so uneinheitlich, dass keine generelle Übertragbarkeit konstatiert werden kann. Somit bleibt die Anwendbarkeit von Skalierungsfaktoren für Schwermetallsorptionsisothermen auf statistische Auswertungen der Variabilität und die Transportmodellierung reaktiver Stoffe sowohl für konkrete Fallstudien als auch für Szenarienrechnungen fokussiert.
Publications
- 2012: Spatial variability of heavy metal sorption in soils – Evaluation by scale factors. Annual Meeting of ASA, CSSA and SSSA, Cincinnati, October 2012
Xiao, H., J. Böttcher, and J. Utermann
- 2013: Räumliche Variabilität der Schwermetall-Sorption in Böden: Quantifizierung durch Skalierungsfaktoren. DBG-Jahrestagung, Rostock, September 2013
Xiao, H., J. Böttcher, and J. Utermann
- 2013: Scale Factors to Quantify and Predict the Field Scale Variability of Heavy Metal Sorption in Soil. European Geosciences Union, Vienna, April 2013
Xiao, H., J. Böttcher, and J. Utermann
- 2013: Simulation of heavy metal transport in unsaturated soil: Use of scale factors to quantify variable sorption isotherms. 4th International Conference 'Hydrus Software Applications to Subsurface Flow and Contaminant Transport Problems', Prague, March 2013
Xiao, H., J. Böttcher, and J. Šimůnek
- 2013: Simulation of heavy metal transport in unsaturated soil: Use of scale factors to quantify variable sorption isotherms. In: Proceedings of the 4th International Conference ‘HYDRUS Software Applications to Subsurface Flow and Contaminant Transport Problems’, Czech University of Life Sciences, Prague, and PC-Progress, s.r.o., Prague, Czech Republic, p. 385-394
Xiao, H., J. Böttcher, and J. Šimůnek
- Evaluation of Spatial Variability of Heavy Metal Sorption in Soils by Scale Factors – Scaling approach and statistical analysis. Geoderma, Volumes 241–242, March 2015, Pages 115-125
Xiao, H., J. Böttcher, and J. Utermann
(See online at https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2014.11.012)
