Zusammenfassung Band 28

Frank Liebe (1999): Spurenelemente in Böden und Pflanzen Nordrhein-Westfalens - Gehalte verschiedener chemischer Fraktionen in Böden und deren Beziehungen zur Bodenreaktion und den Gehalten in Pflanzen

Im Rahmen eines vom Ministerium für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft (MURL NRW) geförderten Vorhabens wurden - verteilt über Nordrhein-Westfalen - 335 Bodenproben von 260 Standorten entnommen, um eine Bewertung der stark variierenden Gehalte an Spurenelementen vorzunehmen. Die ausgewählten Standorte sind charakterisiert durch verschiedene Nutzungen (Ackerland, Grünland, Wald, Haus- und Kleingärten, Altlasten, städtische Freiflächen und Spielplätze) sowie durch sehr unterschiedliche Spurenelementgehalte (nicht oder wenig belastete bis extrem belastete Standorte). Sie umfassen ein breites Spektrum an Ausgangssubstraten, Bodentypen und Bodeneigenschaften, sind jedoch nicht flächenrepräsentativ für Nordrhein-Westfalen. Zur Kennzeichnung des Transfers der Spurenelemente in Pflanzen wurden parallel zu den Bodenproben an verschiedenen Standorten Pflanzenproben, vor allem Weizenkorn von Ackerflächen (N = 89) und Grünkohl von Haus- und Kleingärten (N = 17) entnommen. Die Bestimmung der Gesamtgehalte der Elemente erfolgte für die Boden- und Pflanzenproben mit dem Königswasseraufschluß (für Thallium: HNO3-Aufschluß). Die potentiell mobilisierbare, nachlieferbare Fraktion wurde unter Anwendung eines Cocktails aus 0,025 M EDTA, 1 M NH4OAc und 0,1 M NH2OH.HCl (pH 4,6) bestimmt. Als Extraktionsmittel für die mobile Fraktion wurde 1 M NH4NO3 (Boden-Lösungsverhältnis 1:2,5) eingesetzt. Die Elementkonzentrationen in der Bodenlösung wurden in Bodensättigungsextrakten gemessen. Mit verschiedenen spektrometrischen Verfahren (AAS, ICP-OES) wurden in den Extrakten und Aufschlüssen 18 Elemente analysiert (Al, As, Be, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Sn, Tl, V, Zn). Die untersuchten Elemente weisen starke Unterschiede im Hinblick auf ihre Gesamtgehalte, ihre extrahierbaren Anteile am Gesamtgehalt, ihre Mobilität und Verfügbarkeit auf. Hohe Anteile der mobilisierbaren Fraktion (EDTA-Cocktail) am Gesamtgehalt werden vor allem bei den Elementen Cd, Co, Cu, Mn und Pb erzielt (> 30 %). Die Anteile der mobilen Fraktion am Gesamtgehalt sind bei den Elementen Al, As, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Hg, Pb, Sb, Sn und V niedrig und liegen meist unter 0,1%, während diese bei Ni, Zn, Cu, Mn, Cd und Tl bis zu 3,5 % reichen. Die Anteile der wasserlöslichen Fraktion am Gesamtgehalt liegen bei allen untersuchten Elementen, mit Ausnahme von Cd auf den stark versauerten Waldböden (1,3 %), im Mittel der Proben unter 0,1 %. In den Pflanzenproben liegen die Spurenelementgehalte in der Regel in häufig vorkommenden Bereichen. Die mit den verschiedenen Extraktionsmethoden ermittelten Elementgehalte der Böden sind dann z.T. eng miteinander korreliert, wenn die entsprechenden Fraktionen ähnliche Bindungsformen erfassen. Vor allem die Güte der Beziehungen zwischen den gesamten und den EDTA-Cocktail-extrahierbaren Elementgehalten ist bei einer Vielzahl von Elementen ausgezeichnet (Cd, Co, Cu, Mn, Pb, Zn). Ebenso konnten für eine Reihe von Elementen (As, Cd, Co, Cr, Pb, Sb, Mn und Zn) sehr hoch signifikante und enge bis sehr enge Zusammenhänge zwischen den NH4NO3-extrahierbaren Elementgehalten und den Konzentrationen in der Bodenlösung (Bodensättigungsextrakt) festgestellt werden. Multiple Korrelationsrechnungen belegen, daß bei einigen Elementen (Al, Be, Cd, Mn, Pb und Zn) die NH4NO3-extrahierbaren Elementgehalte als Funktion der Gesamtgehalte bzw. der EDTA-extrahierbaren Elementgehalte und der Bodenreaktion definiert werden können. Ebenfalls konnte für einige Elemente ein starker Einfluß des pH-Wertes der Böden auf die Elementkonzentration in der Bodenlösung (BSE) nachgewiesen werden. Für As, Cd, Cu, Mn, Ni, Pb, Tl, V und Zn bestehen hoch bis sehr hoch signifikante Beziehungen zwischen den NH4NO3-extrahierbaren Gehalten und den Pflanzengehalten (Weizenkorn und / oder Grünkohl und/oder Porree und/oder Gras). Daraus kann geschlossen werden, daß bei den erwähnten Elementen die NH4NO3-Extraktion zur Prognose von Pflanzengehalten eingesetzt werden kann. Das vorliegende Datenmaterial wurde weiterhin dazu benutzt, um Vorschläge für substratspezifische Hintergrundgehalte abzuleiten. Häufigkeitsverteilungen von Elementgehalten in Böden wurden mit Hilfe der Kerndichteschätzung ausgewertet. Für Bodenproben, deren Elementgesamtgehalte auf den geogenen Grundgehalt und ubiquitäre Stoffeinträge zurückzuführen sind, können nach diesem Verfahren in der Regel substratspezifische Hintergrundgehalte ausgewiesen werden. In ähnlicher Weise ableitbar sind typische NH4NO3-extrahierbare Elementgehalte für nicht bzw. wenig belastete Böden. Da die Gesamtgehalte und insbesondere die Bodenreaktion bei vielen Elementen einen starken Einfluß auf die Höhe der mobilen Gehalte ausüben, werden diese jeweils für verschiedene Gesamtgehalte und differenziert nach pH-Stufen angegeben.

Summary Band 28

Frank Liebe: Trace elements in soils and plants of North Rhine-Westphalia - Contents of different chemical soil fractions and their relationship to soil pH and contents in plants

In order to evaluate soils with very different contents of trace elements, 335 soil samples - spread over all of North Rhine-Westphalia - were taken. This project was sponsered by the ministery of environement and agriculture of North Rhine-Westphalia (MURL). The location of the soil samples are characterized by different soil uses (arable fields, grassland, forest, gardenland, and dump sites, locations in city areas, playgrounds) and different soil contaminations (none or less polluted till extremly polluted locations). Furthermore the soil samples contain a wide spectrum of different parent materials, type of soils, and compositions. They are not representative for the area of North Rhine-Westphalia. For the determination of transfer of trace elements from soil to plant, different plant samples were taken from arable field locations 89 wheat grain samples - e.g. from gardenland 17 samples of green cabbage.

The total contents of the elements in the soil and plant samples were extracted by aqua regia (Thallium: HNO3 extraktion). The mobilizable (potentially available) fraction was determined by a cocktail of 0,025 M EDTA, 1 M NH4OAc and 0,1 M NH2OH.HCl (pH 4,6). The extraction with an unbuffered salt solution (1 M NH4NO3, soil-solution ratio 1 : 2,5) was used to characterize the mobile fraction in soils. The concentrations of elements in the soil solutions were specified by analysing the soil saturation extracts. 18 elements (Al, As, Be, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Sn, Tl, V, Zn) were analysed with different spectrometric methods (AAS, ICP-OES) in the different extracts.

The analysed elements vary widely in their total contents, in their extractable proportions of the total contents, and in their mobility and availability in soils. The proportion of the mobilizable fraction (EDTA-Cocktail) in percent of the total contents of Cd, Co, Cu, Mn and Pb are > 30 %. On the other hand the proportions of the NH4NO3 extractable contents in percent of the total contents of Al, As, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Hg, Pb, Sb, Sn and V lie mostly below 0,1 %, except for Ni, Zn, Cu, Mn, Cd and Tl (max. 3,5%). The average proportions of the watersoluble fraction (saturation extraction) in percent of the total contents of all elements are below 0,1 %, except for Cd reaching up to 1,25 % in strongly acidic forest soils. The contents of the different trace elements from different plant samples have a relatively small variation.

The element contents of the different soil fractions were closely correlated, when the fractions extracted similar binding forms. Therefore, mobilizable (EDTA-Cocktail) pool of trace elements is closely correlated with the total content of the various elements (Cd, Co, Cu, Mn, Pb, Zn). Highly significant relations between the NH4NO3 extractable contents and the concentrations in the soil solutions were found for As, Cd, Co, Cr, Pb, Sb, Mn, and Zn. Furthermore, the mobile fraction (NH4NO3) of the elements Al, Be, Cd, Mn, Pb and Zn can be defined as a function of the total contents, respectively mobilizable fraction of elements, and the pH of the soils. The watersoluble fraction (soil saturation) is also closely related to the pH of the soils

The NH4NO3 extractable contents of As, Cd, Cu, Mn, Ni, Pb, Tl, V, and Zn were also significantly correlated with the contents of these trace elements in the analysed plants (corn of wheat, green cabbage, leek, and grass). Therefore the extraction of soil samples with 1 M NH4NO3 is a suitable procedure to forecast the load of plants on the basis of soil data or to derive threshold/trigger values for trace elements in soils.

The data of this project can also be used to derive background contents for trace elements. Therefore, frequency distributions of element contents in soils were established with the Kernel Density Estimation. With this procedure background levels can be determined per element for corresponding groups of soil samples being characterized by common features (e.g. parent material, region of origin, specific source of pollution). Typical NH4NO3 extractable contents of several trace elements can also be derived in the same way. These typical contents of the mobile fraction are given for different total contents of trace elements and different pH of the soils.