Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1766
Main Title: Development and Applications of the Self-Integrating Accumulators: A Method to quantify the Leaching Losses of Environmentally Relevant Substances
Translated Title: Entwicklung und Anwendung der Selbst-Integrierenden Akkumulatoren: Eine Methode zur Erfassung der Sickerfrachten umweltrelevanter Stoffe
Author(s): Bischoff, Wolf-Anno
Advisor(s): Kaupenjohann, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Zusammenfassung Die Messung der Stoffverlagerung in Böden ist für vieles bedeutsam. Ökosysteme verlieren einen Teil ihrer Nährstoffe durch Auswaschung. Der durchwurzelte Boden mit seiner biologischen Aktivität ist die Hauptsenke, die das Grundwasser vor der Belastung mit umweltgefährdenden Stoffen schützt. Mehrere Methoden mussten bisher kombiniert werden, um die Stoffverlagerung in einer bestimmten Tiefe im Gelände messen zu können. Das Ziel der Arbeit war daher, die Methode der Selbst-Integrierenden Akkumulatoren (SIA) zu entwickeln, zu validieren und ihre Anwendung zu erproben. Die Methode soll die Stoffverlagerung mit dem Bodenwasser als [Masse*Fläche-1*Zeit-1] erfassen und dabei flächenrepräsentativ sein. Validierung In den SIA wurden Adsorber für die Messung von Cl, Br, Nitrat, Ammonium, K, Mg, Ca, Spurenmetallen, Zinnorganika, Pflanzenschutzmitteln und Mineralölkohlen-wasserstoffen erfolgreich eingesetzt. Der Erfolg wurde mit Aufstockungsver-suchen im Gelände, Säulendurchbruchs- und Inkubationsexperimenten belegt. Aus Feldversuchen mit Chlorid als konservativem Tracer ergibt sich, dass die SIA im Mittel 92 % des tatsächlich verlagerten Tracers wieder finden. Mit einer Kombinationsanalyse wurde errechnet, wie der Zusammenhang zwischen Anzahl der Wiederholungen und Schätzfehler des Mittelwerts ist. Es sollten zumindest 10 SIA-Wiederholungen pro ‚homogener’ Fläche / Variante eingesetzt werden, um einen Schätzfehler von unter 20 % zu erreichen. Feldversuche bei trockenen Bedingungen, mit stark sorbierenden Stoffen und mit ei-nem Farbtracer haben gezeigt, dass SIA auch ‚preferential flow’ im Boden beproben. Anwendungen In Feldversuchen wurden die Nitratverluste bei unterschiedlicher Landnutzung gemessen. Dazu wurden in sieben Jahren auf 47 Feldern unterschiedlicher Landwirte mit insgesamt 120 Varianten Praxisversuche durchgeführt. Der Datensatz besteht aus 3.048 Nitratauswaschungsmessungen. Dabei steht jede Messung für den kumulativen Nitratverlust aus sechs Monaten. Die hohe Gesamtzahl der Wiederholungen konnte erreicht werden, weil die SIA mit geringem Aufwand ein- und ausgebaut werden können und während der Messung keinerlei Wartung bedürfen. Verallgemeinert stellt der Gemüsebau mit Nitratverlusten von 120 kg N*ha-1*Jahr-1 das größte Risiko für die Grundwasserqualität dar. Auch der Ackerbau verliert noch 43 kg N*ha-1*Jahr-1 aus der durchwurzelten Zone und kann ein Risiko sein. Demgegenüber ist der Wald mit nur 8 kg N*ha-1*Jahr-1 unter dem Grundwasser-schutzaspekt die nachhaltigste Landnutzung. Diese Mittelwerte unterliegen natürlich Differenzierungen in Abhängigkeit von Fruchtfolge, Bodenbearbeitung etc.. Dabei gibt es erhebliche Optimierungsreserven. Aus dem gleichen Datensatz wurden statistische Informationen über die Heterogenität der Stoffflüsse in Abhängigkeit vom Maßstab und der Jahreszeit extrahiert. Etwa 70 % des Nitrats wurde in der Phase der Grundwasserneubildung (Oktober – April) ausgewaschen. Während dieser Phase steigt der normierte Variationskoeffizient, ein relatives Maß für die Heterogenität, von 62 % innerhalb eines Profils auf 99 % auf der Regionalskala. Im Sommer ist die Variation höher und steigt zunächst von 104 % im Profil auf 135 % innerhalb eines Feldes. Weitere Entfernungen erhöhen die Heterogenität der Stoffflüsse nicht mehr. Die Skalenabhängigkeit im Winter wird als Veränderung der Standortsfaktoren (Boden, Klima, Bewirtschaftung) verstanden. Die erhöhte Variation im Sommer ohne räumliche Abhängigkeit wird als Funktion der Regenverteilung (Intensität und Menge) gedeutet, wobei Starkregen zu einer präferenziellen Stoffverlagerung durch Sekundärstrukturen führen. Die Resultate zeigen auch die Bedeutung von ‚preferential flow’ für mobile Stoffe wie Nitrat in trockenen Böden. In weiteren Feldexperimenten wurde Klärschlamm auf landwirtschaftliche Flächen aufgebracht. Ziel war es, die Gefährdung des Grundwassers durch organische Schadstoffe und pathogene Keime aus Klärschlamm abzuschätzen. Mit einer Kombination aus SIA für Zinnorganika und einem Tracerversuch sowie Säulenversuchen für Indikatororganismen konnte gezeigt werden, dass beide Gruppen aus dem Hauptbereich der Sorption und Degradation in tiefere Horizonte gespült werden. Dies geschieht trotz der jeweils hohen Sorptivität entlang von präferenziellen Fließwegen. Daraus wurde geschlossen, das unter unseren Versuchsbedingungen vom Klärschlamm eine Gefährdung für das Grundwasser ausgeht. Zusammenfassend hat die SIA-Methode ihren Wert für die Quantifizierung verschiedener Stoffflüsse unter praktischen Geländebedingungen gezeigt. Die Methode wurde patentiert (Patent Nr. 197 26 813). Die Standardisierung für eine breitere Anwendung wurde begonnen und die Methode ist Teil des Entwurfs zur DIN-Norm 19715 (Sickerwasserprognose).
Summary The measurement of solute fluxes in soils is important in many ways: Ecosystems lose nutrients by leaching. The root zone with its biological activity is a main sink and sorbent to protect the groundwater from the leaching of contaminants. So far, no single method was able to measure the downward flux of solutes through a given depth at the field scale. Combinations of methods had to be used. The objective was to develop, validate and apply the Self-Integrating Accumulator (SIA) method. It is a field method, which should measure solute fluxes on a [mass*area-1*time-1] basis and is representative for the area of measurement. Validation Adsorbers have been used as part of the SIA to measure Cl, Br, Nitrate, Ammonia, K, Mg, Ca, heavy metals, tin organics, several pesticides and mineral oil hydrocarbons successfully. This has been shown by field spike, soil column breakthrough and batch incubation experiments. The SIA method represents the water fluxes of an area with a mean of 92 % recovery from several chloride field tracer experiments. A relation of replicate number and standard error of mean was established by combinatorial statistics. The accuracy is strongly dependent on the replication number. It is suggest to use at least 10 replicates per homogeneous site or treatment to obtain a standard error of mean of about 20 %. The SIA method has shown its ability to sample under preferential flow conditions in the field with dye tracers, under dry soil conditions and for strongly sorbing solutes. Applications Nitrate leaching losses under different land uses were quantified. Experiments were made in a period of seven years on 47 different fields of practical farmers with about 120 treatments The data set consists of 3048 nitrate loss measurements. Each measurement represents the integrative value of a six month leaching period. The large number of measurements was possible only due to the limited effort to install and recover the SIA and to the fact that no maintenance is required during the measurement period In general, grocery poses the highest risk to groundwater with a mean loss of 120 kg N*ha-1*year-1. Agriculture is still a risk for groundwater with a mean of 43 kg N*ha-1*year-1 leaching losses from the root zone. On average, forest is the most sustainable land use with regard to groundwater quality loosing only 8 kg N*ha-1*year-1 from the root zone. These mean values cannot reflect the differentiations which are due to different cultures, management practices etc. and potential for optimization exists. From the same data set we extracted information on the heterogeneity of mass fluxes in relation to scale and season. About 70 % of the nitrate losses occur during the groundwater recharge period (October – April). During the recharge period, the coefficient of variation, which is a relative measure of heterogeneity, rises from 62 % at the profile scale to 99 % at the regional scale. In summer, there is a rise from the profile to the field scale (104 % vs. 135 %), but seems to become an independent constant at higher scale levels. We attribute the scale dependency of winter fluxes to changes in the environment (soil, climate, management), whereas we suppose that summer heterogeneity is due to rainfall distribution (intensity and amount) finding its way through secondary soil structures as preferential flow. The results also point at the importance of preferential flow for mobile solutes like nitrate under dry soil conditions. In other field experiments sewage sludge was applied to agricultural fields. The objective was to assess the risk that organic contaminants and pathogens from sewage sludge may pose to groundwater. It could be shown by a combination of the SIA for tin organics and a tracer test and soil column experiments for indicator organisms, that both are leached out of the main adsorption zones into deeper horizons by preferential flow in spite of their high sorptivity. It can be concluded that under the conditions of our experiments the application of sewage sludge posed a risk to groundwater. To sum up, the SIA method has shown its value for the quantification of solute mass fluxes under practical field conditions. The method has been patented (Patent No. 197 26 813). The standardization for a broader application has been initiated and the method is part of the industrial norm DIN 19715 draft.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-17103
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2063
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1766
Exam Date: 20-Nov-2007
Issue Date: 29-Jan-2008
Date Available: 29-Jan-2008
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Boden
Feldheterogenität
Messmethode
Sickerwasser
Stofftransport
Field heterogeneity
Leaching
Measurement
Soil
Solute transport
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