Schwermetalle in Schweizer Waldböden

Abb. 1: "Totalp" bei Davos; hier hat der Boden einen sehr hohen lithogenen, d.h. natürlichen Gehalt an Chrom und Nickel. Foto: Marco Walser, WSL.

Abb. 2: Übersicht über die untersuchten Waldböden (aus Luster et al. 2006c).

Abb. 3: Bilden einer Schmelze aus Boden und Matrix-Material als Vorbereitung für die Totalgehaltsanalyse. Foto: Christoph Zwicky, EMPA.

Das Ziel in diesem Projekt ist es, einen Überblick über Gehalte, effektive Mobilität und potentielle Toxizität von Schwermetallen in Schweizer Waldböden zu erhalten.

Zusammenarbeit und umweltpolitischer Rahmen

In diesem Projekt arbeitet die WSL-Forschungseinheit “Bodenwissenschaften” mit der Gruppe “Feststoffanalytik” an der EMPA Dübendorf (Peter Lienemann, Christoph Zwicky), dem "Dept. of Applied Environmental Science" der Universität Stockholm  (Markus Meili), Alterra, Wageningen (Bert-Jan Groenenberg) und dem "Centre for Ecology and Hydrology", Lancaster (Ed Tipping) zusammen.

Die Untersuchungen zu Quecksilber und Blei stehen im Zusammenhang mit der UNECE Konvention über weitreichende grenzüberschreitende Luftverschmutzung (Convention on Long-range Transboundary Air Pollution, LRTAP). Der schwermetallspezifische Hintergrund findet sich im Kapitel 5.5. des aktuellen "Mapping Manual".

Mobilität von Chrom, Nickel, Kupfer, Zink und Blei

An 96 Waldstandorten der Schweiz wurden Schwermetallgehalte in verschiedenen Bodentiefen bestimmt. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der untersuchten Böden sind im Detail in den drei Bänden “Waldböden der Schweiz” beschrieben. Die Berechnung von An- bzw. Abreicherungen gegenüber Zirkonium diente der Abschätzung der relativen Schwermetallmobilität sowie dem Nachweis atmosphärischer Einträge. Potentielle ökotoxikologische Effekte wurden über den Vergleich mit Richtwerten der Schweizerischen Bodenschutzverordnung (VBBo) bzw. mit von der UN-ECE empfohlenen Grenzwerten für die Gefährdung von Mikroorganismen in Oberböden abgeschätzt.

Wichtigste Resultate:

• Chrom, Nickel, Kupfer und Zink in unseren Waldböden sind mehrheitlich lithogen, d.h. natürlich. Die Gehalte reflektieren die heterogene Geologie der Schweiz.
• Blei-Anreicherungen im Oberboden praktisch aller Böden interpretieren wir als Resultat weiträumiger anthropogener Einträge.
• Bodenbildungsprozesse beeinflussen die Verlagerung und Auswaschung von Schwermetallen stark. In sauren Böden sind Nickel, Kupfer und Blei mobiler als Chrom und Nickel. Dies hat in erster Linie mit der starken Affiniität der ersten Metallgruppe zu gelöster oder kolloidaler organischer Bodensubstanz zu tun. Andererseits handelt es sich im Falle von Zink nur um eine scheinbare Reduktion der Mobilität als Folge des Nährstoffkreislaufes.
• In vielen Böden wurden die oben genannten Richt- und Grenzwerte überschritten. Als Folge von Verlagerung werden die Richtwerte für Chrom, Nickel und Kupfer in Unterböden öfter überschritten als in Oberböden.

Die häufige Überschreitung von Richt- und Grenzwerten bedeuten ein potentielles Risiko für die langfristige Fruchtbarkeit der Böden. Andererseits ist unklar, in wie weit die Auswaschung von Schwermetallen aus sauren Böden in Grundwasserleiter, die in saurem Gestein liegen, zu einer Belastung von Trinkwasser-Quellen führt.

(Lit.: Luster et al. 2006b, c)

Mobilität von Quecksilber

Aktuell wird in einem repräsentativen Teil der Böden die relative Mobilität von Quecksilber bestimmt. Diese Untersuchungen ergänzen die Bestimmung von kritischen Quecksilber-Grenzwerten für die Belastung von Bodenorganismen.

Transfer-Funktionen für Cadmium, Kupfer, Nickel, Blei und Zink

Die Beziehung zwischen wasserlöslichem und reaktivem Metall-Pool wird als sogenannte Transfer-Funktion ausgedrückt. Die löslichen und reaktiven Gehalte von Schweizer Waldböden aus allen Regionen dienten zur Validierung von Transfer-Funktionen, die basierend auf Daten für Holländische und Grossbritannische Böden definiert wurden. Insbesondere enthielt das Schweizerische Datenset als Besonderheit Werte für karbonathaltige Böden.

(Lit.: Groenenberg et al. 2009)

Publikationen

• Groenenberg, J.E.; Römkens, P.F.A.M.; Comans, R.N.J.; Luster, J.; Pampura, T.; Shotbolt, L.; Tipping, E.; De Vries, W. 2009. Transferfunctions for solid solution partitioning of cadmium, copper, nickel, lead and zinc in soils: Derivation of Relations for free metal ion activities and validation on independent data. Eur. J. Soil Sci., eingereicht
• Luster, J.; Zimmermann, S.; Lüscher, P.; Walthert, L.; Zwicky, C.; Lienemann, P.; Blaser, P. 2006c. Tiefenverteilung von Chrom, Nickel, Kupfer, Zink und Blei in Schweizer Waldböden und Implikationen für die Mobilität dieser Schwermetalle. - Bull. Bodenkd. Ges. Schweiz 29: 31-34.
• Luster, J.; Zimmermann, S.; Zwicky, C.N.; Lienemann, P.; Blaser, P. 2006b. Heavy metals in Swiss forest soils: modification of lithogenic and anthropogenic contents by pedogenetic processes and implications for ecological risk assessment. In: Frossard, E.; Blum, W.E.H.; Warkentin, B. (Eds.). Function of soils for human societies and the environment. Geological Society, London, Special Publications 266: 63-78.
  
• Luster, J.; Zimmermann, S.; Frey, B.; Brunner, I.: Lüscher, P.; Walthert, L.; Blaser, P. 2006a. Schwermetalle in Schweizer Waldböden. Wald und Holz 4/06: 35-36
• Zimmermann, S.; Blaser, P.; Luster, J.; Waltert, L; Lüscher, P. 2006. Waldböden der Schweiz. Band 3. Region Mittelland und Voralpen. - Birmensdorf, Eidg. Forschungsanstalt WSL, Bern, Hep Verlag., 847 pp.
• Blaser, P.; Zimmermann, S.; Luster, J.; Walthert, L.; Lüscher, P. 2005. Waldböden der Schweiz. Band 2. Region Alpen und Alpensüdseite. - Birmensdorf, Eidg. Forschungsanstalt WSL, Bern, Hep Verlag. 920 pp.
• Walthert, L.; Zimmermann, S.; Blaser, P.; Luster, J.; Lüscher, P. 2004. Waldböden der Schweiz. Band 1. Grundlagen und Region Jura. - Birmensdorf, Eidg. Forschungsanstalt WSL, Bern, Hep Verlag. 768 pp.
• Blaser, P.; Zimmermann, S.; Luster, J.; Shotyk, W. 2000. Critical examination of trace element enrichments and depletions in soils: As, Cr, Cu, Ni, Pb, and Zn in Swiss forest soils. - Sci. Total Environ. 249: 257-280.