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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-56475
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5647/


Erstellung eines Transportkostenminimierungsmodells zur Berechnung der Schwermetallflüsse auf landwirtschaftlich genutzten Böden Deutschlands unter Nutzung einer Monte-Carlo-Simulation zur Ermittlung der Unsicherheiten

Generation of a transport cost minimization model in order to calculate the heavy metal flows on agricultural soils in Germany on area level using a Monte Carlo Simulation in order to assess the uncertainties

Huck, Ingo

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Transportkosten , Düngemittel , Erosion , Kreisebene , Schwermetallbilanz
Basisklassifikation: 48.59
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft, Veterinärmedizin
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Held, Hermann (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.05.2012
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 04.06.2012
Kurzfassung auf Deutsch: Auf landwirtschaftliche Böden erfolgen Schwermetalleinträge durch Kontaminationen in den ausgebrachten Düngemitteln, durch Wirkstoffe und Verunreinigungen in Pestiziden und durch atmosphärische Depositionen. Schwermetallausträge werden durch die Abfuhr mit der Erntemasse, den Abtrag mit dem erodierten Bodenmaterial und die Verlagerung mit dem Sickerwasser verursacht. Die Saldierungsüberschüsse werden im Boden deponiert und können langfristig zu einer Gefährdung führen.
Das Ziel der Arbeit ist eine Beschreibung der Stoffströme der Schwermetalle Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Blei und Zink sowie eine Bilanzierung derselben. Das Neue an dieser Arbeit ist der Versuch, dies auf Kreisebene unter Anwendung eines Transportkostenminimierungsmodells zu realisieren und eine Unsicherheitsberechnung mittels einer Monte-Carlo-Simulation vorzunehmen sowie die Erosion als eine Ursache der Schwermetallausträge zu berücksichtigen.
Zur Berechnung der Einträge werden die Nährstoffapplikationsmengen und Nettoausträge organischen Kohlenstoffs je Pflanzenart und Technologie von dem Modell EPIC übernommen und die Ausbringungsmengen organischer und mineralischer Düngemittel auf Grundlage eines Transportkostenminimierungsmodells ermittelt. Dies geschieht unter Berücksichtigung der Düngeverordnung, der Bioabfallverordnung, der Klärschlammverordnung und der VERORDNUNG (EG) NR. 889/2008.
Um die Höhe des maximal einzubringenden Klärschlamms zu ermitteln, wird die relative Fläche des verfügbaren Ackerlandes berechnet, wobei Naturschutzgebiete, Nationalparks, Wasserschutzgebiete, Uferrandstreifen und Flächen des ökologischen Landbaus berücksichtigt werden.
Die anfallenden Mengen von Wirtschaftsdüngern, Komposten sowie Klärschlämmen werden auf Kreisebene und die an die Landwirtschaft abgegebenen mineralischen Düngemittel auf Bundeslandebene ermittelt. Die Verteilung der Düngemittel wird für eine Berechnung der Ausbringungsmengen der Düngemittel auf Kreisebene genutzt, welche unter Beachtung der Verordnungen, der Nährstoffbedarfe und der Erntemengen in den Kreisen durch eine Minimierung der Transportkosten der Düngemittel erfolgt.
Der Einsatz von Pestiziden und die resultierenden Schwermetalleinträge werden ebenfalls im Modell berücksichtigt und auf die jeweils in den Kreisen angebauten Pflanzenarten bezogen.
Auf Grundlage von Literaturdaten werden die Häufigkeitsverteilungen von Schwermetallkonzentrationen in den landwirtschaftlich genutzten Böden, den Düngemitteln, Pestiziden und den angebauten Pflanzenarten berechnet und fließen in die Unsicherheitsbetrachtung ein.
Die versickernde Schwermetallmenge wird auf Grundlage einer Sorptionsmengenberechnung unter Berücksichtigung der Elementekonzentration im Boden, der Bodenreaktion, des Tongehaltes und der organischen Kohlenstoffkonzentration im Boden sowie der Sickerwassermenge berechnet.
Die Ergebnisse zeigen, dass Wirtschaftsdünger und atmosphärische Depositionen einen wesentlichen Anteil der Einträge ausmachen, während die Erosion insbesondere in Landkreisen mit hohen durchschnittlichen Erosionsmengen die höchsten Schwermetallausträge zur Folge hat. Sowohl die Einträge als auch die Austräge unterscheiden sich in den Anteilen und der Höhe zwischen den Kreisen einiger Bundesländer.
Die berechneten Mediane der Nettoeinträge der Schwermetalle sind in einigen Kreisen unter Berücksichtigung der Erosion als Austragsursache negativ.
Abschließend werden die Modellergebnisse mit Literaturdaten verglichen und Handlungsoptionen für eine Reduktion der Schwermetalleinträge aufgezeigt. Die berechneten Schwermetalleinträge und die Austragsmengen stimmen überwiegend mit Modellergebnissen anderer Studien überein. Abweichungen beruhen zum Teil auf unterschiedlichen verwendeten Methoden, Schwermetallkonzentrationen und darauf, dass in der vorliegenden Arbeit Ein- oder Austragsursachen berücksichtigt wurden, welche in der Vergleichsliteratur unberücksichtigt geblieben sind.
Die Schwermetalleinträge können durch niedrigere Grenzwerte der Schwermetallkonzentration in Düngemitteln oder durch eine Verringerung der atmosphärischen Depositionen infolge eines Einsatzes emissionsarmer Technologien in der Industrie und dem Transportsektor reduziert werden. Je nachdem, welche Reduktionsstrategie im Modell verwendet wurde, ergeben sich unterschiedliche Minderungspotentiale.
Die Einträge von Cadmium und Nickel konnten in dem Modell am deutlichsten reduziert werden, indem die atmosphärischen Depositionen infolge des Einsatzes emissionsarmer Technologien verringert wurden, während bei den Elementen Kupfer und Zink die höchsten durchschnittlichen Reduktionspotentiale durch eine Festsetzung der Grenzwerte der Schwermetalle von Rinder- und Schweinegülle ermittelt wurden.
Kurzfassung auf Englisch: Due to contaminations in fertilizers and agents and contaminations in pesticides, heavy metals are brought into agricultural fields and they are deposited from the atmosphere. On the one hand they are absorbed by agricultural crops, so that they are withdrawn from the soil, and on the other hand they are relocated due to erosion and washed out with the seepage water. The balancing surplus is accumulated in the soil and may be harmful in the long term.
The aim of this work is to describe the heavy metal flow of cadmium, chromium, copper, nickel, lead and zinc and the balancing of the inputs and outputs. New about the work is the attempt to realize this on area level, minimizing the transport costs of the fertilizers, to include the soil erosion as a heavy metal output factor and to quantify the uncertainties with a Monte-Carlo-Simulation.
For the purpose of calculating the heavy metal inputs, the nutrient requirements and the netto outputs of organic carbon are taken from the EPIC-model, regarding the crops, HRUs, irrigation and soil management technics. The application amounts of organic and mineral fertilizers are assessed on the basis of a transport cost minimizing model. The German fertilizer regulation (DüV, 2009), the biological waste ordinance (BIOABFV, 2010), the sewage sludge ordinance (ABFKLÄRV, 2010) and the Council Regulation (EC) 889/2008 are considered, including the size of natural protection areas, national parks, water protection areas, buffer strips and organic farming fields.
The produced amounts of farm fertilizers, compost, sewage sludge and mineral fertilizers are allocated according to the regulations, nutrient requirements and the crop yield to the districts by the minimization of the sum of the transport costs in a linear optimization model on area level.
The amounts of the plant specific applied pesticides and the resulting heavy metal inputs are also calculated.
Basing on bibliographical references, frequency distributions of the heavy metal concentrations in the agricultural soils, in fertilizers and pesticides are calculated and the uncertainties of the heavy metal inputs of these sources are derived using the Monte-Carlo-Simulation.
Atmospheric depositions of heavy metals and the respective uncertainties are also considered.
The amounts of leaching heavy metals are assessed on the basis of a multiple regression analysis. The element concentration in the soil, the pH-value, the soil type and the proportion of organic matter are relevant isotherm parameters and the amount of leakage water is used to calculate the quantity of leaching heavy metals.
The results indicate that an important share of the heavy metal inputs results from farm fertilizers and atmospheric depositions, while the output of the element removal mainly occurs due to the soil erosion.
The absolute values and shares of inputs and outputs of the heavy metals vary between the districts of some federal states. The calculated medians of the net heavy metal inputs are negative in some districts, if the erosion is considered as an output factor.
In the concluding discussion the underlying data and the results are compared with bibliographical references and courses of action are pointed out.
The results are prevalently consistent with the results of other studies. Some results are distinct from the reported values, depending on the underlying methods, the heavy metal concentrations as well as the considered in- and output factors.
The heavy metal inputs can be reduced if lower threshold values of the heavy metal content in the fertilisers are prescribed or the atmospheric depositions are reduced by the implementation of different technologies in the industry and the transport sector.
The implementation of maximum feasible reduction technologies of emissions in the industry and transport sector is most efficient to reduce the inputs of the elements cadmium and nickel into agricultural fields. The highest average reduction potential of the heavy metal inputs of copper and zinc was calculated by a restriction of the heavy metal concentrations in farm fertilizers.

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