The Environmental Fate of Cadmium in the Soils of the Waste Water Irrigation Area of Braunschweig - Measurement, Modelling and Assessment - Von der Gemeinsamen Naturwissenschaftlichen Fakultät der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte D i s s e r t a t i o n von Joachim Ingwersen aus Bargum 1. Referent: Prof. Dr. T. Streck 2. Referent: Prof. Dr. O. Richter eingereicht am: 11.12.2000 mündliche Prüfung (Disputation) am: 26.03.2001 Druckjahr 2001 “So eine Arbeit wird eigentlich nie fertig, man muß sie für fertig erklären, wenn man nach Zeit und Umständen das Möglichste getan hat.“ Goethe in Caserta 16. März 1787 Vorveröffentlichungen der Dissertation Teilergebnisse aus dieser Arbeit wurden mit Genehmigung der Gemeinsamen Naturwissenschaftlichen Fakultät, vertreten durch den Mentor der Arbeit, in fol- genden Beiträgen vorab veröffentlicht: Publikationen • Ingwersen, J., Streck, T. & Richter, J. Cadmium-Verlagerung in den Böden des Abwasserverregnungsgebietes Braunschweig. Mitteilgn. Dtsch. Boden- kundl. Gesellsch. 85: 249-252 (1997). • Ingwersen, J., Streck, T. & Richter, J. Verfahren zur regionalen Bewertung der Cadmiumeinträge in die Böden des Abwasserverregnungsgebietes Braun- schweig. In: Renger, M., F. Alaily und G. Wessolek (Hrsg.) Mobilität & Wir- kung von Schadstoffen in urbanen Böden. Heft 26: 152-163 (1998). • Ingwersen, J., Streck, T. & Richter, J. Verlagerung und Pflanzenaufnahme von Cadmium im regionalen Maßstab – eine Fallstudie. In: Flake, M., R. Seppelt und D. Söndgerath (Hrsg.) Dynamik natürlicher und anthropogener Systeme und ihre Wechselwirkungen. 175-182 (1999). • Ingwersen, J., Streck, T. & Richter, J. Ein transpirationsbasiertes Modell zur Prognose der pflanzlichen Cd-Aufnahme. Mitteilgn. Dtsch. Bodenkundl. Gesellsch. 91/III: 1466-1469 (1999). • Ingwersen, J., Streck, T., Utermann, J. & Richter, J. Ground water preserva- tion by soil protection: Determination of tolerable total Cd contents and Cd breakthrough times. J. Plant Nutr. Soil Sci. 163: 31-40 (2000). Tagungsbeiträge • Ingwersen, J., Streck, T. & Richter, J. Cadmium-Verlagerung in den Böden des Abwasserverregnungsgebietes Braunschweig. (Poster) Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft, Konstanz (1997). • Ingwersen, J., Streck, T. & Richter, J. Verfahren zur regionalen Bewertung der Cadmiumeinträge in die Böden des Abwasserverregnungsgebietes Braun- schweig. (Vortrag) Abschlußtagung “Mobilität & Wirkung von Schadstoffen in urbanen Böden”, Berlin (1998). • Ingwersen, J., Streck, T., Utermann, J. & Richter, J. Determination of Tolerable Total Cd Contents in Soils. (Vortrag) 2nd Symposium: Heavy Metals in the Environment and Electromigration Applied to Soil Remedia- tion, Lyngby (1999). • Ingwersen, J. Streck, T., Utermann, J. & Richter, J. Grundwasserschutz durch Bodenschutz: Ermittlung von tolerierbaren Cd-Gesamtgehalten and Cd- Durchbruchszeiten (Vortrag) 111. VDLUFA-Kongress, Halle (1999). • Ingwersen, J., Streck, T. & Richter, J. Verlagerung und Pflanzenaufnahme von Cadmium im regionalen Maßstab – eine Fallstudie. (Vortrag) Geoökon`99, Braunschweig (1999). • Ingwersen, J., Streck, T. & Richter, J. Ein transpirationsbasiertes Modell zur Prognose der pflanzlichen Cd-Aufnahme. (Vortrag) Jahrestagung der Deut- schen Bodenkundlichen Gesellschaft, Hannover (1999). • Ingwersen, J., Streck, T. & Richter, J. Prognose und Bewertung des Umwelt- verhaltens von Cd in den Sandböden des Abwasserverregnungsgebietes Braunschweig. (Vortrag) HydroGeoEvent 2000, Heidelberg (2000). Table of Contents Introduction ..............................................................................................................................1 2 Objectives and Outline ...................................................................................................5 3 Theoretical Background .................................................................................................8 3.1 Solute Leaching in Soil.................................................................................................8 3.2 Uptake of Ions by Plants.............................................................................................13 3.3 Geostatistical Tools ....................................................................................................16 3.3.1.Ordinary Block Kriging .........................................................................................17 3.3.2.Conditional Simulation ..........................................................................................20 4 The Waste Water Irrigation Area of Braunschweig..................................................22 5 Material and Methods...................................................................................................32 5.1 Sampling.....................................................................................................................32 5.1.1.First Campaign.......................................................................................................32 5.1.2.Second and Third Campaign..................................................................................33 5.2 Measurements.............................................................................................................35 5.3 Determination of the Freundlich Coefficient..............................................................37 5.4 Statistics and Model Assessment Criteria ..................................................................38 5.5 Meteorological Data ...................................................................................................41 5.6 Hydrogeological Data.................................................................................................41 6 Description of the Model SEFAH ................................................................................43 6.1 Water Regime .............................................................................................................43 6.2 Displacement ..............................................................................................................44 6.2.1.Leaching.................................................................................................................44 6.2.2.Annual Ploughing ..................................................................................................46 6.2.3.Deep Ploughing......................................................................................................47 6.3 Plant Uptake ...............................................................................................................48 7 Field Observations ........................................................................................................51 7.1 Cd Contents and Cd Loads .........................................................................................51 7.2 Displacement ..............................................................................................................58 I 7.3 Sorption Characteristics..............................................................................................65 7.4 Pedotransfer Functions ...............................................................................................72 7.5 Cd Plant Uptake..........................................................................................................74 7.5.1.Winter Wheat .........................................................................................................75 7.5.2.Sugar Beet..............................................................................................................78 7.5.3.Potato .....................................................................................................................81 8 Environmental Fate Modelling ....................................................................................88 8.1 Overview ....................................................................................................................88 8.2 Deterministic Soil Column Models ............................................................................89 8.3 Random Soil Column Models ....................................................................................90 8.4 Model Parameterization..............................................................................................92 8.4.1.Water Regime ........................................................................................................92 8.4.2.Depth of Water Table.............................................................................................95 8.4.3.Displacement..........................................................................................................98 8.4.4.Plant Uptake.........................................................................................................100 8.5 Hindcast Simulations (1957-1996)...........................................................................100 8.5.1.Cd Displacement..................................................................................................100 8.5.2.Cd Plant Uptake ...................................................................................................109 8.6 Scenario Simulations ................................................................................................111 8.6.1.Scenario 1: What would have happened if Cd loads had not been reduced in the mid eighties? .......................................................................................................111