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