Physikochemische Parameter

Besondere Bedeutung bei Arbeiten zu Kontaminations- und Mobilisierbarkeitsstudien von Schwermetallen in Böden haben physikochemische Parameter wie der des Tongehaltes, des Gehaltes an organischer Substanz und der pH-Wert (vgl. Kap. 2.2). Sie beeinflussen in großem Maße die Fixierung bzw. Mobilität einiger Schwermetalle. Es wurden zur Be-stimmung acht Beispielprofile ausgewählt (6336-3, -6, -9, -15, 6337-70, -91, -113, -122), die repräsentativ für die gesamte Vilsaue zwischen Vilseck und Freihung sind und relativ gleichmäßig über die Fläche verteilt sind. Lediglich der pH-Wert (CaCl₂) wurde an allen Pro-ben (n = 2421) gemessen, da er für Aussagen zu Schwermetallmobilitäten unverzichtbar ist (Tab. 26 im Anhang).

Die ermittelten Daten sind im Anhang in Tabellen- (Anh. 10.2.1) und Diagrammform (Anh.

10.3.1) dargestellt. Die Werte für Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel zeigen zumeist einen für alle drei Elemente parallelen negativen Tiefengradienten mit den höchsten Anreiche-rungen im ersten oder zweiten Profilmeter. Die Verteilung orientiert sich an den Bodenho-rizonten. In den aGr- und nH-Horizonten ist aufgrund des anaeroben Milieus mit 0,24 % und 0,81 % (max. 1,31 %) besonders viel Schwefel enthalten. Es liegt in Form von Sulfiden oder nach deren Oxidation und biogener Zersetzung als Sulfat vor. Zwischen aAp- und aGr-Horizont gehen die Gehalte aller drei Elemente in der Regel zurück, sofern die aGr von aM-oder aGo-Horizonten überlagert sind. Im Falle grobkörniger Sedimente im Liegenden der stark schwefelhaltigen Horizonte kann es auch zur Verlagerung der Stoffe in die Tiefe kom-men wie in Profil 6337-91 (VII alC) (Tab. 20 und Abb. 46 im Anhang). Generell erfahren die oberen Partien der alC-Horizonte einen Eintrag von Kohlenstoff, Schwefel und Stickstoff aus den darüberliegenden Auenlehmen, der jedoch meistens unter 0,5 % liegt. Im Profil 6336-3 (Tab. 15 und Abb. 41 im Anhang) ist das anstehende glimmerhaltige, schluffige Lockerge-stein mit 0,4 % stärker schwefelhaltig als die lCv-Horizonte der anderen Profile (< 0,1 %).

Aus den Gehalten an Gesamtkohlenstoff, die bei karbonatfreien Proben zugleich für alle ge-messenen Proben auch den Gehalt an organischem Kohlenstoff repräsentieren, können die Konzentrationen an organischer Substanz durch Multiplikation mit dem Faktor 1,72 unter

Charakterisierung der Auenprofile 55

der Annahme errechnet werden, dass organische Substanz zu 58 % aus Kohlenstoff be-steht (AD-HOC-AG BODEN 2005, Anh. 10.2.1). Die organische Substanz ist vorzugsweise in den Niedermoortorfen (durchschnittlich 40,6 %), in den Oberböden (11,0 %) und in den aGr-Horizonten (10,9 %) enthalten. In den oberflächennahen Horizonten wird sie von der Laub- und Nadelstreu ständig nachgeliefert, in den grundwasserbeeinflussten Horizonten mit anaeroben Milieubedingungen bleibt sie weitestgehend unzersetzt und ist daher über lange Zeit gut erhalten.

Die Tonanteile (Anh. 10.2.1) liegen im Mittel bei 15,5 % und haben die höchsten Gehal-te in den hydromorph überprägGehal-ten AuensedimenGehal-ten (30,1 % in aGo, 20,0 % in aGr). Die pH-Werte zeigen eine Spannweite von pH 2,4 bis 7,1 und liegen durchschnittlich bei pH 4,6. Die niedrigsten pH-Werte sind dabei in den anstehenden Niedermoortorfen sowie im kretazischen Ausgangsgestein zwischen Gressenwöhr und Freihung (vgl. Profil 6337-70, Tab. 26 im Anhang) zu finden. Die höchsten pH-Werte weisen die karbonathaltigen Pro-ben aus Profil 6336-14 und 6337-138 auf, zudem generell die aAh- oder aAp-Horizonte und das kaolinhaltige Ausgangssubstrat bei Vilseck. Somit ergibt sich in der Regel ein schwach angedeuteter negativer Tiefengradient des pH-Wertes in den Profilen mit einem erneuten Anstieg in den kaolinhaltigen lCv-Horizonten. Gemittelt über alle 150 Profile verteilen sich die pH-Werte über die fünf Tiefenstufen mit Werten von 4,6 im ersten Meter, 4,4 im zweiten und dritten Meter, 4,7 im vierten und 4,9 im fünften Meter. Ein ausgeprägter Tiefengradient gemittelt über die fünf Meter ist nicht vorhanden, jedoch ist eine Variabilität der pH-Werte in den einzelnen Bodenhorizonten erkennbar.

Die ermittelten Karbonatgehalte (Tab. 23 im Anhang) in zehn Proben der oben genannten Profile sind nicht geogenen Ursprungs. Die kretazischen, dem Kalkstein des Jura auflagern-den Gesteine der randlichen Fränkischen Alb sind natürlicherweise karbonatfrei. Es muss sich um anthropogene Zufuhr karbonathaltigen Materials handeln. Das Profil 14 liegt im Bereich einer ehemaligen Bauschuttdeponie (mündliche Mitteilung von Herrn Dipl.-Ing. P.

Fröhlich, WWA Amberg 2001), was die Einlagerungen von Fremdmaterial erklärt.

In den Eluaten, die die Bodenlösung im Feld simulieren, wurden nach der Filtration die pH-Werte und die elektrischen Leitfähigkeiten gemessen (Tab. 27 im Anhang). Die Spannweite der pH-Werte aller 719 Proben ist ähnlich groß wie in den Bodenproben. Sie variieren zwi-schen pH 3,4 und 8,3 und liegen im Mittel bei 5,9. Die etwas höheren Werte gegenüber den Bodenproben sind auf die hohen Verdünnungen mit destilliertem Wasser und auf das Fehlen des Salzanteils im Lösemittel zurückzuführen. Die elektrischen Leitfähigkeiten sind durch-gehend sehr niedrig, was auf einen geringen Salzgehalt im Boden hindeutet. Der höchste

Wert liegt bei 1324 µS/cm (Probe 6337-91/11). Im Durchschnitt liegen die Leitfähigkeitswer-te lediglich bei 87 µS/cm, der Median beträgt nur 43 µS/cm.

5.2 Schwermetallgesamtgehalte

Für eine erste Untersuchung der Auenböden bezüglich Schwermetallanreicherungen ist die Ermittlung der Gesamtgehalte unverzichtbar. Sie dient der Einordnung des Grades der Kon-tamination und der Bestimmung des geogenen Hintergrundgehaltes, der lokal sehr unter-schiedlich sein kann.

Die Reihenfolge der untersuchten Schwermetallgehalte in den Königswasserextrakten nimmt mengenmäßig von

Pb > Zn > Ni > As > Cr > Cu > U > Cd

ab. Ökologisch relevante Konzentrationen in Bezug auf eine mögliche Schadwirkung konn-ten besonders für Pb, Zn und As ermittelt werden, weshalb eine Fokussierung auf diese Elemente erfolgt. Die Höhe der gemessenen Werte lässt eine geogene Anreicherung der Elemente in den Böden ausschließen. Es muss primär von einem anthropogenen Eintrag ausgegangen werden, der im Folgenden näher zu definieren ist.

Die Gesamtgehalte an Blei, Zink und Arsen wurden sowohl im Königswasserextrakt mittels Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) an 722 Proben gemes-sen, wobei es sich hauptsächlich um die Meterproben handelt, als auch im unvorbehandel-ten Zustand an der Gesamtzahl aller 2488 Proben mittels feldportabler Röntgenfluoreszenz-analyse (FPRFA, Tab. 24 und 25 im Anhang). Differenzen zur Gesamtprobenzahl bei den einzelnen Elementen ergeben sich aus Werten unter den Nachweisgrenzen der Methoden.

Die höchsten Gehalte liegen für Blei bei maximal 27776,0 mg/kg (Probe 6337-140/11) für die FPRFA-Analysen und 20890,7 mg/kg (Probe 6337-140/2) im Königswasseraufschluss vor, wobei es sich bei der Probe 140/2 um die entsprechende Mischprobe aus 1-2 m Tie-fe handelt, zu der auch die Detailprobe 140/11 gehört. Die niedrigsten Werte liegen bei 0,76 mg/kg (KW) bzw. 11,8 mg/kg bei der FPRFA-Analyse. Die große Spanne zwischen beiden Werten ist auf die hohe Nachweisgrenze des FPRFA-Gerätes zurückzuführen. Auf-fällig sind im Vergleich zu den Mittelwerten deutlich geringere Werte für die Mediane von 54,9 mg/kg (FPRFA) bzw. 32,4 mg/kg (KW) über die gesamte Tiefe von fünf Metern. Die starken Anreicherungen sind nur im ersten Meter oder unmittelbar an der Geländeober-fläche der Profile vorhanden. Die Mehrheit der Proben weist Gehalte unter 100 mg/kg auf

Schwermetallgesamtgehalte 57

(77 %). Daher liegen die Mediane der Messwerte deutlich unter den Mittelwerten, die für Blei 319,2 mg/kg im Königswasseraufschluss und 366,7 mg/kg in der Röntgenfluoreszenz-messung betragen.

Für Zink wurden Maximalgehalte von 546,8 mg/kg (FPRFA, Probe 6337-153/19) bzw. von 417,5 mg/kg (KW, Probe 6336-25/2) aus 1484 bzw. 721 Proben gemessen. Die niedrigsten Werte liegen bei 21,0 mg/kg bzw. bei 1,7 mg/kg und die Mediane bei 73,1 mg/kg (FPRFA) und 38,7 mg/kg (KW). Die Mittelwerte der Messungen betragen 97,4 mg/kg (FPRFA) bzw.

52,1 mg/kg im Aufschluss.

Die Konzentrationen an Arsen liegen in deutlich geringeren Größenordnungen vor. Die Maxi-malgehalte der 218 bzw. 718 Proben betragen 480,0 mg/kg (FPRFA, Probe 6337-140/8) und 82,5 mg/kg (KW, Probe 6337-91/6). Der extreme Unterschied ist über die geringere Messgenauigkeit der FPRFA-Methode für Arsen zu erklären (vgl. Kap. 6.4). Die niedrigsten Werte liegen bei 11,7 mg/kg bzw. 0,12 mg/kg. Im Mittel enthalten die Proben 34,5 mg/kg bzw. 7,9 mg/kg Arsen. Der Median liegt bei 21,8 mg/kg (FPRFA) und 6,2 mg/kg (KW).

Die komplette deskriptive Statistik der Proben, unterteilt in horizontbezogene und Meter-proben, kann aus Anhang 10.7 entnommen werden. Generell weichen die Messungen mit der FPRFA um etwa 20 % von den Werten aus den Königswasseraufschlüssen ab. In den meisten Fällen sind die Gehalte im Nassaufschluss niedriger. Dies resultiert zum einen aus den höheren Nachweisgrenzen der FPRFA, zum anderen werden im Königswasser nicht alle Schwermetallbindungen aufgelöst. So fehlt in dieser Fraktion beispielsweise der hohe Anteil an silikatisch gebundenen Metallen, den die FPRFA mit erfasst. HORNBURG & LÜER

(1999) haben Differenzen zwischen den Totalgehalten und den königswasserextrahierbaren Schwermetallgehalten von 78 % für Blei, 91 % für Zink und 80 % für Arsen ermittelt.