The fate and impact of fertiliser derived contaminants in New Zealand soils – development of a risk assessment model

Taylor, Matthew David

Hauptziel dieser Arbeit war eine systematische Bewertung der Konzentrationen und Schwankungsbreiten anorganischer Schadstoffe, die mit der Düngung in den Boden gelangen, sowie deren ökologischer Auswirkungen. Eine Vielzahl von Spurenelementen in organischen und mineralischen Düngern wurde untersucht. Es wurde eine Methode zur systematischen Priorisierung entwickelt, um die Konsequenzen des Eintrages von Spurenelementen für Umwelt und menschliche Gesundheit zu modellieren und zukünftige Problemfelder zu identifizieren und priorisieren. Die modellierten Ergebnisse wurden mithilfe von Monitoring-Datensätzen aus Untersuchungen von Böden, Grund- und Oberflächengewässern, See- und Flussmündungssedimenten validiert. Die daraus resultierende Rangfolge und dieser zugrundeliegende Informationen können von Politik, Ressourcenmanagement und Forschung zur Entscheidungsfindung und Allokation von Prioritäten genutzt werden. Folgende Ergebnisse wurden gewonnen: 1. Keine der Düngergruppen war frei von allen Schadstoffen. B, Cd, F, REE, und U in Mineraldüngern bzw. Cu und Zn in organischen Düngern waren die Elemente mit den höchsten Konzentrationen. 2. Die Monitoringdaten bestätigten die Brauchbarkeit des Modells zur Bewertung der von anorganischen Schadstoffen ausgehenden ökologischen Risiken. 3. Es wurde ein Mangel an risiko-basierten Richtlinien für das Management verschiedener Elemente fest gestellt, z.B. für F, U, B, REE, Zr. Folgende spezielle Auswirkungen für Neuseeland wurden fest gestellt: 1. F reicherte sich im Boden an. Hauptexpositionspfad ist die Aufnahme von Boden durch grasende Nutztiere. 2. U reicherte sich im Boden an oder wurde von Seesedimenten effektiv gebunden. Düngergaben erhöhen außerdem die Verfügbarkeit von nativem, im Boden stark gebundenem U, da sie die Verwitterung von Bodenmineralen verstärken. 3. Ein Großteil des applizierten Cd reicherte sich im Boden an, ein Teil wurde jedoch offenbar durch Pflanzenentzug oder Auswaschung ausgetragen. In Sedimenten aus Einzugsgebieten, die durch intensive Landwirtschaft charakterisiert sind, wurde Cd ebenfalls angereichert. 4. B war in Böden hoch mobil und akkumulierte in Flussmündungssedimenten. 5. Ag ist ein neu auftauchender diffuser Schadstoff. Erhöhte Ag-Konzentrationen wurden in Flussmündungssedimenten gefunden. 6. Algenblüten erhöhen den pH-Wert des Wassers, was zur Freisetzung einiger Elemente aus den Sedimenten führt.

The main objective of this thesis was a systematic evaluation of range and quantity of elemental contaminants applied to land in fertilisers and their wider environmental impacts. An assessment of a wide range of trace elements in organic and mineral fertilisers was carried out. A systematic prioritisation methodology to model consequences to the environment and to human health from the application of trace elements was presented to help identify and prioritise future issues. The modelled results were validated against a synthesis of monitoring data from soil, ground and surface waters, and lake and estuarine sediments. The resulting rankings and the underpinning information can be used by policy makers, resource managers and researchers to guide decision making and allocation of priorities. The main findings were: 1. No single fertiliser group was free of all contaminants. B, Cd, F, REE, and U in mineral fertilisers and Cu and Zn in fertilisers made from organic materials were the elements most elevated. 2. The monitoring data validated the model’s ability to assess the environmental risks of applied elemental contaminants. 3. There was a lack of risk-based guidelines to direct management of several elements, e.g. F, U, B, REE, Zr. Specific impacts for New Zealand included: 1. F accumulated in soil with the main exposure pathway being ingestion of soil by grazing animals. 2. U accumulated in soil or was effectively trapped in the lake sediments. Fertiliser additions also increase the availability of native, recalcitrant U through enhanced weathering of soil minerals. 3. Most applied Cd accumulated in soil but a proportion was lost and may be taken up by plants or leached. Sediments with catchments in intensive farming also accumulated Cd. 4. B was highly mobile in soils and accumulated in estuarine sediments. 5. Ag is an emerging diffuse contaminant and enhanced levels of Ag were found in estuarine sediments. 6. Algal blooms are increasing water pH leading to the release of some elements from sediment.

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Taylor, Matthew David: The fate and impact of fertiliser derived contaminants in New Zealand soils – development of a risk assessment model. 2017.

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