Mobilisierung und Mobilität von kolloidalem Phosphor in sandigen Böden

erschienen in: Journal of Environmental Quality. - 2005(34)3, S. 926-935; Soil Science Society of America Journal. - 2007(71)2, S. 298-305Die Auswaschung von Phosphor (P) trägt zur Verlagerung von P aus terrestrischen in aquatische Ökosysteme bei. Neben der gelösten Form kann P im Sickerwasser auch an Kolloide gebunden auftreten. Die Sorption von P an potentiell dispergierbare Bestandteile der Bodenmatrix, z.B. Eisen- und Aluminiumoxide und -hydroxide, beeinflusst deren Oberflächenladung und kann dadurch zur Mobilisierung und Mobilität von Kolloiden beitragen. In meiner Studie testete ich folgende Hypothesen: 1) Die Sorption von P an Goethit und an sandige Böden dispergiert kolloidalen Goethit, bzw. Bodenkolloide, 2) Inositol Hexaphosphat (IHP) wirkt stärker dispergierend als ortho-Phosphat (ortho-P), 3) eine steigende P-Sättigung von sandigen Böden führt zur Dispergierung von kolloidalem P im Schüttelversuch und 4) zur Auswaschung von kolloidalem P unter Feldbedingun-gen. Um 1) und 2) zu testen, führte ich zwei Schüttelversuche mit synthetischen Systemen (Quarzsand beschichtet mit Goethit) und Unterböden durch, denen ich jeweils steigende IHP-, bzw. ortho-P-Konzentrationen zusetzte. In einem weiteren Schüttelversuch untersuchte ich die Mobilisierung von Kolloiden an einem Probenkol-lektiv mit einer breiten Spanne an P-Sättigungen ohne eine weitere Zugabe von P (3). Zur Überprüfung von 4) bestimmte ich die Auswaschung von kolloidalem P aus Säulen mit ungestörten Böden unterschiedlicher P-Sättigung. In allen Versuchen ermittelte ich gelöste und kolloidale P-Konzentrationen sowie zur näheren Charakterisierung der Kolloide das Zeta Potential und die optische Dichte. In einem, dem Säulenexperiment vorangestellten Versuch, testete ich fünf verschiedene Lysimetertypen, um das am besten geeignete System zur Beprobung von Kolloiden im Feld zu ermitteln. Dazu bestimmte ich in einem ungesättigten Säulenexperiment die Kolloidwiederfindung nach Applikation von kolloidalem 59Fe-Goethit. Die Zugabe von P in Schüttelversuchen führte zur Mobilisierung von Kolloiden. In dem Versuch mit Unterböden wurden Kolloide erst bei einer höheren Gleichgewichtskon-zentration an gelöstem P dispergiert (0.07-2.22 mg gelöster P l-1) als in dem Versuch mit Quarzsand (0.01-0.03 mg gelöster P l-1). In beiden Versuchen ging die kritische P-Sättigung, bei der Kolloide mobilisiert wurden, mit einem Zeta Potential der Kolloide von -20 mV einher. Die Sorption von IHP verringerte das Zeta Potential der Kolloide stärker und mobilisierte höhere Kolloidkonzentrationen als ortho-P. Im Schüttelversuch ohne zusätzliche P-Zugabe nahmen die kolloidalen P-Konzentrationen mit steigender P-Sättigung der Böden zu. Dies ließ sich zum einen auf eine zunehmende Mobilisierung von Kolloiden, aber auch auf eine steigende P-Konzentration der Kolloide zurückführen. Der Test der verschiedenen Lysimetertypen ergab, dass nach Applikation von 10 mg Kolloiden pro Liter frei drainende Lysimeter sowie Unterdrucklysimeter mit einer 10 µm-Membran die größte Menge (9.1% und 6.8%) und Dochtlysimeter die geringste Menge (0.7%) des applizierten 59Fe sammelten. Letzteres lässt sich auf das Zurückhalten von Kolloiden im Docht zurückführen. Die Konzentrationen an kolloidalem P im Säulenausfluss reichten von 0.01 bis 0.31 mg P l-1 und machten zwischen 1 und 37% des ausgewaschenen Phosphors der Fraktion < 1.2 µm aus. Im Gegensatz zu den Schüttelversuchen konnte ich im Säulenexperiment keinen Einfluss der P-Sättigung auf die Auswaschung von kolloidalem P feststellen. Dies führe ich auf i) die fehlende P-Applikation im Säulenversuch im Vergleich zu den ersten beiden Schüttelversuchen zurück. Außerdem unterstützt ii) der Schüttelprozess die Mobilisierung von Kolloiden, was im Säulenversuch nicht der Fall ist. Mit steigender Komplexität der untersuchten Systeme steigt iii) der Einfluss anderer Faktoren die die Mobilisierung und Mobilität von Kolloiden beeinflussen und die P-induzierten Kolloidmobilisierung unter Umständen überdecken. Neben der P-Sorption beeinflussen beispielsweise der pH Wert oder der Gehalt an organischer Substanz die Oberflächenladung von Oxiden und Hydroxiden. Außerdem kommen in den natürlicheren Systemen vielfältigere Sorbenten mit verschiedenen Sorptionskapazitäten vor, die alle unterschiedlich auf den dispergierenden Einfluss von P reagieren. Meine Ergebnisse aus den Schüttelversuchen mit den Modellsystemen und den verschiedenen Böden belegen eine P-induzierte Mobilisierung von Kolloiden. Dabei wirkt organisch gebundener P stärker dispergierend als ortho-P. Aufgrund des überlagern-den Einflusses anderer Faktoren führt die P-induzierte Mobilisierung von Kolloiden jedoch nicht zwangsläufig zu einer erhöhten Auswaschung von kolloidalem P. Aufbauend auf dem verbesserten Prozessverständnis und den Ergebnissen zu den Probenahmesystemen, die diese Arbeit lieferte, sollte in zukünftigen Untersuchungen die Umweltrelevanz der P-induzierten Kolloidmobilisierung mit Hilfe von geeigneten Probenahmesystemen auf der Feldskala ermittelt und möglichst quantifiziert werden.Subsurface losses of phosphorus (P) contribute to the translocation of P from terrestrial to aquatic ecosystems and may cause or enhance the eutrophication of surface waters. In addition to the dissolved fraction, P in seepage water may be mobile as colloidal P (Pcoll). Since the sorption of P to dispersible solids such as iron (Fe) and aluminum (Al) oxides and hydroxides changes their surface charge, P itself may contribute to the mobilization and mobility of colloids. In this study I tested the hypotheses that 1) the sorption of P to goethite and to sandy soils disperses goethite and soil particles, 2) inositol hexaphosphate (IHP) is a more efficient dispersing agent than ortho-phosphate (ortho-P), 3) an increasing P saturation of sandy soils increases the release of Pcoll under batch conditions and 4) an accumulation of P in soils increases the leaching of Pcoll under field conditions. To test 1) and 2) I conducted two batch experiments, in which I added increasing concentrations of IHP and ortho-P to model systems consisting of quartz sand synthetically coated with goethite and to natural subsoils. In another batch experiment I investigated the colloid mobilization of a set of soil samples with a wide range of P saturation, but without any addition of P (3). Further, I tested hypothesis 4 with a column experiment using undisturbed soils of different P saturations. In all experiments I measured dissolved P (Pdiss) and Pcoll concentrations as well as colloid-characterizing parameters such as zeta potential and optical density. To evaluate the best-suited colloid sampling system for the column experiment of hypothesis 4, I compared different sampling systems in a column experiment using colloidal 59Fe-goethite. The addition of P caused the mobilization of colloids in the first two batch experiments. Larger equilibrium concentrations of Pdiss were necessary to induce colloid dispersion in the batch experiment with natural subsoils (0.07-2.22 mg Pdiss l-1) than in the experiment with coated quartz sand (0.01-0.03 mg Pdiss l-1). In both experiments the critical P saturation, above which colloids were mobilized, corresponded to a zeta potential of colloids of about -20 mV. The sorption of IHP reduced the zeta potential of colloids more effectively and caused the release of larger colloid concentrations than ortho-P. In the batch experiment without any addition of P, Pcoll concentrations in supernatants increased with increasing P saturation because additional colloids were released and because the P content of the colloids increased. The test of different lysimeter systems showed that after an application of 10 mg colloids per liter to different lysimeter systems, zero-tension and 10 mm membrane lysimeters collected the largest amount of applied 59Fe (9.1% and 6.8%) and wick lysimeters the smallest amount of applied 59Fe in the outflow (0.7%), which was related to a trapping of colloids in the wick. In contrast to the results of batch experiments, the leaching of Pcoll in the column experiment was not significantly affected by the P saturation of soils. Colloidal P concentrations ranged from 0.01 to 0.31 mg P l-1 and contributed between 1 and 37% to the leaching of total P < 1.2 µm. The lack of an enhancing effect of P accumulation on Pcoll mobility in the column experiment I ascribe to i) a missing application of P in the column experiment compared to the first two batch experiments. Furthermore ii) physical disturbance, which probably enhanced colloid mobilization in all batch experiments, was lacking in the column experiment and iii) factors such as water content or pH additionally affected colloid transport and deposition thereby superimposing the colloid mobilizing effect of P accumulation in soils. An increasing complexity and similarity of experimental approaches to reality generally tended to obliterate the originally strong effect of P sorption on the mobilization of colloids in simple systems. In addition to soil physical or hydraulical constraints, pH and soil organic matter affect the surface charge and aggregation of oxides and hydroxides thereby masking P effects. Furthermore the increasing diversity of P sorbents from model systems to real soils blurs colloid mobilization by P sorption. My results of batch experiments with model systems and various soils point to a colloid-mobilizing effect of P accumulation in sandy soils. Organically-bound P, contained in manure, likely has a stronger dispersing effect than inorganic P. However, due to the superimposing effects of other factors controlling the mobility of colloids, a P-induced mobilization of colloids does not necessarily result in an increased leaching of Pcoll. Based on the improved process understanding and the presented findings concerning colloid sampling systems, future research should clarify and quantify the environmental relevance of P-induced colloid mobilization on the field scale using the best-suited colloid sampling system