Typhalter av tungmetaller i avrinning från skogsmark
Olle Westling, John Munthe, Johan Knulst och Eva Uggla 2005-01-3110
Inledning
Ackumulering av tungmetaller i skogsmark är ett välkänt miljöproblem som studerats med avseende på såväl effekter i skogsmark som risker för utlakning till ytvatten. De flesta metaller binds mycket hårt till organiskt material i markens humusskikt och risker för utlakning är därmed kopplade till
nedbrytning av det organiska materialet. För Zn och i viss mån Cd ökar lösligheten med sjunkande pH varför en viss påverkan från försurningstillståndet i marken kan förväntas. I allmänhet kan dock konstateras att kunskapen om styrande mekanismer, och därmed vår förmåga att beräkna och förutsäga utlakning av tungmetaller från skogsmark, är dåligt kända.
Ett flertal forskningsprojekt och kunskapssammanställningar om metallers rörlighet i skogsmark och läckage från avrinningsområden till ytvatten har genomförts i Sverige under de senaste årtiondena (Tyler m. fl, 1983; Gran & Rosén 1983.; Bergkvist, 1986; Bergkvist, 1986; Ledin m. fl, 1989; Borg m.
fl, 1989; Westling & Larsson 1991; Johansson m. fl, 1995; Landner & Lindeström, 1998a; Landner &
Lindeström, 1998b; Bergbäck & Lindeström, 1998) Tungmetaller ingår också i vissa
övervakningsprogram inom lokal, regional och nationell miljöövervakning och program för kontroll av vattenkvalitet.
I denna studie har vi sammanställt tillgängliga data med syfte att ta fram typvärden för metallhalter i avrinning från skogsmark. Skälet till att inte tidigare sammanställningar av uppmätta data använts direkt är att både atmosfärisk deposition av tungmetaller samt försurningsbelastning minskat markant under de senaste 10 åren, visat bland annat av återkommande inventeringar av tungmetaller i mossa.
Detta påverkar utlakningen till ytvatten, även om en viktig faktorn är upplagrad mängd i markens ytliga skikt. Tungmetaller, liksom andra ämnen, tillförs huvudsakligen ytvattnet på tre sätt:
•
Via grundvatten som normalt passerat relativt djupa markskikt och har måttlig flödesvariation, så kallat basflöde, normalt med låga halter av tungmetaller om inte höga halter finns i lätt vittrade mineral.•
Via ytliga vattenrörelser som förekommer mer episodvis och som transporterar olika ämnen från främst humusskiktet till ytvatten. Höga halter av tungmetaller i humus kan då ge ett väsentligt bidrag till ytvattnets halter, men flertalet metaller är i regel bundna till organiska partiklar.•
Via direktdeposition på vattenytor och mättade utströmningsområden. Mättadeutströmningsområden utgör i medeltal en liten andel av avrinningsområden med skog på huvudsakligen fastmark, men de våta områdena kan tillfälligt växa under perioder med kraftiga regn eller i samband med snösmältning och vårflod. Vid dessa tillfällen är kontakten mellan nederbörd och mark liten och den normalt kraftiga retentionen kan sättas ur spel.
Två ansatser till möjlig metod att kartlägga och kvantifiera utlakningen av tungmetaller från skogsmark bedömdes:
1. Att med hjälp av data på halter av tungmetaller i djupare mineraljordsskikt, halter i humusskikt, halter i nederbörd samt beräkningar av sjöytor och mättade utströmningsområden kvantifiera de principiellt skilda flödena enligt punkterna ovan.
2. Att genom analys av i ytvatten uppmätta halter av tungmetaller beskriva regional variation som grund för empiriskt baserade typhalter.
Studerat dataunderlag
1. Resultat från Integrated Monitoring inom den nationella miljöövervakningen i tre bäckar, mellan
2. Resultat från Riksinventeringen av sjöar (nationell miljöövervakning), med halter i sjövatten Cu, Zn, Cd och Pb (en gång årligen) från åren 1995 och 2000. I denna studie användes ett urval av 516 relativt små sjöar som har >80 % skog i avrinningsområdet och som på det sättet kan anses spegla ett integrerat mått på skogsmarkens arealförluster av tungmetaller.
3. Flödesvägda årsmedelhalter för Cu, Zn, Cd och Pb i skogsbäckar från forskningsprojekt och miljöövervakning utförd av SLU och IVL, med varierande antal undersökta år.
4. Kvicksilverdata från olika forskningsprojekt utförda i Sverige.
5. Halter av tungmetaller (tot Hg, Cd och Pb) i humus och mineraljord på 328 punkter i skogsmark från undersökningar utförda av SLU. Dessutom finns metallhalter i C-horisonten (totalhalter, 40-80 cm) från Ståndortskarteringens punkter undersökta på 1940-80-talet (ca 2000 punkter).
Dessutom har möjligheterna att använda SGUs geokemiska karteringar bedömts:
3. Metallhalter i ”bäcktorv”, ca 20 000 punkter 1. Metallhalter i mineraljord, ca 25 000 punkter
Data på tungmetallhalter och arealförluster har även eftersökts på vattenvårdsförbundens hemsidor.
Publicerade data omfattade endast halter av metaller i vattenmossa. Dessa data bedömdes inte lämpligt att använda son underlag i denna studie.
Metoder och resultat
Relation till marktyp och karakteristik för avrinningsområdet
Ansatsen att beräkna utlakningen som en funktion av halter i mineraljord och humus, kombinerat med beräkningar av hydrologi och direktdeposition på sjöytor och mättade utströmningsområden var svårframkomlig med nuvarande dataunderlag. Ett försök att beräkna halter av tungmetall i bäck- och sjövatten till specifika egenskaper i avrinningsområdet med hjälp av den så kallade ASTA databasen som innehåller data om markkemi, marktyp och markanvändning för hela riket uppdelat i 5x5 km rutor.
En översiktlig analys visade dock att inga i detta sammanhang användbara samband gick att finna med nuvarande parametrar som finns i databasen. Detta beror sannolikt delvis på att databasens upplösning inte är tillräcklig för att i tillräcklig detalj beskriva avrinningsområden och deras egenskaper, eller på att tillräckligt detaljerade data på vattenkemi och vattenföring saknas.
En komplettering med SGUs data på geokemi i mineraljord bedömdes inte vara möjlig att genomföra i detta skede. Inventeringen i Sverige är inte heltäckande ännu och halterna av tungmetaller måste sannolikt kompletteras med andra bedömningar av mineralogi och vittringshastighet där
tungmetallernas vittringsbenägenhet är bristfälligt kända. Tillgången på data på halter av tungmetaller i humus och ytliga mineraljordsskikt är mycket få (data på Cu och Zn saknas helt) i relation till SGUs nät av mätningar i mineraljord, vilket avsevärt försvårar beräkningarna. Dessutom är för närvarande tillgängliga data på hydrologi inte tillräckligt omfattande för att bedöma fördelningen mellan tillförsel till ytvatten från olika markskikt och utströmningsområden.
En annan svårighet är att tillgången på data på halter av tungmetaller i avrinning från skogsmark inte är tillräcklig för att kalibrera, jämföra och validera beräkningar av ovanstående typ. Data på halter i vattenmossa och SGUs ”bäcktorvundersökningar” finns från många punkter i landet (dock ej heltäckande), men indikerar förekomsten av metaller som är biologiskt tillgängliga och inte totala halter som är nödvändiga i detta fall (Markus Meili pers. medd.).
Geografisk variation, interpolering av data och empiriska typhalter
Ansatsen att formulera regionalt anpassade och empiriska typhalter bedömdes med hjälp av tillgängliga data på halter av tungmetaller i ytvatten. Det enda datamaterial som är tillräckligt stort för att användas för att ge en uppfattning om geografiska skillnader i ytvatten är tungmetallhalter i sjövatten från den nordiska sjöinventeringen 1995. Data finns även för 2000 men detta år betraktas som icke
representativt då nederbördsmängderna var mycket stora och många områden drabbades av
översvämningar (Anders Wilander pers. medd.). Figur 1 visar samtliga data på halter av Cu, Zn, Cd och Pb i sjöarna 1995. Flera försök gjordes också att bearbeta detta datamaterial med en
interpoleringsteknik för att få en yttäckande kartering av typhalter. Resultaten var dock inte
tillfredsställande och inga tydliga geografiska trender kunde urskiljas, med undantag för vissa grova regional skillnader inom landet. På en finare skala var den avståndsberoende variationen inte så att den tillät en statistiskt sund interpolering. Sannolikt är metallhalterna framför allt beroende av
platsspecifika förhållanden vilket kan ge stora variationer mellan närliggande provpunkter.
Halterna i sjövatten kan jämföras med de fåtaliga skogsbäckar där tungmetaller analyseras. Tabell 1 visar genomsnittliga värden och spridningsmått från skogsbäckar uppdelat på Götaland, Svealand och Norrland.
Figur 1. Uppmätta halter av tungmetaller i sjöar 1995 (sommarvärden) inom Riksinventeringen av sjöar (data från SLU).
Tabell 1. Uppmätta volymvägda årsmedelhalter av tungmetaller från 14 skogsbäckar uppdelat på olika delar av landet under perioden 1992 till 1999. Data från SLU.
Region Cu µg/l Zn µg/l Cd µg/l Pb µg/l
25 perc 0.343 7.680 0.031 0.560
Götaland n=5
75 perc 0.814 11.500 0.052 0.795
medel 0.884 5.727 0.034 0.507
Stdv 1.579 2.495 0.030 0.301
min 0.207 0.976 0.005 0.082
max 5.630 9.730 0.097 0.899
median 0.432 5.740 0.024 0.413
25 perc 0.391 4.930 0.019 0.291
Svealand n=3
75 perc 0.474 6.860 0.036 0.780
medel 0.349 1.750 0.007 0.092
Stdv 0.081 0.982 0.003 0.080
min 0.247 0.682 0.003 0.021
max 0.639 4.450 0.014 0.288
median 0.324 1.320 0.005 0.055
25 perc 0.305 1.080 0.005 0.043
Norrland n=6
75 perc 0.393 2.160 0.008 0.106
För kvicksilver är mängden tillgängliga data mindre än för övriga tungmetaller (se tabell 2). Mätningar har framför allt utförts inom olika forskningsprojekt och därmed utan samordning avseende
tidsperioder eller geografiskt område.
Tabell 2. Genomsnittliga halter i vatten av totalkvicksilver i skogsbäckar.
Avrinningsområde Tidsperiod Medelhalt
ng/L Referens
Gårdsjön 1994-1999 4.35 Munthe & Hultber, 2004
Ringamåla St Krokgylet 1986-1987 6.5 Iverfeldt & Johansson, 1988 Ringamåla L Krokgylet 1986-1987 6.2 Iverfeldt & Johansson, 1988 Ringamåla L Trehörnagylet 1986-1987 5 Iverfeldt & Johansson, 1988 Ullared Amås 1 1986-1987 5.9 Iverfeldt & Johansson, 1988 Ullared Amås 2 1986-1987 4.8 Iverfeldt & Johansson, 1988
Boaberg 1986-1987 2 Iverfeldt & Johansson, 1988
Tiveden 1986-1987 3.5 Iverfeldt & Johansson, 1988
Hagfors Östra Dybäcken 1986-1987 3.5 Parkman & Munthe, 1998 Hagfors Västra Dybäcken 1986-1987 4.4 Parkman & Munthe, 1998
Kullarna 1986-1987 5.9 Parkman & Munthe, 1998
Svartberget 1993-2000 4.82 Lee m.fl., 1998
Sandnäset 1986-1987 1.6 Iverfeldt & Johansson, 1988
Reivo 1986-1987 1.4 Iverfeldt & Johansson, 1988
Ammarnäs 1986-1987 1.0 Iverfeldt & Johansson, 1988
Årsmedelvärde för kvicksilver i avrinningsvatten från små avrinningsområden varierar inom ett ganska snävt intervall över hela landet med undantag för Norrland där lägre halter uppmätts. Det bör
poängteras att endast halter av totalkvicksilver tagits med i denna sammanställning. För
metylkvicksilver som är den toxiska och bioackumulerbara fraktionen finns endast data från två till tre områden i Sverige.
Sammanfattande slutsatser och förslag till typhalter
Det enda datamaterialet på halter i ytvatten, som kan spegla avrinning från skogsmark, med någon täckning i landet är uppmätta halter i skogssjöar. Halter i rinnande vatten finns endast från ett fåtal lokaler och kan inte ligga till grund för en regional uppdelning. Det är för närvarande inte möjligt att särskilja den antropogena andelen av utlakningen av tungmetaller från skogsmark, där utlakningen baseras på typhalter i sjöar. Ansatsen att beräkna utlakningen av tungmetaller som funktion av markegenskaper och hydrologi öppnar vissa möjligheter att indikera den antropogena delen, men metoderna för en sådan beräkning kräver en betydande utvecklingsinsats.
SGUs data har hög upplösning men kopplingen till ytvatten är oklar. Eventuellt kan kombinationen av generell vittringshastighet och halter av tungmetaller i mineralet ligga till grund för en regional upplösning av utlakning. Det konceptet kräver dock ingående studier och data på vittring från SGUs punkter håller på att beräknas, men finns inte tillgängliga nu. Det kan dock vara en utveckling i framtiden, men det finns en risk att det inte är en framkomlig väg.
SGUs ”bäcktorvdata” (halter i växtrötter i bäckar) speglar biologiskt tillgängliga halter i ytvatten med oklar koppling till totala halter som behövs för beräkningar av utlakning
Halterna av tungmetaller i sjövatten i Sverige har en variation som inte lätt kan interpoleras till en yttäckande beskrivning av typiska halter i olika delar av landet. De representerar dock ett integrerat mått på variationen i avrinning från skogsmark. Bedömningen är att den enda möjliga vägen på kort sikt är att skapa typhalter (årsmedelvärden) för några regioner i landet. Typhalterna baseras på uppmätta data som subjektivt avgränsats till fyra regioner med vissa olikheter i halter (figur 2). Ett problem med indelningen kan vara att det blir betydande ”kanteffekter” mellan framför allt område 3 och 4. Den största risken för systematiskt fel är sannolikt att sjöhalterna underskattar halterna i avrinning från skogsmark något på grund av retention i sjöarna. Detta kan i viss mån uppvägas av att sjöarna tar emot direktdeposition som har högre halter än avrinning. Tillgängliga data från rinnande vatten finns främst från område 2 där något högre volymvägda halter än i sjöarna indikeras, i synnerhet för zink. (se tabell 1). I övrigt är de genomsnittliga halterna likartade de i sjöar från de fåtaliga
mätningarna i bäckvatten.
Figur 2. Föreslagna typhalter (årsmedelvärden) för fyra subjektivt valda regioner i Sverige.
För kvicksilver är dataunderlaget mycket begränsat och typhalter föreslås för endast för 2 separate regioner; område 1,2 och 3 förutom Norrbotten 4.74 ng/L, och område 4 + Norrbotten 1.33 ng/L.
Förslag till förbättring av underlagsmaterialet
Denna studie visar att befintligt datamaterial endast kan användas för en grov indelning av typhalter för olika regioner i landet. För en mer högupplöst beräkning av utlakning av tungmetaller från skogsmark baserat på den första ansatsen bör följande faktorer undersökas:
• Hydrologisk klassning av avrinningsområden (relation mellan fastmark och mättade utströmningsområden) samt flödesberoende metallhalter i avrinning från skogsmark.
• Utlakning från olika marktyper och markskikt i relation till tungmetallhalter och mineralogi.
• Kopplingar mellan metallutlakning och halter av tungmetaller i organiska markskikt samt förekomsten av löst organiskt material (DOC) i ytvatten.
Ovanstående utvecklingsbehov är inte unikt för att förbättra beräkningarna av utlakning av tungmetaller från skogsmark, utan är giltigt för utbytet mellan mark och vatten för flertalet ämnen.
Referenser
Bergbäck, B.. & Lindeström, L. 1998. Bly i samhället och miljö. Del I och II. Kemikalieinspektionen PM 8/98.
Bergkvist, B. 1986. Metal fluxes in spruce and beech forests ecosystems of South Sweden.
Doktorsavhandling Lunds Universitet.
Borg, H., Andersson, P. & Johansson K. 1989. Influence of acidification on metal fluxes in Swedish forest lakes. Sci. Total Environ., 87/88 241-253.
Gran, O. & Rosén, K. 1983. Deposition och transport av metaller i några sura avrinningsområden i sydvästra mellersta och norra Sverige. Naturvårdsverket PM 1686-1687.
Johansson, K., Andersson, A. & Andersson, T. 1995. Regional accumulation pattern of heavy metals in lake sediments and forest soils in Sweden.
Iverfeldt, Å. och Johansson. K. Mercury in run-off from small watersheds. Verh. Internat. Verein.
LImnol. 23, 1626-1632.
Landner, L. & Lindeström, L. 1998a. Koppar i samhälle och miljö. En faktaredovisning av flöden, mängder och effekter i Sverige. Miljöforskargruppen Fryksta, 288 sid.
Landner, L. & Lindeström, L. 1998. Zink i samhälle och miljö. En faktaredovisning av flöden, mängder och effekter i Sverige. Miljöforskargruppen Fryksta, 160 sid.
Ledin, A., Pettersson, C., Allard, B. & Aastrup, M. 1989. Background concentration ranges of heavy metals in Swedish groundwaters from crystalline rocks: a review. Water, Air and Soil Pollution, 47: 419-426.
Lee, Y.-H., Bishop, K.H., Munthe, J. Iverfeldt, Å., Verta, M., Parkman, H. and Hultberg, H. An examination of current Hg deposition and export in Fenno-Scandinavian Catchments.
Biogeochemistry 40, 125-135, 1998.
Munthe, J. and Hultberg, H. 2004. Mercury and methylmercury in runoff from a forested catchment -concentrations, fluxes and their response to manipulations. Water, Air,Soil Pollution Focus 4, 607-618,.
Parkman, H. and Munthe, J. 1998. Wood ash and dolomite treatment of catchment areas: Effects on mercury in run-off water. Scandinavian Journal of Forest Research Suppl 2, 33-42, 1998.
Tyler, G., Bergkvist, B. Ruhling, Å & Wiman, B. 1983. Metaller i skogsmark – deposition och omsättning. Naturvårdsverket PM 1692.
Westling, O. & Larsson, P-E. 1991. Miljöpåverkan från metallemitterande industri. IVL Rapport B 1028.