Modellering af optagelse af organiske stoffer i grøntsager og frugt

6 Udvælgelse af modeller og scenarier

6.1 Planteoptagsmodeller
6.1.1 Udvælgelsesproces for planteoptagsmodeller
6.2 Stoffernes bevægelse i jordsystemet
6.2.1 Beregning af koncentrationen i de tre faser
6.2.2 Transport i jorden
6.2.3 Fordampning og koncentration i luften
6.3 Udvælgelse af afgrøder
6.4 Udvælgelse af jorde
   

Beregninger af optagelsen af miljøfremmede stoffer i planter, der dyrkes på arealer med forurenet jord, hvor der er lagt et lag ren jord ovenpå, baseres på følgende elementer: en model for optagelse, transport og omsætning af stoffer i planter, en model for stoffernes transport (inklusiv tilgængelighed) i jorden samt beskrivelser af de afgrøder og jorde, der skal anvendes til vurderingen.

6.1 Planteoptagsmodeller

De kriterier, det er fundet væsentligt at inddrage i udvælgelsesprocessen af modellerne, omfatter både praktiske forhold og modellernes pålidelighed. Kriterierne omfatter:
Tilgængelighed. Hvor nemt det er at få fat i modellen
Databehov. Hvor omfattende modellens databehov er
Publiceret. Hvorvidt modellen er publiceret
I brug. Hvorvidt modellen er i brug
Testet og valideret. Hvorvidt modellen er testet og valideret (med positivt resultat)
Programmeret. Hvorvidt modellen er programmeret og med hvilket programmel
Anvendelig. Hvorvidt modellen er anvendelig for de pågældende kemiske forbindelser.

6.1.1 Udvælgelsesproces for planteoptagsmodeller

Tabel 6.1 viser resultatet af anvendelsen af udvælgelseskriterierne på de tidligere omtalte planteoptagsmodeller. De kriterier, der ikke er opfyldt, er kursiverede.

Nogle af modellerne kan ikke opfylde kriterierne, fordi de kræver for mange data, ikke er testet positive, ikke er i brug, eller ikke er publicerede. Følgende modeller "bestod":
Travis & Arms
TGD-rod (dog kun for de mere vandopløselige stoffer)
TGD-blad (dog kun for de mere vandopløselige stoffer. For de fedtopløselige stoffer bør jordstænk medtages)
Gulerodsmodellen
Briggs’ regressionsligning for rødder (dog kun for de mere vandopløselige stoffer)

Kartoffelmodellen "dumpede", bl.a. fordi den endnu ikke er publiceret. Modellen bør imidlertid undersøges nærmere, da den som den eneste model kan beskrive optaget af fedtopløselige stoffer i kartofler og lignende afgrøder. Kapitel 5 viste endvidere, at modellen er velegnet til beskrivelse af optaget af fedtopløselige stoffer i ’underjordiske’ afgrøder.

Frugttræsmodellen "dumpede" ligeledes, fordi den endnu ikke er publiceret. Denne model bør også undersøges nærmere, da den som den eneste model kan beskrive optaget af stoffer i frugter. Kapitel 5 viste endvidere, at modellen synes at give acceptable beregninger af frugtoptaget.

Blandt de nævnte modeller er Briggs’ regressionsligning og TGD-rod de mest udbredte, både hvad angår anvendelse og validering. Briggs’ regressionsligning for rødder og ligevægtsfordelingskonstanten i TGD-rod er stort set identiske med den forskel, at TGD-rod giver mulighed for plantespecifik udvælgelse af inputparametrene. Briggs’ regressionsligning og TGD-rod er dog kun velegnede for de mere vandopløselige stoffer. For de fedtopløselige stoffer holder forudsætningen om ligevægt ikke altid.

Beregningen for skud er forskellig, hvor TGD-blad har den fordel, at den kan medtage udveksling med luften. Vi har derfor valgt at gå videre med TGD-blad. Men da der er rapporteret en svaghed ved modellen for de fedtopløselige stoffer, inkluderes modellen for fastsiddende jordpartikler (jordstænk) i TGD-blad.

Tabel 6.1
Udvælgelse af modeller

Model

Kriterie

Tilgænge- lighed

Data- behov

Publi- ceret

I brug

Testet og valideret

Program

Anvendelig

Travis & Arms

ja

lavt

ja

ja

ja

regneark

ja

TGD-blad

ja

moderat

ja

ja

ja

regneark

ja for vand- opløselige stoffer. For hydrofobe stoffer bør jordstænk tages med

TGD-rod

Ja

lavt

ja

ja

ja

regneark

ja for de vand- opløselige stoffer. For hydrofobe er der ikke ligevægt, hvorfor modellen ikke dur

Gulerods- model

ja

lavt

ja

nej

ja

regneark

ja

Kartoffel- model

ja

lavt

nej

nej

nej (dog delvis i nær- værende arbejde)

Fortran 77 og regneark (visual basic)

ja, dog ikke nødvendig; til de vandopløselige stoffer kan man også bruge gulerods- modellen

SAP- transport- model

ja

moderat

ja

nej

nej

regneark

ja

Frugttræs- model

ja

lavt

nej

nej

nej (dog delvis i dette projekt)

regneark

ja

Briggs rødder

ja

lavt

ja

ja

ja

regneark

ja

Briggs skud

ja

lavt

ja

ja

nej

regneark

ja

SNAPS

ja

meget højt

ja

nej

ja

Fortran 77

ja

UTAB

(ja)

meget højt

ja

nej

(ja)

Fortran 77

ja

PlantX

ja

højt

ja

nej

ja

Fortran 77

ja

Mackay- model

ja

højt

ja

ja

ja

Basic

ja

6.2 Stoffernes bevægelse i jordsystemet

Modellering af stoffernes bevægelser i jorden omfatter fordelingen i jordens tre faser, herunder tilgængeligheden af stofferne, beskrivelse af de jorde, der indgår, samt modeller for transport af stofferne.

6.2.1 Beregning af koncentrationen i de tre faser

Som udgangspunkt anvendes stoffernes jord-vand fordelingskoefficient (KD) og luft-vand fordelingskoefficient (KAW) til beregning af fordelingen af stofferne i jordens tre faser: vand, luft og den faste matrice (ligningerne 4-7).

Der foretages kun beregninger med KD-værdier, som beregnes ud fra deres log KOW eller ud fra frisk-spiket jord. Til vurdering af ældningens betydning antages biotilgængeligheden at være 50% lavere end for spiket jord, hvorved BCF vil være en faktor 2 lavere i forurenede jorde end i nyspikede jorde.

6.2.2 Transport i jorden

De fundamentale ligninger til beskrivelse af transporten i jorden er baseret på en kombination af diffusiv og advektiv transport, og der er med dette projekts formål ingen grund til at finjustere på dem (f.eks. ved at inkorporere variationer i regnvand, temperatur m.v.). Da Jury-modellen er en analytisk løsning til differentialligningen med de rigtige grænsebetingelser, anvendes denne til beskrivelse af transporten i og fordampningen fra jorden.

6.2.3 Fordampning og koncentration i luften

I de tilfælde, hvor jorden er dækket med et lag ren jord, beregnes den gennemsnitlige koncentration i rodzonen ved Jury-modellen og denne koncentration benyttes til beregning af planteoptaget.

Til beregning af fordampningshastigheden anvendes Jury-modellen. Opblandingshøjden sættes til afgrødens højde, dvs. der antages en meget hurtig fortynding i luften over afgrøden. Herved anvendes en større opblandingshøjde end den højde, der oprindelig er anvendt i Jury-modellen, men det formodes at være en rimelig antagelse, da luften mellem afgrødens blade forventes at være ret stillestående.

Gennemsnitskoncentrationen i luftlaget beregnes efter principperne i Jagg-modellen, dvs. den beregnes efter ligning 13, dog udskiftes opblandingshøjden Z med afgrødens højde. Standardværdien fra Jagg-modellen for længden på det udendørs forurenede område på 100 m samt for vindhastigheden (0,1 m/s) anvendes. Den beregnede, gennemsnitlige luftkoncentration indgår i beregningen af planteoptaget gennem bladene.

6.3 Udvælgelse af afgrøder

Til udvælgelse af modeller til beskrivelse af transporten af organiske stoffer er det som udgangspunkt relevant at betragte de afgrøder, der skal modelleres. Ved udvælgelse af afgrøderne er følgende taget i betragtning:
de forskellige eksponeringsveje for optag i afgrøde skal være dækket ind
de afgrøder, som enten indtages i store mængder eller som er velegnede som modelafgrøder for en række andre lignende afgrøder, er relevante. Blandt mulige kandidater inden for samme afgrødetype, vælges den afgrøde, som forventes at optage de relativt største mængder af stofferne.

De relevante eksponeringsveje for forskellige afgrøder er vist i tabel 2.1.

Tabel 6.2 viser konsum af de grøntsager, frugter og bær, der indgik i kostmodelberegningerne i det eksperimentelle projekt til undersøgelse af optagelse af PAH’er og metaller i afgrøder (Samsøe-Petersen et al. 2000). Den væsentligste grøntsag er kartoffel med en andel på 58% af forbruget, efterfulgt af træfrugter (æble/pære) og andre rodfrugter som f.eks. gulerod, selleri og radise. De øvrige afgrøder, inkl. bønne, salat, kål og spinat, udgør tilsammen omkring 5%.

Tabel 6.2
Konsum af udvalgte grøntsager, frugter og bær i Danmark (Samsøe-Petersen et al. 2000)

Type

Art

Konsum g/dag

Konsum %

Salat

Salat, grønkål, kinakål, spinat

7

3,2

Bønne

Bønne

2

0,92

Kartoffel

Kartoffel

126

58

Rodfrugter

Gulerod, selleri, radise

27

13

Træfrugter

Æble, pære, blomme, kirsebær, hyldebær

52

24

Bær

Ribs, solbær, hindbær, stikkelsbær

1-2

0,46-0,92

Nødder

Hasselnød

< 1

< 0,2


Tabel 6.3 viser de afgrøder, det på denne baggrund blev besluttet at anvende som modelafgrøder. Karakterisering af disse afgrøder er vist i bilag I.

Tabel 6.3.
Udvalgte grøntsager

Afgrøde

Bemærkninger

Eksponeringsveje

Gulerod

Repræsentant for rodfrugter, har et forholdsvis højt lipidindhold

Diffusivt optag fra jorden

Optag via jordvand

Grønkål

Repræsentant for bladafgrøder med lang vækstsæson. Grønkål har en lang vækstsæson (overvintrer ofte), et relativt højt lipidindhold og høj eksponering for jordpartikler.

Optag fra luften

Optag fra jordstænk på bladene

Salat

Repræsentant for bladafgrøder med kort vækstsæson. Vokser tæt på jorden, så der forventes høj eksponering via jordpartikler og stoffer i luften.

Optag fra luften

Optag fra jordstænk på bladene

Frugttræ (nødder, æbler)

Nødder er valgt, da de har et højt tørstofindhold. Æbler er relevante, da de dyrkes og spises meget i Danmark.

Stofferne forventes primært transporteret via sivæv

Kartoffel

Spises i store mængder i Danmark. Kartoflen er endvidere en god modelgrøntsag for studier af betydningen af den diffusive transport fra jorden direkte ind i knolden, da alle andre eksponeringsveje forventes at være uden betydning.

Diffusivt optag fra jorden

Jordbær

Spises meget om sommeren. Da frugterne endvidere vokser tæt på jorden, forventes et relativt højt optag via jordstænk.

Optag fra luften

Optag via jordpartikler på frugterne

6.4 Udvælgelse af jorde

Der udføres beregninger for to jorde: En jord med almindeligt og en jord med lavt indhold af organisk kulstof. Der gennemføres primært beregninger for jorden med det almindelige indhold af organisk kulstof. Tabel 6.4 viser karakteriseringen af de to jorde, som er hentet fra Jagg-modellen.

Tabel 6.4
Jordparametre

Jorde

fOC (kg/kg)

VV
(L/L)

VL
(L/L)

d’
(kg tør jord/L)

Jord 1

0,02

0,35

0,1

1,6

Jord 2

0,001

0,15

0,3

1,7