Determination of field-based sorption isotherms for Cd, Cu, Pb and Zn in Dutch soils

Abstract

In het laboratorium verkregen sorptie-isothermen voor zware metalen in de bodem, onderschatten meestal de waargenomen totale metaalgehalten in het veld. Daarom zijn isothermen gebaseerd op in-situ data nodig. Het doel van dit onderzoek is sorptie-isothermen voor Cd, Cu, Pb en Zn te verkrijgen als invoer voor het zware metalen accumulatiemodel SOACAS. Twee typen sorptie-isothermen zijn afgeleid van velddatasets in dit onderzoek: het Freundlich type met een vaste fase fractie, afgeleid met Stapsgewijze Lineaire Regressie (LR) en een model met twee vaste fase metaalfracties, een reactieve fractie en een inerte fractie, afgeleid met Niet Lineaire Kleinste Kwadraten Regressie (NLSSR). Uit de resultaten van de LR en de NLLSR fits blijkt dat de verklaarde variantie voor de Zn modellen meestal het hoogste is, gevolgd door de Cd modellen. De verklaarde variantie van de Cu en Pb modellen is lager. De performance van de LR en de NLLSR modellen is vergelijkbaar. De NLLSR fits van de 2-fase isothermen bevatten bijna nooit een statistisch significante inerte metaalfractie. Dit betekent dat een 2-fase model, in de meeste gevallen, niet van deze dataset afgeleid kan worden. De LR modellen afgeleid van velddata (dit onderzoek) voorspellen de waargenomen totale metaalgehalten in het veld beter dan de isothermen afgeleid van laboratoriumdata. De uitbreiding van de velddataset en kwaliteitsverbetering van de dataset wordt aanbevolen voor toekomstig onderzoek.<br>

Sorption isotherms for metals in soil obtained in the laboratory generally underpredict the observed metal content in the solid phase in the field. Isotherms based on in-situ data are therefore required. The aim of this study is to obtain field-based sorption isotherms for Cd, Cu, Pb and Zn as input for the heavy-metal accumulation model SOACAS. Two types of sorption isotherms were fitted using field data sets in this research: the Freundlich type, with one solid-phase fraction was fitted by Stepwise Linear Regression (LR), and a model with two solid phase mass fractions, a reactive fraction and a non-reactive fraction, was fitted with Nonlinear Least Squares Regression (NLSSR). From the results of the LR and the NLLSR fits of the Hoop-Janssen data set, the generally explained variance for the Zn models is shown to be the highest, followed by the Cd models. The explained variance of the Cu and Pb models is lower. The performance of the LR models and the NLLSR models is comparable. The NLLSR fits of the 2-phase isotherms of the Hoop-Janssen data set almost never include a statistically significant inert metal fraction. This implies that a 2-phase model can, in most cases, not be derived from this data set. The LR models derived from field data (this research) predicts the observed metal content in the solid phase in the field best compared with isotherms derived from batch data. The extension of the field partition data set and quality improvement is recommended for future research.<br>