Kalium 40 im Boden – Messwerte von Ackerböden, Migration und Karte von Deutschland

Wegen der relativ hohen Kaliumgehalte der Böden, gehört das K-40 in vielen Gebieten von Deutschland zu den bedeutendsten terrestrischen primordialen Nukliden. Flächendeckende Messungen der Aktivität in Böden Deutschlands liegen nicht vor. Da das Isotop zu 0,0119% im natürlichen Kalium vorkommt, kann die Kalium 40 Aktivität von Boden über das Kaliumvorkommen angegeben werden. Die EU hat im Rahmen des Radioactivtiy Environmental Monitoring (REMon) mit dem „European Atlas of Natural Radiation“ auch Kalium in Europa kartiert.

Karten der Gehalte an Kalium 40 in Böden Deutschlands

In der Abbildung 1 ist die Kalium 40 Verteilung im Boden anhand des Kaliumoxid Vorkommens angegeben.

Übersichtskarte von Kalium 40 in Böden von Deutschland

Abb. 1: Übersicht der Verteilung von Kalium 40 anhand der K2O Gehalte im Oberboden von Deutschland. Quelle: remon.jrc.ec.europa.eu

Die höchsten Kalium 40 Gehalte kommen demnach in der Mitte von Deutschland vor. In Norddeutschland ist die Konzentration deutlich geringer. Dies wird auch aus der Detailkarte in Abbildung 2 deutlich.

Karte des Kalium 40 Vorkommen im Oberboden von Deutschland

Abb. 2: Bodenkarte der Kalium 40 Aktivität anhand der K2O Gehalte im Oberboden von Deutschland. Rasterzellen jeweils 10 × 10 km. Quelle: remon.jrc.ec.europa.eu

In den Nachbarländern Italien, Österreich und der Schweiz ist den Karten des European Atlas of Natural Radiation nach, von vergleichbaren K-40 Gehalten der Böden auszugehen.

K-40 Aktivität von Böden und Gesteinen

Aufgrund unterschiedlicher Boden- und Gesteinstypen variiert die Aktivität des Nuklids in Deutschland erheblich, wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist.

Tab. 1: Kalium-40 Aktivität von Böden und Gesteinsarten nach Kiefer und Koelzer 1992

Bodenart K-40 [Bq/kg]
Moorboden 100
Bleicherde 150
Rasenpodsolboden 300
Waldboden 400
Schwarzerde 400
Kastanienfarbener Boden 550
Grauerde 650
Graubrauner Boden 700
Gesteinsart
Kalkstein 90
Durit 150
Basalt 250
Sandstein 350
Diorit 700
Tonschiefer 700
Granit 1000

In Deutschland bestehen großräumige Unterschiede bezüglich der K40 Aktivität, die durch unterschiedliche Bodentypen verursacht sind. In Norddeutschland haben Böden geringere Aktivitäten als im mittleren Deutschland. Kalkstein enthält durchschnittlich nur 90 Bq K-40/kg, während Granit auf 1000 Bq K-40/kg kommt.

Ackerböden

Bayern

In der Tabelle 2 sind die spezifischen K-40 Aktivitäten von Ackerböden aus Bayern für die Landkreise angegeben. Die Messerte beziehen sich auf Kilogramm Trockenboden. Die Daten verdeutlichen die hohe Variabilität des Nuklids in den unterscuhten böden. Die Messwerte reichen von 65 Bq/kg TS bis 1.100 Bq/kg TS.

Tab. 2: Kalium 40 in Ackerböden aus Bayern. Quelle: Bayerisches Landesamt für Umwelt, www.lfu.bayern.de

Probenahme [Jahr] Herkunft Regierungsbezirk Herkunft Landkreis K-40 [Bq/kg] TS
2018 Oberbayern, Reg.-Bez. Neuburg-Schrobenhausen, Landkrs. 65
2016 Oberbayern, Reg.-Bez. Neuburg-Schrobenhausen, Landkrs. 66
2017 Oberbayern, Reg.-Bez. Neuburg-Schrobenhausen, Landkrs. 70
2017 Oberfranken, Reg.-Bez. Bayreuth, Landkrs. 92
2018 Oberfranken, Reg.-Bez. Bayreuth, Landkrs. 99
2016 Oberfranken, Reg.-Bez. Bayreuth, Landkrs. 140
2017 Oberpfalz, Reg.-Bez. Amberg-Sulzbach, Landkrs. 210
2017 Oberpfalz, Reg.-Bez. Schwandorf, Landkrs. 220
2016 Oberpfalz, Reg.-Bez. Amberg-Sulzbach, Landkrs. 220
2018 Oberfranken, Reg.-Bez. Hof, Landkrs. 230
2018 Oberpfalz, Reg.-Bez. Schwandorf, Landkrs. 230
2016 Niederbayern, Reg.-Bez. Dingolfing-Landau, Landkrs. 240
2017 Oberfranken, Reg.-Bez. Hof, Landkrs. 250
2016 Oberpfalz, Reg.-Bez. Schwandorf, Landkrs. 250
2017 Niederbayern, Reg.-Bez. Dingolfing-Landau, Landkrs. 280
2016 Oberfranken, Reg.-Bez. Hof, Landkrs. 280
2018 Niederbayern, Reg.-Bez. Kelheim, Landkrs. 290
2018 Niederbayern, Reg.-Bez. Dingolfing-Landau, Landkrs. 290
2018 Oberpfalz, Reg.-Bez. Amberg-Sulzbach, Landkrs. 300
2017 Oberbayern, Reg.-Bez. München, Landkrs. 310
2016 Niederbayern, Reg.-Bez. Kelheim, Landkrs. 310
2018 Oberbayern, Reg.-Bez. München, Landkrs. 320
2016 Oberbayern, Reg.-Bez. München, Landkrs. 320
2017 Niederbayern, Reg.-Bez. Kelheim, Landkrs. 330
2018 Niederbayern, Reg.-Bez. Deggendorf, Landkrs. 350
2017 Niederbayern, Reg.-Bez. Deggendorf, Landkrs. 350
2016 Niederbayern, Reg.-Bez. Deggendorf, Landkrs. 360
2018 Schwaben, Reg.-Bez. Unterallgäu, Landkrs. 370
2017 Schwaben, Reg.-Bez. Unterallgäu, Landkrs. 370
2018 Schwaben, Reg.-Bez. Aichach-Friedberg, Landkrs. 380
2016 Schwaben, Reg.-Bez. Unterallgäu, Landkrs. 390
2016 Schwaben, Reg.-Bez. Aichach-Friedberg, Landkrs. 410
2018 Unterfranken, Reg.-Bez. Miltenberg, Landkrs. 440
2017 Unterfranken, Reg.-Bez. Miltenberg, Landkrs. 450
2016 Schwaben, Reg.-Bez. Günzburg, Landkrs. 450
2016 Oberpfalz, Reg.-Bez. Regensburg, Landkrs. 450
2016 Unterfranken, Reg.-Bez. Miltenberg, Landkrs. 450
2018 Oberbayern, Reg.-Bez. Altötting, Landkrs. 460
2017 Oberbayern, Reg.-Bez. Altötting, Landkrs. 460
2017 Schwaben, Reg.-Bez. Aichach-Friedberg, Landkrs. 460
2016 Oberbayern, Reg.-Bez. Altötting, Landkrs. 460
2018 Oberpfalz, Reg.-Bez. Regensburg, Landkrs. 470
2017 Oberpfalz, Reg.-Bez. Regensburg, Landkrs. 470
2017 Schwaben, Reg.-Bez. Günzburg, Landkrs. 480
2018 Oberpfalz, Reg.-Bez. Tirschenreuth, Landkrs. 500
2016 Niederbayern, Reg.-Bez. Rottal-Inn, Landkrs. 510
2018 Schwaben, Reg.-Bez. Günzburg, Landkrs. 520
2016 Niederbayern, Reg.-Bez. Landshut, Landkrs. 520
2016 Niederbayern, Reg.-Bez. Straubing 530
2018 Niederbayern, Reg.-Bez. Landshut, Landkrs. 540
2017 Niederbayern, Reg.-Bez. Landshut, Landkrs. 540
2017 Niederbayern, Reg.-Bez. Rottal-Inn, Landkrs. 540
2018 Niederbayern, Reg.-Bez. Rottal-Inn, Landkrs. 550
2018 Schwaben, Reg.-Bez. Donau-Ries, Landkrs. 550
2018 Oberfranken, Reg.-Bez. Bamberg, Landkrs. 550
2016 Schwaben, Reg.-Bez. Donau-Ries, Landkrs. 550
2016 Oberfranken, Reg.-Bez. Bamberg, Landkrs. 550
2017 Schwaben, Reg.-Bez. Donau-Ries, Landkrs. 560
2017 Unterfranken, Reg.-Bez. Kitzingen, Landkrs. 560
2018 Niederbayern, Reg.-Bez. Straubing 570
2017 Oberfranken, Reg.-Bez. Bamberg, Landkrs. 570
2018 Unterfranken, Reg.-Bez. Kitzingen, Landkrs. 580
2017 Niederbayern, Reg.-Bez. Straubing 580
2017 Oberpfalz, Reg.-Bez. Tirschenreuth, Landkrs. 590
2016 Oberpfalz, Reg.-Bez. Tirschenreuth, Landkrs. 620
2016 Oberbayern, Reg.-Bez. Dachau, Landkrs. 630
2017 Oberfranken, Reg.-Bez. Kronach, Landkrs. 640
2016 Oberfranken, Reg.-Bez. Kronach, Landkrs. 640
2018 Oberbayern, Reg.-Bez. Dachau, Landkrs. 650
2017 Oberbayern, Reg.-Bez. Dachau, Landkrs. 660
2016 Unterfranken, Reg.-Bez. Kitzingen, Landkrs. 660
2016 Unterfranken, Reg.-Bez. Würzburg, Landkrs. 660
2018 Unterfranken, Reg.-Bez. Würzburg, Landkrs. 670
2017 Unterfranken, Reg.-Bez. Würzburg, Landkrs. 670
2018 Oberfranken, Reg.-Bez. Kronach, Landkrs. 680
2016 Mittelfranken, Reg.-Bez. Weißenburg-Gunzenhausen, Landkrs. 780
2016 Oberpfalz, Reg.-Bez. Schwandorf, Landkrs. 790
2018 Oberpfalz, Reg.-Bez. Schwandorf, Landkrs. 800
2018 Unterfranken, Reg.-Bez. Schweinfurt, Landkrs. 800
2017 Unterfranken, Reg.-Bez. Schweinfurt, Landkrs. 800
2017 Oberpfalz, Reg.-Bez. Schwandorf, Landkrs. 810
2018 Mittelfranken, Reg.-Bez. Weißenburg-Gunzenhausen, Landkrs. 830
2017 Mittelfranken, Reg.-Bez. Ansbach, Landkrs. 840
2017 Mittelfranken, Reg.-Bez. Weißenburg-Gunzenhausen, Landkrs. 850
2016 Unterfranken, Reg.-Bez. Schweinfurt, Landkrs. 850
2016 Mittelfranken, Reg.-Bez. Ansbach, Landkrs. 860
2018 Mittelfranken, Reg.-Bez. Ansbach, Landkrs. 870
2018 Unterfranken, Reg.-Bez. Bad Kissingen, Landkrs. 1.000
2017 Unterfranken, Reg.-Bez. Bad Kissingen, Landkrs. 1.100
2016 Unterfranken, Reg.-Bez. Bad Kissingen, Landkrs. 1.100

Dynamik – Tiefenverteilung und Migration in Bodenprofilen

Waldböden

Umweltanalysen hat in den letzten 3 Jahrzehnten Forschungsarbeiten zur Umweltradioaktivität in Waldökosystemen durchgeführt und dabei auch Bodenprofile analysiert. Die Abbildung 3 zeigt die Tiefenverteilung des K-40 Isotops in einem Bodenprofil aus einem Fichtenbestand in 2018. Die Bodenproben wurden volumenecht mit einem Bohrstock entnommen.

Tiefenverteilung der spezifischen Aktivität von Kalium-40 in einem Waldbodenprofil, Entnahme 2018

Abb. 3: Spezifische Aktivität von K 40 in einem Bodenprofil, Fichtenbestand 160-jährig, Bayerisch Eisenstein (Bayerischer Wald), Entnahme 09/2018. Aktivitätsangaben bezogen auf Trockengewicht.

Die Humusauflage beträgt 10 cm, es schließt sich ein humoser Ah an. Von der Bodentiefe 2 cm an nimmt die Aktivität in der Humusauflage bis zum Mineralboden in 10 cm Tiefe deutlich zu. In darunter liegenden Bodenschichten erfolgt ebenfalls eine Zunahme der Aktivität, allerdings nur noch in geringem Umfang, Messdaten sind in der Tabelle 4 angegeben.

Tabelle 4: Aktivität von Kalium-40 in einem Waldbodenprofil.

Tiefenstufe [cm] K-40 [Bq/kg]
0-2 109
2-4 71
4-6 191
6-8 307
8-10 452
10-12 549
12-14 561
14-16 565
16-18 579
18-20 587
20-22 595

Die geringste Aktivität ist mit 71 Bq K40/kg in der Bodenschicht 2-4 cm (Humusauflage). Ab einer Tiefe von 10 cm, also ab dem Beginn des Mineralbodens liegen alle gemessenen Aktivitäten über 500 Bq K40/kg.
Einen Anstieg der K-40 Aktivität mit zunehmender Bodentiefe ermittelten auch das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie und die Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt für Waldböden in Niedersachsen Link.

Untersuchungen in verschiedenen Waldökosystemen

Um die vertikale Verteilung von Kalium und Cäsium 137 in den Bodenprofilen vergleichen zu können wurde die K-40 Aktivität in 1992 entnommenen Profilen mitbestimmt. In der Abbildung 4 ist die mittlere K-40 Aktivitätskonzentration von 3 Profilserien in % pro cm Profiltiefe pro m2 Bodenfläche, bezogen auf die insgesamt in den Profilen enthaltene K-40 Aktivität, dargestellt. Zusätzlich sind auch Minimal- und Maximalwerte angegeben.
Im Gegensatz zum Cs-137 war die Aktivitätskonzentration von K-40 bei beiden Flächen in der Humusauflage am geringsten und nahm bis ca. 10 cm Bodentiefe deutlich zu. In den nachfolgenden Schichten variierte der K-40 Gehalt nur noch wenig.

Tiefenverteilung von Kalium 40 in Waldböden von Dauerprobeflächen in Bayern und Niedersachsen

Abb. 4: Verteilung von Kalium-40 in Waldböden, Mittel-, Minimal- und Maximalwerte von 3 Profilserien, Probenahme November 1992: links Fläche B1 (100 % = 50,9 kBq/m2); rechts Fläche F1 (100 % = 45,3 kqB/m2). Quelle: Fielitz 1994

Mit der Bodentiefe nimmt die K-40 Aktivität zu

Auf der Fläche B1 betrug die mittlere K-40 Aktivitätskonzentration im Auflagehumus durchschnittlich 4,2 kBq/m2 (260 Bq/kg), in der Schicht 0 – 10 cm 18,8 kBq/m2 und in der Schicht 0 – 20 cm 50,9 kBq/m2. Die spezifische Aktivität im Mineralboden (4 – 20 cm) betrug durchschnittlich 430 kBq/m2. Der K-40 Gehalt der Profilschicht 18 – 20 cm war mit durchschnittlich 7,8 kBq/m2 signifikant höher, als in der Schicht 16 – 18 cm (6,2 kBq/m2). Dieser Unterschied ist durch die hohe Trockenraumdichte der Profilschicht 18 – 20 cm, gegenüber der darüberliegenden Profilschicht bedingt.

Auf der Fläche F1 war die spezifische K-40 Aktivität des Mineralbodens (4 – 20 cm), mit 210 Bq/kg, nur etwa halb so hoch wie auf B1 (430 Bq/kg). Durch die höhere Trocken­raumdichte des Mineralbodens auf F1 ergeben sich allerdings ähnlich hohe K-40 Aktivi­tätskonzentrationen: für die Profilschichten 0 – 10 cm durchschnittlich 15,2 kBq/m2 , bzw. 45,3 kBq/m2 für die Schicht 0 – 20 cm. Dagegen betrug auf F1 die durchschnittliche K-40 Aktivitätskonzentration in der Humusauflage, mit 1,4 kBq/m2, nur ein Drittel der auf B1 (4,2 kBq/m2).

Kalium 40 Migration auf Ackerböden und landwirtschaftliche Nutzflächen

Wie ist die vertikale Verteilung von K-40 in einem Ackerboden in unmittelbarer Nähe der Dauerprobefläche F1 in Fuhrberg angegeben. Die Bodenproben wurden auf der landwirtschaftlichen Nutzflächemit einem Bohrstock entnommen. Die Schichttiefen betrugen 5 cm. In der Abbildung 5 ist die mittlere Tiefenverteilung von Kalium 40 aus 3 Bodenprofilen abgebildet.

Kalium Verteilung und Gehalte in einem Ackerboden. Landwirtschaftliche Nutzfläche bei Fuhrberg Niedersachsen

Abb. 5: Mittlere Verteilung von Kalium 40 in 3 Profilen einer landwirtschaftlichen Nutzfläche
Untersuchungsgebiet Fuhrberg, Datum der Probenahme: April 1992, (Profile XIII – XV). Angaben bezogen auf Trockensubstanz

Die vertikale Verteilung von Kalium 40 war in dem Ackerboden sehr gleichmäßig. Durch die jahrelange Pflugtätigkeit ist das Isotop mit 225 Bq/kg nahezu homogen im Boden verteilt. Abweichungen von 1-2 Becquerel zwischen den 5-cm Bodenschichten liegen im Bereich des Messfehlers.

Tabellen Messwerte

Messwerte zu Abbildung 4

Tab. 5: Kalium 40 Aktivität – Bodenprofil, Dauerprobefläche B1, 1992. Die spezifische Aktivität bezieht sich auf  Trockensubstanz

Profil IV Tiefe [cm] K-40 [Bq/kg] K-40 [Bq/m2]
0-2 269 2641
2-4 291 2756
4-6 337 3299
6-8 372 4392
8-10 407 5394
10-12 416 5875
12-14 426 6099
14-16 438 6432
16-18 440 6256
18-20 439 7982
Summe 51126
Profil V Tiefe [cm] K-40 [Bq/kg] K-40 [Bq/m2]
0-2 224 1249
2-4 312 2642
4-6 426 5483
6-8 411 6012
8-10 454 6209
10-12 438 6434
12-14 438 6909
14-16 432 5916
16-18 467 6198
18-20 472 8688
Summe 55740
Profil VI Tiefe [cm] K-40 [Bq/kg] K-40 [Bq/m2]
0-2 160 810
2-4 288 2586
4-6 355 3922
6-8 379 4106
8-10 412 5040
10-12 412 5537
12-14 444 5502
14-16 438 5911
16-18 467 5795
18-20 472 6776
Summe 45985

Tab. 6: Tab. 4: Kalium 40 Aktivität – Bodenprofil, Dauerprobefläche F1, 1992

Profil X Tiefe [cm] K-40 [Bq/kg] K-40 [Bq/m2]
0-2 73 258
2-4 124 829
4-6 181 2940
6-8 198 5124
8-10 205 5561
10-12 215 6258
12-14 202 6236
14-16 210 6125
16-18 201 6183
18-20 208 6215
Summe 45729
Profil XI Tiefe [cm] K-40 [Bq/kg] K-40 [Bq/m2]
0-2 68 255
2-4 170 1753
4-6 218 4191
6-8 216 5138
8-10 229 4666
10-12 240 5592
12-14 250 6106
14-16 236 6322
16-18 238 6787
18-20 236 6257
Summe 47067
Profil XII Tiefe [cm] K-40 [Bq/kg] K-40 [Bq/m2]
0-2 47 158
2-4 121 983
4-6 187 3413
6-8 197 5239
8-10 196 5233
10-12 196 5481
12-14 208 5292
14-16 198 5257
16-18 209 5947
18-20 202 6010
Summe 43013

Literatur

Fielitz U., 1994: Abschlussbericht über das Forschungsvorhaben „Radioaktivität in Wildtieren“. BMU-1994-408