Dies ist eine HTML Version eines Anhanges der Informationsfreiheitsanfrage 'A study by Paul Romkens et al from Wageningen University on cadmium balances in EU soil'.

Dynamic Cadmium balances in arable soils and grassland soils in the EU: impact of revision of 
fertiliser regulation on accumulation rates and levels of Cd in soils – preliminary results 
Paul Römkens, Wim de Vries and Hans Kros – Wageningen Environmental Research (Alterra) 
Background and Aim 
Accumulation of Cadmium (Cd), in arable soils will lead to an increase in the metal content in soil which, in 
time, can lead to an impact on human health and ecosystem functioning if critical levels in soils are exceeded. 
According to EFSA (EFSA, 2009, 2012), exposure of children to Cd already exceeds the TDI which is partly due 
to transfer of Cd from soil into food and subsequent consumption thereof. This would urge the need to reduce 
Cd levels in soil but at present, an approach to quantify regionally explicit metal accumulation rates and 
subsequent changes of Cd in soil to evaluate measures that reduce Cd inputs to soil at the European scale is, 
however, lacking. Therefore a mass balance model operating at a 1x1 km scale was developed considering 
inputs to soil from inorganic fertilisers, atmospheric deposition, animal manure, compost, sludge as well as 
outputs including leaching and crop uptake. Inputs via fertiliser, biosolids and manure are based on down-
scaled regional or national data. Leaching and crop uptake were calculated at NCU level correcting for 
differences in soil metal content, pH, organic matter, and clay content using transfer models taking into account 
regional differences in water fluxes and crop type. The aim of this model approach is to present current metal 
balances at a regional, national an EU level as well to assess to what extent actual policy revisions, notably 
those addressing the maximum levels of contaminants in fertilisers (EU2003/2003), affect accumulation rates of 
Cd in arable and pasture soils. Here we present preliminary model results on the impact of different Cd levels 
in fertilisers, i.e. 20, 40 and 60 mg Cd kg-1 P2O5 as proposed. In addition the proposed limit of 80 mg Cd kg-1 
P2O5 is included as well even though this is, at present not part of the current proposal of the EU. Both changes 
in the Cd load to soil and the resulting changes of Cd in soil after 100 years are discussed. 
Results 
Data in table 1 show that, at present, there is a net depletion of Cd in grassland soils whereas Cd still accumulates 
in arable soils even though differences between countries can be significant. 
Current Cadmium balances at country and EU level 
Table 1 Overview of current Cd balances in grassland, arable land and total at country level and surface weighted EU 
average (in gram/ha/yr) 

 
 
Inputs 
Outputs 
Balance 
 
 
Manure 
Fertiliser  Compost 
Sludge 
Atm. 
Uptake 
Leaching 
 
Dep. 
GRASS 
Min1 
0.01 
0.00 
0.00 
0.00 
0.17 
0.06 
0.19 
-3.16 
 
Median1 
0.10 
0.17 
0.00 
0.00 
0.39 
0.18 
0.94 
-0.61 
 
Max1 
0.52 
1.75 
0.00 
0.00 
1.04 
0.69 
3.85 
1.70 
 
EU 
0.18 
0.38 
0.00 
0.00 
0.43 
0.27 
1.33 
-0.61 
average2 
ARABLE 
Minimum 
0.08 
0.01 
0.00 
0.00 
0.16 
0.06 
0.08 
-1.08 
 
Med 
0.25 
0.45 
0.00 
0.03 
0.42 
0.18 
0.69 
0.35 
 
Maximum 
0.85 
1.07 
0.25 
0.49 
0.91 
1.52 
2.51 
1.34 
 
EU 
0.26 
0.64 
0.02 
0.06 
0.42 
0.26 
0.55 
0.58 
average 
TOTAL 
Minimum 
0.08 
0.01 
0.00 
0.00 
0.17 
0.06 
0.11 
-2.36 
 
Med 
0.24 
0.42 
0.00 
0.01 
0.42 
0.18 
0.88 
0.06 
 
Maximum 
0.74 
1.16 
0.16 
0.42 
0.91 
1.23 
3.11 
1.27 
 
EU 
0.24 
0.59 
0.02 
0.05 
0.42 
0.26 
0.69 
0.36 
average 
1 min., median and max of all 26 countries included in the assessment 
2 average balance at EU level in all spatial units (corrected for surface area) 
 

At present the use of P fertilisers is, in arable soils the main source of Cd (0.59 g/ha/yr at EU level, ranging from 
almost zero to 1.2 g/ha/yr). Leaching is both in arable soils and grassland soils the main output of Cd with 
leaching losses being particularly high in counties where low pH soils dominate in combination with high 
rainfall. The distribution of the balances at country level is illustrated in figure 2. 
Crop uptake is quantitatively less important compared to  leaching losses even though uptake can vary 
significantly between crops with higher levels of Cd taken up by (leafy) vegetables compared to for example 
potato. Due to the higher yields of crops like  potato however, the total removal rate can be higher for such crops. 
 
4.0
Grassland
3.0
2.0
ha) 1.0
m/
0.0
-1.0
-2.0
Cd balance (gra -3.0
-4.0
-5.0
AT BE BG CZ DE DK EE ES FI FR GR HU IE IT LT LU LV NL PL PT RO SE SI SK UK EU
Animal Manure
Fertiliser
Biosolids
Atm dep
Crop removal
Leaching
 
3.0
Arable Land
2.0
ha) 1.0
m/ 0.0
-1.0
-2.0
Cd balance (gra
-3.0
-4.0
AT BE BG CZ DE DK EE ES FI FR GR HU IE IT LT LU LV NL PL PT RO SE SI SK UK EU
Animal Manure
Fertiliser
Biosolids
Atm Dep
Crop removal
Leaching
 
Figure 1. Average Cd balance (current) and individual balance posts at country level for Grassland soils (top) and Arable 
land (bottom) 

At present the Cd load to soils depends on both the use of P fertilisers and the average Cd level in P fertilisers 
which varies between countries. On average the Cd-P ratio equals approx 32 mg Cd/kg P2O5 at EU level 
(Smolders, 2017) but this can vary between almost zero in countries using rock phosphate (a.o. Estonia, Finland 
and Sweden) to 50 – 60 mg Cd mg Cd/kg P2O5  in Portugal and Spain. Also the use of animal manure in countries 
like Belgium, Denmark and the Netherlands limits the actual use of mineral P fertilisers since a large  part of the P 
requirements are covered by manure applied to the soil. 



Dynamics of Cadmium in soil in view of revisions of the fertiliser regulation 
The proposed limits of Cd in fertiliser will affect Cd loads to soil and eventually the Cd level in soil as well. Here 
we simulate the dynamics of Cd in soil assuming 4 different levels of Cd in P fertilisers and compare these to the 
impact of the current situation (BaU: Business as Usual). In figure 2 the impact of these scenarios are shown 
illustrating the impact of the Cd level in fertiliser on the Cd balance at country levels and the EU as a whole. 
Clearly increased levels of Cd will lead to an increase in the load even though the impact depends on the level of 
the current quality used at country levels and the amount of fertilisers. In most countries the use of P fertilisers at 
the lowest proposed level (20 mg Cd/kg P2O5) will reduce the net balance. In grassland soils, the average balance 
will remain negative but approaches a stand still situation in case of the 80 mg Cd/kg P2O5 scenario. In arable 
soils however, accumulation will increase substantially at both the 60 and 80 mg Cd/kg P2O5 scenario compared 
to the current (BaU) and 20 or 40 mg Cd/kg P2O5 scenarios. This is also illustrated in figure 3 where results at the 
most detailed spatial level (NCU) are shown. This spatial level consists of approx. 1200 units and hence presents a 
combination realistic combination of Cd in soil, land use, climate conditions and cd inputs. 
 
 
 
 
 
Figure 2. Impact of EU2003/2003 scenarios on Cd balance at country level for grassland (top) and arable land (bottom) 


 
Figure 3. predicted relative changes in soil Cd levels at NUTS3 levels (grassland and arable land) for all scenarios at t=100 
compared to t=0 (top: all data; middle: P5-P95; bottom: P10-P90) 

 
Results in figure 3 indicate that Cd levels in soils will, on average increase in all scenarios but this increase is close 
to zero (+1% change compared to current levels in soil) in case of the 20 mg Cd /kg P2O5 scenario. All other 
scenarios, result in an average increase in soil Cd ranging from +5% to +11% (median of all units) depending on 
the level of Cd in P fertilisers. As such this trend is similar to the one presented recently (Smolders, 2017), that is, 
the differences between scenarios is comparable. The main difference however is that the absolute level of the 
change is higher, i.e. using the spatially explicit data, accumulation rates are higher which is due to the fact the in 
the current simulation no random combinations of soil properties, Cd loads and weather data were assumed but 
real, regionally variable data are used to calculate changes in Cd with time. This results in a different distribution 
of combinations of e.g. pH, organic matter, and Cd content per region as compared to the statistical approach by 
Smolders who basically used a random combination of soil properties. The impact of such regional variation in 
Cd levels in soil after 100 years is also shown in figure 4 at the most detailed spatial scale used here (NCU level). 
Figure 4 not only illustrates the substantial differences in long term changes of Cd in soil with small changes or 
even a depletion in countries in the (north) western part of Europe that either use low Cd P fertilisers or are 
characterised by high leaching rates.  On the other hand accumulation is substantial in countries with high 
consumption rates of mineral fertiliser and/or an above average level of Cd in fertilisers (Spain, Poland). 
 
 






 
 
 
 
 
 
 
Figure 4. Spatial distribution of the changes (in %) in the soil Cd content at t=100 compared to current levels in soil. 
 
 
 

Conclusions 
 
•  At present, Cd balances as calculated with a spatially explicit approach are, on average, 
negative in grassland soils and positive in arable soils even though differences between 
countries can be large; 
•  Depletion is most pronounced in grassland soils in countries with high rainfall, low pH soils 
and accumulation is largest in Mediterranean areas and countries that use P fertilisers with, 
on average, higher levels of Cd. 
•  Accumulation will continue to occur at the BaU scenario and will become more pronounced at 
Cd levels in P fertilisers higher than 20 mg Cd/kg P2O5 
•  Predicted changes in Cd levels in soil after 100 years however are relatively small compared to 
current levels even though Cd levels in soil  in specific spatial units (with high pH and high 
Cd loads) are calculated to increase up to 200% compared to current levels.   
•  On average the predicted increase in Cd levels in soils ranges from +3% (Business as Usual) to 
+11% (80 mg Cd/kg P2O5 scenario) relative to the current level in soils 
•  The level of such relative changes is higher compared to recent estimates by Smolders (2017) 
and can be related largely to a more realistic combination of soil properties in case of a 
spatially explicit model simulation compared to the predicted band width in accumulation 
ranges based on a random combination of soil properties. 
•  Differences between the existing model approaches, i.e. the statistical approach vs the 
spatially explicit approach, however, partially also depend on different approaches to 
calculate leaching losses which is the dominant output for Cd in arable and grass land soils. 
•  Both differences in model approach (linear versus non-linear models) and data selection 
(solution data versus extracts) have a clear impact on the ultimate model results which calls 
for a more harmonized approach to characterize leaching losses so as to avoid unjustified 
conclusions based on either model approach. 
 
Acknowledgements 
The model development and scenario analyses as described in this paper was partially financed by EEA and 
PhosAgro. The content of this paper is based on preliminary findings and as such will be verified at a later stage 
pending peer review. 
 
References 
EFSA 2009. European Food Safety Authority. Cadmium in food - Scientific opinion of the Panel on Contaminants 
in the Food Chain. EFSA Journal, 7, n/a-n/a. 
EFSA 2012. European Food Safety Authority. Cadmium dietary exposure in the European population. EFSA 
Journal, 10, n/a-n/a. 
Smolders, E. 2017. Scientific aspcest underlying the regulatory framework in the area of fertilisers – state of play 
and future reforms. In-depth analysis for the IMCO committee. IP/A/IMCO/2016-19, PE 595.354. February 2017. 
 
 





 
Background data 
 

 
 
 
 
 
Figure B1. Overview of soil properties used in the model calculations