ZAWARTOŚĆ METALI CIĘŻKICH W GLEBACH W SĄSIEDZTWIE SZLAKÓW KOMUNIKACYJNYCH NA PRZYKŁADZIE WYBRANYCH TRAS

Transkrypt

1 ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LI NR 3/4 WARSZAWA 2000:37-46 ZBIGNIEW KLIMOWICZ, JERZY MELKE ZAWARTOŚĆ METALI CIĘŻKICH W GLEBACH W SĄSIEDZTWIE SZLAKÓW KOMUNIKACYJNYCH NA PRZYKŁADZIE WYBRANYCH TRAS Zakład Gleboznawstwa, Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej, Lublin WSTĘP Gwałtowny rozwój komunikacji w naszym kraju skłania do podejmowania okresowych badań nad koncentracją metali ciężkich w glebach. Zagadnienie w ystępow ania metali ciężkich w glebach w sąsiedztwie ruchliwych tras kom unikacyjnych było przedmiotem licznych badań krajowych i zagranicznych [Lagerwerff, Speacht 1970; Roszyk, Roszykowa 1975; Rodriguez-Flores, Rodriguez-Castellon 1982; Czerwiński 1987; Curzydło 1988; Czarnowska 1994; Al- Chalabi, Hawker 1996; Garcia et al. 1996; Malczyk, Kędzia 1996; Olajire, Ayodele 1997; Lee et al. 1997]. Celem pracy jest zbadanie wpływu ruchu samochodowego na zanieczyszczenie gleb metalami ciężkimi w metrowym pasie na w ybranych odcinkach dróg krajowych. ZAKRES BADAŃ I METODYKA Do badań wytypowano gleby uprawne 3 obiektów: 1 - w okolicy Radomia, trasa: Lublin-Piotrków Trybunalski, 2 - w rejonie Leżajska, trasa: W arszawa- Przemyśl i 3 - w okolicy Rzeszowa, trasa: Kraków-Medyka. W każdym z obiektów pobrano próbki glebowe z odkrywek zlokalizowanych wzdłuż 3 przekrojów (w przypadku Leżajska - dwóch), prostopadłych do drogi, w odległości 10,20,50 i 100 m od trasy komunikacyjnej. Próbki glebowe pobrano z głębokości 0-5, i 35^15 cm. W łaściwości fizyczne i chemiczne gleb oznaczono metodami powszechnie stosowanymi w laboratoriach krajowych. Metale ciężkie (Pb, Zn, Cu, Ni, Cr, Co, Cd i Mn) oznaczono techniką AAS aparatem Perkin-Elmer 3300, po uprzedniej ekstrakcji próbek glebowych mieszaniną stężonych kwasów (H N 03, НСЮ 4 i HC1) w zestawie M icrodigest 3.6 firmy Prolabo. W opracowaniu kameralnym przeanalizow ano : - zawartość metali ciężkich w poziomach próchnicznych i podpróchnicznych, w zależności od odległości od drogi,

2 38 Z. Klimowicz, J. Melke - zawartość pierwiastków w poziomach podpróchnicznych wszystkich badanych gleb, w zależności od ilości części spławialnych; utwory podzielono na dwie grupy, tj. zawierające 10-25% części spławialnych (średnio 17,5%) i 26-40% (średnio 32,5%) części spławialnych, - zawartość metali ciężkich w poziomach próchnicznych gleb w zależności od ich zasobności w Corg. Wydzielono gleby zawierające С org. <1% (średnio 0,81 %) i >1 % (średnio 1,05%). WYNIKI I DYSKUSJA Badane gleby pod względem typologicznym należą do gleb płowych (FAO - Haplic Luvisols) - obiekt 1 i 2 oraz płowych z udziałem brunatnych wyługowanych (FAO - Haplic Luvisols i Dystric Cam bisols) - obiekt 3. Gleby charakteryzują się zróżnicowanym uziarnieniem, od piasków słabogliniastych, poprzez piaski gliniaste do glin lekkich. Dotyczy to zwłaszcza obiektu 1 (okolice Radomia). Natomiast na terenie obiektu 2 (rejon Leżajska) występują utwory pyłowe wodnego pochodzenia z udziałem piasków gliniastych mocnych pylastych, przewarstwionych niekiedy gliną lekką pylastą. Gleby okolic Rzeszowa (obiekt 3) stanow ią utwory pyłowe (lessy). Piaszczyste i gliniaste gleby okolic Radomia charakteryzują się odczynem kwaśnym i lekko kwaśnym. Natomiast gleby rejonu Leżajska i Rzeszowa - odczynem od silnie kwaśnego do obojętnego. Gleby wszystkich badanych obiektów wykazują stosunkowo niską zawartość węgla organicznego, rzadko przekraczającą wartość 1,50% (C org.). Z uwagi na stosunkowo małe zróżnicowanie zawartości pierwiastków w glebach oddalonych 10, 20 i 50 m od drogi analizowano łącznie uśrednione wyniki porównując je z wartościami stwierdzonymi w profilach gleb znajdujących się 100 m od trasy komunikacyjnej. W takim zestawieniu różnice w koncentracji metali ciężkich były nieco wyraźniejsze (rys. la i b). Dotyczy to zwłaszcza Pb, Zn oraz częściowo Cu. Wartości dla poszczególnych obiektów w poziomach próchnicznych przedstawiały się następująco: obiekt 1-14,53 mg/kg Pb w pasie do 50 m od drogi i 14,11 mg/kg Pb - w profilach oddalonych 100 m. W yraźnie większe różnice wystąpiły w obiektach 2 i 3. Wartości te wynosiły odpowiednio: dla obiektu 2-26,18 i 22,20 mg/kg Pb a dla obiektu 3-25,63 i 19,33 mg/kg Pb. Zakresy wahań zawartości dla Zn (w warstwie 0-20 cm) przedstawiały się następująco: obiekt 1 (32,80-31,62), obiekt 2 (36,29-32,17) i obiekt 3 (34,18-31,87 mg/kg Zn). Również w przypadku Cu, we wszystkich obiektach, najniższa jej koncentracja stwierdzona została w profilach najbardziej oddalonych ( m) od drogi: obiekt 1 (11,64-8,39), obiekt 2 (11,73-8,06) i obiekt 3 (11,54-10,75 mg/kg Cu). W glebach okolic Radomia (zarówno w poziomach próchnicznych, jak i podpróchnicznych) w odniesieniu do Ni i Co oraz w glebach rejonu Leżajska w przypadku Cr, na ogół wyższe lub nieco wyższe zawartości wspomnianych pierw iastków występowały w glebach bardziej oddalonych od tras kom unikacyjnych. Świadczyłoby to o innych, niż komunikacyjne, źródłach pochodzenia metali ciężkich, (np. em isje przem ysłowe, środki ochrony roślin). W yraźnych praw idłowości nie widać w odniesieniu do Cd, natomiast zawartość Mn w glebach w szystkich obiektów jest nieco wyższa w profilach najdalej oddalonych od drogi.

3 Zawartość metali ciężkich w glebach w sąsiedztwie szlaków komunikacyjnych RYSUNEK la. Zawartość metali ciężkich (wartości średnie) w poziomach próchnicznych (0-2 0 cm) i podpróchnicznych (35 45 cm) w zależności od odległości od drogi (1, 2, 3 - obiekty badań) FIGURE 1 a. The content of heavy metals (mean values) in humus (0-20 cm) and subhumus horizons (35^15 cm), dependent on distance from road (1,2,3 - study objects) Jedną z przyczyn może tu być nieco wyższa zawartość części spławialnych, względnie zróżnicow ane nawożenie. Najwyższą koncentrację w pasie przydrożnym wykazują Pb, Zn i Cu. Metale te są też na ogół sorbowane (zwłaszcza na obiektach 2 i 3) w zwiększonych ilościach w poziomach próchnicznych gleb (rys. la). Dotyczy to Pb, Zn i Cu (rys. 2a). Stwierdzono też nieco wyższe stężenie Cd w omawianych poziomach. Inaczej zachow uje się Co, którego w glebach wszystkich obiektów jest nieznacznie więcej

4 40 Z. Klimowicz, J Melke RYSUNEK lb. Zawartość kadmu (wartości średnie) w poziomach próchnicznych (0-20 cm) i podpróchnicznych (35-40 cm) w zależności od odległości od drogi( 1, 2, 3 - obiekty badań) FIGURE lb. The content of cadmium (mean values) in humus (0-20 cm) and subhumus horizons (35-45 cm), dependent on distance from road (1,2,3 - study objects) w poziomach podpróchnicznych w porównaniu z akumulacyjnymi. W edług A. Kabaty-Pendias i H. Pendias [1993] kobalt jest łatwo sorbowany przez substancję organiczną i tworzy z nią organiczne chelaty, łatwo przemieszczane w głąb profilu glebowego. Podobne tendencje jak w przypadku Co wykazują Ni i Cr, których stosunkow o duże nagrom adzenie stwierdzono w glebach okolic Radom ia i Leżajska. W przypadku zaś Mn, najwyższe nagromadzenie wspomnianego pierwiastka występuje w glebach okolic Rzeszowa - około 405 mg/kg w poziomie akumulacyjnym i 371 mg/kg Mn - w poziomie podpróchnicznym. Znaczne różnice na korzyść poziomu próchnicznego występują w glebach obiektu 2. Badane przez Gorlacha i in. [1993] gleby regionu krakowskiego wykazują, podobnie jak w przypadku omawianych wcześniej gleb (sąsiadujących ze szlakami komunikacyjnymi), wyższe nagromadzenie Cd, Pb i Zn w poziomach powierzchniowych gleb w porównaniu z poziomami głębszymi. Zdaniem wspomnianych autorów świadczy to o zanieczyszczeniu gleb w wyniku antropopresji (pyły przemysłowe, motoryzacja), przy czym zawartość metali ciężkich nie ma zasadniczo związku z typami gleb. Podobną opinię wyrażają Uziak i Steinbrich [1980] w odniesieniu do gleb Lubelskiego Zagłębia Węglowego. Poziomy próchniczne gleb tego obszaru wykazują zwiększone nagromadzenie metali ciężkich, głównie cynku i ołowiu. W ymienieni autorzy wiążą to z zawartością substancji organicznej, natomiast obecność miedzi i ołowiu w poziomach głębszych z ilością frakcji ilastej. W edług Skłodowskiego i Zarzyckiej [1997] również sposób użyt-

5 Zawartość metali ciężkich w glebach w sąsiedztwie szlaków^ komunikacyjnych RYSUNEK 2. Zawartość metali ciężkich w poziomach podpróchnicznych (35-45 cm) wszystkich badanych gleb w zależności od ilości części spławialnych: a % części spławialnych, b % części spławialnych FIGURE 2. The content of heavy metals in subhumus horizons (3 5 ^ 5 cm) of all studied soils, dependent on the content of fractions smaller than 0.02 mm: a % of particles <0.02 mm, b % of particles <0.02 mm kowania gleb (leśne i uprawne wytworzone z piaskowców) nie odgrywa większej roli w rozm ieszczeniu pierwiastków. W yraźnie wyższą koncentrację metali ciężkich zaobserw ow ano jedynie w ściółkach gleb leśnych. W iększość autorów wskazuje na zmniejszanie się zawartości metali ciężkich w raz z oddalaniem się od tras kom unikacyjnych: Czarnowska [1974, 1994],

6 42 Z. Klimowicz, J. Melke RYSUNEK За. Zawartość metali ciężkich w poziomach próchnicznych gleb w zależności od ich zasobności w Corg. (1, 2, 3 - obiekty badań) FIGURE За. The content of heavy metals in humus horizons (0-20 cm), dependent on their percentage content of org. С (1, 2, 3 - study objects) Roszy k, Roszykowa [ 1975], Czerwiński [1987], Curzydło [1988], Rodriguez-Flores i Rodriguez-Castellon [1982], Garcia i in. [1996], Lee [1997]. Podkreślić jednak trzeba, że nie zawsze stwierdza się istotną korelację między koncentracją metali ciężkich a natężeniem ruchu na drogach [Olajire, Ayodele 1997]. Również M alczyk i Kędzia [1996] badając zawartość metali ciężkich w glebach wzdłuż drogi wylotowej Bydgoszcz-Inowrocław, nie stwierdzili związku pom iędzy stężeniem w nich Zn i Cu a oddziaływaniem komunikacji samochodowej.

7 Zawartość metali ciężkich w glebach w sąsiedztwie szlaków^ komunikacyjnych RYSUNEK 3b. Zawartość kadmu w poziomach próchnicznych gleb (0-20 cm) w zależności od ich zasobności w С org. (1, 2, 3 - obiekty badań) FIGURE 3b. The content of cadmium in humus horizons (0-20 cm), dependent on their percentage content o f org. С (1, 2, 3 - study objects) Zawartość metali ciężkich w glebach w sąsiedztwie wymienionych tras komunikacyjnych (rys. la i lb) na tle danych literaturowych dotyczących ich zawartości w glebach Polski [Czarnowska, 1996; Dobrzański i in. 1970, Gorlach i in. 1993; Gworek, Czarnowska 1996; Kabata-Pendias 1981; Terelak i in. 1999; Uziak i in. 1999] wskazuje na ich mniej lub bardziej wyraźną koncentrację wynikającą w głównej mierze z oddziaływania spalin pojazdów mechanicznych. W idać to zwłaszcza w odniesieniu do średnich zawartości niektórych metali ciężkich w glebach użytków rolnych kraju, zawartych w opracowaniu Terelaka i in. [1995]. Podkreślić jednak trzeba, że średnie zawartości oznaczanych pierw iastków m ieszczą się w przedziale tzw. zerowego stopnia zanieczyszczenia gleb. Są to więc zgodnie z kryteriami Kabaty-Pendias i in. [1995], gleby nie zanieczyszczone. Należy dodać, że wyższe z reguły stężenia metali ciężkich w glebach stwierdza się w obrębie aglomeracji miejskich [Czarnowska 1974; Turski i in. 1992], nie wspominając o dużych okręgach przemysłowych, gdzie nagromadzenie metali ciężkich je st czasem bardzo duże. W glebach badanych obiektów występuje dodatnia zależność między zaw artością metali ciężkich a ilością części spławialnych (rys. 2). W idoczne jest to szczególnie w przypadku Mn, gdzie zawartość tego pierw iastka w glebach zasobniejszych we frakcje spławialne przekracza ponad 1,5 raza ilość Mn w glebach o lżejszym składzie granulometrycznym. W literaturze A. Kabata-Pendias i H. Pendias [1993] podają również, że gleby piaszczyste są uboższe w mangan, w porów naniu z glebami wytworzonymi z glin. Spośród 8 oznaczanych pierwiastków jedynie Cr zachowuje się odwrotnie (rys. 2). Zawartość tego metalu jest wyraźnie większa w glebach piaszczystych (piaski gliniaste) okolic Radomia w porównaniu z utworami pyłowymi i gliniastymi w pozostałych obiektach. W yjaśnienia wspomnianego, nietypowego zjawiska możnaby szukać w zanieczyszczaniu gleb okolic Radomia przez odpady ze znaczną koncentracją chromu, pochodzące z przemysłu garbarskiego. Zwracała na to uwagę Umińska [1988], wskazując na duże nagromadzenie omawianego pierwia-

8 44 Z Klimowicz, J- Melke stka (>1000 ppm) w pobliżu garbami Radoskór. Na związek koncentracji metali ciężkich z zawartością frakcji spławialnych wskazują także Gworek i Czarnowska [1996], a także Malczyk i Kędzia [1996] oraz Uziak i in. [1999]. W ażnym zagadnieniem jest rola związków próchnicznych w sorbowaniu pierwiastków. Okazuje się, że nawet stosunkowo niewielki wzrost ich zawartości w poziom ie akum ulacyjnym gleby zwiększa zatrzym ywanie przez nią metali ciężkich (rys. За i 3b). Dotyczy to większości oznaczanych pierwiastków, tj. Pb, Zn, Cu, Ni i Co. Mniej wyraźne zależności stwierdzono w przypadku Cr, Cd i Mn. W literaturze przedm iotu wielokrotnie zwracano uwagę na związek pom iędzy zaw artością metali ciężkich, a procentową ilością С organicznego [Czarnowska i in. 1995; Malczyk, Kędzia 1996; Stone, Marsalek 1996]. Badając gleby aluwialne doliny Wisły stwierdzono istotną korelację zawartości Fe, Zn, Cu, Cr, Pb, Ni i Co z procentow ą ilością węgla organicznego [Czarnowska i in. 1995]. W N IO SK I 1. Gleby w pobliżu tras komunikacyjnych charakteryzują się niską koncentracją metali ciężkich. 2. Większe nagromadzenie pierwiastków w poziomach próchnicznych jak i podpróchnicznych, w pasie przydrożnym (do 50 m) dotyczy zwłaszcza Pb, Zn i częściowo Cu, odwrotnie jest z Mn. 3. Stwierdzono dodatnią zależność między zawartością metali ciężkich w glebach a ilością części spławialnych. 4. W badanych glebach występuje istotna dodatnia korelacja stężenia Pb, Zn, Cu, Ni i Co z zawartością С org. 5. Pb, Zn, Cu i częściowo Cd wykazujące najwyższą koncentrację w pasie przydrożnym, sorbowane są na ogół (zwłaszcza na obiektach 2 i 3) w zwiększonych ilościach w poziomach próchnicznych gleb. 6. Co, Ni i Cr charakteryzują się mniej lub bardziej wyraźną migracją do poziomów podpróchniczny ch. LITERATU RA ALCHALABI A.S., HAWKER D. 1996: Retention and exchange behaviour of vehicular lead in street dust from major roads. Sei. Total Environ. 187 (2): , Aug. 30, CURZYDŁO J. 1988: Ołów i cynk w roślinach i glebach w sąsiedztwie szlaków komunikacyjnych. Z eszn au k. AR Kraków, 127: s. 70. CZARNOWSKA K. 1974: The accumulation of heavy metals in soils and plants in Warsaw area (exemplified by grasses and mosses). Pol. J. Soil Sei. 7, 2: CZARNOWSKA K. 1994: Akumulacja niektórych metali ciężkich w glebach uprawnych i w liściach selera w pobliżu dróg wylotowych z Warszawy. Roczn. Glebozn., 45, 3/4, CZARNOWSKA K. 1996: Ogólna zawartość metali ciężkich w skałach macierzystych jako tło geochemiczne gleb. Roczn. G le b o z n 47 Supl.: CZERWIŃSKI Z. 1987: The effect of highway traffic on a biotic environment. Pol. Ecol. Stud.., 13, 3-4: DOBRZAŃSKI В., GLIŃSKI J., UZIAK S. 1970: Występowanie niektórych pierwiastków w glebach woj. rzeszowskiego w zależności od rodzaju skały macierzystej i typologii gleb. Ann. UMCS, E-24:

9 Zawartość metali ciężkich w glebach w sąsiedztwie szlaków komunikacyjnych GARCIA R., MATZ I., MILLAN E. 1996: Heavy metal contamination analysis of roadsoils and grasses from Gipuzkoa (Spain). Environmental Technology 17 (17): GORLACH E., BRYDAK K., GAMBUŚ F. 1993: Distribution of heavy metals in soil profiles of the Cracov Region. Pol. J. Soil Sei. 26/2: GWOREK B., CZARNOWSKA К. 1996: Metale ciężkie w glebach wytworzonych z utworów aluwialnych i eolicznych okolic Warszawy. Roczn. Glebozn., 47, Supl.: KABATA-PENDIAS A : Zawartość metali ciężkich w glebach uprawnych Polski. Pam. Pul. 74: KABATA-PENDIAS A. i in. 1995: Podstawy oceny chemicznego zanieczyszczenia gleb. Metale ciężkie, siarka i WWA. Bibl. Monitoringu Środowiska, W-wa, 41 ss. LAGERWERFF J. V., SPEACHT A. W. 1970: Contamination of road side soil and vegetation with cadmium, nickel, lead and zinc. Environ. Sei. Technol. 4: LEE P.K., TOURAY J.C., BAILLIF P., ILDEFONSE J.P. 1997: Heavy metal contamination of settling particles in a retention pond along the A-71 motorway in Sologne, France. Sei. Total Environ. 201 (1): 1-15, Aug. 1,1997. MACIEJEWSKA A., SKŁODOWSKI P. 1995: Wpływ emisji spalin samochodowych na skażenie gleb związkami ołowiu, cynku i kadmu przy trasie Warszawa-Katowice. Zesz. Probl. Post. Nauk Roi., 418, 1: MALCZYK P., KĘDZIA W. 1996: Metale ciężkie w glebach leśnych wzdłuż drogi wylotowej Bydgoszcz-Inowrocław. Roez. Glebozn., 47, 3/4: OLAJIRE A.A., AYODELE E.T. 1997: Contamination of roadside soil and grass with heavy metals. Environmental International. 23 (1): RODRIGUEZ-FLORES M., RODRIGUEZ-CASTELLON E. 1982: Lead and cadmium levels in soil and plants near highways and their correlation with traffic density. Environ. Poll., 4, 4: ROSZYK E., ROSZYKOWA S. 1975: Ołów w glebach i roślinach w pobliżu dróg na terenie Wrocławia. Rocz. Glebozn., 26, 1: SKŁODOWSKI P., ZARZYCKA H. 1997: Wpływ użytkowania gleb na zawartość i rozmieszczenie metali ciężkich. Rocz. Glebozn., 48, 1/2: TERELAK H., PIOTROWSKA M., MOTOWICKA-TERELAK T., STUCZYŃSKI T., B U DZYŃSKA K. 1995: Zawartość metali ciężkich i siarki w glebach użytków rolnych Polski oraz ich zanieczyszczenie tymi składnikami. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, 418: TURSKI i in. 1992: Przestrzenne rozmieszczenie metali ciężkich w glebach jako wskaźnik zanieczyszczenia miasta Lublina. Annales UMCS, Sect. E, 47. UM IŃSKA R. 1988: Ocena poziomu pierwiastków śladowych stanowiących potencjalne zagrożenie dla zdrowia w glebach Polski narażonych na zanieczyszczenie. Instytut Medycyny Wsi, Lublin: 188 ss. UZIAK S., STEINBRICH K. 1980: Niektóre pierwiastki metali ciężkich w glebach LZW. Annales UMCS, Sect. В, 35/36, 15: UZIAK S., MELKE J., KLIMOWICZ Z. 1999: Zagadnienie metali ciężkich w glebach Ściany Wschodniej. Materiały Kongresu Polskiego Towarzystwa Gleboznawczego oraz Międzynarodowej Konferencji Naukowej. Lublin, wrzesień 1999, s. 417.

10 46 Z. Klimowicz, J Melke ZBIGNIEW KLIMOWICZ, JERZY MELKE THE CONTENT OF HEAVY METALS IN SOILS IN THE VICINITY OF TRAFFIC ROADS USING CHOSEN STRETCHES OF ROAD AS EXAMPLES Department of Soil Science, Maria Curie-Sklodowska University, Lublin SU M M A RY Because of rapid increase in road traffic in Poland in recent years, the concentrations of heavy metals near busy roads needs to be recorded and studied. These areas, with arable soils, were chosen for study: 1 - in the Radom area (Lublin-Piotrków stretch of road ), 2 - in the Leżajsk area ( W arsaw-przemyśl stretch of road), and 3 - in the Rzeszów area (Cracov-Medyka stretch of road). In each of these experimental areas, soil samples were taken from pits located along 3 sections (perpendicular to the road) at distances of 10,20, 50 and 100 m from the road and depths 0-5, and 35^-5 cm. The soils were characterized by standard methods. Typologically, the soils belong to the lessives soils (FAO - Haplic Luvisols) and locally-leached brown soils (FAO - Dystric Cambisols). They are characterized by wide grain-size distributions ranging from weakly loamy sands through loamy sands to light loams (mainly in area 1). Area 2 had predominantly hydromorphous silty formations, and area 3 had silty formations (loess). Soil ph values ranged from They contents of organic С were relatively small. Heavy metals were extracted with a mixture of concentrated acids using a Prolabo M icrodigest 3.6. The concentrations of heavy metals (Pb, Cd, Zn, Cu, Mn, Co, Ni and Cr) were determined by AA Spectroscopy using a Perkin-Elmer The concentrations of heavy metals in nearly all the soils studied were very similar to their natural values. However, there was some accumulation of heavy metals, especially Pb, Zn and Cu, nearest to the soil surface up to distance of 50 m from the roads. A positive correlation was found between the concentrations of Pb, Zn, Cu, Ni and Co and the content of organic carbon in the soil. d r hab. Z bigniew K lim ow icz Z akład G leboznaw stw a, IN oz UM CS w Lublinie Lublin, ul. A kdem icka 19 Praca w płynęła do redakcji w lipcu 2000 r.