WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE GLEBY ZANIECZYSZCZONEJ ZWIĄZKAMI ROPOPOCHODNYMI PO APLIKACJI SUBSTANCJI NEUTRALIZUJĄCYCH 1

Transkrypt

1 ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2007 z. 520: WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE GLEBY ZANIECZYSZCZONEJ ZWIĄZKAMI ROPOPOCHODNYMI PO APLIKACJI SUBSTANCJI NEUTRALIZUJĄCYCH 1 Mirosław Wyszkowski, Agnieszka Ziółkowska Katedra Chemii Środowiska, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Wstęp W warunkach naturalnych gleba pełni funkcję buforującą, chroniąc przed nadmiernym przemieszczaniem się związków pochodzenia antropogenicznego do wód gruntowych i roślin. Bez wątpienia zanieczyszczenie środowiska moŝe ograniczać jej funkcję ochronną, zakłócać aktywność metaboliczną, wpływać niekorzystnie na właściwości fizykochemiczne gleb, a takŝe zmniejszać Ŝyzność oraz negatywnie wpływać na produkcję roślinną [GONG i in. 1996; WYSZKOWSKA, KUCHARSKI 2000; WYSZKOWSKI i in. 2004]. WaŜnym elementem Ŝyzności gleby są jej właściwości fizykochemiczne, do których moŝna zaliczyć między innymi odczyn, zawartość kationów wymiennych, a takŝe ich udział w wysyceniu kompleksu sorpcyjnego [BLECHARCZYK i in. 2002; CZEKAŁA 2002; BEDNAREK i in. 2004]. Na powyŝsze cechy niewątpliwie bardzo duŝy wpływ wywierają czynniki antropogeniczne, między innymi zanieczyszczenie gleby substancjami ropopochodnymi. Było to przesłanką do wykonania badań, które miały na celu określenie wpływu zanieczyszczenia gleby benzyną i olejem napędowym na kwasowość i właściwości sorpcyjne gleby. Do ograniczenia wpływu substancji ropopochodnych na glebę aplikowano, i. Materiał i metodyka Doświadczenie wykonano w hali wegetacyjnej Uniwersytetu Warmińsko- Mazurskiego w Olsztynie na glebie brunatnej właściwej wytworzonej z piasku słabogliniastego pylastego o następujących właściwościach: ph w 1 mol KCl dm -3-5,10; kwasowość hydrolityczna (Hh) - 30,8 mmol(h + ) kg -1 ; suma wymiennych kationów zasadowych (S) - 88,0 mmol(+) kg -1 ; pojemność wymienna kompleksu sorpcyjnego (T) - 118,8 mmol(+) kg -1 ; stopień wysycenia kationami (V) - 74,1%; zawartość C org. - 8,48 g kg -1, zawartość przyswajalnego: fosforu - 34,1 mg kg -1, potasu - 75,2 mg kg -1 i magnezu - 36,7 mg kg -1. Badania dotyczyły oddziaływania benzyny i oleju napędowego stosowanych w następujących ilościach: 0; 2,5; 5 i 10 cm 3 kg -1 gleby na kwasowość i właściwości sorpcyjne gleby. W celu zmniejszenia wpływu substancji ropopochodnych na glebę aplikowano (3%), (2% w stosunku do masy gleby) oraz 1 Badania wykonane w ramach projektu własnego MNiSW nr 2P06S01628.

2 434 M. Wyszkowski, A. Ziółkowska tlenkowe 50% w dawce odpowiadającej jednej pełnej kwasowości hydrolitycznej. Kompost sporządzono z liści (około 44%), obornika (około 33%) i torfu (około 23%) i owano przez okres 6 miesięcy. Kompost zawierał w 1 kg suchej masy 2,32 g P, 1,33 g K, 1,47 g Mg, 15,86 g Ca i 0,12 g Na. Doświadczenie wykonano w 4 powtórzeniach. Dodatkowo do wszystkich wazonów wprowadzono makro- i mikroelementy w następujących ilościach (w mg kg -1 gleby): N CO(NH 2 ) 2, P - 30 (KH 2 PO 4 ); K - 70 (KH 2 PO 4 + KCl); Mg - 50 (MgSO 4 7H 2 O); Mn - 5 (MnCl 2 4H 2 O); Mo - 5 [(NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 4H 2 O]; B - 0,33 (H 3 BO 3 ). Benzynę, olej napędowy,, i oraz makro- i mikroelementy w postaci wodnych roztworów wymieszano z 9,5 kg gleby w momencie zakładania doświadczenia i przeniesiono do wazonów polietylenowych. Następnie wysiano rzepak jary (Brassica napus var. oleifera) odmiany Mazowiecki, a po jego zbiorze roślinę następczą - owies (Avena sativa L.) odmiany Borowik. W czasie trwania badań utrzymywano wilgotność na poziomie 60% kapilarnej pojemności wodnej. W czasie zbioru owsa po 110 dniach od momentu załoŝenia doświadczenia pobrano próby gleby do badań. W próbach glebowych określono: odczyn (ph) gleby - metodą potencjometryczną w wodnym roztworze KCl o stęŝeniu 1 mol dm -3, kwasowość hydrolityczną (Hh) i sumę wymiennych kationów zasadowych (S) - metodą Kappena. Na podstawie kwasowości hydrolitycznej (Hh) i sumy wymiennych kationów zasadowych (S) obliczono całkowitą pojemność wymienną gleby (T) i stopień wysycenia gleby kationami zasadowymi (V) według następujących wzorów: T = S + Hh; V = S T Uzyskane wyniki badań opracowano statystycznie za pomocą analizy wariancji trzyczynnikowej ANOVA z pakietu Statistica [STATSOFT, INC. 2003]. Wyniki i dyskusja Zanieczyszczenie gleby benzyną i olejem napędowym istotnie wpływało na badane właściwości gleby (tab. 1-2). Po uprawie rzepaku jarego i owsa odczyn gleby, suma wymiennych kationów zasadowych, całkowita pojemność wymienna oraz stopień wysycenia gleb kationami zasadowymi, w odróŝnieniu od jej kwasowości hydrolitycznej, były wyŝsze w obiektach, które zostały zanieczyszczone benzyną niŝ olejem napędowym. W serii bez dodatków kolejne dawki benzyny powodowały sukcesywny wzrost ph, zaś wzrastające dawki oleju napędowego, działały w kierunku obniŝenia jego wartości. Po zastosowaniu najniŝszej dawki benzyny i oleju napędowego - 2,5 cm 3 kg -1 gleby, zaobserwowano niewielkie zwiększenie kwasowości hydrolitycznej, jednak kolejne dawki powodowały jej sukcesywne obniŝenie w przypadku benzyny, a dawka 10 cm 3 takŝe w obiektach z olejem napędowym. Suma wymiennych kationów zasadowych w glebie po zbiorze testowanych roślin była dodatnio skorelowana z dawką benzyny i oleju napędowego, z wyjątkiem serii bez dodatków i z dodatkiem u, zwłaszcza w wazonach zanieczyszczonych olejem napędowym. W serii bez dodatków neutralizujących benzyna nie miała jednoznacznego wpływu na sumę wymiennych kationów zasadowych, całkowitą pojemność wymienną i stopień wysycenia gleby kationami zasadowymi, natomiast olej napędowy działał silniej niŝ benzyna. Suma wymiennych kationów zasadowych, całkowita pojemność wymienna i stopień wysycenia gleby kationami zasadowymi w obiektach z olejem napędowym była niŝsza niŝ w wariancie kontrolnym. Tabela 1; Table 1 ph i kwasowość hydrolityczna gleby po zbiorze roślin ph and hydrolytic acidity of soil after plant harvest

3 WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE GLEBY ZANIECZYSZCZONEJ Dawka (cm 3 kg -1 gleby) Dose in (cm 3 kg -1 soil) bez dodatków Benzyna; Petrol e ph w 1 mol KCl dm -3 ; ph in 1 mol KCl dm -3 Olej napędowy; Diesel oil 0 6,17 6,37 6,72 6,96 6,17 6,37 6,72 6,96 2,5 6,20 6,42 6,87 7,25 5,45 6,29 6,70 7,07 5,0 6,30 6,46 7,02 7,24 5,43 6,28 6,99 7,03 10,0 6,88 6,26 6,67 7,02 5,62 6,29 6,88 7,14 bez dodatków e Kwasowość hydrolityczna; Hydrolitic acidity (mmol kg -1 ) 0 26,6 24,8 18,4 15,4 21,3 26,6 24,8 18,4 15,4 21,3 2,5 27,8 22,1 15,0 12,8 19,4 37,1 32,6 18,8 17,6 26,5 5,0 26,6 20,6 16,1 13,9 19,3 37,5 32,6 16,5 17,3 26,0 10,0 25,9 18,8 17,6 15,0 19,3 33,8 29,6 18,4 14,6 24,1 26,7 21,6 16,8 14,3 19,8 33,8 29,9 18,0 16,2 24,5 NIR; LSD a - 0,26** b - 0,36** c - 0,36** a x b - 0,51** a x c - 0,51** b x c - 0,73** a x b x c - 1,03** NIR dla; LSD for: a rodzaju substancji ropopochodnej; kind of petroleum substance b dawki substancji ropopochodnej; petroleum substance dose c rodzaju substancji neutralizującej; kind of neutralizing substance ** istotne dla p = 0,01; significant for p = 0.01 * istotne dla p = 0,05; significant for p = 0.05 r współczynnik korelacji; correlation coefficient Badane właściwości kształtował takŝe rodzaj substancji neutralizujących wprowadzonych do gleby celem łagodzenia skutków zanieczyszczenia gleby produktami ropopochodnymi (tab. 1-2). Dodatki neutralizujące, w postaci u, u i wapna, oddziaływały istotnie na ph gleby i to zarówno w wazonach z benzyną, jak i olejem napędowym przyczyniając się do jego wzrostu. Najskuteczniejsza okazała się aplikacja u i wapna. W obiektach z benzyną i olejem napędowym ich aplikacja przyczyniła się do znacznego i istotnego wzrostu wartości ph w porównaniu do wariantu kontrolnego (bez dodatków). Dodatki neutralizujące łagodziły skutki zanieczyszczenia gleby substancjami ropopochodnymi wywierając istotny wpływ na zmniejszenie kwasowości hydrolitycznej gleb w seriach z ich dodatkiem, w porównaniu do obiektów bez ich aplikacji. Suma wymiennych kationów zasadowych, całkowita pojemność wymienna i stopień wysycenia gleby kationami zasadowymi po zbiorze roślin Exchangeable cation bases, cation exchange capacity and base saturation Tabela 2; Table 2

4 436 M. Wyszkowski, A. Ziółkowska Dawka (cm 3 kg -1 gleby) Dose (cm 3 kg -1 soil) bez dodatków Benzyna; Petrol e of soil after plant harvest Olej napędowy; Diesel oil Suma wymiennych kationów zasadowych; Exchangeable cation bases (mmol kg -1 ) bez dodatków e 0 118,0 106,0 114,0 106,0 111,0 118,0 106,0 114,0 106,0 111,0 2,5 104,0 100,0 118,0 118,0 110,0 88,0 128,0 96,0 110,0 105,5 5,0 114,0 106,0 142,0 140,0 125,5 80,0 76,0 100,0 134,0 97,5 10,0 116,0 104,0 186,0 142,0 137,0 92,0 88,0 118,0 136,0 108,5 113,0 104,0 140,0 126,5 120,9 94,5 99,5 107,0 121,5 105,6 NIR LSD a - 1,39** b - 1,97** c - 1,97** a x b - 2,79** a x c - 2,79** b x c - 3,94** a x b c - 5,57** Całkowita pojemność wymienna; Cation exchange capacity (mmol kg -1 ) 0 144,6 130,8 132,4 121,4 132,3 144,6 130,8 132,4 121,4 132,3 2,5 131,8 120,1 133,0 130,8 128,9 125,1 160,6 112,8 127,6 131,5 5,0 140,6 126,6 158,1 153,9 144,8 115,5 108,6 116,1 151,3 122,9 10,0 141,9 122,8 203,6 157,0 156,3 127,8 117,6 136,4 150,6 133,1 NIR LSD 139,7 125,1 156,8 140,8 140,6 128,3 129,4 124,4 137,7 130,0 a - 1,41** b - 1,99** c - 1,99** a x b - 2,82** a x c - 2,82** b x c - 3,98** a x b x c - 5,63** Stopień wysycenia kationami zasadowymi; Base saturation (%) 0 81,6 81,0 86,1 87,3 84,0 81,6 81,0 86,1 87,3 84,0 2,5 78,9 81,6 88,7 90,2 84,8 70,3 79,7 83,3 86,2 79,9 5,0 81,1 83,7 89,8 91,0 86,4 67,5 70,0 86,1 88,6 78,1 10,0 81,7 84,7 91,4 90,4 87,0 73,6 74,8 86,5 90,3 81,3 NIR LSD 80,8 82,8 89,0 89,7 85,6 73,3 76,4 85,5 88,1 80,8 a - 0,75** b - 1,08** c - 1,08** a x b - 1,50** a x c - 1,50** b x c - 2,13** a x b x c - 3,03** Objaśnienia pod tabelą 1; Explanations under table 1 Szczególnie korzystne relacje stwierdzono po zastosowaniu u i wapna, w przypadku których kwasowość hydrolityczna gleby była istotnie niŝsza niŝ w obiektach bez dodatków. Mniejszy, jakkolwiek na ogół dodatni wpływ na kwasowość hydrolityczną gleby miał. WyŜej wymienione substancje wpłynęły raczej pozytywnie na sumę wymiennych kationów zasadowych i stopień wysycenia gleby kationami zasadowymi, przy czym w obiektach z benzyną najskuteczniejsza okazała się aplikacja u i wapna.

5 WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE GLEBY ZANIECZYSZCZONEJ Całkowita pojemność wymienna gleby najsilniej była kształtowana przez dodatek u i wapna - w przypadku zanieczyszczenia gleby benzyną, zaś w obiektach z olejem napędowym tylko przez aplikację wapna. W seriach z ich dodatkiem zaobserwowano istotnie wyŝszą średnią wartość całkowitej pojemności wymiennej niŝ w serii bez dodatków. Jak podaje SIUTA [2003] zawartość w glebie biologicznie aktywnych form związków organicznych, w tym takŝe i składników ropopochodnych wpływa na dynamikę wahań potencjału oksydacyjno-redukcyjnego, który w duŝym stopniu decyduje o zmianach odczynu środowiska glebowego. BARAN i in. [2002] przeprowadziwszy badania gleby na terenie lotniska wojskowego w Dęblinie stwierdzili, iŝ odczyn badanych gleb był bardzo zróŝnicowany. Gleby, które znajdowały się w otoczeniu punktowych źródeł zanieczyszczeń były mniej zakwaszone niŝ te, które znajdowały się w obrębie płyty lotniska. Wykazali oni, Ŝe gleby znajdujące się na obszarze zanieczyszczeń punktowych charakteryzowały się wyŝszą sumą kationów o charakterze zasadowym oraz większą wartością pojemności sorpcyjnej niŝ gleby z terenu płyty lotniska w Dęblinie. W świetle przedstawionych badań własnych moŝna stwierdzić, Ŝe dodatek u w obiektach zanieczyszczonych benzyną, w odróŝnieniu od oleju napędowego, spowodował wzrost ph gleby. Potwierdzeniem zaleŝności uzyskanych w badaniach własnych mogą być doświadczenia, jakie przeprowadzili SZULC i in. [2003], w których zaobserwowali poprawę odczynu gleb pod wpływem stosowania ów. Niektórzy autorzy [SZULC i in. 2003; BARAN i in. 2004] wykazali w swoich badaniach, Ŝe w glebach, na których stosowano wystąpiły tendencje do zwiększania się sumy wymiennych kationów zasadowych. O pozytywnym wpływie wania na odczyn gleby donoszą wyniki badań wielu autorów [BEDNAREK, LIPIŃSKI 1995; KUZIEMSKA, KALEMBASA 1997; BRODOWSKA 2002; SIUTA 2003], co potwierdzają takŝe badania własne. Wnioski 1. Zanieczyszczenie gleby olejem napędowym spowodowało wzrost zakwaszenia gleby wyraŝający się obniŝeniem wartości ph, sumy wymiennych kationów zasadowych, całkowitej pojemności wymiennej i stopnia jej wysycenia kationami o charakterze zasadowym oraz tendencją do zwiększania kwasowości hydrolitycznej. 2. Wpływ benzyny na właściwości fizykochemiczne gleby był zdecydowanie mniejszy niŝ oleju napędowego. 3. Spośród zastosowanych substancji neutralizujących najsilniejszym i korzystnym działaniem na badane właściwości gleby wyróŝniały się i, zwłaszcza w odniesieniu do kwasowości hydrolitycznej. Wpływ u był takŝe na ogół pozytywny, ale znacznie mniejszy niŝ u i wapna. Literatura BARAN S., BIELIŃSKA E.J., WÓJCIKOWSKA-KAPUSTA A Kształtowanie się aktywności enzymatycznej w glebach zanieczyszczonych produktami ropopochodnymi. Acta

6 438 M. Wyszkowski, A. Ziółkowska Agroph. 70: BARAN S., WÓJCIKOWSKA-KAPUSTA A., śukowska G., OLESZCZUK P Wykorzystanie ów do odtwarzania gleby na gruntach zdewastowanych przez intensywne zakwaszenie. Rocz. Gleboz. LV(2): BEDNAREK W., BUJEK K., TKACZYK P., FRANT M Wpływ nawoŝenia, uprawy roli i roślin na fizykochemiczne właściwości gleby. Annales UMCS, Sec. E 59(1): BEDNAREK W., LIPIŃSKI W Fizykochemiczne właściwości gleby zdegradowanej poddanej oddziaływaniu wania i nawoŝenia mineralnego. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 418: BLECHARCZYK A., MAŁECKA I., PIECHOTA T Wpływ wieloletniego nawoŝenia oraz następstwa roślin na właściwości gleby i skład chemiczny jęczmienia jarego. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 482: BRODOWSKA M.S Wpływ wania i nawoŝenia siarką na skład kationowy i odczyn gleby płowej. Acta Agroph. 73: CZEKAŁA J Zmiany ilościowe kationów wymiennych gleby w zaleŝności od płodozmianu i nawoŝenia azotem. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 482: GONG P., SUN T.H., BEUDERT G., HAHN H.H Ecological effects of combined organic or inorganic pollution on soil microbial activities. Water Air Soil Pollut. 96: KUZIEMSKA B., KALEMBASA S Wpływ wania, dawki i rodzaju osadów ściekowych oraz nawoŝenia NPK na plon, skład chemiczny roślin i gleby. Cz. IV. Wpływ na wybrane właściwości fizykochemiczne gleby. Arch. Ochr. Środ. 23(1-2): SIUTA J Ekologiczne, technologiczne i prawne aspekty rekultywacji gruntów zanieczyszczonych produktami ropy naftowej. InŜ. Ekol. 8: STATSOFT, INC STATISTICA (data analysis software system), version SZULC W., RUTKOWSKA B., ŁABĘTOWICZ J., OśAROWSKI G Zmiany właściwości fizykochemicznych gleby w warunkach zróŝnicowanego nawoŝenia em DANO. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 494: WYSZKOWSKA J., KUCHARSKI J Biochemical properties of soil contaminated by petrol. Polish J. Environ. St. 9(6): WYSZKOWSKI M., WYSZKOWSKA J., ZIÓŁKOWSKA A Effect of soil contamination with diesel oil on yellow lupine yield and macroelements content. Plant, Soil, Environ. 50(5): Słowa kluczowe: benzyna, olej napędowy, gleba,,,, kwasowość, właściwości sorpcyjne Streszczenie Przeprowadzone badania miały na celu określenie wpływu zanieczyszczenia gleby benzyną i olejem napędowym (2,5, 5, i 10 cm 3 kg -1 gleby) na kwasowość i właściwości sorpcyjne gleby. Do ograniczenia wpływu substancji ropopochodnych na glebę aplikowano (3%), (2% w stosunku do masy gleby) oraz w dawce odpowiadającej jednej pełnej kwasowości hydrolitycznej. Zanieczyszczenie gleby olejem napędowym spowodowało wzrost zakwaszenia gleby wyraŝający się obniŝeniem wartości ph, sumy wymiennych kationów zasadowych, całkowitej pojemności wymiennej i stopnia jej wysycenia kationami o charakterze zasadowym oraz tendencją do zwiększania kwasowości hydrolitycznej. Wpływ benzyny na wyŝej

7 WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE GLEBY ZANIECZYSZCZONEJ wymienione parametry był zdecydowanie mniejszy niŝ oleju napędowego. Spośród zastosowanych substancji neutralizujących najsilniejszym i korzystnym działaniem na badane właściwości gleby wyróŝniały się i, zwłaszcza w odniesieniu do kwasowości hydrolitycznej. Wpływ u był takŝe na ogół pozytywny, ale znacznie mniejszy niŝ u i wapna. PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES OF THE SOIL CONTAMINATED WITH PETROLEUM COMPOUNDS, FOLLOWING THE APPLICATION OF NEUTRALIZING SUBSTANCES Mirosław Wyszkowski, Agnieszka Ziółkowska Department of Environmental Chemistry, University of Warmia and Mazury, Olsztyn Key words: petrol, diesel oil, soil,, e,, acidity, sorption capacity Summary The aim of the present study was to determine the effect of soil contamination with petrol and diesel oil (2.5, 5, and 10 cm 3 kg -1 soil) on the acidity and sorption capacity of the soil. In order to neutralize the impact of petroleum derivatives, s (3%), e (2% with respect to soil mass) and (the amount corresponding to full hydrolytic acidity) were applied to the soil. Soil contamination with diesel oil caused an increase in acidity, which manifested itself as a decrease in ph, sum of exchangeable cation bases, cation exchange capacity and base saturation of the soil, and as a tendency towards the increased hydrolytic acidity. The effect of petrol on the above parameters was much lower as compared with diesel oil. Among the neutralizing substances applied in the experiment, e and had the strongest and most beneficial influence on soil properties, particularly on hydrolytic acidity. The effect of was also positive, but much less significant. Dr hab. Mirosław Wyszkowski, prof. UWM Katedra Chemii Środowiska Uniwersytet Warmińsko-Mazurski Plac Łódzki OLSZTYN miroslaw.wyszkowski@uwm.edu.pl