Ocena zawartoœci rtêci w poziomach powierzchniowych i podpowierzchniowych intensywnie u ytkowanych rolniczo gleb aluwialnych

Transkrypt

1 DOI: /ssa SOIL SCIENCE ANNUAL Vol. 64 No 2/2013: AGATA BARTKOWIAK*, HANNA JAWORSKA, SZYMON RÓ AÑSKI Katedra Gleboznawstwa i Ochrony Gleb Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy Ocena zawartoœci rtêci w poziomach powierzchniowych i podpowierzchniowych intensywnie u ytkowanych rolniczo gleb aluwialnych Assessment of total mercury content in the surface and subsurface horizons in intensively used agricultural alluvial soils Abstract: One of the major factors determining hazard for humans, animals and plants is the increased content of trace elements in the environment. The aim of this study was to evaluate the content of mercury in surface and subsurface horizons of alluvial soils intensively used for agriculture in aspect of relationship between soil components and Hg amount bound by the soil. The results showed that there was no mercury contamination and dominant component binding this element in analyzed soils was clay fraction. The determined concentrations of mercury were close to the geochemical background level. S³owa kluczowe: rtêæ, gleby uprawne, aluwia, frakcja i³owa, wêgiel organiczny Key words: mercury, arable soils, alluvial soils, clay fraction, organic carbon WSTÊP Spoœród substancji maj¹cych negatywny wp³yw na œrodowisko mo na wyró niæ rtêæ. Jest ona pierwiastkiem niepe³ni¹cym funkcji yciowych dla roœlin, jednak e roœliny pobieraj¹ rtêæ jednoczeœnie z innymi substancjami z gleby. Je eli zabraknie substancji konkurencyjnych pobór rtêci przez roœliny jest odpowiednio wiêkszy (Gworek i Rateñska, 2009). W tkankach roœlinnych metal ten podlega silnemu wi¹zaniu przez grupy sulfhydrylowe bia³ek, co mo e powodowaæ zaburzenia procesu oddychania komórek. Rtêæ kumuluje siê g³ównie w korzeniach i st¹d w ró nym tempie transportowany jest do czêœci nadziemnych roslin. W œrodowisku glebowym wystêpowanie tego pierwiastka wi¹ e siê przede wszystkim z jego obecnoœci¹ w litosferze oraz dzia³alnoœci¹ cz³owieka (Klojzy-Kaczmarczyk i Mazurek, 2007). Mimo, e metal ten wystêpuje w niewielkich iloœciach mo e stanowiæ powa ne zagro enie dla organizmów, d³ugo utrzymuje siê w œrodowisku i mo e kr¹ yæ w atmosferze nawet do 2 lat (Rodriguez et al., 2009). * bartkowiak@utp.edu.pl Mo liwoœæ zanieczyszczenia agroekosystemów rtêci¹ jest stosunkowo ma³a i wystêpuje g³ównie poprzez stosowanie odpadów przemys³owych, herbicydów, insektycydów oraz nawozów mineralnych, zw³aszcza fosforowych produkowanych z fosforytów, pochodz¹cych z niektórych z³ó (Filipek, 2003; Kopeæ i Gondek, 2009; Sloan et al., 2001). Obecnie jednak w Polsce, zgodnie z Rozporz¹dzeniem Ministra (2008), iloœæ zanieczyszczeñ w nawozach mineralnych oraz œrodkach pochodzenia mineralnego wspomagaj¹cych uprawê roœlin jest normowana, a zawartoœæ rtêci nie mo e przekraczaæ 2 mg Hg na 1 kg masy nawozu lub œrodka wspomagaj¹cego. Proces obiegu rtêci w glebie zale y od wielu czynników m.in.: iloœci i formy w jakiej rtêæ zosta³a wprowadzona do gleby, odczynu gleby, sk³adu granulometrycznego, pojemnoœci sorpcyjnej gleby, iloœci materii organicznej, warunków oksydo-redukcyjnych i aktywnoœci mikrobiologicznej (Boszke et al., 2003; Gabriel i Williamson, 2004; Schlüter, 2000). Jak podaje literatura (Kabata-Pendias i Pendias, 2001; Ró- añski, 2009) istotnym czynnikiem, który decyduje o wi¹zaniu rtêci jest uziarnienie gleby. Obserwuje siê (Read content)

2 50 AGATA BARTKOWIAK, HANNA JAWORSKA, SZYMON RÓ AÑSKI wiêc zwiêkszenie iloœci tego pierwiastka w glebach ciê kich. Innym elementem odpowiedzialnym w znacznym stopniu za wi¹zanie rtêci w glebie jest materia organiczna (Boszke et al., 2008; Szopka et al., 2011), która uwa ana jest za filtr wi¹ ¹cy ten metal w glebie na tyle trwale, e w torfach i aluwiach mo e pozostaæ przez wiele lat (Schwesig i Krebs, 2003). Aby w przysz³oœci unikn¹æ jakichkolwiek zagro eñ ze strony rtêci nale y kontrolowaæ jej stê enie we wszystkich elementach œrodowiska, a przede wszystkim w glebie. Celem niniejszej pracy by³a ocena ca³kowitej zawartoœci rtêci w poziomach powierzchniowych i podpowierzchniowych intensywnie u ytkowanych rolniczo gleb aluwialnych, w kontekœcie ich zanieczyszczenia oraz analiza zale noœci pomiêdzy sk³adnikami gleby a zawartoœci¹ omawianego metalu. MATERIA I METODY Materia³ badawczy stanowi³o 14 próbek glebowych pobranych z mineralnych powierzchniowych i podpowierzchniowych poziomów gleb sklasyfikowanych jako mady czarnoziemne typowe (Komisja V Genezy, Klasyfikacji i Kartografii Gleb PTG, 2011). Mady poddane analizie tworz¹ pokrywê glebow¹ Basenu Unis³awskiego wchodz¹cego w sk³ad Doliny Dolnej Wis³y (rys. 1). Utwory aluwialne, z uwagi na swoj¹ yznoœæ i urodzajnoœæ, stanowi¹ powa ne ogniwo w gospodarce rolnej tego regionu. Do badañ wyselekcjonowano obszar gleb intensywnie u ytkowanych rolniczo, szczególnie pod uprawê pszenicy, rzepaku oraz pod polow¹ uprawê warzyw. Próbki do badañ pobrano z dala od punktowych Ÿróde³ zanieczyszczenia. Z ka dego punktu badawczego pobrano próbki z poziomu (powierzchniowego) i (podpowierzchniowego), poziomów wydzielonych na podstawie cech morfologicznych (Bartkowiak, 2010). Pobrane próbki glebowe po wysuszeniu przesiano przez sito o œrednicy oczek 2 mm i w tak przygotowanych próbkach oznaczono podstawowe w³aœciwoœci fizykochemiczne: ph w H 2 O i 1M KCl potencjometrycznie przy u yciu pehametru CPC 551; zawartoœæ wêgla organicznego przy zastosowaniu analizatora TOC firmy Skalar produkcji holenderskiej; zawartoœæ CaCO 3 metod¹ objêtoœciow¹ wg Scheiblera; natomiast udzia³ cz¹stek o œrednicy poni ej 0,002 mm metod¹ pipetow¹ (Soil Survey Investigation, 1996). Ca³kowit¹ zawartoœæ rtêci oznaczono metod¹ spektrometrii absorpcji atomowej, za pomoc¹ analizatora rtêci AMA 254, który jednoczeœnie mineralizuje próbkê glebow¹ oraz dokonuje pomiaru rtêci uwalnianej z próbki w wyniku mineralizacji. W celu sprawdzenia wiarygodnoœci zastosowanej procedury badawczej do pomiarów u yto równie certyfikowanego materia³u referencyjnego TraceMetals Loamy Clay No. CRM Wszystkie oznaczenia laboratoryjne wykonano w trzech powtórzeniach, a w pracy przedstawiono œredni¹ arytmetyczn¹. Dla stwierdzenia ewentualnych interakcji pomiêdzy w³aœciwoœciami fizykochemicznymi a ca³kowit¹ zawartoœci¹ rtêci, przeprowadzono analizê statystyczn¹ wyników (wspó³czynniki korelacji prostych Pearsona przy p<0,05) wykorzystuj¹c program komputerowy Statistica 10. WYNIKI I DYSKUSJA Cech¹, która charakteryzowa³a wszystkie analizowane próbki glebowe, by³a du a zawartoœæ wêglanu wapnia. Poddane analizie poziomy powierzchniowe zawiera³y od 15,9 do 26,5% CaCO 3, natomiast w poziomach podpowierzchniowych wartoœæ ta waha³a siê w przedziale od 6,7 69,3% (tab. 1). Du e iloœci CaCO 3 decydowa³y o obojêtnym lub s³abo alkalicznym odczynie gleb. Zarówno kwasowoœæ wymienna jak i czynna, nie wykazywa³y zró nicowania pomiêdzy badanymi próbkami gleb. Wartoœci ph odpowiadaj¹ce kwasowoœci czynnej mieœci³y siê w zakresie od 7,23 do 7,84, natomiast wymiennej od 6,96 do 7,41. W badanych poziomach zawartoœæ wêgla organicznego wynosi³a odpowiednio dla poziomów : 50,2 80,3 g kg 1 i dla poziomu od 5,1 do 78,0 g kg 1 (tab. 1). Œrednio zawartoœæ wêgla organicznego w poziomach wynios³a 62,2 g kg 1, a w poziomach 54,1 g kg 1. Du a zawartoœæ Corg jest jedn¹ z cech wyró niaj¹cych te gleby na terenie badanego obszaru, ze wzglêdu na ich przynale noœæ do typu mad czarnoziemmnych. Przeprowadzona analiza sk³adu granulometrycznego pozwoli³a na sklasyfikowanie analizowanych próbek do 6 grup granulometrycznych (PTG, 2009): glina lekka, glina ciê ka, glina ciê ka pylasta, py³ ilasty, i³ pylasty, i³ (tab. 1). Ca³kowita zawartoœæ rtêci w badanych próbkach gleb waha³a siê w granicach od 42,1 do 130,4 µg kg 1 (tab. 2). Œrednio zawartoœæ rtêci w badanych poziomach glebowych wynosi³a dla poziomów powierzchniowych 97,0 µg kg 1, natomiast dla poziomów podpowierzchniowych 87,2 µg kg 1. Stwierdzone w wyniku badañ wartoœci by³y nieco wy sze od wyników, które uzyskali D¹bkowska-Naskrêt et al. (2008) w glebach intensywnie u ytkowanych rolniczo obszaru Pomorza i Kujaw. Dla badanego regionu zawartoœæ rtêci w analizowanych glebach by³a zró nicowana i waha³a siê dla poziomów powierzchniowych w granicach: 3,06 89,11µg kg 1, a dla poziomów podpowierzchniowych: 2,69 149,53 µg kg 1. Jeszcze

3 51 :LVáD.RNRFNR %UXNL.RNRFND Miejsce 0LHMVFHÃSRELHUDQLD pobierania próbek SUyE &KHáPQR *RáRW\ 2EV]DUEDGD %UXNL 8QLVáDZVNLH 6WDEOHZLFH 8QLVáDZ 1: %<'*26=&= 5DFLQLHZR *U]\EQR *ád HZR 7258 RYSUNEK 1. Po³o enie profili glebowych FIGURE 1. Location of the investigated soil profiles (Topographic Map of Poland, sheet no Kijewo Królewskie, 1981) TABELA 1.Wybrane w³aœciwoœci fizykochemiczne badanych gleb TABLE 1. Selected physicochemical properties of studied soils TABELA 2. Zawartoœæ rtêci w glebach TABLE 2. The content of mercury in soils No Poziom Horizon G³êbokoœæ Depth(cm) ph H 2 O 7,67 7,76 7,59 7,68 7,84 7,57 7,60 7,68 7,60 7,53 7,38 7,37 7,23 1M KCl 7,03 7,12 7,13 7,15 7,41 7,30 7,33 7,26 7,20 7,30 7,20 7,25 CaCO3 (%) 16,2 29,8 21,8 27,2 24,4 25,6 26,5 6,7 23,6 24,9 15,9 69,3 25,0 46,8 Corg ( g g k 1 ) 55,8 77,3 63,9 65,9 60,9 65,7 59,4 19,7 80,3 78,0 50,2 5,1 64,9 58,3 Frakcja Fraction < 0,002 (%) 48,3 70,6 64,0 60,3 40,6 38,5 51,0 18,3 60,0 64,5 66,5 29,3 35,6 31,3 Zawartoœ æ rtêci The content of mercury 1 ( µg kg ) Poziom Horizon Wartoœ ci Values min 73,9 42,1 max 119,9 130,4 œrednia mean 97,0 87,2 Objaœnienia Explanations: poziomy powierzchniowe (surface horizons); poziomy podpowierzchniowe (subsurface horizons).

4 52 AGATA BARTKOWIAK, HANNA JAWORSKA, SZYMON RÓ AÑSKI wiêksze zró nicowanie zawartoœci rtêci, do 4030 µg kg 1, uzyskali Ró añski i D¹bkowska-Naskrêt (2011) w badaniach gleb Bydgoszczy. Tak du e nagromadzenie rtêci by³o spowodowane najprawdopodobniej rozwojem przemys³u oraz dostaj¹cej siê do gleby rtêci z procesu spalania wêgla i wzmo onego ruchu samochodowego. Zgodnie z zaleceniami zawartymi w Rozporz¹dzeniu Ministra Œrodowiska z dnia 9 wrzeœnia 2002 r. w sprawie standardów jakoœci gleb oraz standardów jakoœci ziemi, na badanym terenie nie stwierdzono przekroczenia dopuszczalnej ca³kowitej zawartoœci rtêci w poziomach ornopróchnicznych, na g³êbokoœci do 0,3 m, wynosz¹cej 2000 µg kg 1. Odnosz¹c siê do literatury (Kabata-Pendias i Pendias, 2001), wed³ug której zawartoœæ rtêci dla niezanieczyszczonych gleb Polski mieœci siê na poziomie µg kg 1, mo na stwierdziæ, e zawartoœæ tego metalu w badanych glebach jest zbli ona do poziomu t³a geochemicznego. Przeprowadzone obliczenia statystyczne wykaza- ³y istotny dodatni wspó³czynnik korelacji pomiêdzy zawartoœci¹ ca³kowit¹ rtêci a zawartoœci¹ frakcji i³owej (r=0,698, p<0,005) (rys. 2). Boszke et al. (2004) oraz Sarkar et al. (2000) w swoich badaniach stwierdzili, e o sorpcji metali ciê kich, w tym równie rtêci, decyduj¹ minera³y ilaste, które s¹ istotnym elementem buduj¹cym kompleks sorpcyjny gleb. Uzyskane wyniki potwierdzi³y znaczenie sorpcji Hg przez minera³y ilaste, zawarte w powierzchniowych poziomach ( i ) badanych gleb. Na tak¹ zale noœæ wskazuj¹ równie badania Jaworskiej et al. (2009), które mówi¹ o minera³ach ilastych oraz materii organicznej jako czynnikach glebowych decyduj¹cych o sorpcji tego pierwiastka. Szerzej zjawisko wi¹zania rtêci przez materiê organiczn¹ opisuje Wallschläger (1998), który w swoich badaniach wykaza³, e spoœród wszystkich sk³adników glebowych wi¹ ¹cych rtêæ w warstwach powierzchniowych gleb, najwa niejsz¹ rolê odgrywa próchnica. W glebach o odczynie od s³abo kwaœnego do alkalicznego, rtêæ zostaje zwi¹zana silnie z substancjami humusowymi. W badaniach w³asnych nie stwierdzono zale noœci pomiêdzy zawartoœci¹ rtêci a zawartoœci¹ wêgla organicznego. Mo e byæ to spowodowane obojêtnym i zasadowym odczynem badanych gleb. Jak podaje literatura (Schlüter, 1995) materia organiczna jest podstawowym adsorbentem rtêci w warunkach kwaœnego odczynu. W glebach o odczynie obojêtnym i alkalicznym lepsze w³aœciwoœci sorpcyjne w stosunku do tego metalu wykazuj¹ minera³y ilaste oraz tlenki elaza i glinu. Badania Sloana et al. (2001) s¹ równie dowodem na istnienie s³abych korelacji pomiêdzy stê eniem rtêci a zawartoœci¹ materii organicznej. WNIOSKI 1. W uprawnych glebach aluwialnych wystêpuj¹cych na badanym obszarze nie stwierdzono zanieczyszczenia rtêci¹. Zawartoœæ badanego metalu by³a zbli ona do poziomu t³a geochemicznego. Hg tot (mg kg 1 ) RYSUNEK 2. Relacje miêdzy zawartoœci¹ frakcji i³u w glebach a zawartoœci¹ ca³kowit¹ rtêci FIGURE 2. The relationships between clay fraction and the total concentration of mercury

5 53 2. Uzyskane wyniki, potwierdzone analiz¹ statystyczn¹ (wspó³czynniki korelacji Pearsona) wykaza³y istotn¹ rolê frakcji i³u koloidalnego w wi¹zaniu rtêci. 3. Analiza statystyczna wyników nie wykaza³a istotnych zale noœci pomiêdzy zawartoœci¹ rtêci a iloœci¹ materii organicznej. LITERATURA Bartkowiak A., Morfologia i wybrane w³aœciwoœci fizykochemiczne niejednorodnych osadów wêglanowych na obszarze Basenu Unis³awskiego. Rocz. Glebozn. 61(1): Boszke L., Kowalski A., Astel A., Barañski A., Gworek B., Siepak J., Mercury mobility and bioavailability in soil from contaminated area. Environ. Geol. 55: Boszke L., Kowalski A., G³osiñska G., Szarek R., Siepak J., Environmental factors affecting speciation of mercury in the bottom sediments; an overview. Polish J. Environ. Stud. 12: Boszke L., Kowalski A., Siepak J., Grain size partitioning of mercury in sediments of the middle Odra River (Germany/ Poland).Water Air Soil Pollut. 159: D¹bkowska-Naskrêt H., Bartkowiak A., Ró añski S., Zawartoœæ rtêci w glebach intensywnie u ytkowanych rolniczo obszaru Pomorza i Kujaw. Ochr. Œrodow. i Zasob. Natur. 35/ 36: Filipek T., Toksyczne pierwiastki (Cd, Pb, Hg, As) w glebach i roœlinach w odniesieniu do dopuszczalnych ich zawartoœci w nawozach i œrodkach do odkwaszania. Chemik 11: Gabriel M.C., Williamson D.G., Principal biogeochemical factors affecting the speciation ad transport mercury through the terrestrial environment. Environ. Geochem. Health. 26: Gworek B., Rateñska J., Migracja rtêci w uk³adzie powietrze-gleba-roœlina. Ochr. Œrodow.i Zasob. Natur. 41: Jaworska H., D¹browska-Naskrêt H., Ró añski S., Total Content of mercury in arable soils in the vicinity of Lafarge Cement Poland S.A plant. Ecol. Chem. Eng. 16(10): Kabata-Pendias A., Pendias H Trace Elements in Soils and Plants, 3rd.ed., CRC Press. Klojzy-Kaczmarczyk B., Mazurek J., Zanieczyszczenie gleb zwi¹zkami rtêci w zasiêgu oddzia³ywania konwencjonalnej elektrowni na paliwo wêglowe. Polityka Energetyczna 10(2): Komisja V Genezy, Klasyfikacji i Kartografii Gleb PTG, Systematyka Gleb Polski. Wyd. 5. Rocz. Glebozn. 62(3): Kopeæ M., Gondek K., Zawartoœæ rtêci w roœlinach górskiego u ytku zielonego (Czarny Potok) po 40 latach zró nicowanego nawo enia mineralnego. In. Ekolog. 21: PTG, Klasyfikacja uziarnienia gleb i utworów mineralnych PTG Rocz. Glebozn. 60(2): Rodriguez Martin J.A., Carbonell Martin G., Lopez Arias M., Grau Corbi J.M., Mercury content in topsoils, and geostatistical methods to identyfyantropogenic input in the Ebro basin (Spain). Spanish J. Agricult. Res. 7(1): Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska z dnia 9 wrzeœnia 2002 r. w sprawie standardów jakoœci gleby oraz standardów jakoœci ziemi. Dz.U. Nr 165, poz Rozporz¹dzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi w sprawie wykorzystania niektórych przepisów ustawy o nawozach i nawo eniu. Dz.U Nr 119, poz.765. Ró añski S., The content of mercury in arable soils considering pedogenic, lithogenic and anthropogenic factors. Fres. Environ. Bull. 18(7): Ró añski S., D¹bkowska-Naskrêt H., Przestrzenne i profilowe rozmieszczenie rtêci w urbanoziemach miasta Bydgoszczy. Ochr. Œrodow. i Zasob. Natur. 49: Sarkar D., Essington M.E., Mistra K.C., Adsorption of mercury (II) by kaolinite. Soil Sci. Soc. Am. J. 64: Schlüter K., Mercury translocation in and evaporation from soil: II Evaporation of mercury from podzolised soil profiles treated with HgCl 2 and CH 3 HgCl. J. Soil Contan. 4: Schlüter K., Review: evaporation of mercury from soil. An integration and synthesis of current knowledge. Environ. Geol. 39: Schwesig D., Krebs O., The role of ground vegetation in the uptake of mercury in a forest ecosystem. Plant and Soil. 253: Soil Survey Investigation, Soil Survey Laboratory. Metods Manual. Raport No 42, v.3.0. Sloan J.J., Dawdy R.H., Balogh S.J., Nater E., Distribution of mercury in soil and its concentration in runoff from a biosolids-amended agricultural watershed. J. Environ. Qual. 30: Szopka K., Karczewska A., Kaba³a C., Mercury accumulation in the surface layers of mountain soils: a case study from the Karkonosze Mountains, Poland. Chemosphere 83(11): Wallschläger D., Desai M.V.M., Splenger M., Wilken R., How humic substances dominate mercury geochemistry in contaminated floodplain soils and sediments. J. Environ. Qual. 27: Received: March 1, 2013 Accepted: August 19, 2013