M ETALE CIĘŻKIE W GLEBACH LEŚNYCH W ZDŁUŻ DROGI W YLOTOW EJ BYDGOSZCZ-INOW ROCŁAW

Transkrypt

1 ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE T. XLVI1 NR 3/4 WARSZAWA 1996: PIOTR M A LCZYK, W OJCIECH K ĘDZIA M ETALE CIĘŻKIE W GLEBACH LEŚNYCH W ZDŁUŻ DROGI W YLOTOW EJ BYDGOSZCZ-INOW ROCŁAW Katedra Gleboznawstw a Akademii Techniczno-R olniczej w B ydgoszczy WSTĘP Intensywny rozwój motoryzacji niesie ze sobą wiele ujemnych skutków w postaci skażenia środowiska zarówno ekosystemów leśnych i łąkowych oraz agroekosystemów tlenkami węgla, węglowodorami pierścieniowymi, tlenkami azotu i siarki, aldehydami, cząstkami azbestu i asfaltu, a także metalami ciężkimi [Curzydło 1988, 1995; Czarnowska 1994; Maciejewska, Skłodowski 1995]. W glebach leśnych znane jest zjawisko sorbowania metali ciężkich przez próchnicę nadkładową [Adamczyk 1984; Cieśla i in. 1993, 1994; Czarnowska i in. 1983; Prusinkiewicz, Pokojska 1989]. Utrudnia to ich wymywanie w głąb gleby, co powoduje pewne zakłócenia w przebiegu rozkładu i humifikacji szczątków organicznych. W rezultacie może mieć miejsce wzrastająca akumulacja słabo rozkładającego się opadu roślinnego i zmniejszenie szybkości obiegu pierwiastków biofilnych, których niedobory są w naszych glebach leśnych dotkliwe. W roku 1994 przeprowadzono badania, które miały na celu określenie wpływu oddziaływania zanieczyszczeń komunikacyjnych na akumulację Pb, Cd, Cu i Zn w leśnych glebach bielicowo-rdzawych, położonych wzdłuż drogi wylotowej Bydgoszcz-Inowrocław, o dużym nasileniu ruchu samochodowego. W badaniach chodziło też o ustalenie związków między stężeniem metali ciężkich a tymi właściwościami gleb, które decydują o ich akumulacji, uruchamianiu i przemieszczaniu. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Badany obszar występuje na terenie mezoregionu Kotlina Toruńska. Pokrywają go wydmy paraboliczne, porośnięte świeżymi borami sosnowymi. Na całym obszarze występują gleby tego samego podtypu, tzn. gleby bielicowo-rdzawe z próchnicą typu moder. Do badań wytypowano trzydzieści powierzchni położonych wzdłuż dziesięciokilometrowego odcinka drogi wylotowej z Bydgoszczy w kierunku Inowrocławia. Poszczególne punkty badawcze zlokalizowano w trzech strefach - А, В i C,

2 204 P. M alczyk, W. Kędzia oddalonych od drogi odpowiednio o 5, 50 i 100 m. Odległość pomiędzy punktami w każdej strefie wynosiła 1 km (rys. 1). Badaniami objęto także pięć profilów glebowych, usytuowanych w połowie analizowanej drogi i 150 m od jej krawędzi. Profile tworzyły transekt przecinający występującą tam wydmę paraboliczną o wysokości bezwzględnej 12 m. Dwa profile położone były od strony zawietrznej, jeden w kulminacji wydmy i dwa pozostałe od strony odwietrznej. Odległość między profilami wynosiła 25 m (rys. 1). Próbki z profilów glebowych pobrano z poszczególnych podpoziomów próchnicy nadkładowej i poziomów mineralnych do głębokości 150 cm. Dla oceny stopnia nagromadzenia metali ciężkich posłużyły próbki glebowe pobrane z tych profilów w latach 1985 i Podstawowe właściwości fizykochemiczne gleb analizowano metodami ogólnie przyjętymi w gleboznawstwie. Zawartość metali ciężkich oznaczono w roztworach uzyskanych po mineralizacji próbek w wodzie królewskiej [Lindsay 1972], a w przypadku próbek z poziomów i podpoziomów próchnicy nadkładowej po ich mineralizacji metodą prażenia termicznego w temp. 823 К i roztworzeniu pozostałości w roztworze HC1. Pomiary stężeń metali ciężkich wykonano techniką spektrometrii absorpcji atomowej za pomocą urządzenia PU 9100 X Philips. Współczynniki korelacji między stężeniem metali ciężkich a zawartością części spławialnych, frakcji ilastej, węgla organicznego, kwasowością wymienną i hydrolityczną, pojemnością sorpcyjną oraz odległością od drogi obliczono osobno dla próchnicy nadkładowej i osobno dla poziomów mineralnych. WYNIKI BA DA Ń I DYSKUSJA Badane gleby charakteryzuje skład granulometryczny luźnych piasków eolicznych z wyraźną selekcją substratu glebowego, spowodowaną procesami wydmotwórczymi. Dominującą frakcją jest piasek drobny, którego ilość wynosiła 50%. Średnia zawartość węgla organicznego w podpoziomach Ol wynosiła 49,05% i 34,54% w podpoziomach Of. W mineralnych poziomach genetycznych ilość węgla malała w profilach wraz z głębokością od 0,98% w poziomach AEes do 0,04% w skale macierzystej. Badane gleby wykazały odczyn bardzo silnie kwaśny. Wartości ph w KC1 były niskie i wynosiły w podpoziomach surowinowych 3,36, a w detrytusowych 2,89. W poziomach mineralnych zaś kształtowały się w zakresie ph od 3,2 w AEes do 4,5 w skale macierzystej. Kompleks sorpcyjny badanych gleb wysycony był głównie jonami wodoru i glinu. Świadczy o tym wielkość średniej kwasowości hydrolitycznej w podpoziomach próchnicy nadkładowej i w skale macierzystej (odpowiednio 132,72 i 0,81 cmol(+)/kg). Ilość kationów zasadowych w stosunku do całkowitej pojemności sorpcyjnej wahała się od 25,20 cmol(+)/kg w poziomach ściółki leśnej do 0,31 cmol(+)/kg w skale macierzystej. Bardzo kwaśny odczyn, niewielka ilość frakcji ilastej oraz niska zawartość węgla organicznego w poziomach mineralnych są przyczyną małej buforowości takich gleb, a tym samym słabej odporności na zanieczyszczenia chemiczne [Adamczyk 1984; Cieśla i in. 1993, 1994; Czarnowska i in. 1983; Plichta, Kuczyńska 1992;Prusinkiewicz,Pokojska 1989;Sawicka-Kapusta 1987]. Przeprowadzone badania wykazały, że zawartości wszystkich analizowanych metali w poziomach próchnicy nadkładowej zdecydowanie przewyższały stężenia

3 M etale ciężkie w glebach leśnych 205 BYDGOSZCZ RYSUNEK 1. Rozm ieszczenie powierzchni badawczych: A l...cio - powierzchnie badawcze, profile FIGURE 1. Location of study areas: A l...cio - study areas, profiles oznaczone w warstwie 5-10 cm; w przypadku ołowiu i kadmu od 2 do 4 razy, a cynku i miedzi od 1,5 do 3 razy (tab. 1). W organicznych próbkach powierzchniowych zawartość ołowiu mieściła się w przedziale od 18 do 103 mg/kg, a w warstwie 5-10 cm poziomów AEes od 9 do 51 mg/kg. Najwyższą ilość tego pierwiastka (zarówno w poziomach O, jak i AEes) ędnotowano w punktach badawczych położonych 5 m od drogi, a najniższą w odległości 100 m. Nagromadzenie ołowiu w strefach А, В i С było wyższe od wartości najczęściej spotykanych w tego typu glebach [Cieśla i in. 1992, 1993, 1994; Czarnowska i in. 1983]. Zawartości ołowiu w podpoziomach próchnicy nadkładowej i warstwach mineralnych (5-10 cm) prób powierzchniowych były ujemnie istotnie skorelowane z odległością od drogi (tab. 2 ). Podobna tendencja wystąpiła też w przypadku kadmu. Zawartość kadmu za-

4 206 P. M alczyk, W. Kędzia TABELA 1. Zawartość metali ciężkich [mg/kg] w glebach leśnych położonych w różnej odległości [m] od drogi wylotowej Bydgoszcz-Inowrocław TABLE 1. The content of heavy metals [mg/kg] in forest soils located of different distance [in] from of Bydgoszcz-Inowrocław exit road Nr pow. Area No Poziom Horizon Pb Cd Zn Cu [m] O ,7 2,1 1, AEes ,1 0,8 0, O ,4 2,0 1, AEes ,0 0,8 0, O ,1 1,8 1, AEes ,9 0,9 0, O ,2 2,2 1, AEes ,1 1,0 0, O ,7 1,2 0, AEes ,9 0,8 0, O ,0 U 1, T l AEes ,5 0,6 0, O ,7 1,3 0, AEes ,5 0,5 0, O ,6 1,2 0,9 104 " s T " AEes ,0 0,8 0, O " 69 2,0 1,7 1, "' AEes ,3 1,1 0, O ,3 1,7 1, AEes ,6 1,1 1, wierała się w zakresie od 0,9 do 2,7 mg/kg w poziomach organicznych i od 0,3 do 1,6 mg/kg w warstwie 5-10 cm (tab. 1). Obliczone współczynniki korelacji między zawartością Cd w próbach powierzchniowych pobranych z poziomów O i AEes a odległością od drogi wynosiły odpowiednio -0,436** i -0,406** (lab. 2). W odniesieniu do kadmu i ołowiu stwierdzono, że ich akumulacja w poszczególnych punktach badawczych była uzależniona również od zawartości węgla organicznego, kwasowości i pojemności sorpcyjnej gleb (tab. 2). Uzyskane wyniki pomiarów i obliczeń statystycznych potwierdzają poglądy innych autorów, że zawartość ołowiu i kadmu w glebach świadczy o ich największym zanieczyszczeniu w strefach położonych najbliżej drogi, co spowodowane jest wielkością emisji spalin. Nagromadzenie tych pierwiastków jest istotnie skorelowane z zawartością węgla organicznego, kwasowością i pojemnością sorpcyjną gleb [Cieśla i in. 1992, 1993, 1994; Curzydło 1988; Czarnowska i in. 1983; Czarnowska 1994]. Cynk i miedź w próbach powierzchniowych rozmieszczone były podobnie jak ołów i kadm. Największa ich akumulacja miała miejsce w poziomach ektopróchnicy. Stwierdzono natomiast mało istotne zależności między stężeniem Zn i Cu w glebach a odległością od drogi. Obrazują je obliczone współczynniki korelacji,

5 M etale ciężkie w glebach leśnych 207 TABELA 2. Współczynniki korelacji między zawartością metali ciężkich w glebach a niektórymi właściwościami gleb TABLE 2. Coefficients of correlation between heavy metals content in the soils and some soils properties Niektóre właściwości gleby Some soil properties ph (l МКС1) Kwasowość hydrolityczna Hydrolytic acidity Poziom Horizon O AEes O AEes % С org. O AEes Pojemność sorpcyjna Sorption capacity O AEes Pb Cd Zn Cu -0,738** -0,678** 0,675** 0,596** 0,692** 0,455** 0,690** 0,611** -0,637** -0,602** 0,828** 0,840** 0,847** 0,668** 0,843** 0,821** -0,203-0,260 0,902** 0,887** 0,966** 0,755** 0,927** 0*812** -0,277-0,310 0,776** 0,721** 0,771** 0,501** 0,780** 0,714** % frakcji - fractions <0,02 mm AEes -0,038-0,153-0,450* -0,636** % frakcji - fractions <0,002 mm AEes -0,118-0,298-0,360-0,029 Odległość od drogi Distance from road Głębokość w profilu Depth in profile *P = 0,05, **P = 0,01 O AEes -0,429** -0,411** -0,436** -0,406** -0,358* -0,333* -0,270* -0,280* -0,758** -0,614** -0,335-0,534* które odpowiednio wynosiły -0,358* i -0,270* dla poziomów próchnicy nadkładowej oraz -0,333* i -0,280* dla warstw 5-10 cm z poziomu AEes (tab. 2). Stężenie cynku w strefie A zawierało się w przedziale od 79 do 121 mg/kg w pjóchnicy nadkładowej i od 35 do 107 mg/kg w warstwie 5-10 cm. Natomiast w strefie oddalonej 100 m od drogi nagromadzenie tego pierwiastka było najczęściej zbliżone do zawartości naturalnej (tab. 1). Uwagę zwracają większe ilości cyni u w skrajnych punktach badanego obszaru, tj. 1A-C, 2A, 8A, 9A-C i 10A-C (rys. 1, tab. 1). Wzbogacenie gleb w tych miejscach jest najprawdopodobniej rezultatem oddziaływania zanieczyszczeń z aglomeracji bydgoskiej, graniczącej od północy z terenem badań. Natomiast w południowej części droga, wzdłuż której prowadzone były badania, przecina się z obwodnicą komunikacyjną o dużym nasileniu ruchu, która niewątpliwie wpływa na poziom akumulacji metali ciężkich w glebach. Jak wykazały badania, zawartość miedzi w badanych glebach nie była tak zróżnicowana jak w przypadku pozostałych analizowanych metali. W strefie A, położonej w bezpośredniej bliskości drogi, zarejestrowano od 10 do 39 mg Cu na 1 kg, w strefie В (50 m od drogi) od 9 do 37 mg/kg, a w strefie С (100 m) od 8 do 31 mg/kg gleby. Stężenie miedzi w punktach 1A, 10A i 10B tylko nieznacznie przekraczało wartości najczęściej spotykane [Cieśla i in. 1992, 1993, 1994; Czarnowska i in. 1983]. W próbkach powierzchniowych zarówno zawartość cynku, jak i miedzi zależała od ilości węgla organicznego, pojemności sorpcyjnej i kwasowości hydrolitycznej gleb. Tylko dla tych 2 pierwiastków stwierdzono istotne zależności ich

6 208 P. M alczyk, W. Kędzia stężenia od zawartości części spławialnych w warstwach 5-10 cm i brak współzależności z kwasowością wymienną gleb oraz zawartością frakcji ilastej (tab. 2). Badania profilowe przeprowadzone do głębokości 150 cm wykazały wzajemne podobieństwo rozmieszczenia Pb, Cd, Zn i Cu. Największe ilości tych pierwiastków znajdowały się w podpoziomach surowinowym oraz detrytusowym i kilkakrotnie przewyższały ich zawartość w poziomnach mineralnych. Bardzo wyraźnie zarysowała się tendencja do zmniejszania się zawartości metali ciężkich wraz z głębokością (tab. 2 i 3). Stwierdzone prawidłowości dotyczyły wyników badań prób glebowych pobranych zarówno w roku 1985, jak i w 1994 roku. Mimo dużego zróżnicowania rzeźby zwydmionego terenu badań, nie zauważono istotnych różnic w rozmieszczeniu metali ciężkich w poszczególnych profilach glebowych. Stwierdzono również, że nawet w odległości około 150 m od drogi zawartości Pb i Cd kształtują się na poziomie wskazującym na zanieczyszczenie gleb. W przypadku Zn i Cu obserwuje się zawartości zbliżone do naturalnych. W odniesieniu do ołowiu i kadmu jest to zagadnienie interesujące w tym względzie, że wielu autorów zauważyło, iż na terenach otwartych następuje zmniejszanie się ilości metali ciężkich wraz ze wzrostem odległości od drogi, najczęściej do m [Curzydło 1988; Czarnowska 1994; Czerwiński 1987; Rodrignez-Flores, Rodrignez-Castellon 1982]. Wydawać by się mogło, że roślinność leśna może stanowić skuteczną barierę dla rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń. Jednak prezentowane wyniki badań wskazują, że tak nie jest. Sądzić należy, że w tym przypadku czynnikami decydującymi o przestrzennym rozmieszczeniu i zasięgu występowania Pb i Cd były przede wszystkim wysokie natężenie emisji oraz lokalne uwarunkowania meteorologiczne, a wśród nich prędkość i kierunki wiatrów oraz turbulencje powietrza. Uzyskane wyniki badań w profilach wykazały, że w latach nastąpił wzrost koncentracji metali ciężkich w poszczególnych poziomach genetycznych badanych profilów (tab. 3). Największy wzrost zawartości metali ciężkich stwierdzono w podpoziomach surowinowych O l, co w przypadku Pb i Cd świadczy o ich antropogenicznym nagromadzeniu, spowodowanym zanieczyszczeniem powietrza. Natomiast wzrost stężenia Zn i Cu nie ma związku z wpływem komunikacji samochodowej. Wskazują na to wyniki badań powierzchniowych, w rezultacie których stwierdzono, że strefa wzbogacenia gleb w cynk nie przekracza 100 m, a w miedź 5 m, licząc od krawędzi drogi. W N IO S K I 1. W glebach leśnych położonych wzdłuż drogi wylotowej Bydgoszcz-Inowrocław najwyższą akumulację metali ciężkich stwierdzono w poziomach próchnicy nadkładowej. 2. Zawartość metali ciężkich w glebach zmniejszała się wraz z odległością od drogi i osiągnęła poziom naturalny dla Cu 5 m, a dla Zn 100 m od jej krawędzi, natomiast stężenia Pb i Cd przekraczały wartości najczęściej spotykane w leśnych glebach bielicowo-rdzawych, wytworzonych z piasków, nawet w odległości do 150 m od drogi. 3. W okresie stwierdzono w poziomach organicznych profilów wyraźny wzrost całkowitej zawartości kadmu i ołowiu w wyniku oddziaływania zanieczyszczeń komunikacyjnych.

7 M etale ciężkie w glebach leśnych 2 09 TABELA 3. Zawartość metali ciężkich [mg/kg] w profilach gleb leśnych w latach 1985 i 1994 TABLE 3. The content of heaavy metals [mg/kg] in forrest soils in the period 1985 and 1994 Nr profilu Profile No Poziom Horizon [cm] Głębokość Depth Pb Cd Zn Cu Pb Cd Zn Cu 1 Ol , , Of , , AEes , , Bv , , BvC OJ , С , ,1 18 1? Ol , , Of , , AEes , , Bv , , BvC , , С , , Ol , , Of , , AEes , , Bv , , BvC , , С , , Ol , , Of , , AEes , , Bv , , BvC ,0 18 1' 2 0, С , , Ol , , Of , , AEes , , Bv , , BvC , , С , , Zawartość metali ciężkich w badanych glebach uzależniona była od zawartości węgla organicznego, kwasowości, pojemności sorpcyjnej, a w mniejszym stopniu od zawartości części spławialnych. LITERATURA ADAMCZYK B. 1984: Soils. (In:) Grodziński W., Weiner J., Maycock P.F. Forest ecosystems in industrial regions, licol. Stud. 49, Springer Verlag: CIEŚLA W., DĄBKOWSKA-NASKRĘT H., BOROWSKA K., MALCZYK P., DŁUGOSZ J., JA WORSKA H., KĘDZIA W., ZALEWSKI W. 1994: Pierwiastki śladowe w glebach wybranych obszarów Pomorza i Kujaw. Zcsz. Probl. Post. Nauk Roi. 414: CIEŚLA W., MALCZYK P., KĘDZIA W. 1992: Mikroelementy w glebach lekkich dorzecza Brdy. Mat. VII Sym. "Mikroelementy w rolnictwie". Wrocław:

8 210 P. M alczyk, W. K ędzia CIEŚLA W., PACHOCKI K., MALCZYK P., KĘDZIA W. 1993: Stan radiochemiczny gleb województwa bydgoskiego. Sprawozdanie BZ-96/92. ATR, Bydgoszcz: CURZYDŁO J. 1988: Ołów i cynk w roślinach i glebach w sąsiedztwie drogowych szlaków komunikacyjnych. Rozpr. habil. Zesz. Nauk. AR и Krakowie' CURZYDLO J. 1995: Skażenia motoryzacyjne wzdłuż dróg i autostrad oraz sposoby przeciwdziałania ujemnym skutkom motoryzacji w środowisku. Zesz. Probl. Post. Nauk Roi. 418, 1: CZARNOWSKA K. 1994: Akumulacja niektórych metali ciężkich w glebach uprawnych i w liściach selera w pobliżu dróg wylotowych z Warszawy. Rocz. Glebozn. 45, 3-4: CZARNOWSKA K., GWOREK B., KOZANECKA T. 1983: Zawartość metali ciężkich w glebach i mchu Kampinoskiego Parku Narodowego. (W:) Wpływ działalności człowieka na środowisko glebowe w Kampinoskim Parku Narodowym. SGGW-AR, Warszawa: CZERWIŃSKI Z. 1987: The effect of highway traffic on abiotic environment. Poi. Ecol. Stud. 13, 3-4: KABATA-PENDIAS A., MOTOWICKA-TERELAK T., PIOTROWSKA M., TERELAK H.. WITEK T. 1993: Ocena stopnia zanieczyszczenia gleb i roślin metalami ciężkimi i siarką. Ramowe wytyczne dla rolnictwa. IUNG, Puławy: LINDSAY W. 1972: Inorganic phase equilibria of micronutrients in soils. Micronutricnts in agriculture. Soil Sei. Soc. Am. Madison. WI: 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: PLICHTA W., KUCZYŃSKA I. 1992: Metal contents in different disintegration fractions of mor humus. Z. Pflanzenernähr. Bodenk. 155: PRUSINKIEWICZZ., POKOJSKA U. 1989: Życie drzew w środowisku skażonym. Nasze drzewa leśne. 21, PWN, Poznań: RODRIGNEZ-FLORES M., RODRIGNEZ-CASTELLON E. 1982: Lead and cadmium levels in soil and plants near highways and their correlation with traffic density. Environ. Poll. 4, 4: SAWICKA-KAPUSTA K. 1987: Pathways of heavy metals in components of a forest ecosystem. Ecol. Pol. 35, 2:

9 M etale ciężkie w glebach leśnych 211 P. MALCZYK, W. KĘDZIA HEAVY METALS IN FOREST SOILS ALONG THE BYD- GOS ZCZ-IN O WROCŁAW EXIT ROAD Department o f Soil Science, University o f Technology and Agriculture in B ydgoszcz SUM M ARY The Leptic Podzols developed from dune sands, located along the Bydgoszcz- -Inowrocław exit road were investigated. In 1994 soil samples were taken from the organic horizons and tillage layers (5-10 cm). Sampling sites were located at the distance of 5, 50 and 100 m from the road. Samples were taken also from the 5 profiles in 1985 and Heavy metals (Pb, Cd, Zn and Cu) were determined by the methods AAS in solutions obtained as a result of soil samples digestion with aqua-regia. The highest contents of lead, cadmium, zinc and copper were found in organic horizons. The content of heavy metals in forest soil was lowering with the distance from the road. The content of Pb and Cd in the Leptic Podzols profiles increased because of the traffic pollution in the period D r ini. P io tr M alczyk K ai eel ra G lebo zna i vstw a A kadem ia T echniczno-r olnicza w B ydgoszczy B ydgoszcz, ul. B ernardyńska 6

10