Roczniki AR w Poznaniu CCCX, Melior. InŜ. Środ. 20, cz.i: 77-85 (1999) STAN GEOCHEMICZNY GLEB I JAKOŚĆ PŁODÓW ROLNYCH W STREFIE ODDZIAŁYWANIA TRASY KOMUNIKACYJNEJ POZNAŃ-ŚWIECKO Jarosław Potarzycki, Witold Grzebisz, Maria Biber, Jean Bernard Diatta Katedra Chemii Rolnej AR im. A. Cieszkowskiego 60-6 Poznań, ul.wojska Polskiego 71F ABSTRACT: Winter wheat, winter rape and sugar beet were analyzed for heavy metal content in the area neighboring the highway Poznań-Świecko (A-2) at the locality Sady. The soil and crops spatial Pb and Cd distribution uniformly showed that the main sources of these metals were imputed to traffic. In all crops Pb and Cd content several times exceeded the threshold values, disqualifying these products for consumption usefulness. Zinc and copper concentrations in soil and crops were below the permissible levels. Atmospheric deposition was the main source of metal concentration and distribution in the crop organs. KEY WORDS: Heavy Metals, Highway, Winter Wheat, Winter Rape, Sugar Beet, Contamination WSTĘP Intensywne natęŝenie ruchu pojazdów samochodowych powoduje wzrost zanieczyszczenia środowiska tlenkami węgla, siarki i azotu, a takŝe metalami cięŝkimi. Szacuje się, Ŝe w Polsce około % zanieczyszczeń ma pochodzenie komunikacyjne (CURZYDŁO i in. 1995). Szczególnie naraŝone są tereny połoŝone w sąsiedztwie tras szybkiego ruchu, zwłaszcza, Ŝe zwykle są to obszary niezabudowane i niezadrzewione, a więc pozbawione naturalnych barier ograniczających rozprzestrzenianie się szkodliwych substancji. Pierwiastki anionowe (azot, siarka) są zatrzymywane w powierzchniowej warstwie gleby w zdecydowanie mniejszych ilościach niŝ metale cięŝkie, a przemieszczając się w głąb profilu glebowego, mogą przyczyniać się do eutrofizacji wód gruntowych. Metale cięŝkie natomiast, migrują w glebie bardzo powoli i w związku z tym naleŝą do najbardziej trwałych zanieczyszczeń. Obecne w środowisku pierwiastki śladowe powodują biologiczną degradację gleby, a pobrane przez rośliny mogą być włączone w łańcuch pokarmowy (KABATA- PENDIAS i in. 1993). Ponadto, na obszarach o duŝym potencjalnym zagroŝeniu ekologicznym, istnieje niebezpieczeństwo absorpcji szkodliwych substancji przez rośliny bezpośrednio z atmosfery. Bez względu na źródło pochodzenia, metale cięŝkie stanowią powaŝne zagroŝenie dla zdrowia ludzi i zwierząt (ELHELU i in. 1995, BERNHARD i in. 1976). Celem pracy jest ocena stanu gleb i jakości płodów rolnych w strefie oddziaływania trasy komunikacyjnej o duŝym natęŝeniu ruchu pojazdów.
METODYKA BADAŃ Badania prowadzono latem 1998 roku, w miejscowości Sady, na wybranych stanowiskach zlokalizowanych w odległości od do 0 metrów od trasy szybkiego ruchu Poznań-Świecko (A-2). Próbki gleby, o składzie granulometrycznym piasku słabogliniastego, pobrano z warstwy 0-20 cm i określono w nich zawartość ołowiu (Pb), kadmu (Cd), cynku (Zn), miedzi (Cu), a ekstrakcję wymienionych metali prowadzono z uŝyciem wody królewskiej na gorąco przez dwie godziny. W glebie oznaczono takŝe węgiel organiczny metodą Tiurina oraz ph w 1M KCl. Do badań wykorzystano trzy rośliny uprawne: rzepak ozimy, pszenicę ozimą oraz buraki cukrowe. Próbki roślinne pobrano w fazie dojrzałości pełnej, przy czym w przypadku rzepaku i pszenicy oddzielnie analizowano słomę oraz organy generatywne (nasiona, ziarno), natomiast w odniesieniu do buraków cukrowych ocenie poddano korzenie i liście. W materiale roślinnym oznaczono w/w metale cięŝkie wg klasycznej metody analitycznej, spalając materiał roślinny w temperaturze 4 0 C, a następnie rozpuszczając popiół w kwasie azotowym. Do oceny stopnia skaŝenia gleb przyjęto następujące wartości krytyczne, określające jednocześnie dolną granicę skaŝenia : Pb-70,0; Cd-1,0; Zn-,0 i Cu-30,0 mg/kg gleby (KABATA-PENDIAS i in. 1993). Poziom skaŝenia materiału roślinnego analizowano z wykorzystaniem wartości granicznych, opracowanych przez Instytut Uprawy, NawoŜenia i Gleboznawstwa (IUNG) w Puławach (KABATA-PENDIAS i in. 1993). OMÓWIENIE WYNIKÓW I DYSKUSJA Zawartość węgla organicznego w badanych glebach wahała się w granicach od 7,4 do 8,5 g/kg gleby (Tabela 1). Niewielka zawartość próchnicy, cząstek ilastych oraz ilu koloidalnego, wskazuje na ograniczoną moŝliwość wiązania metali w glebie, a tym samym większe pobranie przez rośliny. Gleby z wszystkich punktów badawczych miały odczyn lekko kwaśny, przyjmując wartości w przedziale od 5,8 (stanowisko z rzepakiem ozimym) do 6,4 (z burakami cukrowymi). Zawartość ołowiu, cynku i miedzi mieściła się w zakresie wartości naturalnych dla gleb uprawnych (Tabela 2). Jedynie zawartość kadmu w badanych glebach, przekraczała poziom naturalny wynoszący 0,3mg Cd/kg gleby. W próbkach gleby pobranych ze stanowisk, w których uprawiano pszenicę ozimą i buraki cukrowe, zanieczyszczenie gleby kadmem stwierdzono, w strefie do m od krawędzi jezdni, a na obiekcie z rzepakiem ozimym podwyŝszoną zawartość kadmu odnotowano w odległości do 3 m.
Koncentracja badanych pierwiastków zmniejszała się asymptotycznie wraz z odległością od trasy komunikacyjnej. Prawidłowość ta była szczególnie widoczna w odniesieniu do ołowiu i kadmu, co moŝe być wskaźnikiem oddziaływania komunikacji jako źródła akumulacji tych metali w glebie. ZaleŜności te przedstawiają następujące równania regresji: Pb = 24,654 0,013x, R 2 = 95% dla p 0,01, n=6 (1) Cd = 0,388 0,001x, R 2 = 72% dla p 0,05, n=6 (2) gdzie x odległość od krawędzi jezdni (m) W stanowisku z rzepakiem ozimym pierwszy wyraźny spadek zawartości ołowiu i kadmu wystąpił dopiero w odległości 3 m od krawędzi jezdni, natomiast w glebie obsianej pszenicą ozimą zmniejszenie się koncentracji ołowiu nastąpiło w odległości m. Z kolei w glebie, na której uprawiono buraki cukrowe, zawartość ołowiu i kadmu spadała systematycznie w całej strefie do 0 m. Zmniejszanie się zawartości ołowiu i kadmu w glebie, w miarę wzrostu odległości od tras szybkiego ruchu, potwierdzają badania wielu autorów (GRZEBISZ i in.1997, CURZYDŁO 1995, MACIEJEWSKA i in.1995 i KADAR 1992a ), przy czym zanieczyszczenie ołowiem gleb połoŝonych przy arteriach komunikacyjnych zaleŝy przede wszystkim od wielkości emisji (CHOW 1970 za MACIEJEWSKĄ i in.1995). Zakładając, Ŝe 18,3 mg Pb/kg (średnia zawartość ołowiu w odległości 0m od krawędzi jezdni) reprezentuje poziom zbliŝony do naturalnego na tym obszarze, to w strefie do m, nadmiar ołowiu wynosi ponad 16,0 kg Pb/ha. Zawartość miedzi w glebie wahała się w granicach od do 10,4 mg/kg, a cynku w przedziale 10,3-27,0 mg/kg. Pierwiastki te uznawane są za mikroelementy niezbędne dla roślin, a ich naturalna zawartość w glebach lekkich wynosi odpowiednio 15 i mg/kg (KABATA- PENDIAS i in. 1993). Tak niewielka zawartość cynku i miedzi w badanych glebach moŝe być wręcz czynnikiem limitującym plonowanie roślin. Rośliny uprawiane na obszarze będącym przedmiotem badań, poddano ocenie zarówno pod względem przydatności konsumpcyjnej jak i paszowej. NiezaleŜnie od gatunku uprawianej rośliny, w Ŝadnym z organów, nie zanotowano przekroczenia wartości krytycznych dla miedzi i cynku (Tabele 3-5). Kryteria przydatności konsumpcyjnej w nasionach rzepaku zostały przekroczone dla ołowiu ponad 4-krotnie, a dla kadmu średnio 3,5-krotnie (Tabela 3). W % badanych próbek nasion oraz we wszystkich próbkach słomy, zakwestionowano ich przydatność paszową, a pierwiastkiem skaŝającym był kadm. Ponadto, stwierdzono 2-krotnie większą koncentrację
ołowiu w organach wegetatywnych (słomie), w porównaniu z nasionami. W odniesieniu do rzepaku nie odnotowano wyraźnego związku między odległością od krawędzi jezdni, a zawartością badanych pierwiastków w roślinie. ZauwaŜono jedynie trend do zmniejszania się zawartości ołowiu i miedzi w słomie rzepaczanej, lecz dopiero w strefie powyŝej m od trasy szybkiego ruchu. Wykorzystanie ziarna pszenicy na cele konsumpcyjne eliminowała nadmierna zawartość kadmu i ołowiu (Tabela 4). Stwierdzono ścisłą zaleŝność między odległością od jezdni a zawartością ołowiu w ziarnie (r = - 0,85 dla p 0,05 ; n=6), co oznacza, Ŝe przekroczenia wartości granicznej dla tego metalu zmniejszało się z ponad 5-krotnego w strefie - m, do 2-krotnego w odległości 0 m od trasy szybkiego ruchu. Tak więc, poziom zawartości ołowiu w ziarnie, odzwierciedlał przestrzenny rozkład zanieczyszczenia tym pierwiastkiem, uwzględniając jednocześnie glebę jako jego źródło ( współczynnik korelacji między zawartością Pb w ziarnie i glebie r = 0,83 dla p 0,05 ; n=6). Zawartość kadmu w ziarnie pszenicy wielokrotnie przekraczała normy przydatności konsumpcyjnej, a w 1/3 przypadków takŝe normy przydatności paszowej. Wysoka koncentracja ołowiu w słomie, nie była związana z odległością od jezdni oraz z zawartością Pb w glebie. Wskazuje to na znaczną akumulację zanieczyszczeń takŝe w większej odległości od źródła ich emisji. Na moŝliwość przemieszczania się pyłów zawierających metale cięŝkie, na dalsze odległości, zwracają uwagę KADAR (1992b) i TILLER (1989). Pierwiastkiem ograniczającym wykorzystanie słomy pszenicy ozimej na paszę był kadm, przy czym przekroczenia normy odnotowano w % badanych prób. Organy buraków cukrowych oceniano pod względem przydatności paszowej. Korzenie buraków nie wykazały przekroczenia wartości krytycznych w odniesieniu do badanych metali (Tabela 5). Generalnie zawartość ołowiu w liściach buraków wykazywała tendencję do spadku koncentracji w miarę oddalania się od jezdni. Podobny rozkład zawartości zanotowano dla kadmu, z tą jednak róŝnicą, Ŝe koncentracja tego pierwiastka uniemoŝliwiała przeznaczenie liści buraczanych na paszę. Liście buraków wykazały znacznie większą zdolność do akumulacji ołowiu niŝ korzenie, przy czym zawartość metalu znacznie wyraźniej odzwierciedlała stopień oddziaływania trasy komunikacyjnej na rozmieszczenie Pb na badanym obszarze. Zdecydowanie więcej ołowiu i kadmu w liściach selera, w porównaniu z korzeniami, odnotował CURZYDŁO (1995), badając zanieczyszczenia motoryzacyjne wzdłuŝ trasy Warszawa-Poznań. LEPPER (1978) stwierdził, Ŝe skaŝenie roślin ołowiem ma swe źródło w powietrzu. Ołów pochodzący z atmosfery, absorbowany przez organy nadziemne, moŝe stanowić 90% całej jego zawartości w roślinie (DALENBERG i in.1990). Zatem wyraźnie większą koncentrację ołowiu i
kadmu w słomie (zwłaszcza rzepaczanej), w porównaniu z organami generatywnymi (ziarno, nasiona), moŝna tłumaczyć dłuŝszym okresem ekspozycji na opadające pyły. Niski poziom zawartości badanych pierwiastków w glebie, potwierdza rolę opadu atmosferycznego jako źródła skaŝenia płodów rolnych. WNIOSKI 1.Przestrzenne rozmieszczenie ołowiu i kadmu jednoznacznie wskazuje na komunikację jako źródło przekroczeń wartości krytycznych dopuszczalnych dla płodów rolnych oraz zanieczyszczenia gleby. 2.W strefie oddziaływania trasy komunikacyjnej nie stwierdzono skaŝenia gleb badanymi metalami cięŝkimi. 3.Zawartość ołowiu i kadmu w nasionach rzepaku i ziarnie pszenicy ozimej, na całym badanym obszarze, wielokrotnie przekraczała normy, tym samym wykluczając ich przydatność konsumpcyjną. 4.Metalem ograniczającym przeznaczenie analizowanych roślin na paszę jest kadm. 5.Koncentracja badanych pierwiastków w poszczególnych organach roślinnych, wskazuje na rolę opadu atmosferycznego, jako głównego źródła metali cięŝkich. SOIL GEOCHEMICAL STATUS AND QUALITY OF CROPS WITHIN THE AREA NEIGHBORING POZNAŃ-ŚWIECKO HIGHWAY (A-2) SUMMARY Investigations were carried out in summer 1998 at the locality Sady. Selected sites for soil (0-20 cm) and plant material sampling were within the distance to 0 m from the Poznań-Świecko highway border (A-2). Winter rape, winter wheat and sugar beet were harvested at full maturity and for winter rape and winter wheat analyses were run separately on straw and seeds, whereas for sugar beet on roots and leaves. Soil samples as well as plant material were analyzed for Pb, Cd, Zn and Cu. Metal content of these soils did not exceed the natural levels observed in arable soils, except for Cd, which concentration within m from the road border amounted on average for 0.3 mg/kg. It was found that the criteria of consumption usefulness for winter rape seed were 4-fold and 3.5-fold surpassed for Pb and Cd respectively. This state was not directly related to the distance from the road border. The excessive Pb and Cd content in wheat grain was a reason for disqualifying this product for consumption. A close relationship was obtained between Pb concentration in the grain and the distance (r = -0.85, P < 0.05). Within - m
the threshold value was exceeded 5-fold, decreasing up to 2-fold at 0 m. The usefulness of sugar beet roots for consumption was disqualified due a markedly high Pb and Cd concentration, which in the case of Pb exceeded 3-fold the permissible level. Sugar beet leaves accumulated more Pb than roots, with a decreasing trend from the road border. In the area neighboring the highway no soil contamination by Zn and Cu was observed. LITERATURA BERNHARD M., MICHAŁOWSKA J., RADZIMIRSKI S. (1976): Motoryzacyjne skaŝenia powietrza. Wyd. KiŁ W-wa CURZYDŁO J.(1995): SkaŜenia motoryzacyjne wzdłuŝ dróg i autostrad oraz sposoby przeciwdziałania ujemnym skutkom motoryzacji w środowisku. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. z 418: 2-270 DALENBERG J.W., VAN DRIEL W. (1990): Contribution of atmospheric deposition to heavy metal concetration in field crops. Neth. J. Agric. Sci. 38: 367-379 ELHELU M.A., CALDWELL D.T., HIRPASSA W.D. (1995): Lead in inner-city and possible contraibution to childern s blood level. Arch. Environ. Health., 2: 165-169. GRZEBISZ W., BŁOCHOWIAK A., POTARZYCKI J., DIATTA J.B.(1997): Initial evalution of the state urban soil contaminated by heavy metals on the basis of the city Poznań. Proceedings of 2nd International Symposium on Metal Elements in Environment., Medicine and Bology. Timisoara, Roumania, (Eds. Garban Z., Dragan P.): 2-230 KABATA-PENDIAS A., MOTOWICKA-TERELAK T., PIOTROWSKA M., TERELAK H., WITEK T. (1993): Ocena stopnia zanieczyszczenia gleb i roślin metalami cięŝkimi i siarką. IUNG, Puławy. KADAR I. (1992a): Effect of traffic and urban-industrial load on soil. Manuscript of Res. Institute for Soil Sci. and Agri. Chemistry, Budapest, Hungary. KADAR I. (1992b): Effect of heavy metal load in soil and crop. Manuscript of Res. Institute for Soil Sci. and Agri. Chemistry, Budapest, Hungary. LEPPER G.W. (1978): Managing the heavy metals on the land. M.Dekker. Jnc. N.Y. and Basel MACIEJEWSKA A., SKŁODOWSKI P. (1995): Wpływ emisji spalin samochodowych na skaŝenie gleb związkami ołowiu, cynku i kadmu przy trasie Warszawa-Katowice. Zesz. Post. Nauk Rol. z.418: 271-279 TIILER K.G. (1989): Heavy metals and their environmental significance. Adv. In Soil Sci. Vol. 9
Właściwości chemiczne gleby Chemical properties of soils Tabela 1 Table 1 Obiekt Object Węgiel organiczny Organic carbon C org. (g/kg) ph (1M KCl) spławialnych silt Udział cząstek The share of (%) ił koloidalny clay Rzepak ozimy Winter rape Pszenica ozima Winter wheat Burak cukrowy Sugar beet 8,5 7,4 8,4 5,8 6,1 6,4 9 7 10 1 0 1 Zawartość metali cięŝkich w glebie (mg/kg) Heavy metal contents in soil (mg/kg) Tabela 2 Table 2 Odległość od krawędzi jezdni (m.) Distance from the road border (m) 3 0 3 0 3 0 Pb Cd Zn Cu 24,2 24,7 24,9 24,9 21,4 17,8 24,6 24,5 22,4 20,7 20,3 20,1 24,0 24,9 20,1 21,4 19,4 Rzepak ozimy Winter rape 0,44 0,35 0,38 0,32 0,34 0,23 19,3 24,3 19,3 15,9 Pszenica ozima Winter wheat 0,46 0,48 0,20 0,19 0,13 0,20 21,8 14,7 19,3 21,8 10,3 Burak cukrowy Sugar beet 0,38 0,35 0,30 0,26 0,24 0,24 27,0 24,4 21,8 19,3 12,3 6,4 4,8 3,9 4,4 4,7 3,8 7,4 10,4 7,4 8,3 6,4 8,3 4,7 3,9
Zawartość metali cięŝkich w rzepaku ozimym (mg/kg s.m.) Heavy metal contents in winter rape (mg/kg D.W.) Tabela 3 Table 3 Odległość od krawędzi jezdni (m) Distance from the road border (m) 3 0 3 0 Pb Cd Zn Cu 4,9 4,8 4,3 4,4 4,5 4,5 9,4 9,5 9,8 7,2 7,6 7,6 Nasiona Seeds 0,69 0,44 0,39 0,55 0,60 0,49 1,20 0,95 1,20 0,94 1,05 1,00 Słoma Straw 3 3 41,0 37,7 37,7 40,6 11,1 11,1 12,7 9,3 6,9 11,0 3,2 3,0 3,5 2,3 2,6 1,8 1,7 1,8 Zawartość metali cięŝkich w pszenicy ozimej (mg/kg s.m.) Heavy metal contents in winter wheat (mg/kg D.W.) Tabela 4 Table 4 Odległość od krawędzi jezdni (m) Distance from the road border (m) 3 0 3 0 Pb Cd Zn Cu 5,0 5,2 5,0 3,5 4,5 2,0 4,2 4,0 4,1 4,2 4,2 4,1 0,42 0,48 0,55 0,58 0,31 0,45 1,19 0,89 0,45 0,40 0,60 0,40 Ziarno Grain Słoma Straw 11,0 15,4 11,9 11,0 11,0 13,5 12,2 10,9 9,5 12,1 9,7 10,9 2,6 2,6 1,8 2,3 1,9 3,0 3,6 2,9 2,7 4,3
Zawartość metali cięŝkich w buraku cukrowym (mg/kg s.m.) Heavy metal contents in sugar beet (mg/kg D.W.) Tabela 5 Table 5 Odległość od krawędzi jezdni (m) Distance from the road border (m) 3 0 3 0 Pb Cd Zn Cu 3,4 3,3 3,4 3,5 2,9 6,5 6,6 5,1 5,2 5,1 4,5 Korzenie Roots 0,36 0,38 0,40 0,48 0,35 0,46 12,6 11,6 12,0 9,8 10,7 13,6 Liście Leaves 1,21 1,00 1,02 0,87 0,79 0,80,6 31,1 29,3 31,1 35,5 31,0 3,5 4,6 4,4 3,8 5,0 4,8 9,8 7,8 7,3 9,3 9,0 8,8