Stanisław Baran, Anna Wójcikowska-Kapusta, GraŜyna śukowska, Iwona Szczepanowska
Instytut Gleboznawstwa i Kształtowania Środowiska, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie
Wstęp
Niewłaściwa gospodarka odpadami, polegająca głównie na ich składowaniu, stanowi znaczący problem gospodarczy i ekologiczny [BARAN i in. 2002; GUS 2007].
Deficyt substancji organicznej w glebach zmusza do wykorzystywania odpadów organicznych jako źródła składników pokarmowych i substancji organicznej. Odpadami takimi są osady ściekowe, charakteryzujące się bardzo często wysoką wartością nawozową [BARAN,TURSKI 1999].
O moŜliwości przyrodniczego wykorzystania osadów ściekowych decydują:
odpowiednio duŜa zawartość materii organicznej, azotu, fosforu i innych składników pokarmowych oraz niewielka ilość składników toksycznych, w tym metali cięŜkich [BARAN,TURSKI 1999].
Wprowadzone z osadami metale cięŜkie mogą, wskutek zachodzących w glebie procesów mineralizacji i humifikacji, przechodzić w formy mniej lub bardziej dostępne dla roślin. Stanowić to moŜe potencjalne zagroŜenie dla łańcucha troficznego.
Celem badań była ocena wpływu nawoŜenia gleby lekkiej komunalnym osadem ściekowym na zmiany zawartości róŜnych form kadmu.
Materiał i metody
Badania nad zawartością róŜnych form kadmu w glebie lekkiej uŜyźnionej osadem ściekowym przeprowadzono w czteroletnim doświadczeniu poletkowym.
ZałoŜono je na glebie brunatnej kwaśnej, wytworzonej z piasku słabogliniastego, zaliczonej do kompleksu (6) Ŝytniego słabego. Zawartość całkowita Cd w glebie na której realizowano doświadczenie wynosiła 0,5 mg⋅kg-1. Na poletkach o powierzchni 15 m2 zastosowano osad ściekowy z komunalnej oczyszczalni ścieków w dawkach s.m. w stosunku do masy warstwy ornej gleby na powierzchni 1 ha: 30 Mg⋅ha-1 (1%); 75 Mg⋅ha-1 (2,5%); 150 Mg⋅ha-1 (5%); 300 Mg⋅ha-1 (10%); 600 Mg⋅ha-1 (20%). Osad wymieszano z powierzchniową warstwą gleby na głębokość 25 cm. Obiektem kontrolnym była gleba bez nawoŜenia organicznego oraz gleba nawoŜona obornikiem w dawce 30 Mg⋅ha-1.
Na poletkach uprawiano rośliny, pod które zastosowano nawoŜenie mineralne N (saletra amonowa), P (superfofat pojedynczy), K (saletra potasowa) w dawkach:
S. Baran i inni 60
Rok Doświadczenia
Year experiment
Roślina; Plant Składniki (kg⋅ha-1)
Elemets (kg⋅ha-1)
N P K
I kukurydza na ziarno odmiany Pionier maize cv. Pionier
100 80 120
II jęczmień jary odmiany Lot; brley spring cv. Lot 60 60 70 III rzepak ozimy odmiany Polo; winter rape cv. Polo 150 70 70
IV ziemniaki odmiany Irga; potatoes cv Irga 80 70 140
W pobranych próbkach glebowych, poza podstawowymi właściwościami chemicznymi i fizykochemicznymi oznaczono: całkowitą zawartość kadmu, poddając glebę mineralizacji w mieszaninie stęŜonych kwasów: HClO4 i HNO3 (1 : 1), oraz stosując metodę McLarena i Crowforda w modyfikacji BOGACZA [1996]; wyodrębniono i oznaczono na aparacie ASA następujące formy: rozpuszczalne w wodzie; 0,05 mol⋅dm-3 CaCl2; 2,5% CH3COOH; 0,1 mol⋅dm-3 K4P2O7.
Dla otrzymanych wyników obliczono współczynniki korelacji prostej.
Wyniki badań i dyskusja
Badana w doświadczeniu gleba charakteryzowała się duŜym zakwaszeniem (pH w KCl 4,33) oraz wadliwymi właściwościami sorpcyjnymi (5,99 cmol(+)⋅kg-1).
Stwierdzono w niej równieŜ niewielkie ilości substancji organicznej (11,16 g⋅kg-1) [SZCZEPANOWSKA 2001].
Tabela 1; Table 1 Zawartość kadmu rozpuszczalnego w róŜnych rozpuszczalnikach w osadzie ściekowym
Cadmium content soluble in various solvents in the sewage sludge
Formy kadmu; Cadmium forms Osad ściekowy; Sewage sludge mg⋅kg-1 s.m.; DM % całkowitej
zawartości
% total content
Cd w H2O; Cd in H2O 0,45 9,0
Cd w 0,05 mol CaCl2⋅dm-3; Cd in 0.05 mol CaCl2⋅dm-3 0,70 14,0
Cd w 2,5% CH3COOH; Cd in 2.5% CH3COOH 1,10 22,0
Cd w 0,1 mol K4P2O7⋅dm-3; Cd in 0.1 mol K4P2O7⋅dm-3 1,90 38,0
Osad ściekowy posiadał lekko kwaśny odczyn (pH w KCl 6,01), wysoką po-jemność sorpcyjną (54,77 cmol(+)⋅kg-1), wysoki stopień wysycenia kationami za-sadowymi oraz znaczną zawartość substancji organicznej (210 g C org.⋅kg-1). Zawartość kadmu (5,0 mg Cd⋅kg-1) oraz metali cięŜkich [SZCZEPANOWSKA 2001] wskazuje na moŜliwości jego rolniczego wykorzystania [ROZPORZĄDZENIE MŚ 2002].
Zawartość kadmu całkowitego w glebie z dodatkiem osadu ściekowego, w porównaniu do kombinacji kontrolnych rosła proporcjonalnie do wielkości dawki.
Istotny przyrost zawartości spowodowała największa (20% - 600 Mg⋅ha-1) dawka osadu (tab. 2). Poziom zawartości tego metalu w glebie uŜyźnionej osadem ściekowym ocenić
ZAWARTOŚĆ RÓśNYCH FORM KADMU W GLEBIE LEKKIEJ ... 61 naleŜy jako podwyŜszony [KABATA-PENDIAS i in. 1993]. Jednak o ruchliwości pierwiastka, a tym samym wymyciu do wód czy dostępności dla roślin, oprócz właściwości gleby, decyduje forma chemiczna w jakiej ten pierwiastek występuje [PATORCZYK-PYTLIK i in.
2004]. Analiza frakcji kadmu w przeprowadzonych badaniach wskazuje, Ŝe dodatek róŜnych dawek osadu ściekowego do gleby lekkiej spowodował niejednoznaczne i nieistotne zmiany zawartości kadmu rozpuszczalnego w wodzie. PoniewaŜ bezwzględna zawartość poszczególnych frakcji, jak równieŜ zawartość całkowita są zróŜnicowane, dlatego teŜ lepszym wskaźnikiem będzie ich procentowy udział w całkowitej zawartości. Udział kadmu rozpuszczalnego w wodzie w stosunku do zawartości całkowitej w glebie z osadem ściekowym wynosił średnio 6,2%, natomiast w samym osadzie ściekowym - 9% (tab. 2, 3).
Tabela 2; Table 2 Zawartość kadmu rozpuszczalnego w róŜnych rozpuszczalnikach
w glebie lekkiej uŜyźnionej osadem ściekowym Cadmium content soluble in various solvents
in light soil amended with sewage sludge
Obiekt; Object H2O 0,05mol Gleba + osad ściekowy; Soil + sewage sludge
30 Mg⋅ha-1 śl-0,15 Licznik - zakres; mianownik - średnia
Numerator - range; denominator - mean
Wprowadzenie róŜnych dawek osadu ściekowego do gleby lekkiej nie spo-wodowało istotnych zmian takŜe w zawartości kadmu rozpuszczalnego w 0,05 mol CaCl2⋅dm-3. W okresie trwania doświadczenia odnotowano nieregularne i nieistotne wahania zawartości tej formy kadmu. Średni udział kadmu rozpuszczalnego w chlorku wapnia w stosunku do formy całkowitej wynosił 27,4%. W samym osadzie ściekowym udział tej frakcji kadmu był znacznie mniejszy i wynosił 14%.
Tabela 3; Table 3 Procentowy udział frakcji kadmu w całkowitej zawartości
Percentage share of cadmium fractions in total content
Obiekt; Object H2O 0,05 mol
CaCl2⋅dm-3 2,5%
CH3COOH
0,1 mol K4P2O7⋅dm-3
S. Baran i inni 62
%
Gleba; Soil 5,6 20,2 24,7 46,1
Gleba + obornik; Soil + FYM 8,4 27,1 19,6 43,9
Gleba + osad ściekowy; Soil + sewage sludge
30 Mg⋅ha-1 8,9 38,5 19,2 38,5
75 Mg⋅ha-1 4,5 29,7 23,4 40,5
150 Mg⋅ha-1 4,5 26,1 26,1 49,5
300 Mg⋅ha-1 6,1 31,6 26,3 49,1
600 Mg⋅ha-1 5,1 18,6 26,6 45,1
Średnia; Mean 6,2 27,4 23,7 44,7
Wprowadzenie róŜnych dawek osadu ściekowego do gleby lekkiej nie spo-wodowało zmian w zawartości kadmu rozpuszczalnego w 2,5% kwasie octowym.
Udział tej formy kadmu w zawartości całkowitej wynosił średnio 23,7%. ZbliŜoną rozpuszczalność kadmu stwierdzono takŜe w samym osadzie ściekowym (22%).
Osad ściekowy zastosowany do gleby lekkiej nie spowodował takŜe istotnych zmian w zawartości kadmu rozpuszczalnego w 0,1 molowym K4P2O7. Udział tej formy w kadmie całkowitym wynosił średnio 44,7%, natomiast w osadzie ściekowym 38%.
Procentowy udział kadmu z poszczególnych frakcji w stosunku do całkowitej zawartości, w glebie uŜyźnionej osadem ściekowym, układał się w następującym szeregu malejącym: całkowity (100%) > rozpuszczalny w 0,1 mol K4P2O7 (44,7%) >
rozpuszczalny w 0,05 mol CaCl2 (27,4%) > rozpuszczalny w 2,5% CH3COOH (23,7%)
> rozpuszczalny w H2O (6,2%). Odmienne wyniki uzyskali PATORCZYK-PYTLIK i in.
[2004] - w glebach, na które stosowano osad ściekowy stwierdzili niŜszy procentowy udział kadmu wodno-rozpuszczalnego i związanego z próchnicą, a zbliŜony udział frakcji kadmu wymiennego i specyficznie sorbowanej. Te róŜnice mogą wynikać z odmiennego odczynu i zawartości C org. W przeprowadzonych przez nas badaniach gleby uŜyźnione osadem ściekowym charakteryzowały się wyŜszymi wartościami pH i większą zawartością próchnicy [SZCZEPANOWSKA 2001].
Z analizowanych właściwości gleby uŜyźnionej osadem ściekowym tylko po-jemność sorpcyjna i zawartość węgla była dodatnio i istotnie skorelowana z zawartością kadmu rozpuszczalnego w 2,5% kwasie octowym, natomiast z kadmem całkowitym zaleŜności wykazały formy rozpuszczalne w kwasie octowym i pirofosforanie (tab. 4).
Tabela 4; Table 4 Współczynniki korelacji prostej pomiędzy frakcjami Cd i wybranymi właściwościami gleb
The coefficient values of the correlation between the Cd fractions and some properties of the soil
Frakcje kadmu pH T; CEC Corg. CdC
Cd ogółem; Cd total Cd w H2O; Cd in H2O
ZAWARTOŚĆ RÓśNYCH FORM KADMU W GLEBIE LEKKIEJ ... 63 Cd w CaCl2; Cd in CaCl2
Cd w CH3COOH; Cd in CH3COOH 0,5996** 0,3938* 0,5312**
Cd w K4P2O7⋅dcm-3; Cd w K4P2O7⋅dcm-3 0,7019**
Wnioski
1. Zawartość analizowanych form kadmu w glebie uŜyźnionej osadem ściekowym była uzaleŜniona od jego dawki.
2. Wzrost dodatku osadu ściekowego spowodował proporcjonalny przyrost zawartości kadmu w glebie, istotny dla dawek wysokich (300 i 600 Mg⋅ha-1).
3. Procentowy udział kadmu z poszczególnych frakcji w stosunku do całkowitej zawartości, w glebie uŜyźnionej osadem ściekowym, układał się w następującym szeregu malejącym: całkowity (100%) > rozpuszczalny w 0,1 mol K4P2O7 (44,7%) > rozpuszczalny w 0,05 mol CaCl2 (27,4%) > rozpuszczalny w 2,5%
CH3COOH (23,7%) > rozpuszczalny w H2O (6,2%).
Literatura
BARAN S., OLESZCZUK P.,śUKOWSKA G. 2002. Zasoby i gospodarka odpadami organi-cznymi w Polsce. Acta Agrophysica 73: 17-34.
BARAN S.TURSKI R. 1999. Wybrane zagadnienia z utylizacji i unieszkodliwiania odpa-dów. AR Lublin: 1-336.
BOGACZ W. 1996. Badania nad formami mikroelementów w glebach Belgii. Cz. I.
Procedura frakcjonowania metali w glebach. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 434:
1011-1015.
KABATA-PENDIAS A.,MOTOWICKA-TERELAK T., PIOTROWSKA M.,TERELAK H., WITEK T.
1993. Ocena stopnia zanieczyszczenia gleb i roślin metalami cięŜkimi i siarką. Ramowe wytyczne dla rolnictwa. Puławy P(53): 1-20.
GUS 2007. Ochrona środowiska. Warszawa.
PATORCZYK-PYTLIK B., GEDIGA K., SKOCZYLIŃSKI M. 2004. Frakcje chemiczne kadmu w glebie po dwóch, czterech i sześciu latach od zastosowania nawoŜenia osadem ście-kowym i wermikompostem. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 498: 159-166.
ROZPORZĄDZENIE MŚ 2002. W sprawie komunalnych osadów ściekowych.. Dz. U.
02.134.1140
SZCZEPANOWSKA I. 2001. Formy azotu w glebie lekkiej uŜyźnionej osadem ściekowy.
Praca doktorska AR Lublin: 165 ss.
Słowa kluczowe: osady ściekowe, nawoŜenie, formy kadmu
Streszczenie
W warunkach doświadczenia poletkowego analizowano wpływ róŜnych dawek osadu ściekowego na zmiany zawartości form kadmu w glebie lekkiej. Stwierdzono proporcjonalny do dawki osadu, wzrost zawartości kadmu całkowitego, a zawartości jego form: (całkowity : rozpuszczalny w wodzie: w 0,05 mol chlorku wapnia: w 2,5%
CH3COOH, w 0,1 mol K4P2O7 była następująca: 100,00% - 3,82% - 6,20% - 12,52% - 34,21% - 43,82%.
S. Baran i inni 64
CONTENT OF DIFFERENT CADMIUM FORMS IN LIGHT SOIL FERTILIZED WITH SEWAGE SLUDGE
Stanisław Baran, Anna Wójcikowska-Kapusta, GraŜyna śukowska, Iwona Szczepanowska
Institute of Soil Science and Environment, University of Life Science, Lublin
Key words: sewage sludge, fertilization, cadmium forms
Summary
Under the conditions of field experiment the effect of various doses of sewage sludge on the changes of the content of cadmium forms in the light soil was analyzed.
There was observed a proportional to the sewage sludge increase of the total cadmium content and the content of its forms: (total: soluble in water: in 0.05 mol calcium chloride: in 2.5% CH3COOH, in 0.1 mol K4P2O7 ) was as follows: 100.00% - 3.82% - 6.20% - 12.52% - 34.21% - 43.82%.
Prof. zw. dr hab. inŜ. Stanisław Baran
Instytut Gleboznawstwa i Kształtowania Środowiska Uniwersytet Przyrodniczy
ul. Leszczyńskiego 7 20-069 LUBLIN e-mail: barst@o2.pl
ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 533: 65-72