Ocena zawartości rtęci w poziomach powierzchniowych i podpowierzchniowych intensywnie użytkowanych rolniczo gleb aluwialnych

http://www.degruyter.com/view/j/ssa (Read content)

Vol. 64 No 2/2013: 49–53

DOI: 10.2478/ssa-2013-0009

*e-mail: bartkowiak@utp.edu.pl

WSTÊP

Spoœród substancji maj¹cych negatywny wp³yw na œrodowisko mo¿na wyró¿niæ rtêæ. Jest ona pier-wiastkiem niepe³ni¹cym funkcji ¿yciowych dla ro-œlin, jednak¿e roœliny pobieraj¹ rtêæ jednoczeœnie z innymi substancjami z gleby. Je¿eli zabraknie sub-stancji konkurencyjnych pobór rtêci przez roœliny jest odpowiednio wiêkszy (Gworek i Rateñska, 2009). W tkankach roœlinnych metal ten podlega silnemu wi¹-zaniu przez grupy sulfhydrylowe bia³ek, co mo¿e powodowaæ zaburzenia procesu oddychania komó-rek. Rtêæ kumuluje siê g³ównie w korzeniach i st¹d w ró¿nym tempie transportowany jest do czêœci nad-ziemnych roslin.

W œrodowisku glebowym wystêpowanie tego pier-wiastka wi¹¿e siê przede wszystkim z jego obecno-œci¹ w litosferze oraz dzia³alnoobecno-œci¹ cz³owieka (Kloj-zy-Kaczmarczyk i Mazurek, 2007). Mimo, ¿e metal ten wystêpuje w niewielkich iloœciach mo¿e stano-wiæ powa¿ne zagro¿enie dla organizmów, d³ugo utrzy-muje siê w œrodowisku i mo¿e kr¹¿yæ w atmosferze nawet do 2 lat (Rodriguez et al., 2009).

Mo¿liwoœæ zanieczyszczenia agroekosystemów rtêci¹ jest stosunkowo ma³a i wystêpuje g³ównie po-przez stosowanie odpadów przemys³owych, herbicy-dów, insektycydów oraz nawozów mineralnych, zw³aszcza fosforowych produkowanych z fosforytów, pochodz¹cych z niektórych z³ó¿ (Filipek, 2003; Ko-peæ i Gondek, 2009; Sloan et al., 2001). Obecnie jed-nak w Polsce, zgodnie z Rozporz¹dzeniem Ministra (2008), iloœæ zanieczyszczeñ w nawozach mineral-nych oraz œrodkach pochodzenia mineralnego wspo-magaj¹cych uprawê roœlin jest normowana, a zawar-toœæ 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 czyn-ników m.in.: iloœci i formy w jakiej rtêæ zosta³a wpro-wadzona do gleby, odczynu gleby, sk³adu granulo-metrycznego, pojemnoœci sorpcyjnej gleby, iloœci materii organicznej, warunków oksydo-redukcyjnych i aktywnoœci mikrobiologicznej (Boszke et al., 2003; Gabriel i Williamson, 2004; Schlüter, 2000). Jak po-daje literatura (Kabata-Pendias i Pendias, 2001; Ró-¿añski, 2009) istotnym czynnikiem, który decyduje o wi¹zaniu rtêci jest uziarnienie gleby. Obserwuje siê 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

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 wszyst-kim w glebie.

Celem niniejszej pracy by³a ocena ca³kowitej za-wartoœci rtêci w poziomach powierzchniowych i pod-powierzchniowych intensywnie u¿ytkowanych rolni-czo gleb aluwialnych, w kontekœcie ich zanieczysz-czenia oraz analiza zale¿noœci pomiêdzy sk³adnika-mi gleby a zawartoœci¹ omawianego metalu.

MATERIA£ I METODY

Materia³ badawczy stanowi³o 14 próbek glebo-wych pobranych z mineralnych powierzchnioglebo-wych i podpowierzchniowych poziomów gleb sklasyfikowa-nych 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 ogni-wo w gospodarce rolnej tego regionu. Do badañ wy-selekcjonowano obszar gleb intensywnie u¿ytkowa-nych rolniczo, szczególnie pod uprawê pszenicy, rze-paku oraz pod polow¹ uprawê warzyw. Próbki do badañ pobrano z dala od punktowych Ÿróde³ zanie-czyszczenia. Z ka¿dego punktu badawczego pobrano próbki z poziomu Ap (powierzchniowego) i Aa (pod-powierzchniowego), poziomów wydzielonych na podstawie cech morfologicznych (Bartkowiak, 2010). Pobrane próbki glebowe po wysuszeniu przesia-no przez sito o œrednicy oczek 2 mm i w tak przygo-towanych próbkach oznaczono podstawowe w³aœci-woœci fizykochemiczne: pH w H₂O i 1M KCl – po-tencjometrycznie przy u¿yciu pehametru CPC – 551; zawartoœæ wêgla organicznego przy zastosowaniu analizatora TOC firmy Skalar produkcji holender-skiej; zawartoœæ CaCO₃ metod¹ objêtoœciow¹ wg Scheiblera; natomiast udzia³ cz¹stek o œrednicy po-ni¿ej 0,002 mm metod¹ pipetow¹ (Soil Survey Inve-stigation, 1996). Ca³kowit¹ zawartoœæ rtêci oznaczo-no metod¹ spektrometrii absorpcji atomowej, za po-moc¹ analizatora rtêci AMA 254, który jednoczeœnie mineralizuje próbkê glebow¹ oraz dokonuje pomia-ru rtêci uwalnianej z próbki w wyniku mineralizacji. W celu sprawdzenia wiarygodnoœci zastosowanej

pro-cedury badawczej do pomiarów u¿yto równie¿ certy-fikowanego materia³u referencyjnego TraceMetals – Loamy Clay No. CRM052-050.

Wszystkie oznaczenia laboratoryjne wykonano w trzech powtórzeniach, a w pracy przedstawiono œred-ni¹ arytmetyczn¹. Dla stwierdzenia ewentualnych interakcji pomiêdzy w³aœciwoœciami fizykochemicz-nymi a ca³kowit¹ zawartoœci¹ rtêci, przeprowadzono analizê statystyczn¹ wyników (wspó³czynniki kore-lacji prostych Pearsona przy p<0,05) wykorzystuj¹c program komputerowy Statistica 10.

WYNIKI I DYSKUSJA

Cech¹, która charakteryzowa³a wszystkie analizo-wane próbki glebowe, by³a du¿a zawartoœæ wêglanu wapnia. Poddane analizie poziomy powierzchniowe zawiera³y od 15,9 do 26,5% CaCO₃, natomiast w po-ziomach podpowierzchniowych wartoœæ ta waha³a siê w przedziale od 6,7–69,3% (tab. 1). Du¿e iloœci CaCO₃ decydowa³y o obojêtnym lub s³abo alkalicznym od-czynie gleb. Zarówno kwasowoœæ wymienna jak i czyn-na, nie wykazywa³y zró¿nicowania pomiêdzy badany-mi próbkabadany-mi gleb. Wartoœci pH odpowiadaj¹ce kwa-sowoœci czynnej mieœci³y siê w zakresie od 7,23 do 7,84, natomiast wymiennej – od 6,96 do 7,41.

W badanych poziomach zawartoœæ wêgla orga-nicznego wynosi³a odpowiednio dla poziomów Ap: 50,2–80,3 g·kg–1 _{i dla poziomu Aa od 5,1 do 78,0} g·kg–1 _{(tab. 1). Œrednio zawartoœæ wêgla} organiczne-go w poziomach Ap wynios³a 62,2 g·kg–1_{, a w} pozio-mach Aa 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 granulometrycz-nego pozwoli³a na sklasyfikowanie analizowanych próbek do 6 grup granulometrycznych (PTG, 2009): glina lekka, glina ciê¿ka, glina ciê¿ka pylasta, py³ ila-sty, i³ pylaila-sty, 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 pozio-mach glebowych wynosi³a dla poziomów powierzch-niowych 97,0 µg·kg–1_{, natomiast dla poziomów} pod-powierzchniowych 87,2 µg·kg–1_{. Stwierdzone w} wy-niku badañ wartoœci by³y nieco wy¿sze od wyników, które uzyskali D¹bkowska-Naskrêt et al. (2008) w glebach intensywnie u¿ytkowanych rolniczo obsza-ru Pomorza i Kujaw. Dla badanego regionu zawar-toœæ rtêci w analizowanych glebach by³a zró¿nico-wana 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}

TABELA 2. Zawartoœæ rtêci w glebach TABLE 2. The content of mercury in soils

Objaœnienia – Explanations: Ap – poziomy powierzch-niowe (surface horizons); Aa – poziomy podpowierzch-niowe (subsurface horizons).

æ œ o tr a w a Z i c ê tr t n e t n o c e h T y r u c r e m f o g k · g µ ( –1₎ m o i z o P n o zi r o H WVaalutreosœci n i m max œrednai n a e m p A a A 7432,,91 111390,,94 9877,,02 . o N Poziom n o zi r o H GD³eêpbtohk(comœæ) pH (C%a)CO3 C( × ggokrg–1₎ F_Frra_ak_cc_itoja_n ) % ( 2 0 0 , 0 < H₂O 1MKCl 1 2 AApa 300––3401 77,,7667 77,,1023 1269,,28 5757,,83 4780,,36 3 4 AApa 200––2400 77,,6589 77,,1153 2217,,82 6653,,99 6640,,03 5 6 AApa 300––3308 77,,5874 77,,2471 2245,,46 6650,,79 3480,,56 7 8 AAap 300––3306 77,,6608 77,,3270 266,,75 1599,,74 1581,,30 9 0 1 AApa 201––2217 77,,5630 77,,2363 2234,,69 8708,,30 6604,,05 1 1 2 1 AAap 105––1257 77,,3387 77,,2300 1659,,93 550,,12 6269,,53 3 1 4 1 AApa 302––3420 77,,2273 77,,2250 2456,,08 6584,,39 3351,,63

TABELA 1.Wybrane w³aœciwoœci fizykochemiczne badanych gleb TABLE 1. Selected physicochemical properties of studied soils

RYSUNEK 1. Po³o¿enie profili glebowych

FIGURE 1. Location of the investigated soil profiles (Topographic Map of Poland, sheet no. 345.33 Kijewo Królewskie, 1981) 1:25 000 2EV]DUEDGD &KHáPQR :LVáD %UXNL .RNRFND %<'*26=&= 7258 *áD HZR 8QLVáDZ *RáRW\ *U]\EQR 6WDEOHZLFH .RNRFNR 5DFLQLHZR %UXNL 8QLVáDZVNLH 0LHMVFHSRELHUDQLD SUyE Miejsce pobierania próbek

wiêksze zró¿nicowanie zawartoœci rtêci, do 4030 µg·kg–1_{,uzyskali Ró¿añski i D¹bkowska-Naskrêt} (2011) w badaniach gleb Bydgoszczy. Tak du¿e na-gromadzenie rtêci by³o spowodowane najprawdopo-dobniej rozwojem przemys³u oraz dostaj¹cej siê do gleby rtêci z procesu spalania wêgla i wzmo¿onego ruchu samochodowego. Zgodnie z zaleceniami zawar-tymi 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 ca³kowi-tej zawartoœci rtêci w poziomach ornopróchnicznych, na g³êbokoœci do 0,3 m, wynosz¹cej 2000 µg·kg–1_. Od-nosz¹c siê do literatury (Kabata-Pendias i Pendias, 2001), wed³ug której zawartoœæ rtêci dla niezanie-czyszczonych gleb Polski mieœci siê na poziomie 20–160 µg·kg–1_{, mo¿na stwierdziæ, ¿e zawartoœæ tego} metalu w badanych glebach jest zbli¿ona do pozio-mu t³a geochemicznego.

Przeprowadzone obliczenia statystyczne wykaza-³y istotny dodatni wspó³czynnik korelacji pomiêdzy zawartoœci¹ ca³kowit¹ rtêci a zawartoœci¹ frakcji i³o-wej (r=0,698, p<0,005) (rys. 2). Boszke et al. (2004) oraz Sarkar et al. (2000) w swoich badaniach stwier-dzili, ¿e o sorpcji metali ciê¿kich, w tym równie¿ rtê-ci, decyduj¹ minera³y ilaste, które s¹ istotnym ele-mentem buduj¹cym kompleks sorpcyjny gleb. Uzy-skane wyniki potwierdzi³y znaczenie sorpcji Hg przez minera³y ilaste, zawarte w powierzchniowych pozio-mach (Ap i Aa) badanych gleb. Na tak¹ zale¿noœæ wskazuj¹ równie¿ badania Jaworskiej et al. (2009),

które mówi¹ o minera³ach ilastych oraz materii orga-nicznej jako czynnikach glebowych decyduj¹cych o sorpcji tego pierwiastka.

Szerzej zjawisko wi¹zania rtêci przez materiê or-ganiczn¹ opisuje Wallschläger (1998), który w swo-ich badaniach wykaza³, ¿e spoœród wszystkswo-ich sk³ad-ników glebowych wi¹¿¹cych rtêæ w warstwach po-wierzchniowych gleb, najwa¿niejsz¹ rolê odgrywa próchnica. W glebach o odczynie od s³abo kwaœnego do alkalicznego, rtêæ zostaje zwi¹zana silnie z sub-stancjami humusowymi. W badaniach w³asnych nie stwierdzono zale¿noœci pomiêdzy zawartoœci¹ rtêci a zawartoœci¹ wêgla organicznego. Mo¿e byæ to spo-wodowane obojêtnym i zasadowym odczynem bada-nych gleb. Jak podaje literatura (Schlüter, 1995) ma-teria organiczna jest podstawowym adsorbentem rtê-ci w warunkach kwaœnego odczynu. W glebach o odczynie obojêtnym i alkalicznym lepsze w³aœciwo-œci sorpcyjne w stosunku do tego metalu wykazuj¹ minera³y ilaste oraz tlenki ¿elaza i glinu. Badania Slo-ana et al. (2001) s¹ równie¿ dowodem na istnienie s³abych korelacji pomiêdzy stê¿eniem rtêci a zawar-toœci¹ materii organicznej.

WNIOSKI

1. W uprawnych glebach aluwialnych wystêpuj¹cych na badanym obszarze nie stwierdzono zanieczysz-czenia rtêci¹. Zawartoœæ badanego metalu by³a zbli¿ona do poziomu t³a geochemicznego.

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

        )UDNFMDPP )UDFWLRQPP                    + Hg tot ×(m g× kg –1)

2. Uzyskane wyniki, potwierdzone analiz¹ staty-styczn¹ (wspó³czynniki korelacji Pearsona) wyka-za³y istotn¹ rolê frakcji i³u koloidalnego w wi¹za-niu rtêci.

3. Analiza statystyczna wyników nie wykaza³a istot-nych zale¿noœci pomiêdzy zawartoœci¹ rtêci a ilo-œci¹ materii organicznej.

LITERATURA

Bartkowiak A., 2010. Morfologia i wybrane w³aœciwoœci fizyko-chemiczne niejednorodnych osadów wêglanowych na obsza-rze Basenu Unis³awskiego. Rocz. Glebozn. 61(1): 5–12. Boszke L., Kowalski A., Astel A., Barañski A., Gworek B.,

Sie-pak J., 2008. Mercury mobility and bioavailability in soil from contaminated area. Environ. Geol. 55: 1075–1087.

Boszke L., Kowalski A., G³osiñska G., Szarek R., Siepak J., 2003. Environmental factors affecting speciation of mercury in the bottom sediments; an overview. Polish J. Environ. Stud. 12: 5–13.

Boszke L., Kowalski A., Siepak J., 2004. Grain size partitioning of mercury in sediments of the middle Odra River (Germany/ Poland).Water Air Soil Pollut. 159: 125–138.

D¹bkowska-Naskrêt H., Bartkowiak A., Ró¿añski S., 2008. Za-wartoœæ rtêci w glebach intensywnie u¿ytkowanych rolniczo obszaru Pomorza i Kujaw. Ochr. Œrodow. i Zasob. Natur. 35/ 36: 153–156.

Filipek T., 2003. Toksyczne pierwiastki (Cd, Pb, Hg, As) w gle-bach i roœlinach w odniesieniu do dopuszczalnych ich zawar-toœci w nawozach i œrodkach do odkwaszania. Chemik 11: 334–352.

Gabriel M.C., Williamson D.G., 2004. Principal biogeochemical factors affecting the speciation ad transport mercury through the terrestrial environment. Environ. Geochem. Health. 26: 421–434.

Gworek B., Rateñska J., 2009. Migracja rtêci w uk³adzie powie-trze-gleba-roœlina. Ochr. Œrodow.i Zasob. Natur. 41: 614–623. Jaworska H., D¹browska-Naskrêt H., Ró¿añski S., 2009. Total Content of mercury in arable soils in the vicinity of Lafarge – Cement Poland S.A plant. Ecol. Chem. Eng. 16(10): 1299– 1305.

Kabata-Pendias A., Pendias H. 2001. Trace Elements in Soils and Plants, 3rd.ed., CRC Press.

Klojzy-Kaczmarczyk B., Mazurek J., 2007. Zanieczyszczenie gleb zwi¹zkami rtêci w zasiêgu oddzia³ywania konwencjonalnej elektrowni na paliwo wêglowe. Polityka Energetyczna 10(2): 593–601.

Komisja V Genezy, Klasyfikacji i Kartografii Gleb PTG, 2011. Systematyka Gleb Polski. Wyd. 5. Rocz. Glebozn. 62(3): 71– 142.

Kopeæ M., Gondek K., 2009. Zawartoœæ rtêci w roœlinach gór-skiego u¿ytku zielonego (Czarny Potok) po 40 latach zró¿ni-cowanego nawo¿enia mineralnego. In¿. Ekolog. 21: 7–14. PTG, 2009. Klasyfikacja uziarnienia gleb i utworów mineralnych

–PTG 2008. Rocz. Glebozn. 60(2): 5–16.

Rodriguez Martin J.A., Carbonell Martin G., Lopez Arias M., Grau Corbi J.M., 2009. Mercury content in topsoils, and geo-statistical methods to identyfyantropogenic input in the Ebro basin (Spain). Spanish J. Agricult. Res. 7(1): 107–118. Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska z dnia 9 wrzeœnia 2002 r.

w sprawie standardów jakoœci gleby oraz standardów jakoœci ziemi. Dz.U. Nr 165, poz.1359.

Rozporz¹dzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi w sprawie wykorzystania niektórych przepisów ustawy o nawozach i nawo¿eniu. Dz.U. 2008 Nr 119, poz.765.

Ró¿añski S., 2009. The content of mercury in arable soils consi-dering pedogenic, lithogenic and anthropogenic factors. Fres.

Environ. Bull. 18(7): 1161–1166.

Ró¿añski S., D¹bkowska-Naskrêt H., 2011. Przestrzenne i profi-lowe rozmieszczenie rtêci w urbanoziemach miasta Bydgosz-czy. Ochr. Œrodow. i Zasob. Natur. 49: 193–201.

Sarkar D., Essington M.E., Mistra K.C., 2000. Adsorption of mercury (II) by kaolinite. Soil Sci. Soc. Am. J. 64: 1968–1975. Schlüter K., 1995. Mercury translocation in and evaporation from soil: II Evaporation of mercury from podzolised soil profiles treated with HgCl2 and CH3HgCl. J. Soil Contan. 4: 269– 299.

Schlüter K., 2000. Review: evaporation of mercury from soil. An integration and synthesis of current knowledge. Environ. Geol. 39: 249–271.

Schwesig D., Krebs O., 2003. The role of ground vegetation in the uptake of mercury in a forest ecosystem. Plant and Soil. 253: 445–455.

Soil Survey Investigation, 1996. Soil Survey Laboratory. Me-tods Manual. Raport No 42, v.3.0.

Sloan J.J., Dawdy R.H., Balogh S.J., Nater E., 2001. Distribu-tion of mercury in soil and its concentraDistribu-tion in runoff from a biosolids-amended agricultural watershed. J. Environ. Qual. 30: 2173–2179.

Szopka K., Karczewska A., Kaba³a C., 2011. Mercury accumula-tion in the surface layers of mountain soils: a case study from the Karkonosze Mountains, Poland. Chemosphere 83(11): 1507–1512.

Wallschläger D., Desai M.V.M., Splenger M., Wilken R., 1998. How humic substances dominate mercury geochemistry in contaminated floodplain soils and sediments. J. Environ. Qual. 27: 1044–1054.

Received: March 1, 2013 Accepted: August 19, 2013