Metale ciężkie w glebach miasta Bydgoszczy

ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE T. XLVII NR 3/4 WARSZAWA 1996:195-202

PIOTR MALCZYK, WOJCIECH KĘDZIA, MIROSŁAW NOWAK

M E T A L E CIĘŻKIE W G L E B A C H M IA S T A

B Y D G O S Z C Z Y

Katedra G leb ozn aw stw a A kadem ii T ech n iczn o-R oln iczej w B y d g o sz c z y

WSTĘP

A g lo m era cje m iejskie ze skupioną zabudow ą, p rzem ysłem , gęstą siecią dróg ko m u n ik a c y jn y c h i ulic oraz różnorodną działalnością cz łow ie ka w z n a czn y m stopniu przekształcają środow isko naturalne, w tym także glebow e. W w yniku wieloletniego o d działyw a nia zanieczyszczonego pow ietrza za ch o d zą n ieustannie zm iany w glebach miast. M iędzy innymi akum ulują się w nich m etale ciężkie [C zarnow ska 1974, 1992; Czarnow ska, G w orek 1991; C zarn o w sk a i in. 1983; C zarn o w sk a, K onecka-B etley 1977; K ukier 1991 ; Roszyk, R o s z y k o w a 1975].

Ś ro d o w isk o m iejskie stanowi najczęściej m ozaikę typów i rodz ajów gleb o zn a czn y m m e ch a n iczn y m przekształceniu pow ierzchni. P o w o d u je to z ró ż n ic o w a ­ nie zaw artości metali ciężkich w glebach niezależnie od presji zanieczyszczeń, a co za tym idzie p ojaw ia się problem odróżnienia cz ynników antro p o g e n iczn y c h od naturalnych przyczyn kształtujących zasobność gleb w m etale ciężkie.

W roku 1993 na terenie B ydgoszczy prz ep ro w a d zo n o w stępne badania, które m iały na celu p oznanie zawartości ołowiu, kadm u, chrom u, niklu, cynku i m iedzi oraz przestrzennego ich zróżnicow ania w p rz y p o w ierz ch n io w y ch p o zio m ac h gleb.

M ATERIAŁ I M ETODYKA B A D A Ń

B ad an ia zawartości metali ciężkich w B y dgoszczy obejm o w ały gleby an tro ­ po g en icz n e oraz gleby leśne i upraw ne o naturalnych profilach. D o badań w y t y ­ p o w a n o 36 pow ierzchni, z których pobrano po 10 próbek. M ateriał g lebow y p o biera no z głębokości 5 - 1 0 cm i 3 0 - 4 0 cm, a z gleb leśnych z p o z io m ó w próchnicy nadkładow ej i z pozio m ó w próch n ic zn o -m in eraln y ch z głębokości 5 - 1 0 cm. Z aw arto ść metali ciężkich oznaczono w roztw orach u z y sk a n y ch po niskotem peraturow ej dygestii p róbe k w m ieszaninie H F i H C 1 0 4 [Crock, S everson 1980], a w prz y p ad k u ściółek leśnych po ich m ineralizacji m eto d ą pra żenia term icz n eg o w tem peraturze 823 К i roztw orzeniu w HC1. P om ia ry stężeń an a li­ zo w a n y c h p ie rw ia stków w yk o n a n o techniką spektrom etrii absorpcji atom ow ej za p o m o c ą urz ąd ze n ia P U 9 1 0 0 Х Philips. Skład g ra nulom e tryczny, k w a so w o ść

196 P. M a lczy k i in.

czynną, w y m ie n n ą i hydrolityczną oraz zaw artość w ęgla o rganicznego ozna czo n o m eto d am i ogólnie przyjętym i w gleboznaw stw ie.

W y niki analiz o p ra co w an o statystycznie, a przestrzenne zróżnicow a nie z a w a r­ tości m etali ciężkich w wierzchniej w arstw ie ( 5 - 1 0 cm) gleb B y dgoszczy ilustrują sch e m a ty c z n e m apki, które w ykreślono z w ykorzystaniem pro g ram u k o m p u te ro ­ w e g o S U R F E R .

W YNIKI B A D A Ń I DYSK USJA

N a terenie B ydgoszcz y przew ażają gleby typologicznie przeobrażone w w y n i­ ku o d d ziały w a n ia w ielorakich czynników antropogenicznych. G leby te w w ię ­ kszości są m ech a n iczn ie zniekształcone. W yraźn e są także skutki przekształceń c h e m ic zn y ch , co uw idac zn ia się w ich w ysokim zasoleniu, zakw aszeniu, alkali- zacji czy nagro m a d zen iu metali ciężkich [Górski i in. 1993].

G leby w yka zu ją cechy i w łaściw ości typow e dla rzędu gleb urbano- i industrio- ziem nych. Stopień rozw oju procesu glebotw órczego je st w nich bardzo różny i u w a ru n k o w a n y przede w szystkim działalnością człowieka. P rze obraż enia nie objęły całego obszaru miasta, spotyka się bow iem gleby o naturalnym profilu, tj, gleby płow e i m ady rzeczne użytk o w a n e rolniczo oraz leśne gleby rdzawe. W y stę p u ją one głów nie na peryferiach miasta.

O k o ło 95% gleb z terenu B ydgoszczy to gleby bardzo lekkie, o uziarnieniu p iask ó w luźnych lub słabogliniastych całkow itych bądź p o d ścielonych gliną lub iłem. P ozostałą część stanow ią gliny lekkie, niekiedy pylaste, całkow ite oraz p o d ścielo n e iłem. B ardzo często spotyka się w nich różne dom ieszki, najczęściej m ateriał g ru z o w o-w a pie nny.

Z a w a rto ść w ęgla organicznego w badanych glebach je st bardzo zróżnicow ana. W glebach urbano- i industrioziem nych w ynosiła od 0,96 do 12,53% w w arstw ie 5 - 1 0 cm i od 0,04 do 5,32% w warstwie 3 0 - 4 0 cm. D uża zaw artość w ęgla o rg a n ic zn eg o w glebach zieleńców, skw erów , traw ników i parków j e s t rezultatem w z b o g a c e n ia tych gleb w m aterię organiczną w drodze naw ożenia torfem, k o m ­ postam i itp. Jest to cecha charakterystyczna dla ęleb terenów zurb an izo w a n y ch [K ukier 1985].

W glebach upra w n y ch i leśnych stw ierdzono ilości w ęgla o rganicznego ch a ra ­ k terystyczne dla odpow iad a ją cy ch im typów.

B a d an e gleby w yka zu ją przew ażnie odczyn obojętny i alkaliczny (pH w C a C l2 6 , 0 5 -7 ,5 7 ) , który je st niezależny od stopnia ich przekształcenia. K w a s o w o ść hydrolity czn a w grupie gleb antropogenicznych je st niew ielka i w a ha się od 0,37 do 1,61 cm ol(+)/kg. A lkalizacja gleb zw iązana je st z o b ecnością d om iesze k g ru z o w o -w a p ie n n y c h i j a k to w ykazują inne tego typu badania z opade m p yłów alkalicznych, sto so w an iem kruszyw a w a piennego j a k o utw ardzac za tras k o m u n i­ k ac y jn y c h oraz NaCl do odśnieżania ulic [C zarnow ska 1980].

W glebach upraw ian y ch rolniczo i glebach leśnych, z lokalizow anych na p e r y ­ feriach m iasta, k w a so w o ś ć kształtow ała się na p oziom ie w łaśc iw y m dla w y s tę p u ­ ją c y c h tam gleb płow ych, m ad rzecznych i gleb bielicow o-rdzaw ych.

Z a w a rto ść ołow iu w glebach bydgoskich różnicow ała się w zakresie od 16 do 135 m g/kg. Stężenie tego pierw iastka bardzo często przekraczało w artość 30 m g/kg, która j e s t p rz y jm o w a n a za zaw artość sygnalizującą za nie czysz cze nie gleb [K abata-Pendias i in. 1993; K abata-Pendias, Pendias 1993]. O koło 50% p o w ie r z ­

M e ta le ciężkie w g leb a ch B yd g o szc zy 197

chni gleb m iasta w y k a z y w a ło I stopień zanieczyszczenia. N a jw y ż s z e stężenie ołow iu stw ierdz ono w dzielnicach centralnych oraz w śro d k o w y m pasie m iasta (rys. 1). O d n o to w a n o tu w w arstw ie 5 - 1 0 c m ilości ołowiu od 75 do 100 m g/kg i prz ek ra cza ją ce ten zakres, m ak sy m aln ie do 135 m g/kg. Z aw arto ść ołow iu w w a rstw ie 5 - 1 0 cm była za w sze około d w ukrotnie w iększa niż w w a rstw ie 30-40 cm . O b liczenia statystyczne w ykazały istotne zależności m iędzy za w artośc ią ołow iu a zaw artością w ęgla o rg anicznego i części spław ialnych (tab. 1).

W glebach aglom eracji bydgoskiej stw ierdzono także w y ra źn ą tendencję do akum ulacji kadm u. S c h e m aty c zn a m a p a przedstaw iająca przestrzenne ro z m ie sz ­ czenie k adm u w w a rstw ie 5 - 1 0 cm (rys. 2) pokazuje, że praw ie 100% gleb m iasta za w iera p o n ad 0,3 m g/kg tego pierw iastka. N atom iast najw yższe j e g o stężenia (od 1,0 do 4,0 m g/kg) w y stępują w glebach stref centralnej i połu d n io w o -w sc h o d n ie j, gdzie skupiają się duże zakłady p rz em y sło w e (O rganika-Z achem ), elek tro cie­ p ło w n ie i to w arzyszą ce im silnie rozw inięte linie kom unik acy jn e i transportow e. W tym świetle oraz prac innych autorów [C zarnow ska 1978; Mills, Z w a rich 1975; M inam i, Araki 1975] są to głów ne p r z y c z y n y - n a g ro m a d z a n ia się k adm u w glebach. W połow ie analizow anych pow ierzchni bad a w cz y ch k o n centracja C d była w y ż sz a w w arstw ie 3 0 - 4 0 cm. W sk a zu je to na w iększą ruchliw ość tego p ierw ia stka w stosunku do pozostałych badanych metali ciężkich. O łatwej m i­ gracji kad m u św iadczy dobra rozpuszczalność większości soli i połączeń k o m p le ­ k so w y ch ze zw iązkam i organicznym i, które tworzy ten metal [K abata-Pendias, P endias 1993]. O b liczone współczynniki korelacji w y ka zyw ały istotne zależności zaw artości k adm u od ilości frakcji spławialnych, ilastych i w ę g la o rga nic znego (tab. 1 ).

M apki ilustrujące ro zm ieszczenie niklu i chrom u w w arstw ie 5 - 1 0 cm są w p e w n y m sensie do siebie podobne, jeżeli przyjrzeć się strefom n ajw iększ ego n a g ro m a d z e n ia się tych pierw iastków (rys. 3 i 4). O b e jm o w a ły one sw y m z a się ­ giem o b sza r zachodniej części m iasta o podobnej pow ierzchni. Z aw arto ść niklu w glebach tego regionu przekraczała 30 m g/kg, w skazując tym sa m y m na II stopień za n ie czyszczenia gleb [K abata-Pendias i in. 1993], natom iast ilość c h ro m u za w iera ła się w granicach od 50 do 127 mg/kg. B adania w yk a zały także, ż - pierw iastki te w om aw ianej strefie akum ulują się w przew ażającej m ierze w w arstw ie 3 0 ^ 0 cm. Nie stw ierdzono istotnych zależności m iędzy ko n ce n tracją Ni i C r w glebach a ich kw asow ością, składem g ra n u lo m e try czn y m i za w artośc ią próchnicy.

Z a w a rto ść c ynku w o m aw ian y c h glebach m ieściła się w p rzedziale od 14 do 207 m g/kg. W y d z ie lo n e strefy słabego zanieczyszczenia (ponad 100 m g Z n na 1 kg) o b ejm o w ały centrum m iasta z glebam i parków , skw erów i zieleńców p o ło ż o ­ n ych w z d łu ż ru chliw ych tras kom unikacyj nych oraz p o łu d n io w o -w sc h o d n ią część B ydgoszcz y, gdzie krzyżuje się gęsta sieć linii kolejow ych (rys. 5). S tw ierdzono, że w obu bada n y ch w arstw ach gleb ilość cynku zależała je d y n ie od zaw artości w ę g la o rg a n ic zn eg o (tab. 1). Stężenia tego pierw iastka w w arstw ie 5 - 1 0 cm były średnio dw uk ro tn ie w yższe niż w w a rstw ie 30—40 cm.

M iedź w glebach B y d g o szcz y w y k a z y w a ła zaw artość naturalną {poniżej 15 m g/kg) na o brz eża ch miasta. P o d w y ż sz o n ą koncentrację tego p ierw ia stka stw ie r­ d zono na zn a c z n y m obszarze z m ak sim u m przy p ad ając y m w e wschodniej części m iasta - p o n a d 80 m g/kg (rys. 6). Przestrzenne za n ie czyszczenie gleb m ied zią u kładało się w p e w n y m zakresie odw rotnie niż to w yn ik a z literatury i je s t p rz ed staw ian e w pracach na ten tem at [B eavington 1973; C z a rn o w sk a i in. 1981 ;

198 P. M a lc zy k i in.

ИГН-ЧО Г " ! 30-7 0 j J 7 0 - i 00 >ИЮррт

R Y SU N EK 1. R ozm ieszczenie ołowiu w glebach B ydgoszczy FIGURE 1. Distribution o f lead in soils B ydgoszcz area

< 0,3 г 1 0,3-1,0 I H I>0-2,0 r 2,0-2.5 ЩЩ >2,5 ppm

RY SUN EK 2. R ozm ieszczenie kadmu w glebach B ydgoszczy FIGURE 2. Distribution o f cadmium in soils B ydgoszcz area

Metale^ ciężkie w g leb a ch B yd g o szczy

199

R Y SU N E K 3. R ozm ieszczenie niklu w glebach B ydgoszczy FIGURE 3. Distribution o f nickel in soils B ydgoszcz area

R Y SU N E K 4. R ozm ieszczenie chromu w glebach B ydgoszczy FIGURE 4. Distribution o f chromium in soils B ydgoszcz area

200

RY SU N EK 5. R ozm ieszczenie cynku w glebach B ydgoszczy FIGURE 5. Distribution o f zinc in soils B ydgoszcz area

R Y SU N E K 6. R ozm ieszczenie miedzi w glebach B ydgoszczy FIGURE 6. Distribution o f copper in soils B ydgoszcz area

M eta le ciężkie

w

T A B E L A 1. W sp ó łc zy n n ik i korelacji m ięd zy zawa rtością metali c iężk ich w gl eb ach a niektórymi ich w ła śc iw o śc ia m i

T A B L E 1. C oeffic ien ts o f correlation be tw een he av y metals content in the soils and s o m e soils properties

W ła ś c iw o ś c i gleb S o ils properties Pb Cd Ni Cr Zn Cu % frakcji % fraction [mm] < 0 , 0 2 < 0 , 0 0 2 0 , 3 3 0 4 * * 0 ,2 1 1 4 0 , 6 4 1 8 * * 0 ,6 4 0 2 * * 0 ,1 5 3 7 0,3011 0 ,2 0 0 4 0 ,1 3 4 8 0 , 1 4 4 2 0 ,1 6 4 3 0 ,5 7 6 2 * * 0 , 5 8 2 6 * * % С org. 0 ,3 7 0 5 * * 0 , 6 2 2 8 * * 0,2911 0 ,2 5 2 5 0 , 4 7 2 5 * * 0 ,6 0 1 5 * * K w a s o w o ś ć hydrol.

H ydr olytic acidity

0 ,2 5 4 7 0 ,2 7 7 5 0 ,2 1 8 8 0,242 1 0 ,2 6 3 4 0 ,228 1

Mills, Z w a rich 1975], tzn. im dalej od centrum , zw łaszcza w kierunku w sch o d n im , tym m niejsze za n ieczyszczenie gleb o m a w ia n y m pierw iastkiem . O b licze n ia w y ­ kazały, że zaw artość miedzi w w arstw ie 5 - 1 0 cm była w iększa niekiedy sz e śc io ­ krotnie niż w w arstw ie 3 0 ^ - 0 cm.

Ilość m iedzi była istotnie skorelow ana ze w szystkim i analizow anym i w ła śc i­ w ościam i bada nych gleb z w yjątkiem kw asow ości (tab. 1).

WNIOSKI

1. N a terenie B ydgoszcz y w ystępują przede w szystkim gleby p rz eo b ra żo n e m e c h a n iczn ie i che m ic znie należące do rzędu gleb urbano- i industrioziem nych.

2. M etale ciężkie akum ulują się głównie w w arstw ie p o w ierzchniow ej 5 - 1 0 cm, j e d n a k w strefach najwyższej koncentracji Cd, Ni i C r stw ierdzono w yższy pozio m tych pierw iastków w warstwie 3 0 - 4 0 cm.

3. W glebach aglom eracji bydgoskiej n ajw iększa akum ulac ja ołow iu m a m ie j­ sce w dzielnicach centralnych i w pasie środkow ym m iasta, k adm u w centrum i w części p o łu d n iow o-w sc hodnie j, niklu i chrom u w części zachodniej, a m iedzi w dzielnicach w schodnich.

4. W stę p n e badania zawartości metali ciężkich w glebach w ykazały, że istnieje pilna potrze ba podjęcia dalszych kom p lek so w y ch i o szerszym zasięgu p rz e strz e n ­ n y m badań, które stanow iłyby podstaw ę do tw orzenia tak j u ż spóźnionej sieci p u n k tó w m onito rin g o w y ch na terenie miasta.

LITERATURA

B E A V IN G T O N F. 1973: Contamination o f soil with zinc, copper, lead and cadmium in Wallongong city areas. Austr. J. Soil Res. 1 1,1: 27 -3 1 .

CROCK J.G., SEV ER SON R.C. 1980: Four reference soil and rock. Samples for measuring element availability in the Western Energy Regions. G eological Survey Circular: 841.

C Z A R N O W S K A К. 1974: The accumulation o f heavy metals in soil and plants in Warsaw area (exemplified by grasses and mosses). Pol. J. Soil Sei. 7, 2: 117-122 .

C Z A R N O W S K A K., KONEC KA-BE TL EY K. 1977: Wpływ zanieczyszczeń atmosfery na właściwości gleb i akumulację metali ciężkich w glebach i roślinach na terenie Warszawy. C złow iek i Środow isko, 4: 7 3 -9 0 .

202 P. M a lczy k i in.

C Z A R N O W S K A K. 1980: Akumulacja metali ciężkich w glebach, roślinach i niektórych zwierzętach na terenie Warszawy. Rocz. G lcbozn. 31, 1: 7 7 -1 1 3 .

C Z A R N O W S K A K. 1992: Distribution o f copper, chromium, nickel, cobalt and cadmium in soils of the city o f Łódź. Rocz. Glcbozn. 43, 1/2: 4 1 -4 9 .

C Z A R N O W S K A K. i in. 1981: Heavy metals content in soil as an indicator diagnostic o f urbanization.

Pol. Kcol. Stud. 9, 1-2: 63 -7 9 .

C Z A R N O W S K A K., GWOREK В. 1991: Stan zanieczyszczenia cynkiem, ołowiem i miedzią gleb Warszawy. Rocz. Glcbozn. 42, 1/2: 4 9 -5 6 .

C Z A R N O W S K A K., GWOREK B., JA N OW S KA E., KOZANECK A T. 1983: Spatial distribution of heavy metals in soils and pH in Warsaw area. Pol. Ecol. Sind. 9, 1-2: 8 5 -95.

GÓRSKI J., PIOTROWSKI A., TR ZĘSOW SK A J. 1993: Raport o stanic środowiska województwa bydgoskiego za rok 1993. Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska. Bydgoszcz: 4 - 4 2 . KA B A T A -PE N D IA S A., MOTOWICKA-TERELAK T., PIOTROWSKA М., TEREL AK H., WITEK

T. 1993: Ocena stopnia zanieczyszczenia gleb i roślin metalami ciężkimi i siarką. Ramowe wytyczne dla rolnictwa. IUNG, Puławy: 7 -8 .

KA B A T A -PE N D IA S A., PENDIAS H. 1993: Biogeochemia pierwiastków śladowych. PWN, Warsza­ wa: 9 6 - 1 1 0 , 126- 13 6, 137-148, 192-208, 2 4 2 -2 5 0 , 3 06-315.

KUKIER U. 1985: Wpływ urbanizacji i przemysłu na zanieczyszczenia metalami ciężkimi gleb na przykładzie Lublina. (Praca doktorska). Akademia Rolnicza w Lublinie, Lublin: 1-103.

KUKIER U. 1991 : Metale ciężkie w atmosferze i glebach Lublina. Arch. Ochr. Środ. 2: 117-138. MILLS J.G., ZWARICH M.A. 1975: Heavy metals content o f soils on Manitoba. Can. J. Soil Sei. 55:

29 5 -3 0 0 .

MINAMI K., ARAKI K. 1975: Distribution o f trace element in arable soil affected by automobile exhausts. Soil Sei. Plant Niitr. 21, 2: 185-188.

R OSZY K E., RO SZ Y KO W A S. 1975: Ołów w glebach i roślinach w pobliżu dróg na terenie Wrocławia.

Rocz. G lebozn. 26, 1: 177-185.

P . M A L C Z Y K , W . K Ę D Z I A , M . N O W A K

H EA V Y METALS IN SOILS OF THE BYDG O SZCZ CITY

D epartm ent o f S o il S cien ce, U niversity o f T ech n o lo g y and A griculture in B y d g o sz c z

S U M M A R Y

T h e present w ork relates o f the investigations on the content o f heavy m etals in the u p p e r layer o f soils ( 5 - 1 0 cm and 30^1-0 cm ) from the area o f the B y d g o szcz city. In 1993 soil sam ples w ere taken from the w hole o f the city. T h e total Pb, Cd, Ni, Cr, Z n and Cu contents w ere deterem ined with the A A S technique in solutions ob tain ed after digestion o f soil with H F and H C 1 0 4. On the basis o f the results obtained, m aps illustrating the content o f heavy m etals in the soils o f the B y d ­ g o s zc z city w ere plotted. Soils o f the B y d g o szcz city are unequally co n tam in ated with heavy metals. T he highest content o f these elem ents w e re in soils o f the central city district and eastern, western and south-eastern part o f the city, strongly u rb a n iz ed and industrialized.

D r i n t P io tr M a lc zy k K a te d r a G le b o z n a w s tw a

A k a d e m ia T ec h n ic zn o -R o ln ic za w B y d g o szc zy 8 5 -0 2 9 B y d g o szc z, ul, B ern a rd yń sk a 6