Stan geochemiczny gleb i jakość płodów rolnych w strefie

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
60-625 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 50% 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 (KABATAPENDIAS 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 25 do 500 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 4500 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-100,0 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 50 m od krawędzi jezdni, a na obiekcie z rzepakiem ozimym
podwyŜszoną zawartość kadmu odnotowano w odległości do 350 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 ,
R2 = 95% dla p ≤ 0,01, n=6
(1)
Cd = 0,388 – 0,001x ,
R2 = 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 350 m od krawędzi jezdni, natomiast w glebie obsianej pszenicą
ozimą zmniejszenie się koncentracji ołowiu nastąpiło w odległości 200 m. Z kolei w glebie, na
której uprawiono buraki cukrowe, zawartość ołowiu i kadmu spadała systematycznie w całej
strefie do 500 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 500m od krawędzi
jezdni) reprezentuje poziom zbliŜony do naturalnego na tym obszarze, to w strefie do 100 m,
nadmiar ołowiu wynosi ponad 16,0 kg Pb/ha.
Zawartość miedzi w glebie wahała się w granicach od 3,1 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 50 mg/kg (KABATAPENDIAS 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 50% 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 100 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
25-100 m, do 2-krotnego w odległości 500 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 50%
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 25 to 500 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 100 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 25-100 m
the threshold value was exceeded 5-fold, decreasing up to 2-fold at 500 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: 225-270
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. 50, 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.): 225-230
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
Tabela 1 – Table 1
Właściwości chemiczne gleby
Chemical properties of soils
Węgiel
organiczny
Organic
carbon
Corg. (g/kg)
Obiekt – Object
Rzepak ozimy – Winter rape
Pszenica ozima – Winter wheat
Burak cukrowy – Sugar beet
8,5
7,4
8,4
Udział cząstek
The share of
(%)
pH
(1M KCl)
spławialnych
silt
ił koloidalny
clay
9
7
10
1
0
1
5,8
6,1
6,4
Tabela 2 – Table 2
Zawartość metali cięŜkich w glebie (mg/kg)
Heavy metal contents in soil (mg/kg)
Odległość od krawędzi jezdni (m.)
Distance from the road border (m)
Pb
Cd
Zn
Cu
Rzepak ozimy – Winter rape
25
50
100
200
350
500
24,2
24,7
24,9
24,9
21,4
17,8
0,44
19,3
0,35
16,9
0,38
16,9
0,32
24,3
0,34
19,3
0,23
15,9
Pszenica ozima – Winter wheat
6,4
4,8
3,9
4,4
3,1
3,1
25
50
100
200
350
500
24,6
24,5
22,4
20,7
20,3
20,1
0,46
21,8
0,48
14,7
0,20
19,3
0,19
21,8
0,13
16,9
0,20
10,3
Burak cukrowy – Sugar beet
4,7
3,8
7,4
10,4
7,4
8,3
25
50
100
200
350
500
24,0
24,9
20,1
21,4
19,4
16,9
0,38
0,35
0,30
0,26
0,24
0,24
27,0
24,4
21,8
19,3
16,9
12,3
6,4
8,3
4,7
3,1
3,1
3,9
Tabela 3 – Table 3
Zawartość metali cięŜkich w rzepaku ozimym (mg/kg s.m.)
Heavy metal contents in winter rape (mg/kg D.W.)
Odległość od krawędzi jezdni (m)
Distance from the road border (m)
Pb
Cd
Zn
Cu
Nasiona – Seeds
25
50
100
200
350
500
4,9
4,8
4,3
4,4
4,5
4,5
0,69
32,8
0,44
32,8
0,39
41,0
0,55
37,7
0,60
37,7
0,49
40,6
Słoma – Straw
3,2
3,0
2,8
3,5
3,1
2,8
25
50
100
200
350
500
9,4
9,5
9,8
7,2
7,6
7,6
1,20
0,95
1,20
0,94
1,05
1,00
2,3
2,6
2,8
1,8
1,7
1,8
11,1
11,1
12,7
9,3
6,9
11,0
Tabela 4 – Table 4
Zawartość metali cięŜkich w pszenicy ozimej (mg/kg s.m.)
Heavy metal contents in winter wheat (mg/kg D.W.)
Odległość od krawędzi jezdni (m)
Distance from the road border (m)
Pb
Cd
Zn
Cu
Ziarno – Grain
25
50
100
200
350
500
5,0
5,2
5,0
3,5
4,5
2,0
0,42
11,0
0,48
15,4
0,55
11,9
0,58
11,0
0,31
11,0
0,45
13,5
Słoma – Straw
2,8
2,6
2,6
1,8
2,3
1,9
25
50
100
200
350
500
4,2
4,0
4,1
4,2
4,2
4,1
1,19
0,89
0,45
0,40
0,60
0,40
3,0
3,6
2,9
2,8
2,7
4,3
12,2
10,9
9,5
12,1
9,7
10,9
Tabela 5 – Table 5
Zawartość metali cięŜkich w buraku cukrowym (mg/kg s.m.)
Heavy metal contents in sugar beet (mg/kg D.W.)
Odległość od krawędzi jezdni (m)
Distance from the road border (m)
Pb
Cd
Zn
Cu
Korzenie – Roots
25
50
100
200
350
500
3,4
3,3
3,4
3,5
3,1
2,9
0,36
12,6
0,38
11,6
0,40
12,0
0,48
9,8
0,35
10,7
0,46
13,6
Liście – Leaves
3,5
4,6
4,4
3,8
5,0
4,8
25
50
100
200
350
500
6,5
6,6
5,1
5,2
5,1
4,5
1,21
1,00
1,02
0,87
0,79
0,80
9,8
7,8
7,3
9,3
9,0
8,8
25,6
31,1
29,3
31,1
35,5
31,0