Chování rizikových prvků v půdách lesů a kalamitních holin

Bc. Tomáš Davídek

Master's thesis

Behaviour of potentially toxic elements in the soils of forest and clearcuts

Abstract:

Cílem diplomové práce bylo v obecné rovině popsat chování potenciálně rizikových prvků (Cd, Cu, Pb a Zn) v lesních půdách a půdách potěžebních holin se zaměřením na jejich vztah k půdní organické hmotě. Experimentální část se zabývala studovanými výše zmíněnými prvky, zejména jejich obsahy, formami a jejich vztahem k ostatním půdním charakteristikám. V teoretické části byly detailně popsány kadmium, měď, olovo a zinek s ohledem na jejich výskyt na Zemi, chování v půdě, formy či mobilitu. Z teoretické části vyplývají rozdíly mezi jednotlivými prvky, tj. že olovo a měď jsou silně vázány na organickou hmotu, což u kadmia a zinku neplatí. Měď a zinek jsou v nízkých koncentracích esenciální prvky, avšak ve vyšších koncentracích jsou to prvky potenciálně rizikové. To neplatí pro olovo a kadmium, jelikož tyto prvky jsou potenciálně rizikové i při jejich nízkých obsazích. Rizikové prvky ve vyšších koncentracích narušují kvalitu porostu a negativně ovlivňují biologické i půdní procesy. V rámci experimentální části byly odebrány půdní vzorky v lesních porostech a na kalamitních holinách v okolí Příbrami. Byly v nich stanoveny pseudototální obsahy studovaných prvků lučavkou královskou (AR) a totální obsahy prvků pomocí rentgen-fluorescenčního spektrometru (XRF). Dále byly u prvků stanoveny výměnné formy pomocí dusičnanu amonného (NH4NO3). Stanovovalo se rovněž aktivní pHH2O, výměnné pHCaCl2 a celkové obsahy uhlíku, dusíku a síry pomocí elementárního analyzátoru. Výsledky prokázaly, že potenciálně rizikové prvky jsou nejvíce obsaženy v nadložních organických horizontech (F – H horizonty). V lesní půdě byla nižší hodnota pH než na holině. Zároveň se nepotvrdilo tvrzení, že se vlivem odlesnění zvyšuje mobilita rizikových prvků. Mobilita prvků se na holině nezvyšovala, neboť se v rámci mineralizace organické hmoty uvolňují bazické prvky (vápník a hořčík), které zvyšují pH půdy, což pravděpodobně způsobuje imobilitu potenciálně rizikových prvků. Bylo prokázáno, že hodnota pH roste s hloubkou půdy. Nejvíce zastoupeným prvkem v půdě bylo olovo, které je společně s mědí fixováno na organickou hmotu více než kadmium a zinek. Nejméně zastoupeným rizikovým prvkem v půdě bylo kadmium. Diplomová práce vyzdvihuje potřebu existence legislativních limitních hodnot potenciálně rizikových prvků pro lesní půdy, jelikož v dnešní době existují legislativní limity určující maximální povolené hodnoty rizikových prvků pouze pro půdy zemědělské.

Abstract:

The aim of the thesis was to generally describe the behaviour of potentially toxic elements (Cd, Cu, Pb a Zn) in forest and clearing soils, with a focus on their relationship to soil organic matter. The experimental part focused on the mentioned elements, particularly their contents, forms, and their relationship to other soil characteristics. In the theoretical part, cadmium, copper, lead, and zinc were detailed with respect to their occurrence on Earth, behaviour in soil, forms, and mobility. The theoretical section highlights differences between these elements, indicating that lead and copper are strongly bound to organic matter, unlike cadmium and zinc. Copper and zinc are essential elements at low concentrations, but at higher concentrations, they become potentially toxic elements. This is not the case for lead and cadmium, as these elements pose potential risks even at low concentrations. Elevated concentrations of toxic elements disrupt the quality of vegetation and adversely affect biological and soil processes. Within the experimental part, soil samples were collected in forests and clearcuts in Příbram region. Pseudototal contents of studied elements in the samples were determined using aqua regia (AR), and the total element contents were assessed using X-ray fluorescence spectrometry (XRF). Additionally, exchangeable forms of the elements were determined using ammonium nitrate (NH4NO3). Active pHH2O, exchangeable pHCaCl2, and total contents of carbon, nitrogen, and sulphur were also determined using an elemenal analyser. The results indicated that potentially toxic elements are most abundant in the upper organic horizons (F – H horizons). The forest soil exhibited a lower pH value compared to the clearing soil. Additionally, the assertion that deforestation increases the mobility of toxic elements was not confirmed. The mobility of elements did not increase in the clearing soils, likely because basic elements (calcium and magnesium) are released during mineralization of organic matter, increasing the soil pH, and possibly causing immobility of potentially toxic elements. It was demonstrated that pH values increase with soil depth. Lead was the most prevalent element in the soil, together with copper fixed to organic matter more than cadmium and zinc. Cadmium was the least represented toxic element in the soil. The thesis emphasizes the need for legislative limit values of potentially toxic elements in forest soils since current regulations only specify maximum allowable values for toxic elements in agricultural soils.

Keywords

lesní půda, potenciálně rizikové prvky, kontaminace půd

Keywords

forest soil, potentially toxic elements, soil contamination

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 12. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 23. 5. 2024
• Supervisor: doc. Ing. Lenka Pavlů, Ph.D.
• Reader: Radek Novotný, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme:
Regional Environmental Administration