Komplex geokémiai és geofizikai mágneses kutatási módszerek együttes fejlesztése talajok toxikus és bioesszenciális nyomelemei mobilitásának jellemzésére = Integrated improvement of complex geochemical and geophysical research methods for characterisation of mobilisations grade of toxic and bioessential elements in soil

Magyarországon először végeztünk talajokon mágneses szuszceptibilitás mérést komplex ásványtani-geokémiai vizsgálatokkal kiegészítve. Célunk a nemzetközi környezetkutatásban alkalmazott, a nehézfém szennyeződések detektálását szolgáló módszerek adaptálása ill. a hazai körülményekre történő alkalmazása volt. A hazánkban legelterjedtebb talajtípusokon (barna erdőtalajok, homoktalajok, réti talajok, csernozjomok, ártéri talajok, szolonyec talajok) mért mágneses szuszceptibilitás és talajgeokémiai alapadatok alapján mind a módszer, mind annak elméleti alapjai vonatkozásában új elvi és gyakorlati következtetésekre jutottunk. Megállapítottuk, hogy egyes talajtulajdonságok (ásványos alkat, struktúra) hasonló nehézfém koncentrációk esetében is jelentősen befolyásolják a mágneses szuszceptibilitás értékeket. A szennyeződések detektálásánál - az eddigi nemzetközi gyakorlattal szemben - nem elegendő csak a felszínen mérni, hanem kontrollként teljes talajszelvény méréseket is be kell iktatni. Az eredmények részletes értékelésével megállapítottuk, hogy a talajok nehézfémtartalma és mágneses szuszceptibilitása közti összefüggés a bolygatatlan talajok esetében a legszembetűnőbb (esetünkben a csernozjomok, a barna erdei talajok, réti talajok). Az állandó és jelenlegi agrárművelés jelentősen befolyásolhatja ezt az összefüggést. A projekt eredményeképpen a módszer elméleti és műszeres háttere a hazai felhasználásra rendelkezésre áll | Magnetic susceptibility measurements completed with complex mineralogical and geochemical examinations on soils was carried out in Hungary for the first time. The purpose of the research was to adapt the methods used in the international environmental research for detection of heavy metal contamination, and to develop them to a method appropriate to the Hungarian conditions. We were led to new theoretical and practical conclusions concerning both the method and its theoretical background on the grounds of the magnetic susceptibility and soil geochemical basic data measured in the field and in the laboratory on the most common soil types of Hungary. We stated that certain properties of soils (such as mineralogy, structure, land use etc.) significantly influence their magnetic susceptibility even if they are characterized by similar heavy metal concentrations. When detecting the contaminations, it is not sufficient to measure only on the soil surface, but occasionally, as a control, the whole soil profile must be measured by applying the method. By detailed evaluation of the results we concluded, that the relation between the magnetic susceptibility and heavy metal content of a soil is the most conspicuous in the case of undisturbed soils (e.g. in our case chernozems, the B horizon of brown forest soils and meadow soils). This relation is strongly influenced even by the permanent or present agricultural activity with no heavy metal pollution

A vastartalom vizsgálata szekvenciális kioldással néhány hazai talajtípusban

A vas és fázisai a talajban egyrészt a redoxi-folyamatok érzékeny jelzői, másrészt jelentős szerepet játszanak a kémiai elemek geokémiai körforgalmában. Így nemcsak talajtani, de környezetvédelmi szempontból is fontos kérdés, hogy adott kémiai elem milyen mértékben képes mobilizálódni a környezeti hatások változására. Jelen dolgozat célja a vastartalom vizsgálata szekvenciális kioldással, továbbá a kioldott frakciók és a főbb talajtulajdonságok (kémhatás, szervesszén-tartalom, karbonáttartalom, szemcseösszetétel, agyagásványos jelleg) és a talajképző kőzet jellege közötti összefüggés vizsgálata 12, a leggyakoribb hazai talajtípusokat képviselő talajszelvényben. Az átlagos vastartalmú (1–4% teljes vastartalom) minták között jól elkülöníthetők a nagyobb vastartalmú, gyengén savanyú kémhatású erdőtalaj- és a kisebb vastartalmú, semleges–gyengén lúgos kémhatású nem erdőtalajminták. Az előbbi mintacsoportban a vastartalom az agyagtartalommal, az utóbbiban az iszaptartalommal nő, utalva a helyben keletkezett és az átöröklött vasfázisok eltérő szerepére a két csoport között. Az agyagtartalommal tapasztalt összefüggésnél szerepe lehet a duzzadó agyagásványok dominanciájának is a vizsgált erdőtalajmintákban. A vas megoszlása hasonló jelleget mutat a két mintacsoportban. A vas túlnyomó része (>80%) minden talajtípusban a reziduális, zömmel átöröklött frakcióhoz köthető. A második legjelentősebb frakciót adó redukálható vastartalom aránya az erdőtalajokban némileg nagyobb, ami a vas-oxidok, hidroxidok formájában történő felhalmozódásához kedvezőbb feltételekre utal ezekben a mintákban. Ezzel szemben a szerves anyaghoz köthető, oxidálható frakció a jelentősebb humuszfelhalmozódást mutató nem erdőtalajokra jellemző nagyobb arányban. A növények számára potenciálisan legkönnyebben felvehető vashányadok minden talajtípusban alacsonyak, a teljes vastartalomnak csak néhány tized százalékát adják. A vasmegoszlás szelvénybeli eloszlásában is megjelenik az erdőtalajok felhalmozódási szintjére jellemző vasdúsulás szinte minden frakcióban, valamint a nem erdőtalajokra jellemző nagyobb humuszfelhalmozódáshoz kapcsolódó vasdúsulás. Hasonlóság is tapasztalható a két csoport között ebben a tekintetben, miszerint a szerves anyaghoz köthető és a könnyen mobilizálható vas aránya a mélységgel csökken, utalva a szerves anyag és vas kapcsolatára. A talaj vaskészletét nagyrészt szolgáltató talajképző kőzet hatása azonban nem volt kimutatható a vas megoszlására az alkalmazott módszerrel. A talajok teljes vastartalma és megoszlásának változása a szelvényen belül jól mutatja az egyes talajképző folyamatok típusát, helyét és utal a mértékére is. Eredményeink szerint a talaj vastartalmának szekvenciális kioldása fontos információt nyújthat ezen folyamatokról. A publikáció a Bolyai János Kutatási Ösztöndíj támogatásával készült. A kutatást az OTKA támogatta (K 100181, K 100180)

Relationship between iron and trace metal fractionation in soils

Iron compounds significantly affect the behaviour of trace elements in soils. Sequential chemical extractions are widely used to estimate not only the solid phase speciation of chemical elements but to study their mobilisation conditions. In this paper, we present results about the effect of iron fractionation on that of trace metals (Co, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn) in representative soils for Hungary. Our aim was to study the effect of pedogenic processes and soil parent material on trace metal association with soil iron phases. Two major soil groups, such as Luvisols and non-Luvisols could be established based on trace metal content, distribution and fractionation in the studied soils. Such differences were found to be primarily due to the differences in the pedogenic processes in the studied soils, whereas soil parent material has not affected these characteristics significantly. We found that Fe phases affect trace metal fractionation and mobilisation as their host in form of both inherited and pedogenic phases. However, pedogenic processes, primarily iron and organic matter accumulation in our case, generally overwrite the effect of inherited iron phases on trace metal accumulation, distribution and fractionation. Among the studied metals, fractionation of Co and Cr were found to be much more affected by that of Fe, followed by Cu, Zn and Ni, whereas Pb could be associated with iron phases only subordinately

A vastartalom vizsgálata szekvenciális kioldással néhány hazai talajtípusban

A vas és fázisai a talajban egyrészt a redoxi-folyamatok érzékeny jelzői, másrészt jelentős szerepet játszanak a kémiai elemek geokémiai körforgalmában. Így nemcsak talajtani, de környezetvédelmi szempontból is fontos kérdés, hogy adott kémiai elem milyen mértékben képes mobilizálódni a környezeti hatások változására. Jelen dolgozat célja a vastartalom vizsgálata szekvenciális kioldással, továbbá a kioldott frakciók és a főbb talajtulajdonságok (kémhatás, szervesszén-tartalom, karbonáttartalom, szemcseösszetétel, agyagásványos jelleg) és a talajképző kőzet jellege közötti összefüggés vizsgálata 12, a leggyakoribb hazai talajtípusokat képviselő talajszelvényben. Az átlagos vastartalmú (1–4% teljes vastartalom) minták között jól elkülöníthetők a nagyobb vastartalmú, gyengén savanyú kémhatású erdőtalaj- és a kisebb vastartalmú, semleges–gyengén lúgos kémhatású nem erdőtalajminták. Az előbbi mintacsoportban a vastartalom az agyagtartalommal, az utóbbiban az iszaptartalommal nő, utalva a helyben keletkezett és az átöröklött vasfázisok eltérő szerepére a két csoport között. Az agyagtartalommal tapasztalt összefüggésnél szerepe lehet a duzzadó agyagásványok dominanciájának is a vizsgált erdőtalajmintákban. A vas megoszlása hasonló jelleget mutat a két mintacsoportban. A vas túlnyomó része (>80%) minden talajtípusban a reziduális, zömmel átöröklött frakcióhoz köthető. A második legjelentősebb frakciót adó redukálható vastartalom aránya az erdőtalajokban némileg nagyobb, ami a vas-oxidok, hidroxidok formájában történő felhalmozódásához kedvezőbb feltételekre utal ezekben a mintákban. Ezzel szemben a szerves anyaghoz köthető, oxidálható frakció a jelentősebb humuszfelhalmozódást mutató nem erdőtalajokra jellemző nagyobb arányban. A növények számára potenciálisan legkönnyebben felvehető vashányadok minden talajtípusban alacsonyak, a teljes vastartalomnak csak néhány tized százalékát adják. A vasmegoszlás szelvénybeli eloszlásában is megjelenik az erdőtalajok felhal-mozódási szintjére jellemző vasdúsulás szinte minden frakcióban, valamint a nem erdőtalajokra jellemző nagyobb humuszfelhalmozódáshoz kapcsolódó vasdúsulás. Hasonlóság is tapasztalható a két csoport között ebben a tekintetben, miszerint a szerves anyaghoz köthető és a könnyen mobilizálható vas aránya a mélységgel csökken, utalva a szerves anyag és vas kapcsolatára. A talaj vaskészletét nagyrészt szolgáltató talajképző kőzet hatása azonban nem volt kimutatható a vas megoszlására az alkalmazott módszerrel. A talajok teljes vastartalma és megoszlásának változása a szelvényen belül jól mutatja az egyes talajképző folyamatok típusát, helyét és utal a mértékére is. Eredményeink szerint a talaj vastartalmának szekvenciális kioldása fontos információt nyújthat ezen folyamatokról. | Iron and its phases are not only sensitive indicators of soil redox processes, but also play an important role in the geochemical cycle of chemical elements. Studies on the mobility of this element in different soil environments are thus of utmost importance from both the pedological and environmental point of view. The aim of present paper was to study the fractionation of iron by means of sequential extraction, and the relationship between the extracted iron fractions and both major soil properties (pH, TOC, carbonate content, particle size distribution, clay mineralogy) and the nature of the soil parent material in 12 profiles characteristic of the soil types found most frequently in Hungary (humous alluvial soil, leached chernozem, humous sandy soil, typical meadow soil, pseudomyceliar (calcareous) chernozem, meadow solonetz, brown forest soil with clay illuviations, brown forest soil with carbonate residues). Sequential extraction was performed on 33 samples from the 12 profiles, each involving three parallel measurements. The samples were ground to a particle size of <10 µm in an agate mortar and extraction was carried out using the Tessier technique modified by Li et al. (1995), which consists of the following five steps: 1. ion exchange with magnesium chloride (pH=7), 2. extraction with weak acidic acid (pH=5), 3. reductive extraction with hydroxylamine hydrochloride (pH=2), 4. oxidative extraction with hydrogen peroxide (pH=2), 5. complete dissolution with a mixture of nitric acid, hydrofluoric acid and perchloric acid. The relative error arising from the parallel measurements was 33%, 21%, 1%, 17% and 3% in the five steps. The studied samples were characterized by average iron content (1–4% total iron). Forest soils with slightly acidic pH and higher iron content could be clearly distinguished from non-forest soil samples with neutral or slightly alkaline pH and lower iron content. The amount of iron increased with the clay content in the former group and with the silt content in the latter, suggesting the diverse roles of pedogenic and inherited iron phases in the different soil types. Additionally, the dominance of swelling clay minerals may play an important role in the relationship between the iron and clay content in the forest soil samples. The fractionation of iron was similar in the two soil groups. Iron could be found predominantly (>80%) in the residual, mainly inherited fraction in all the soils. The second largest fraction was that of reducible iron, which was slightly higher in the forest soil samples than in non-forest soils, suggesting that conditions favoured the accumulation of iron in the form of oxides and hydroxides in these samples. By contrast, the oxidizable (e.g. organic matter-bound) iron fraction was much higher in non-forest soil samples, which exhibited more intense humus formation. The potentially bio-available iron fraction made up a very low proportion of the total iron in both soil groups. When the iron fractionation within the soil profiles was studied, the enrichment of all the iron fractions could be observed in the accumulation horizons of the forest soil profiles, while it accumulated in the organic horizons of non-forest soil samples. One similarity between the two soil groups was that the ratio of easily mobilizable iron bound to organic matter decreased with depth, suggesting a close association between soil organic matter and iron in these soils. However, the soil parent material was found to have no effect on iron fractionation. The total iron content of the soils and changes in its distribution within the profile gave a good reflection of the type, site and extent of certain soil-forming processes. The results showed that sequential extraction of the soil iron content was an effective tool for obtaining information about these processes