Concentrations and forms of heavy metals in Slovak soils

Abstract

The risk assessment of heavy-metal contamination in soils requires knowledge of the controls of metal concentrations and speciation. We tested the relationship between soil properties (pH, CEC, Corg, oxide concentrations, texture) and land use (forest, grassland, arable) and the partitioning of Al, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, and Zn among the seven fractions of a sequential extraction procedure in 146 A horizons from Slovakia. Using a cluster analysis, we identified 92 soils as representing background metal concentrations while the remaining 54 soils showed anthropogenic contamination. Among the background soils, forest soils had the lowest heavy-metal concentrations except for Pb (highest), because of the shielding effect of the organic layer. Arable soils had the highest Cr, Cu, and Ni concentrations suggesting metal input with agrochemicals. Grassland soils had the highest Cd and Zn concentrations probably for geogenic reasons. Besides the parent material (highest metal concentrations in soils from carbonatic rock, lowest in quartz-rich soils with sandy texture), pedogenic eluviation processes controlled metal concentrations with podzols showing depletion of most metals in E horizons. Partitioning among the seven fractions of the sequential extraction procedure was element-specific. The pH was the overwhelming control of the contributions of the bioavailable fractions (fractions 1–4) of all metals and even influenced the contributions of Fe oxide-associated metals (fractions 5 and 6) to total metal concentrations. For fractions 5 and 6, Fe concentrations in oxides were the most important control of contributions to total metal concentrations. After statistically separating the pH from land use, we found that the contributions of Cu in fractions 1–4 and of NH4NO3-extractable Al, Cd, Pb, and Zn to total metal concentrations were significantly higher under forest than under grassland and in some cases arable use. Our results confirm that metal speciation in soils is mainly controlled by the pH. Furthermore, land use has a significant effect. Gehalte und Formen von Schwermetallen in Böden der Slowakei Zur Bewertung des Risikos von Schwermetallkontaminationen in Böden müssen die Kontrollgrößen der Schwermetallgehalte und -speziierung bekannt sein. Wir untersuchten in 146 Oberböden aus der Slowakei den Zusammenhang zwischen Bodeneigenschaften (pH, KAK, Corg, Oxidgehalt, Textur) bzw. Landnutzung (Wald, Grünland, Acker) und Verteilung von Al, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb und Zn auf die sieben Fraktionen eines sequenziellen Extraktionsverfahrens. Mit einer Clusteranalyse identifizierten wir 92 Böden, deren Schwermetallgehalte im Hintergrundbereich lagen, während die restlichen 54 Böden eine anthropogene Belastung aufwiesen. Unter den Hintergrundstandorten hatten Waldböden die niedrigsten Schwermetallgehalte (außer Pb), bedingt durch den Abschirmungseffekt der organischen Auflage. Die Ackerböden wiesen die höchsten Cr-, Cu- und Ni-Gehalte auf, vermutlich durch Einträge von Agrochemikalien. Grünlandböden wiesen, wahrscheinlich geogen bedingt, die höchsten Cd- und Zn-Gehalte auf. Neben dem Ausgangsmaterial der Bodenbildung (höchste Metallgehalte in Böden aus kalkhaltigem Gestein, niedrigste in quarzreichen Böden mit sandiger Textur) hatten auch pedogene Prozesse einen Einfluss auf die Metallgehalte. In Podsolen waren die meisten Metalle im Ae-Horizont abgereichert. Die Verteilung auf die Fraktionen der sequenziellen Extraktion war spezifisch für jedes Metall. Der pH-Wert war die dominierende Größe, welche die Anteile der bioverfügbaren Fraktionen 1–4 bestimmte und sogar diejenige der mit pedogenen Fe-Oxiden assoziierten Fraktionen 5 und 6 beeinflusste, wenngleich für diese die Fe-Gehalte in Oxiden die bedeutendste Kontrollgröße waren. Nach statistischer Trennung des pH von der Landnutzung zeigte sich, dass die Anteile von Cu in den bioverfügbaren Fraktionen 1–4 sowie die NH4NO3-extrahierbaren Anteile von Al, Cd, Pb und Zn (Fraktion 1) an den Gesamtgehalten in Böden unter Wald signifikant höher als unter Grünland und z. T. Acker waren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Metallspeziierung in Böden im Wesentlichen vom pH-Wert abhängt, jedoch auch die Landnutzung einen nennenswerten Einfluss hat.