Establishing geochemical background of elements present in soil and its application in the evaluation of soil pollution based on data collected in the Beskid Sądecki region

Alicja Kicińska,

Katarzyna Turek

Abstrakt

The present paper describes problems related to establishing geochemical background. Three selected methods: [Av±2ơ], [Me±-2MAD] and Tukey Box Plot were applied to establish the geochemical background of soils from the Beskid Sądecki geographical region in southern Poland. The ranges of geochemical background calculated for the following elements: Mg, Ca, Mn, Pb, Cd and As, for 2 sets of data with a diff erent degree of human pressure and sampling area showed considerable diff erences. The results obtained based on a set of samples collected from a stable, regional forest ecosystem seem the most appropriate for establishing geochemical background of large areas. The paper confi rms that the [Av±2ơ] method should not be used in the case of data with skewed distribution and a large degree of pollution. Analysing numerous sets of data and several methods also allowed for a conclusion that selecting a single universal method for establishing the background range is impossible. When selecting a method (direct, indirect or integrated), the pollution level of a given area, variability of the tested substance concentration, its geochemical characteristics, data distribution etc. should be taken into consideration. The box plot method eliminates fewer outliers and usually results in obtaining a broader background range. This method should be used mostly for areas with a low degree of pollution and a considerable diversity of element concentration.

Keywords: geochemical background, soil, anthropopressure, assessment of pollution

Abstrakt
Wyznaczanie tła geochemicznego dla pierwiastków występujących w glebach oraz jego zastosowanie w ocenie zanieczyszczenia gleb, na przykładzie Beskidu Sądeckiego

W pracy scharakteryzowano problematykę związaną z wyznaczaniem tła geochemicznego. Trzy wybrane metody: [Av±2ơ], [Me±2MAD] oraz Tukey Box plot zostały zastosowane do wyznaczenia tła geochemicznego gleb pochodzących z obszaru Beskidu Sądeckiego, dla następujących pierwiastków: Mg, Ca, Mn, Pb, Cd and As, dla 2 zbiorów danych, różniących się stopniem antropopresji oraz powierzchnią obszaru opróbowania. Najbardziej odpowiednie do wyznaczania tła geochemicznego dla dużych obszarów wydają się wyniki uzyskane na podstawie zbioru próbek pobranych ze stabilnego ekosystemu leśnego, który miał charakter regionalny. W pracy potwierdzono, że w żadnym wypadku nie należy stosować metody [Av±2ơ] do danych charakteryzujących się skośnym rozkładem oraz dużym stopniem zanieczyszczenia. Przeanalizowanie wielu zestawów danych i wybranych metod, pozwala także wnioskować, że dobór jednej uniwersalnej metody do wyznaczenia zakresu tła jest niemożliwy. Przy doborze metody (pośredniej, bezpośredniej czy zintegrowanej) powinno się uwzględniać np. stopień zanieczyszczenia badanego obszaru, zmienność zawartości badanego składnika i jego charakterystykę geochemiczną oraz rozkład danych. Metoda wykorzystująca wykres pudełkowy (Box plot), prowadzi do eliminacji mniejszej liczby wartości odstających i zazwyczaj przy jej użyciu otrzymywany jest szerszy zakres tła. To właśnie ta metoda powinna być stosowana przede wszystkim do obszarów charakteryzujących się niewielkim zanieczyszczeniem oraz znacznym zróżnicowaniem zawartości pierwiastków.

 

Słowa kluczowe: tło geochemiczne, gleby, antropopresja, ocena zanieczyszczenia
References

Appleton J.D., Rawlings B.G., Thornton I. 2008. National-scale estimation of potentially harmful element ambient background concentrations in topsoil using parent material classified soil: stream–sediment relationships. Applied Geochemistry 23: 2596–2611.

Baize D., Sterckeman T. 2001. Of the necessity of knowledge of the natural pedogeochemical background content in the evaluation of the contamination of soils by trace elements. The Science of the Total Environment 264: 127–139.

Bing H., Wu Y., Sun Z., Yao S. 2011. Historical trends of heavy metal contamination and their sources in lacustrine sediment from Xijiu Lake, Taihu Lake Catchment, China. Journal of Environmental Sciences 23(10);1671–1678.

Gałuszka A. 2006. Geochemical Background of Selected Trace Elements in Mosses Pleurozium schreberi (Brid.) Mitt. And Hylocomium splendens (Hedw.) B.S.G. from Wigierski National Park. Polish Journal of Environmental Studies, 15 (2a): 72–77.

Gałuszka A. 2007. A review of geochemical background concepts and an example using data from Poland. Environmental Geology, 52: 861–870.

Gałuszka A., Migaszewski Z.M. 2011. Geochemical background – an environmental perspective. Mineralogia, 42(1): 7–17.

Hakanson L. 1980. An ecological risk index for aqatic pollution control. A sedimentological approach. Water Research, 14, 8: 975–1001.

Hawkes H., Webb J.E. 1962. Geochemistry in mineral exploration. Harper, NY, 415.

Kabata-Pendias, Piotrowska M., Witek T. 1993. Ocena stopnia zanieczyszczenia gleb i roślin metalami ciężkimi i siarką. Ramowe wytyczne dla rolnictwa. IUNG, Puławy.

Kicińska A. 2012. Zróżnicowanie geochemiczne obszaru Beskidu Sądeckiego i jego wpływ na obieg wybranych pierwiastków. Wydawnictwo AGH, Kraków. [In Polish]

Kicińska A. 2016. Assessment of the road traffic impact on accumulation of selected elements in soils developed on Krynica and Bystrica subunit (Magura Nappe, Polish Outer Carpathians), Carpathian J. of Earth and Environmental Science, 11, 1: 245–254.

Matschullat J., Ottenstein R., Reimann C. 2000. Geochemical background – can we calculate it? Environmental Geology 39 (9).

Muller G. 1981. Die Schwermetallbelstung der sedimente des Neckars und Seiner Nebenfl usse: eine Bestandsanfunahme. Chemiker-Zeitung, 105: 156–164.

PN-ENISO19258:2011. Soil quality-guidance on the determination of background values. Regulation of Minister of Environment on 1 September 2016 how to conduct the assessment of contamination of the earth surface (Dz. U. 2016 poz. 1395).

Reimann C., Filzmoser P., Garrett R.G. 2005. Background and threshold: critical comparison of methods of determination. Science of the Total Environment 346: 1–16.

Reimann C., Filzmoser P. 1999. Normal and lognormal data distribution in geochemistry: death of a myth. Consequences for the statistical treatment of geochemical and environmental data. Environmental Geology 39(9).

Reimann C., Garrett R.G. 2005. Geochemical background – concept and reality. Science of the Total Environment 350, 12–27.

Thi Thu Dung T., Cappuyns V., Swennen R., Ky Phung N. 2013. From geochemical background determination to pollution assessment of heavy metals in sediments and soils. Reviews in Environmental Science and Biotechnology, 12: 335–353.

Tukey J.W. 1977. Exploratory Data Analysis. Addison-Wesley, Boston.