Trace elements in top- and subsoil on selected crop and dairy farms in Finland in 2004

Abstract

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää peltomaiden muokkauskerroksen ja jankon raskasmetallipitoisuuksia sekä tuotantosuunnan vaikutusta pitoisuuksiin. Tutkimukseen valittiin viisi maatilaa tyypilliseltä kasvintuotantoalueelta lounaisesta Suomesta ja viisi maatilaa tyypilliseltä maidontuotantoalueelta Pohjois- Pohjanmaalta. Maanäytteet kerättiin muokkauskerroksesta ja jankosta 23:lta kasvinviljelytilojen ja 21:ltä maidontuotantotilojen peltolohkolta sadonkorjuun aikaan vuonna 2004. Tutkittavat alkuaineet olivat arseeni (As), kadmium (Cd), kromi (Cr), kupari (Cu), lyijy (Pb), elohopea (Hg), nikkeli (Ni), seleeni (Se), vanadiini (V) ja sinkki (Zn). Elohopean kokonaispitoisuus määritettiin pyrolyyttisesti ja kaikkien muiden alkuaineiden kokonaispitoisuudet kuningasvesiuutosta (aqua regia) kansainvälisen standardimenetelmän ISO 11466:n mukaan. Muokkauskerroksen näytteistä määritettiin lisäksi hiukkaskokojakauma, tilavuuspaino, pH(H2O), johtoluku, orgaanisen hiilen ja humuksen pitoisuus sekä alumiinin ja raudan kokonaispitoisuudet. Samoin näistä näytteistä tutkittiin happamaan (pH 4,65) ammoniumasetaattiin uuttuvat liukoiset ravinteet ja happamaan (pH 4,65) ammoniumasetaatti- EDTA:han uuttuvat liukoiset hivenalkuaineet. Kasvinviljelytilat sijaitsivat savimailla ja maidontuotantotilat karkeilla kivennäismailla. Maalajieroista johtuen hivenalkuaineiden kokonaispitoisuudet olivat kasvinviljelytiloilla sekä muokkauskerroksessa että jankossa kaksin- tai kolminkertaisia verrattuna maidontuotantotilojen vastaaviin pitoisuuksiin. Mitä savisempaa peltomaa oli, sitä korkeampia olivat myös useimpien hivenalkuaineiden pitoisuudet. Kun alkuaineiden liukoisia osuuksia verrattiin kokonaispitoisuuksiin, kaikkien alkuaineiden liukoisuusprosentti oli suurempi maidontuotantotilojen karkeilla kivennäismailla kuin kasvintuotantotilojen savimailla. Peltojen muokkauskerrokseen kertyi määrällisesti enemmän kadmiumia, lyijyä ja elohopeaa kasvinviljelytiloilla lounaisessa Suomessa kuin maidontuotantotiloilla Pohjois-Pohjanmaalla. Kuitenkin maidontuotanto näytti kerryttävän peltoon enemmän kromia, kuparia, seleeniä, vanadiinia ja sinkkiä kuin kasvintuotanto. Kasvintuotanto näytti johtavan jopa joidenkin alkuaineiden vähenemiseen muokkauskerroksessa. Tällainen alkuaine oli muun muassa kupari. Kun huomioidaan alkuaineen kertyminen ja liukoisuus, peltomaiden likaantumisen kannalta uhkaavimmat alkuaineet näyttävät olevan sekä kasvin- että maidontuotantotiloilla kadmium, lyijy ja elohopea. Lisäksi maidontuotantotiloilla tulisi tarkkailla kuparin, seleenin, sinkin ja vanadiinin mahdollista kertymistä. Hivenalkuaineiden lähteitä ei tässä tutkimuksessa voitu selvittää. Kun maanäytteet otetaan peltomaan muokkauskerroksesta ja jankosta samasta paikasta ja samaan aikaan, jankon kokonaispitoisuutta voidaan suurella todennäköisyydellä pitää luonnollisena taustapitoisuutena näytepisteelle, -paikalle tai -alueelle näytteenoton kattavuuden mukaan. Vastaavasti taas alkuaineen kertymisen tai vähenemisen määrää muokkauskerroksessa voidaan pitää maan saastumisen tai köyhtymisen mittarina. Näytteiden ottaminen samaan aikaan peltomaiden muokkauskerroksesta ja jankosta näyttäisi olevan hyvä keino muun muassa maankäytön ja tuotantosuunnan vaikutusten selvittämiseen, vertailuun, seurantaan ja hallintaan. Tutkimus oli osa vuosina 2004 2007 toteutettua, Maa- ja metsätalous-ministeriön rahoittamaa yhteistutkimushanketta Raskasmetallikuormitusten selvittäminen ja vähentäminen Suomen maatalousekosysteemeissä . Hankkeen tavoitteena oli selvittää viljelymaiden raskasmetallipitoisuuksia valtakunnallisesti käyttäen kuningasvesiuuttoa. Toiseksi tutkittiin kasvinviljely- ja maidontuotantotilojen viljelymaan raskasmetallipitoisuuksia kuningasvesiuutteesta ja hapan (pH 4,65) ammoniumasetaatti-EDTA -uutteesta siten, että näytteet otettiin muokkauskerroksesta ja jankosta. Lisäksi hankkeessa analysoitiin raskasmetallien tilakohtaisia peltotaseita kasvinviljely- ja maidontuotantotiloilla.

This study was part of a three-year (2004-2007) project entitled Assessment and reduction of heavy metal inputs into Finnish agro-ecosystems that was funded by the Ministry of Agriculture and Forestry in Finland. The aims of the project were to clarify: 1) aqua regia extractable trace elements in Finnish cultivated soils with the international standard method at a national level; 2) aqua regia and AAAc-EDTA extractable trace elements in the top- and subsoil of Finnish arable land on selected crop and dairy farms; and 3) field mass balances of trace elements on the same selected crop and dairy farms at the farm level. The main aim of this investigation was to study trace element contents in the Finnish arable land on crop and dairy farms. Five farms were selected from typical crop farming area in southwestern Finland and five from typical dairy farming area in Ostrobothnia. Topsoil and subsoil samples were collected from 23 fields on the crop farms and from 21 fields on the dairy farms at the time of harvest in 2004. Trace element contents studied were arsenic (As), cadmium (Cd), chromium (Cr), copper (Cu), lead (Pb), mercury (Hg), nickel (Ni), selenium (Se), vanadium (V) and zinc (Zn). Total contents of these elements were determined from the top- and subsoil samples with aqua regia extraction (ISO 11466), except Hg which was determined by pyrolysis. In addition, the topsoil samples were analysed for the particle size distribution, bulk density, pH(H2O), electrical conductivity, organic carbon, humus, total contents of aluminium and iron, AAAc extractable nutrients and AAAc-EDTA extractable trace elements. The crop farms were located on clay soils and the dairy farms on finesand soils. The aqua regia extractable trace elements in the top- and subsoil of the clay soils at the crop farms were two to three times those of the finesand soils at the dairy farms. Most of the elements were significantly correlated with the clay content. When the AAAc-EDTA extractable trace elements were compared with the respective aqua regia extractable ones, solubility (%) of all the elements studied was higher in the finesand soils on the dairy farms than in the clay soils on the crop farms. Quantitatively more Cd, Pb and Hg enriched in the clay soils on the crop farms in southwestern Finland than in the finesand soils on the dairy farms in Ostrobothnia. However, dairy farming seemed to enrich the topsoil with more Cr, Cu, Se, V and Zn than crop farming, on average. Instead, the crop farming seemed to result in depletion of some trace elements, like Cu. Trace elements of the most concern as to their enrichment and/or solubility in the topsoil seem to be Cd, Hg and Pb in both farm types. In addition, Cu, Se, Zn and V seemed to be the elements that have to be followed up on the dairy farms. Trace element sources could not be identified in this study. It was concluded that when top- and subsoil is sampled at the same site and time, contents of aqua regia extractable trace elements in subsoil can be considered as natural geologic background contents for a site, local or region depending on the coverage of sampling. Furthermore, estimates on the trace element quantities enriched in the topsoil can be a good tool to assess, compare, monitor and manage impacts of different land uses and production sectors on the quality of cultivated soils.