Spatial distribution of heavy metals released from ashes after a wildfire

Abstract

Heavy Metals (HM) in great amounts in soil and water resources can cause coercive effects in the environment and human health. Ash contains high quantities of HM that depend on combusted species, type and part burned and soil characteristics. After a fire, the HM released from ash can lead to a soil solution and water resources contamination. This liberation of HM in solution can be highly variable across the affected area. This work pretends to study the spatial variation of the HM – Aluminium (Al³⁺), Manganese (Mn²⁺), Iron (Fe²⁺) and Zinc (Zn²⁺) – in a Quercus suber and Pinus pinaster stand affected by a wildfire in Portugal, applying some interpolation methods. The results showed that on average across the plot, Al³⁺ was the HM released in higher quantities and Zn²⁺ in lower. The higher variability was observed in Zn²⁺ and in Fe²⁺. The interpolation methods assessed showed that polynomial regression (PR) method was the more accurate to predict the distribution of the HM across the plot. Al³⁺ and Mn²⁺ showed a rise in their concentration from south towards north section of the plot, and Fe²⁺ and Zn²⁺ a decrease from northwest to southeast section of the plot. The liberation of Al³⁺and Mn²⁺ is related with species burning severity, and Fe²⁺ and Zn²⁺ with plot topography. The fire evolution across the plot and the consequent rising temperatures can have higher impacts than burned species in HM spatial variability. Over time, with the decreasing ash pH, HM will become more mobile and will be released in soil solution, with potential coercive effects in the environment.

Po gaisro iš pelenų išsiskiriančių sunkiųjų metalų erdvinis pasiskirstymas

Santrauka. Didelės sunkiųjų metalų (SM) koncentracijos dirvožemyje ir vandenyje gali sukelti pavojų aplinkai ir žmogaus sveikatai. Pelenuose aptinkamos didelės SM koncentracijos, kurios priklauso nuo sudegusio medžio rūšies, tipo, sudegusios medžio dalies ir dirvožemio savybių. Po gaisro iš pelenu pasišalinantys SM patenka į dirvožemio tirpalą ir gali sukelti vandens išteklių taršą. SM išsiskyrimas iš pelenu teritorijos plote gali kisti. Darbe taikant interpoliacinius metodus tiriama SM — aliuminio (Al³⁺), mangano (Mn²⁺), geležies (Fe²⁺) ir cinko (Zn²⁺) ‐ pasiskirstymas teritorijoje po Quercus suber ir Pinus pinaster miško gaisro Portugalijoje. Iš rezultatų matyti, kad nagrinėjamoje teritorijoje vidutiniškai didžiausios koncentracijos pasiskirste Al³⁺, o mažiausios – Zn²⁺. Didžiausi koncentracijų pokyčiai buvo būdingi Zn²⁺ ir Fe²⁺. Iš taikytų interpoliacinių metodų, prognozuojant SM pasiskirstymą teritorijoje, tikslesnis buvo polinominės regresijos metodas. Al³⁺ ir Mn²⁺ koncentracijų padidėjimas nustatytas iš pietinės teritorijos dalies šiaurinės link, o Fe²⁺ ir Zn²⁺ – sumažėjimas iš šiaures vakaru dalies pietrytines teritorijos dalies link. Al³⁺ ir Mn²⁺ išsiskyrimas iš pelenų priklausė nuo gaisro intensyvumo, o Fe²⁺ ir Zn²⁺ – nuo teritorijos topografijos. Gaisro intensyvumo pokyčiai teritorijoje ir su tuo susijęs temperatūros kilimas gali turėti didesnės įtakos SM pasiskirstymui teritorijoje negu sudegusių medžių rūšys. Laikui begant ir kintant pelenų pH, SM tampa judresni, tad gali patekti į dirvožemio tirpalą, sukelti pavojų aplinkai.

Reikšminiai žodžiai: sunkieji metalai, pelenai, Quercus suber, Pinus pinaster, erdvinė variacija, interpoliacijos metodai.

Резюме. Большие концентрации тяжелых металлов (ТМ) в почве и воде могут быть oпасны для окружающей среды и здоровья людей. Большие концентрации ТМ, выделяемые после пожара из золы, зависят от вида, типа, части сгоревшего дерева и свойств почвы. ТМ попадают в почву и могут вызвать загрязнение подземных вод. Выделение ТМ из золы на площади территории может меняться. В статье рассматривалось распределение после пожара на территории в Португалии таких тяжелых металлов, как алюминий (Al³⁺), марганец (Mn²⁺), железо (Fe²⁺) ir цинк (Zn²⁺). С этой целью применялись методы интерполяции. Из результатов анализа видно, что на исследуемой территории в среднем наибольшими были концентрации Al3+, а наименьшими Zn²⁺. Наибольшим изменениям подвергались концентрации Zn²⁺ и Fe²⁺. Из применявшихся методов интерполяции метод полиноминальной регрессии был наиболее точным для прогноза распределения ТМ на территории. Для Al³⁺ и Mn²⁺ было характерно увеличение концентраций с южной территории в сторону северной части, а для Fe²⁺ ir Zn²⁺ – уменьшение концентраций с северо-западной части в сторону юго-восточной территории. Выделение Al³⁺ и Mn²⁺ из золы после пожара зависело от интенсивности пожара, а в случае с Fe²⁺ и Zn²⁺ – от топографии территории. Изменение интенсивности пожара на территории и в связи с этим изменение температуры может оказывать бόльшее влияние на распределение ТМ на территории, чем вид сгоревших деревьев. С течением времени и изменением pH золы ТМ становятся более подвижными, могут попадать в подземные воды и тем самым создавать угрозу для окружающей среды.

Ключевые слова: тяжелые металлы, зола, Quercus suber, Pinus pinaster, пространственная вариация, методы интерполяции.

First Published Online: 14 Oct 2010

Keyword : heavy metals, ash, Quercus suber, Pinus pinaster, spatial variation, interpolation methods