Isotopic discrimination of soil depth profile under long term cultivated land WITH SLUDGE sewage effluent AT El-Gabal El-Asfar area, Egypt *

ABD EL SAMIE, S.G.

National Centre for Nuclear Safety and Radiation Control, Cairo, Egypt.

Key words: Stable isotopes, Soil organic carbon, Soil moisture, Heavy metals.

التوصيف النظائرى لقطاع طولى للتربة المنزرعة بمخلفات
الصرف الصحى بالجبل الأصفر بمصر

سوسن جمال عبد السميع

خلاصـــة

تم اختيار قطاعين عموديين لنوعين من التربة، رملية ذات حبيبات متوسطة وطينية ذات حبيبات دقيقه وذلك لدراسة حركة الملوثات وارتباطها مع تراكم المواد العضوية خلال عمق يصل إلى واحد متر تقريباً. أوضحت النتائج النظائرية والكيميائية اختلاف قيم الكربون-13 والمواد العضوية فى كل من نوعى التربة. ففى عمق 5 سم الأولى من سطح التربة الرملية وجد ازدياد لنسبة المواد العضوية يصل إلى ضعف النسبة التى وجدت بالتربة الطينية والذى تناسب عكسياً مع قيم الكربون-13. وقد قدر معدل الإغناء لهذه الطبقة بالقطاع الطينى بنسبة 2.3 ‰ عنه فى القطاع الرملى، ويعزى هذا الإغناء إلى التجزئة النظائرية للكربون-13 فى المرحلة الأولى للتحلل الجزئى لبعض المواد العضوية على سطح جزيئات المعدن المكون لحبيبات التربة والتى تتناسب طردياً مع مساحة سطح الجزيئات المكونة للتربة.  وقد وجد أن أعلى معدل للتغير فى الطبقات الرملية على عمق كبير يتراوح بين 20 إلى 50 سم من سطح التربة حيث تتم عمليات التحلل والتجزئة للمواد العضوية والتى ترجع إلى سرعة نفاذيتها خلال الحبيبات الرملية. وقد وجد ازدياد فى نسبة المواد العضوية عند عمق 60سم مع نقص فى قيم الكربون-13 وذلك لتغير نوع وحجم حبيبات التربة عند هذا العمق. وبازدياد العمق الى 110سم، لوحظ أغناء سريع لقيم الكربون-13 تبلغ قيمته 6 ‰ مع نقص فى نسب المواد العضوية مما قد يعزى الى حدوث عمليه تخمر كحولى عند ازدياد نسبة مياه التربة أو اختلاط التربة بمصدر عضوى أخر غنى بالكربون-13. ومن تتبع التغيرات الناتجة بقطاع التربة الطينية وجد تجانس فى نسب المواد العضوية وكذلك الكربون-13 خلال 15سم الأولى من سطح التربة ويرجع ذلك الى عمليات تقليب وحرث التربة الطينية. بينما تحدث عمليات التحلل للمواد العضوية على عمق من 20-40 سم والتى يصل الإغناء النظائرى للكربون-13 الى أعلى قيم بينما تتناقص نسب المواد العضوية بالتربة بالاتجاه لأسفل القطاع.

وباقتفاء نسبة الرطوبة فى قطاعى التربة باستخدام نظيرى الاكسجين-18 والديوتيريم،  وجد اغناء لنظير الاكسجين-18 للطبقة من 5-10سم  بمعدل1.6‰ و2.36‰ لكل من قطاعى التربة الطينية والرملية، على التوالى. ويرجع ازدياد نسبة المياه فى التربة الطينية إلى قدرة حبيباتها على الاحتفاظ بالمياه، بينما يصل التبخر فى القطاع الرملى الى عمق 40 سم مع ازدياد لقيم نظيرى الاكسجين-18 والديوتيريم. وقد لوحظ نقص فى هذين النظيرين فى طبقات القطاع تحت عمق 60سم مما يدل على ارتفاع مستوى المياه الجوفية لأعلى مما يؤكد عملية التخمر الكحولى. كذلك أظهرت نتائج التحليل العنصرى للعناصر الثقيلة ازدياد نسب الزنك والنحاس والكادميوم والحديد بالقطاع الرملى عند عمق يصل الى 40 سم وكذلك عند 60 سم، بينما ازدادت نسب المنجنيز والكوبلت فى القطاع الطينى حتى عمق 15 سم.

ABSTRACT

Two core profiles of different texture sizes (coarse sand and clay fine grains) were selected to study the long term behaviour of pollutant dynamic in relation with the potential load of soil organic matter (SOM) within about 1m depth. Soil depth profile analyses showed marked differences in SOM and d¹³C in sand with respect to clay particles. On the top sand surface (0-5cm), SOM was twice as that detected in clay horizons, whereas an inverse trend was obtained in d¹³C with enrichment by about 2.3‰ in clay more than sand particles. This enrichment reflects the difference in kinetic fractionation during humification of SOM in the initial stage due to preferential accumulation of d¹³C in association with fine texture particles, where fractionation of SOM to particle size yields organo-mineral fractionations. The significant variations in sand core lie between 20-50cm depth from the soil surface where humification and decomposition of SOM is followed by separation and accumulation at lower depth due to higher
bio-diffusivity in coarse particles. Slight increment observed in SOM at 60cm depth, as soil texture changed to fine sand and clayey minerals, represented an accumulation of residual fragment depleted in d¹³C, which further attained progressive enrichment by 6‰ down the depth profile (110cm). This sharp enrichment in d¹³C could be attained from a methanogenic process in moist soil or mixing with another organic pool enriched in isotopes (C₄ biomass).

In clay soil within the first layers (0-15cm depth), SOM and d¹³C were relatively constant due to soil tillage, while the major change along depth was occurred within 20-40cm depth where the processes of SOM decomposition and mobilization proceed in fine texture particles. These processes led to d¹³C enrichment down the profile in terms of organic matter turnover. Soil moisture profiles were discriminated by d¹⁸O and dD isotopes, where the d¹⁸O enrichment reached about 1.6‰ and 2.36‰ in clay and sand soil, respectively. High moisture content with less evaporation rate on the top surface of clayey soil was attributed to lower permeability and high holding capacity to water content in fine texture minerals whereas evaporation was proceeded in sand soil to 40cm depth followed by a further isotopic depletion down to 60cm depth, which indicates mixing with different water sources due to water logging. The elemental determination showed high concentrations of zinc, copper, cadmium and iron in sand profile with high mobility reaching to 15-20cm depth and also appearing at 50-60cm depth due to their accumulation on fine particles whereas manganese and cobalt were relatively higher in clay layers that observed at 0-15cm in clay profile.