Dynamics of trace metals and de-icing salt in compost-amended urban soils

A collaborative study between McGill University and the City of Montreal sought to design an improved soil mixture in order to promote street tree health and improve urban runoff water quality. A preliminary chemical analysis was done on 73 tree pit soil samples selected based on land use category, soil age, and soil organic matter. Significantly higher concentrations of Cu, Zn, Cd, and Pb were observed in soils from commercial (vs. residential) streets, possibly as a result of the heavier traffic on commercial streets. A coefficient of variation exceeding one for Na levels in tree pit soils of commercial zones is likely linked to the application of de-icing salt on the street. An analysis of plant nutrients (Ca, Mg, K, P, and total mineral N, including NH4+ and NO3-) in tree pit soils showed no deficiencies as compared to the recommended concentration of available nutrients in horticultural soils. The use of wood chips as tree pit cover material and soil age had significant effects on K, P, and N availability. Street width and soil pH were positively correlated with Na availability in tree pit soil, possibly due to the heavier traffic on wider streets splashing more de-icing salt into the tree pits, and the consequent displacement of H+ by Na+ in the tree pit soil. An investigation was conducted into the efficiency of biochar and compost in immobilizing potentially toxic metals in tree pit soils in the presence of de-icing salt. Using a central composite rotatable design, the soil used by the City of Montreal when transplanting nursery trees to sidewalk tree pits was amended with nine different combinations of compost (0-15% w/w) and biochar (0-10% w/w). The sorption and desorption of Na, Cu, Zn, Cd, and Pb were then evaluated for the different soil mixtures. The two amendments showed different abilities to immobilize potentially toxic metals in the tree pit soil impacted by de-icing salt. The soil amended with 7.5% compost indicated the best sorption and retention of Zn and Pb. The positive effect of compost on metal sorption and retention may be attributed to its high cation exchange capacity and its positive effect on soil pH. For Na, Cu, and Cd, soil alone appeared to be the best adsorbent. The biochar used in this study did not improve the ability of the soils to retain contaminants. Following the sorption and desorption tests, a phytotoxicity trial was conducted to evaluate metal bioavailability in the soil mixtures including 0, 5, or 10% (w/w) of compost. Soil mixtures, spiked with known concentrations (control, medium and high levels) of Na, Cu, Zn, Cd and Pb, were used in a 14-day growth trial of barley (Hordeum vulgare L.). Based on emergence, growth, and the measured concentrations of potentially toxic metals in the roots and shoots of the barley plants, compost-amended soils showed less Cu, Zn, Cd, and Pb absorption by barley plants than non-amended soil. This was probably attributable to the specific complexation of the metals and the provision of macronutrients such as Ca2+ and Mg2+ by the compost. These macronutrients possibly compete with trace metals for absorption by plants. Amendment with compost also decreased Na and Cd absorption by barley plants, likely through an indirect process involving its effects on CEC and pH. The amendment of soil with compost also increased Ca, Mg, K, and P availability. However, compost did not have a significant effect on NH4+ and NO3- availability for the barley plants.Un projet de recherche en collaboration avec l’Université McGill et la Ville de Montréal été mis sur pied pour élaborer un mélange de sol qui favorise une meilleure santé des arbres de rues et pour améliorer la qualité de l’eau de surface. Une analyse chimique préliminaire sur 73 échantillons de sol prélevés dans les fosses sélectionnées selon leur catégorie de zonage, leur âge et leur taux de matière organique a été effectuée. Des concentrations significativement plus élevées de Cu, Zn, Cd et Pb ont été mesurées dans les fosses provenant des rues commerciales (vs résidentielles) en raison possible du trafic routier plus intense dans ces zones. Un coefficient de variation supérieur à 1 pour les niveaux de Na dans les sols de rues commerciales pourrait être relié à l’application de sels de déglaçage. Une analyse des éléments nutritifs (Ca, Mg, K, P et azote minéral, NH4+ et NO3-) dans les sols de fosses d’arbres de rues ne montre aucune carence pour les plantes en comparaison avec les concentrations recommandées en sol horticole. L’utilisation de copeaux de bois comme paillis et l’âge des sols ont un effet significatif sur la disponibilité de P, N et K. La largeur de rues et le pH des sols sont corrélés positivement avec le Na disponible dans les sols de fosses, possiblement dû au trafic routier plus intense sur les rues plus larges et, par conséquent, un giclement plus important de sels de déglaçage causant le déplacement chimique des ions H+ par le Na+ dans les sols.Une étude a été entreprise pour évaluer l’efficacité du biochar et du compost à retenir les métaux potentiellement toxiques présents dans les fosses en présence de sels de déglaçage. Utilisant un design statistique, le sol employé par la Ville de Montréal dans ses fosses de plantation pour les arbres de rue a été amendé avec 9 combinaisons différentes de compost (0-15% m/m) et biochar (0-10% m/m). L’adsorption/désorption de Na, Cu, Zn, Cd et Pb ont été évaluées sur tous ces mélanges de sols. Ces deux types d’amendements ont montré des potentiels différents à retenir les métaux potentiellement toxiques dans les sols de fosses affectées par les sels de déglaçage. Le sol amendé avec 7.5% de compost a montré la meilleure adsorption de Zn et Pb. L’effet positif du compost sur la rétention de métaux peut être expliqué par sa grande capacité d’échange cationique et son effet positif sur le pH. En ce qui concerne le Na, Cu et Cd, le sol individuel (non amendé) semble être le meilleur adsorbant. Le biochar utilisé dans la présente étude n’a pas contribué à améliorer la capacité du sol à retenir les contaminants. Pour faire suite aux tests d’adsorption/désorption, un essai de phytotoxicité a été développé pour évaluer la biodisponibilté des métaux dans les mélanges de sols comprenant 0, 5, 10 % de compost. Des combinaisons de sol et compost amendés avec des concentrations convenues (niveaux nuls, moyens et élevés) de Na, Cu, Zn, Cd et Pb ont été utilisées dans une étude de croissance de 14 jours avec de l’orge (Hordeum vulgare L.). Basés sur la mesure des paramètres d’émergence, de croissance et de concentrations des métaux potentiellement toxiques sur les racines et les pousses d’orge, les sols amendés de compost montrent moins de Cu, Zn, Cd et Pb absorbés par les plants d’orge qu’avec les sols non-amendés. Ceci pourrait être attribué au fait que le compost est riche en Ca et Mg et que les métaux y sont complexés de manière spécifique; ces macronutriments pourraient entrer en compétition avec les métaux traces dans leur absorption par la plante. L’ajout de compost a aussi diminué l’absorption de Na et Cd par les plants d’orge possiblement à cause d’un processus indirect impliquant ses effets sur la CEC et le pH. L’amendement des sols avec du compost a aussi augmenté la disponibilité de Ca, Mg, K et P mais n’a pas eu d’effet sur NH4+ et NO3- disponible pour les plants d’orge