Post on 11-Jan-2017
GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2010 Tom 5 Zeszyt 4
Anna PATRZAŁEK Politechnika Śląska, Gliwice
ROZWÓJ ZBIOROWISKA ROŚLINNEGO ORAZ GLEBY INICJALNEJ ZAPOCZĄTKOWANEJ WYSIEWEM TRAW NA ZWAŁOWISKU ODPADÓW GÓRNICZYCH W OKRESIE 30 LAT
Streszczenie. W gruncie z odpadów górniczych węgla kamiennego postępuje proces zakwaszania, osiągając pHKCl 3,2. Taki grunt w 100% pokryto runią traw w okresie jednego sezonu wegetacyjnego. Zastosowano nawożenie mączką fosforytową i saletrą amonową oraz obsiew dobraną mieszanką traw. Utworzone zbiorowisko roślin rozwija się już ponad 30 lat. Przez cały ten okres ruń traw jest żywotna i zwarta. Zbiorowisko roślin tworzy głównie Festuca capillata oraz około 15-, 20-letnie drzewa, takie jak: Betula verucosa, Pinus silvestris. Powstała gleba inicjalna jest uboga. Kompleks sorpcyjny jest wysycony w około 50% zasadami, w tym głównie Mg++. Zawartość przyswajalnych form fosforu mieści się w klasie bardzo niskiej do niskiej, potasu w klasie niskiej do średniej zasobności. Rozwijające się zbiorowisko roślinne ma dużą wartość przyrodniczą.
DEVELOPMENT OF PHYTOCOENOSIS AND INITIATE SOIL STARTED BY SOWING GRASSES ON THE MINING WASTE DUMP IN THE PERIOD OF 30 YEARS
Summary. In ground of the hard coal mining waste proceed acidification process, reach pHKCl 3,2. Such ground in 100% covered by grasses in the period of one vegetation season. Ground rock phosphate and ammonium nitrate fertilization and accordant grasses mix seeding were used. Formed phytocoenosis have being developed already for 30 years. During all this period grasses are vitality and compact. Phytocoenosis is consist mainly of Festuca capillata and about 15 – 20 years old trees such as: Betula verucosa, Pinus silvestris. Formed the initial soil is poor. Sorptive complex is saturated by bases in about 50%, mainly by Mg++. Content of available phosphorus forms is in the very low to low wealth class. Developing phytocoenosis has big natural value.
A. Patrzałek
192
1. Wprowadzenie
W Górnośląskim Zagłębiu Węglowym z odpadów górniczych po górnictwie węgla
kamiennego budowane są zwałowiska, obwałowania rzeczne oraz pobocza szlaków
komunikacyjnych. Powstają w ten sposób duże powierzchnie gruntów bezglebowych.
Ze składu petrograficznego i mineralnego odpadów wynika, że brak w nich
podstawowych składników troficznych dla roślin, takich jak fosfor i azot. Proces wietrzenia
masy skalnej w początkowym okresie przebiega z dużą dynamiką, a to niesie zmiany
właściwości fizycznych i chemicznych.
W okresie kilku lat zmienia się skład granulometryczny powierzchniowej warstwy gruntu.
Intensywny proces wietrzenia pirytów w odpadach wzmaga powstawanie siarczanów i ich
wymywanie. Powstający kwas siarkowy nie jest zrównoważony tworzeniem się zasad. Grunt
osiąga odczyn kwaśny i bardzo kwaśny, zmienia się skład jonowy kompleksu sorpcyjnego.
Przy kwaśnym i bardzo kwaśnym odczynie do roztworu wodnego gruntu przechodzą kationy
glinu i manganu. W początkowym stadium rozwoju rośliny wrażliwość na te kationy jest
szczególnie duża. Jednocześnie fosfor jest słabo przyswajalny. Rozwój systemu
korzeniowego, zwłaszcza w dwóch pierwszych tygodniach po skiełkowaniu nasiona,
uzależniony jest od ilości fosforu w podłożu. Niedobór tego składnika potęgowany jest przez
powstawanie amorficznych tlenków żelaza, wykazujących duże zdolności do sorpcji jonów
fosforowych.
Przystępowanie do obudowy biologicznej takich gruntów w okresie, kiedy pH KCl spada
w nich poniżej 5, wymagało przede wszystkim wprowadzenia odpowiedniej ilości substancji
neutralizujacych oraz fosforu. Rośliny powinny mieć także możliwość odżywiania się azotem
[5].
W okresie 30 lat na zwałowisku odpadów górniczych Smolnica prześledzono rozwój
zbiorowiska roślinnego oraz proces powstawania gleby inicjalnej na gruncie silnie kwaśnym
Powstanie zbiorowiska roślin zainicjowano nawożeniem i wysiewem mieszanki traw [6, 7].
2. Charakterystyka obiektu badań
Zwałowisko Smolnica, na którym przeprowadzono prace badawcze, powstawało w latach
70. ubiegłego wieku przez składowanie odpadów górniczych z kopalni węgla kamiennego
Rozwój zbiorowiska roślinnego oraz gleby inicjalnej…
193
„Szczygłowice”. Kopalnia położona jest w północno-zachodniej części Niecki Głównej
Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Odpadami górniczymi są skały z serii karbonu,
pochodzące z górniczych robót przygotowawczych oraz z procesów przeróbczych węgla.
Zwałowisko budowane było głównie z odpadów przeróbki mechanicznej węgla.
Główną masę odpadów przeróbczych stanowiły iłowce barwy ciemnoszarej, o teksturze
bezładnej, silnie zwięzłej. W składzie petrograficznym odpadów górniczych główny udział
miały skały ilaste – iłołupki karbońskie.
W składzie mineralnym dominowały kaolinit i illit oraz niewielka ilość kwarcu, pirytu,
minerałów żelazistych i węglanowych, takich jak: dolomit, ankeryt i syderyt [2, 3].
Składniki przechodzące do roztworów wodnych to głównie chlorki i siarczany.
W gruncie powstają takie sole, jak MgSO4 oraz Fe(SO4)2.
Ilość soli chlorkowych w gruncie uformowanym ze świeżych odpadów po transporcie
z kopalni stanowi niebezpieczeństwo dla wprowadzonych roślin, jednak chlorki
z powierzchniowej warstwy w okresie kilku miesięcy ulegały procesowi dużego wypłukania.
Wietrzenie pirytu oraz słabe zbuforowanie tego procesu doprowadziły w okresie 4 lat do
silnego zakwaszenia powierzchniowej warstwy gruntu na zwałowisku [6].
3. Zakres i metody badań
Badania nad obudową biologiczną gruntu silnie kwaśnego przeprowadzono
w doświadczeniu polowym oraz w warunkach laboratoryjnych.
W 1976 roku, w okresie wczesnowiosennym, na powierzchni 1600 m2 północno-
wschodniej skarpy zwałowiska założono doświadczenie o charakterze polowym. Grunt
nawożono mączką fosforytową w ilości 0,5 Hh. Za podstawę do obliczenia dawki wapnia
przyjęto zawartość CaO w mączce fosforytowej. Mączka fosforytowa powstaje ze zmielenia
fosforytów, zawiera 15% P2O5. Fosfor znajduje się w niej formie związków 3Ca3(PO4)2CaF2
i 3Ca3(PO4)2CaCO3
Na tak przygotowane podłoże wysiano mieszankę traw o składzie: Festuca capillata Sima
+ Poa pratensis Skrzeszowicka + Lolum multiflorum Skrzeszowicka +Trifolium repens
Podkowa. W pierwszym roku, w okresie intensywnego krzewienia się traw, oraz w trzecim
roku ruń zasilono saletrą amonową w ilości 100kg/ha N.
Przed pracami agrotechnicznymi z powierzchni doświadczalnej pobrano próbki gruntu,
w których po uśrednieniu oznaczono skład granulometryczny metodą sitową oraz odczyn.
A. Patrzałek
194
W trzech kolejnych latach określono pokrycie gruntu metodą kwadratu oraz skład
botaniczny runi.
W 2006 roku, w okresie wiosennym, ponowiono badania na tej powierzchni [9].
Określono skład botaniczny powstałego zbiorowiska roślinnego, stopień pokrycia
powierzchni i żywotność roślin.
W powstałej glebie inicjalnej wyróżniono warstwę butwiny 0 – 1cm, warstwę
akumulacyjną – 7 cm, warstwę przejściową – 2 cm oraz skałę glebotwórczą.
W warstwie akumulacyjnej oznaczono skład granulometryczny metodą sitową,
przewodnictwo właściwe (konduktometrycznie), kwasowość (przez pomiar pH w H2O i KCl),
kwasowość hydrolityczną (Hh) (metodą Kappena). Jony zasadowe w 1 N octanie amonu,
Ca2+ Na+ K+ metodą spektrofotometrii płomieniowej, Mg+ metodą ASA. Fosfor i potas
przyswajalny (metodą Egnera-Rhima). Uzyskane wyniki składu granulometrycznego uznać
należy za orientacyjne, brak jest metodyki oznaczania takiego składu w badanym materiale.
4. Omówienie wyników badań
Jony fosforowe wprowadzone z mączką fosforytową do gruntu umożliwiły dobre
kiełkowanie wysianych nasion traw, nawożenie azotowe zintensyfikowało ich wzrost. Pod
koniec pierwszego okresu wegetacyjnego wysiana mieszanka traw pokrywała grunt w 80%.
W dalszych latach pokrycie utrzymało się i wynosiło 100%.
W pierwszym roku ruń tworzyły wszystkie wysiane gatunki roślin. Najsłabiej rosła
Lolium multiflorum. Rośliny cechowało żółknięcie liści oraz brak krzewienia. Po roku
gatunek ten ustąpił z runi. Poa pratensis, pomimo braku podobnych oznak, nie wytworzyła
pędów kwiatowych, wypadła ze składu botanicznego runi po drugim roku. Można
przypuszczać, że był to wynik braku nawożenia azotowego oraz bardzo bujnego wzrostu
i rozwoju Festuca capillata. Trifolum repens tworzyła niewielkie płaty, jej wzrost i rozwój
był prawidłowy, obficie zakwitła i wydała nasiona w drugim roku. W trzecim roku nie
stwierdzono jej jednak w runi. Gatunek ten nie odnowił się z samosiewu. Festuca capillata od
tego okresu tworzyła monokulturę. Obficie kwitła i wydawała nasiona, a siewki wypełniały
puste miejsca.
Zastosowana agrotechnika nie stworzyła większych możliwości osiedlania się roślin
z nalotu nasion w tworzącym się zbiorowisku roślinnym. W składzie botanicznym runi w tym
czasie pojawiły się pojedyncze rośliny dwuliścienne. W dalszych latach w runi pojawiły się
Rozwój zbiorowiska roślinnego oraz gleby inicjalnej…
195
nielicznie Calamagrostis epigejos oraz Betula verrucosa i Pinus sylvestris. Roślinność
z nalotu nasion nie uczestniczyła w stopniu dostatecznym w tworzeniu okrywy roślinnej
gruntu w pierwszych latach. Tworzyły ją wysiane trawy.
Po 30 latach zbiorowisko roślin na skarpie utrzymuje się w dobrym stanie (fot. 1).
Zbiorowisko roślinne składa się z trzech zasadniczych grup roślin: kilkunastoletnie drzewa,
takie jak: Betula verrucosa i Pinus sylvestris, trawy Festuca capillata oraz kilka gatunków
mchów. Sporadycznie w runi występują gatunki roślin dwuliściennych (tabl. 1).
Tablica 1
Zbiorowisko roślinne ukształtowane w okresie 30 lat na gruncie bardzo kwaśnych odpadów górniczych po wysiewie mieszanki traw z nawożeniem mineralnym
Lp. Gatunek Cechy żywotności Drzewa – Trees
1 Pinus silvestris Duży przyrost pędów do około 30 cm, pnie nieprawidłowo uformowane, starsze igły w połowie swej długości pożółknięte
2 Betula verrucosa Dobrze wykształcone korony drzew, brak uszkodzeń Trawy – Grasses
3 Festuca capitata Ruń kępiasta o dużym zwarciu. W kępkach 80% liści zielonych Zioła – Herbes
4 Chamoenerion angustifolium Pojedyncze rośliny o słabym wzroście, tworzące pędy kwiatowe, nie zawiązują nasion 5 Hieracium pilosella
6 Leontodon autumnalis Mchy – Moss
8 Ceratodon purpureus W okresie wiosennym intensywnie zielone, o bujnym wzroście 9 Pohlia involututs
10 Polytrichum strictum
Festuca capillata jest trawą o małych wymaganiach troficznych i wodnych, ma zdolność
odnawiania się przez samosiew w warunkach trudnych. Te cechy umożliwiają utrzymanie się
tego gatunku przez tak długi czas na wprowadzone stanowisko.
Betula verrucosa i Pinus sylvestris to gatunki, które osiedliły się w zbiorowisku traw
z nalotu nasion, z przylegającego do zwałowiska kompleksu leśnego.
A. Patrzałek
196
Fot. 1. 30-letnie zbiorowisko roślinne na zwałowisku Smolnica , zainicjowane nawożeniem mineralnym i wysiewem mieszanki traw na grunt silnie kwaśny. Fot. Maja Wawrzyczek
Photo 1. 30 years old phytocoenosis on Smolnica mining waste dump initiated by mineral fertilization and grasses mixture sowing on the strongly acid ground. Phot. Maja Wawrzyczek
Rozwój zbiorowiska roślinnego oraz jego trwałość na gruncie z odpadów górniczych
zależał od kształtujących się właściwości fizycznych i chemicznych tworzącej się gleby.
Skład granulometryczny odpadów, a potem gleby inicjalnej, wiąże się z procesem
rozdrabniania się masy skalnej zarówno pod wpływem procesu wietrzenia, ale także
penetrującego działania masy korzeniowej roślin (tabl. 2).
Tablica 2
Skład granulometryczny gleby inicjalnej, wytworzonej na odpadach górniczych po kopalnictwie węgla kamiennego (%)
Frakcje (mm) Kamienista
>25 Żwirowa
25 – 2 Piaskowa
2 – 1 Ziemista
<1 4 letni grunt przed zabiegami agrotechnicznymi
35 45 10 10 Po okresie 30 lat
0 60 20 20
Skarpa tworzona była z frakcji kamienistej odpadów górniczych. W okresie 4 lat frakcja
ta uległa dużej dezintegracji, która nadal postępuje. Najszybciej ulegają rozpadowi frakcje
kamieni i żwiru. W składzie granulometrycznym gleby po 30 latach nie ma już frakcji
Rozwój zbiorowiska roślinnego oraz gleby inicjalnej…
197
kamieni, przeważa frakcja żwirowa. Zwiększa się udział frakcji ziemistej. Proces
dezintegracji masy skalnej przebiega powoli, pociąga za sobą rozwijanie powierzchni
kontaktu z wodą okruchów skalnych i zmianę właściwości chemicznych gleby.
Po 30 latach poziom akumulacyjny gleby inicjalnej miał nadal odczyn kwaśny, jednak pH
wzrosło. Obniżyło się przewodnictwo elektrolityczne na skutek wypłukiwania soli, głównie
chlorkowych i siarczanowych. Intensywniej proces ten zachodził w górnych partiach skarpy,
w dolnych nastąpiło nagromadzenie się soli (tabl. 3).
Tablica 3
Kwasowość oraz przewodnictwo elektrolityczne gleby inicjalnej, wytworzonej na odpadach górniczych po kopalnictwie węgla kamiennego (frakcja >1 mm)
pH w H2O pH w KCl Przewodnictwo elektrolityczne μScm-1
Grunt po uformowaniu zwałowisku 6,9 6,2 341,4
4-letni grunt przed zabiegami agrotechnicznymi 3,4 3,1 426,5
30-letnia gleba inicjalna 4,1 – 4,8 3,0 – 4,0 305,6 – 65,5
Procesy wietrzenia oraz wymywania w tworzącej się glebie w górnych i dolnych partiach
skarpy zachodziły z różną intensywnością. Intensywniej przebiegały te procesy w górnych
partiach skarpy.
Sorpcja wymienna jest jedną z ważnych właściwości gleby inicjalnej. Kompleks
sorpcyjny tworzony jest przez frakcję koloidów mineralnych i organicznych. W glebie
inicjalnej wzrasta ilość substancji organicznej, postępuje także proces alofonizacji kaolinitu.
Procesy te mają wpływ na zwiększanie się pojemności kompleksu sorpcyjnego gleby
inicjalnej, wytworzonej na odpadach górniczych [4].
Tablica 4
Wymienne jony zasadowe w kompleksie sorpcyjnym w 30-letniej glebie inicjalnej, wytworzonej na odpadach górniczych po kopalnictwie węgla kamiennego (me/100g)
Na+ K+ Ca++ Mg++ Górne partie skarpy
2,71 1,57 7,95 19,82 Dolne partie skarpy
2,74 1,48 6.71 19,98 Średni udział procentowy (%)
8,6 4,9 23,3 63,2
Układ kationów zasadowych w kompleks sorpcyjny Mg>Ca>Na>K jest odmienny od
układu, jaki spotyka się w ukształtowanych glebach mineralnych: Ca>Mg>K>Na (1).
A. Patrzałek
198
Kompleks sorpcyjny 30-letniej gleby inicjalnej wysycony był w około 63% jonami
magnezowymi. Zwraca uwagę także duże wysycenie jonami wapnia. Kationy potasowe są
najszybciej desorbowane z kompleksu sorpcyjnego do roztworu glebowego, skąd ulegają
wymyciu.
Tablica 5
Właściwości sorpcyjne 30-letniej gleby inicjalnej, wytworzonej na odpadach górniczych po kopalnictwie węgla kamiennego (me/100g)
Partie skarpy Hh
kwasowość hydrolityczna
T kompleks sorpcyjny
S suma zasad
Vs % wysycenie kompleksu
sorpcyjnego zasadami
Górne 30,00 58,77 32,05 54,53 Dolne 20,25 50,14 30,91 61,64
Zwraca uwagę wysoka wartość kwasowości hydrolitycznej. Można wnioskować, że jest to
wynik uwalniania się dużej ilości jonów Al3+ z ulegającego wietrzeniu kaolinitu. Pojemność
sorpcyjna warstwy akumulacyjnej 30-letniej gleby inicjalnej, wytworzonej na odpadach
górniczych, podobna jest do poziomu A0 – organicznego, większości gleb mineralnych
w Polsce [1].
Ilość składników mineralnych w formach przyswajalnych dla roślin w tworzącej się glebie
na zwałowisku jest mała (tabl. 6). Pobieranie ich przez rośliny może być ograniczone przez
kwaśny odczyn gleby, dlatego w takich warunkach rośnie i rozwija się roślinność
o niewielkich wymaganiach siedliskowych. Skład gatunkowy zbiorowiska roślinnego został
bardzo uproszczony.
Tablica 6
Zawartość przyswajalnych form fosforu (P) i potasu (K) w 30-letniej glebie inicjalnej wytworzonej na odpadach
górniczych po kopalnictwie węgla kamiennego (mg/100g) Górne partie skarpy Dolne partie skarpy
Fosfor ( P) 1,5 – 3,0 3,0 – 5,2
Potas (K) 7,4 – 7,5 6,5 – 7,0
Glebę inicjalną, wytworzoną na odpadach górniczych, można porównać do gleb średnich
i ciężkich. Dla tej kategorii agronomicznej gleby oznaczona ilość potasu kwalifikuje się wg
Egnera-Riehma do niskiej zasobności. Ilość fosforu uznać można jako zasobność od bardzo
niskiej do średniej.
Rozwój zbiorowiska roślinnego oraz gleby inicjalnej…
199
5. Podsumowanie
Roślinność pełni ważne funkcje w środowisku uprzemysłowionym. Dotyczy to
szczególnie obszarów składowania odpadów po przemyśle górniczym. Tereny powstałe z mas
skalnych, trwale obudowane biologicznie, stają się przyjazne człowiekowi.
Na gruncie z odpadów górniczych, który uległ silnemu zakwaszeniu, można prostymi
działaniami agrotechnicznymi tworzyć zbiorowisko roślinne o dużej trwałości. Dowodzą tego
30-letnie obserwacje i badania procesu rekultywacji biologicznej zwałowiska odpadów
górniczych po kopalnictwie węgla kamiennego w Smolnicy.
Przedsiewne fosforowe nawożenie mineralne, wysiew dobranej mieszanki traw oraz
pielęgnacyjne nawożenie azotowe, umożliwiły powstanie zbiorowiska roślin, które rozwija
się już przez 30 lat.
Strategia życiowa roślin w zbiorowisku polega na obecności takich gatunków, których
zdolność konkurencyjna nie jest ograniczona przez zaburzenia i stres w siedlisku [1].
Powstałe zbiorowisko roślinne ma bardzo uproszczony skład botaniczny, dobrze okrywa
powierzchnię gruntu z odpadów górniczych, charakteryzuje się dużą żywotnością, dobrym
zwarciem i ma znamiona dużej trwałości. Spełnia wszystkie wymogi, jakie stawia się okrywie
roślinnej tworzonej w procesie rekultywacji gruntów bezglebowych, powstałych z odpadów
górniczych po górnictwie węgla kamiennego.
6. Wnioski 1. Na gruncie silnie kwaśnym z odpadowych skał górniczych po górnictwie węgla
kamiennego można tworzyć zbiorowiska roślin, stosując proste działania agrotechniczne,
takie jak: nawożenie mineralne mączką fosforytową i obsiewanie kamienistego gruntu
mieszanką traw, w której głównym komponentem jest kostrzewa owcza. W pierwszych
latach stosuje się nawożenie azotowe.
2. Powstałe na takim gruncie zbiorowisko roślinne ma uproszczony skład botaniczny, przy
dużych znamionach trwałości i żywotności.
3. Gleba inicjalna, jaka utworzyła się w okresie 30 lat na zrekultywowanej powierzchni,
charakteryzuje się odczynem bardzo kwaśnym. Kompleks sorpcyjny wysycony jest
A. Patrzałek
200
głównie jonami magnezu. Układ kationów zasadowych w takiej glebie jeszcze nie
odpowiada układowi, jaki spotyka się w glebach ukształtowanych.
4. W powstałej glebie inicjalnej ilość fosforu przyswajalnego dla roślin uznać można za
niską do średniej zasobności. Ilość przyswajalnej formy potasu zaliczono do zasobności
niskiej.
BIBLIOGRAFIA 1. Album gleb Polski. Polskie Towarzystwo Gleboznawcze. PWN, Warszawa 1986. 2. Cebulak S.: Opracowanie petrograficzno-mineralogiczne skał stanowiących urobek
płonny przy eksploatacji węgla kamiennego KWK Szczygłowice. Biblioteka IPIŚ PAN, Zabrze 1974 (niepublikowane).
3. Chodyniecka L., Gabzdyl W., Kapuścinski T.: Mineralogia i petrografia dla górników. Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice 1993.
4. Jońca-Makówka A.: Zmiany właściwości fizycznych i chemicznych gruntu w obudowanych biologicznie obwałowaniach przeciwpowodziowych rzeki Pszczynki. Praca doktorska, Wydział Górnictwa i Geologii, Biblioteka Główna Politechniki Śląskiej, Gliwice 2008.
5. Fotyma F., Mercik A., Faber A.: Chemiczne podstawy żyzności gleb i nawożenia. PWRiL, Warszawa 1987.
6. Patrzałek A.: Obudowa biologiczna zwałowiska po kopalnictwie węgla kamiennego roślinnością niską w różnych stadiach przemian chemicznych gruntu. Praca doktorska, Biblioteka IPIŚ PAN, Zabrze 1982.
7. Patrzałek A.: Zdolność darniotwórcza mieszanek traw i motylkowatych wysiewanych na zwałowisku odpadów węgla kamiennego oraz ich wpływ na wietrzenie gruntu. Archiwum Ochrony Środowiska, nr 3-4, 1984, s. 157-170.
8. Patrzałek A.: Znaczenie traw w powstawaniu zbiorowisk roślinnych na glebach inicjalnych wytworzonych z odpadów karbońskich. Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej, nr 402, Rozprawy CLXXVI, Wrocław 2001.
9. Wawrzyczek M.: Ocena właściwości chemicznych gleby inicjalnej wytworzonej na odpadach górniczych po okresie 30 lat na przykładzie zwałowiska Smolnica. Praca magisterska, Instytut Geologii Stosowanej Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007.
Recenzent: Dr hab. inż. Bronisława Hanak, prof. nzw. w Pol. Śl.