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.