REKULTYWACJA ODPADÓW ZN/PB METODY EKOLOGICZNE EKSPERYMENT TERENOWY RECLAMATION OF ZN/PB TAILINGS - ECOLOGICAL METHODS - FIELD EXPERIMENT

Transkrypt

1 REKULTYWACJA ODPADÓW ZN/PB METODY EKOLOGICZNE EKSPERYMENT TERENOWY RECLAMATION OF ZN/PB TAILINGS - ECOLOGICAL METHODS - FIELD EXPERIMENT Grażyna Szarek-Łukaszewska, *Przemysław Ryszka, Magdalena Zarzyka-Ryszka Instytut Botaniki im. W. Szafera, Polska Akademia Nauk, Kraków, ul. Lubicz 46, G.Szarek@botany.pl, M.Zarzyka@botany.pl; *Instytut Nauk o Środowisku, Uniwersytet Jagielloński, Kraków, ul. Gronostajowa 7, przemyslaw.ryszka@uj.edu.pl. ABSTRACT Colonization of metal-processing tailings by plants is a difficult problem. So far, no environmetalfriendly solution was found. In these extreme habitats, use of natural colonization mechanisms can lead to creation of independently developing ecosystems. Introduction of small patches of plant cover with its topsoil layer on bare tailings might be applied in this case. Patches are collected from habitats in close vicinity of tailings and contain native plants adapted to specific conditions, soil with seed bank, mycorrhizal roots, and networks, and microbial consortia. This approach is tested during the field experiment launched in 2008 under harsh conditions of post-flotation tailings. Keywords: colonization, plant cover, heavy metals, post-industrial tailings Wstęp Eksploatacja złóż mineralnych i ich przetwórstwo to jedne z najstarszych rodzajów aktywności człowieka. Po pracach wydobywczych i przerobie minerałów pozostają całkowicie zdewastowane powierzchnie ze zniszczoną pokrywą roślinną i olbrzymie masy odpadów. Efektem końcowym staje się więc drastycznie zniszczony krajobraz i postępująca groźba erozji. Istotnym problemem staje się zatem wprowadzenie na nowo roślinności. Ważne jest jednak nie tylko zazielenienie terenu, lecz stworzenie warunków do samodzielnego rozwoju ekosystemu (Cook i Johnson 2002). Jedną z podstawowych cech takiego ekosystemu jest zdolność do samorzutnej naprawy ewentualnych szkód, czyli przezwyciężenie zakłóceń bez interwencji z zewnątrz (Whisenant 2002). Odpady poprzemysłowe są trudnym, często ekstremalnym środowiskiem dla roślin, a dotyczy to zarówno ich cech fizycznych jak i chemizmu (Tordoff i in. 2000). Odpady powstałe podczas procesu wzbogacania rud flotacji, są przykładem skrajnie trudnych warunków siedliskowych. Są one albo całkowicie pozbawione gleby, albo jest ona bardzo słabo wykształcona. Brak materii organicznej niekorzystnie wpływa na stosunki wodno-powietrzne i właściwości fizykochemiczne. Prawie wszystkie odpady tego typu są bardzo suche i brak w nich składników pokarmowych (azot, fosfor, potas). Na odpadach brak jest bezpiecznych miejsc do kiełkowania nasion i osiedlania roślin przybyłych z sąsiadujących powierzchni pokrytych roślinnością (Kirmer i Tischew 2006). Naturalny bank nasion w odpadach albo nie istnieje, albo jest bardzo ograniczony (Tordoff i in. 2000). W przypadku eksploatacji rud metali ciężkich, np. cynku i ołowiu, odpady zawierają dodatkowo wysokie stężenia pierwiastków obecnych w minerałach. Utworzenie pokrywy roślinnej na odpadach poprzemysłowych jest sprawą trudną i złożoną. Jest ono jednak konieczne z wielu względów. Pokrywa roślinna stabilizując powierzchnie odpadów zapobiega roznoszeniu przez wiatr pyłów ze szkodliwymi dla środowiska pierwiastkami. Obecność roślin ogranicza erozję wietrzną poprzez zmniejszenie prędkości wiatru tuż nad powierzchnią terenu i tym samym zwiększenie odporności na zrywanie pyłu. Ponieważ rośliny wychwytują znaczne ilości opadów atmosferycznych, pokrywa roślinna zmniejsza niebezpieczeństwo erozji wodnej i zanieczyszczenia wód gruntowych przez wodę przepływającą przez odpady. Rozwinięta pokrywa roślinna spełnia również bardzo ważną rolę krajobrazową.

2 220 Na zdewastowanych przez prace górniczohutnicze terenach pokrywa roślinna jest tworzona metodami tradycyjnymi. Polegają one na wysiewaniu gotowych mieszanek traw, wyselekcjonowanych odmian stosowanych w uprawach, czy nasadzaniu różnych gatunków drzew i krzewów. Są to często gatunki obcego pochodzenia, stanowiące potencjalne zagrożenie dla gatunków rodzimych występujących na danym terenie. W obrębie rozwijających się na zazielenionych terenach zbiorowisk brakuje nisz dla rzadkich i słabszych konkurencyjnie gatunków, które z czasem mogłyby tam dotrzeć poprzez naturalny rozsiew nasion. Wiele wysiłku i pieniędzy wkłada się zatem w prace, które prowadzą do powstania homogennych, gatunkowo ubogich układów roślinnych. Układy te z reguły nie są zdolne do samoistnej egzystencji, lecz muszą być sztucznie wspomagane co wymaga dodatkowych nakładów. Ekologiczne metody rekultywacji Długoletnie badania zmian szaty roślinnej prowadzone w wielu regionach, w tym również regionach poprzemysłowych wskazują, że na terenach pogórniczych pozostawionych bez jakiejkolwiek ingerencji ze strony człowieka może wykształcić się roślinność na drodze naturalnej kolonizacji i sukcesji (Whiting i in. 2004). Procesy te prowadzą do powstania i rozwoju zbiorowisk roślinnych bogatych w gatunki, o specyficznej dla danego siedliska charakterystyce. Na terenach ze złożami rud Zn- Pb występują naturalne zespoły roślinne składające się z gatunków tolerujących metale ciężkie w podłożu. Gatunki te, tzw. metalofity i pseudometalofity, wykształciły odpowiednie adaptacje fizjologiczne w długim procesie ewolucyjnym (Whiting i in. 2004). Te interesujące, specyficzne zespoły roślinne występują na różnych kontynentach, w tym również na kontynencie europejskim: w Belgii, we Francji czy Niemczech. Spotykane są również, choć w zubożałej formie, w Polsce (Matuszkiewicz 2002). Do gatunków przystosowanych do wysokich stężeń metali ciężkich należą m.in. gatunki endemiczne (np. Viola guestphalica), gatunki rzadkie, występujące tylko na nielicznych stanowiskach w Polsce (np. Biscutella laevigata) (Grodzińska i Szarek-Łukaszewska 2002), oraz taksony o randze niższej niż gatunek podgatunki i formy gatunków pospolitych, jak np. Festuca ovina, Silene vulgaris czy Cardaminopsis arenosa (Ernst 1974). Ponieważ ten sam układ gatunkowy pojawia się na starych, kilkudziesięcioletnich odpadach, mogą one najwidoczniej stanowić refugia dla rzadkich roślin, a także mikroorganizmów oraz mezofauny (Whiting i in. 2004). Od połowy lat 90-tych XX wieku grupy naukowe reprezentujące różne kierunki badawcze zaczęły poszukiwać nowych, ekologicznych metod do tworzenia pokrywy roślinnej na zniszczonych terenach. Metody ekologiczne bazują na wykorzystaniu potencjału roślinnego danego terenu, który umożliwiłby przyspieszone powstawanie samodzielnie funkcjonującego ekosystemu (Urbańska i in. 1997). Znanych jest szereg metod doprowadzających do wytworzenia pokrywy roślinnej przy użyciu gatunków rodzimych, jak np. wysiewanie nasion ręcznie zbieranych w okolicy (Cole 2002), wysadzanie roślin uprzednio wyhodowanych w specjalnych pojemnikach z nasion lub klonalnych fragmentów roślin (Urbańska i in. 1997), czy rozkładanie siana (Kirmer i Tischew 2006). Wprowadza się również darń poprzez rozrzucanie lub sadzenie jej fragmentów (Kirmer i Tischew 2006). Użycie darni nie tylko zwiększa szanse przeżycia wprowadzonych roślin, ich symbiontów oraz mikroflory i fauny glebowej na stanowisku rehabilitowanym (np. mniejsze niebezpieczeństwo wysuszenia lub uszkodzenia przez mróz), ale sprzyja również dalszemu rozwojowi pokrywy roślinnej. Ebersole i in. (2002) obserwowali na wysokości ponad 3000 m n.p.m. w Górach Skalistych, że pozostawiona darń nie tylko dobrze przeżyła, ale również zapewniła ochronę siewkom spontanicznie pojawiającym się w bezpośrednim sąsiedztwie posadzonych fragmentów. Przenoszenie dużych płatów darni z niezniszczonych powierzchni na stanowisko rehabilitowane jest bardzo skuteczne lecz kosztowne (Kirmer i Tischew 2006). Sadzenie fragmentów jest też związane z dużym nakładem pracy, a więc i kosztem. Równie wydajne, a bardziej ekonomiczne wydaje się być rozkładanie na zniszczonych powierzchniach niewielkich fragmentów darni (Kirmer i Tischew 2006). Wpływa ono na korzystne ukształtowanie mikrorzeźby terenu; która z kolei ułatwia kiełkowanie nasion i przetrwanie siewek gatunków znajdujących się we wprowadzonym wraz z darnią bankiem nasion oraz nasion docierających z okolicy. Wraz z darnią zostaje wprowadzony nie tylko aktywny, lecz również spoczynkowy bank diaspor wraz z niewielką ilością gleby, zawierającej także mikroflorę. W korzeniach roślin tworzących darń znajdują się prawie zawsze grzyby mikoryzowe, pomocne w rozwoju roślin w trudnych dla nich warunkach siedliskowych (Turnau i Haselwandter 2002, Turnau i in. 2006). Mikoryza jest szeroko rozpowszechnionym

3 221 zjawiskiem, występującym u ponad 80% gatunków roślin lądowych (Smith i Read 1997). Powszechność występowania mikoryzy sugeruje istotne znaczenie tego typu symbiozy dla roślin. U wielu grup roślin obecność mikoryzy powoduje zwiększony przyrost biomasy. Intensywniejszy wzrost roślin nie jest jednak jedyną korzyścią płynącą z wykształcenia związków mikoryzowych. Obecnie coraz częściej podkreśla się uzyskiwaną przez rośliny dzięki grzybom mikoryzowym, zwiększoną odporność na suszę, stres związany z zanieczyszczeniem środowiska oraz patogeny. Najbardziej widoczny jest tu wpływ mikoryzy na wzmożony pobór fosforu, umożliwiający lepszy rozwój roślin oraz zwiększoną tolerancję na suszę i obecność organizmów pasożytniczych. Grzyby mikoryzowe prawdopodobnie wchodzą w bezpośrednie interakcje z niektórymi patogenami. Dodatkowo wywołane przez rozwój mikoryzy zmiany fizjologiczne, biochemiczne i morfologiczne u roślin, takie jak wzrost produkcji fenoli i lignifikacji, czy też zmiany w architekturze korzeni, są być może odpowiedzialne za podwyższoną odporność na patogeny. Grzyby mikoryzowe posiadają zdolność do wytwarzania substancji stabilizujących agregaty glebowe, co czyni je szczególnie ważną grupą organizmów biorących udział w procesach glebotwórczych (Jastrow i in. 1998, Bearden i Petersen 2000). Nabiera to szczególnego znaczenia w przypadku gleb o charakterze inicjalnym, bądź w zdegradowanych ekosystemach. Grzyby mikoryzowe, tworząc tzw. wspólną sieć mikoryzową, zdolne są do przekazywania substancji między roślinami należącym do różnych gatunków (Simard i in. 2002), co sprzyja podtrzymywaniu różnorodności gatunkowej w zbiorowiskach roślinnych. Zdolności grzybów mikoryzowych do wspierania wzrostu, rozwoju i funkcjonowania roślin stwarzają szerokie możliwości praktycznego wykorzystania mikoryzy (Ryszka i Turnau 2007). Wiele zdegradowanych ekosystemów zostało przywróconych do stanu najbardziej zbliżonego do naturalnego dzięki wykorzystaniu mikoryzy; jako przykład można podać odtwarzanie naturalnych zbiorowisk roślinnych w rejonie San Onofre (USA), zdominowanych przez inwazyjny gatunek Brassica nigra (roślina niemikoryzowa). Mikroorganizmy glebowe stanowią bardzo ważny składnik każdego ekosystemu, odgrywają zasadniczą rolę w przepływie energii oraz obiegu pierwiastków i materii organicznej. Prawidłowy rozwój mikroflory glebowej to również prawidłowy rozwój roślin wyższych. Aktywność mikroorganizmów glebowych stanowi ważny wskaźnik zakłóceń środowiskowych (Niklińska i in. 2005). Coraz częściej podkreślana jest potrzeba badań nad mikroorganizmami glebowymi w ekologicznej restauracji (Young i in. 2005). Badanie rozwoju różnorodności mikroorganizmów glebowych umożliwia głębsze zrozumienie procesu kolonizacji roślinnej. Istotnym elementem sukcesu rehabilitacji terenu zdegradowanego jest znajomość roślinności w najbliższym otoczeniu, które stanowi potencjalne źródło diaspor dla przyszłego zbiorowiska roślinnego. Region olkuski, na terenie którego prowadzone są badania, jest pod względem botanicznym dobrze rozpoznany (Grodzińska i Szarek- Łukaszewska 2002, Szarek-Łukaszewska i Niklińska 2002, Szarek-Łukaszewska i in ). Prowadzone były tu również badania nad mikoryzą (Orłowska i in. 2002) i fauną glebową (Madej i Skubała 1996). Rekultywacja metodą ekologiczną eksperyment terenowy Spośród różnych odpadów poprzemysłowych, odpady poflotacyjne, powstające w procesie wzbogacania rud metali, są jednymi z najtrudniej ulegających rekultywacji. Utrzymanie się na nich roślin i uzyskanie funkcjonującej pokrywy roślinnej jest długotrwałe i kosztowne. Celem rozpoczętego w sierpniu 2008 roku projektu było przetestowanie metody ekologicznej, wykorzystującej roślinność lokalną, wykształconą na drodze spontanicznej sukcesji, do przyspieszenia kolonizacji przez rośliny odpadów poflotacyjnych, powstałych przy przetwarzaniu rud cynku i ołowiu. Na powierzchnię odpadów zostały wprowadzone małe fragmenty darni (rośliny wraz z warstwą gleby). Przy założeniu, że fragmenty darni reprezentują fragmenty biotyczne lokalnych ekosystemów, ich przeniesienie na odpady poflotacyjne powinno przyspieszyć rozwój pokrywy roślinnej. Odpady poflotacyjne zajmują w Polsce południowej, a szczególnie w rejonie olkuskim duże powierzchnie. Gromadzone są one w nadpoziomowych stawach osadowych, tworzących olbrzymie hałdy. Do badań wybrano hałdę ze stawami osadowymi Zakładów Górniczo-Hutniczych Bolesław w Bukownie. Zajmuje ona aktualnie około 110 ha powierzchni i ma wysokość ponad 30 m. Odpady poflotacyjne gromadzone są tu od kilkudziesięciu lat. Właściciel terenu ZGH Bolesław, zezwolił na prowadzenie eksperymentu na stawie osadowym nieczynnym odoo2006ooroku.

4 222 Po zamknięciu stawu wykonano jego rekultywację techniczną zniwelowano teren i nawieziono warstwę podglebia. Na północnym krańcu zamkniętego stawu w maju 2008 roku wytyczono poletka doświadczalne. Założono 16 bloków poletek, bloki podzielono na poletka o powierzchni 1 m 2. Darń do eksperymentu została pobrana z trzech zbiorowisk roślinnych występujących w bliskim otoczeniu hałdy: (i) z murawy kserotermicznej spontanicznie wykształconej na ponad stuletniej hałdzie, (ii) z łąk powstałych przed 30 laty na nieużytkach porolnych wokół huty cynku w Bukownie oraz (iii) ze zbiorowiska rozwijającego się spontanicznie przez około 30 lat na odpadach poflotacyjnych. Darń pobrano w sierpniu, a więc w okresie owocowania i zawiązywania nasion przez większość gatunków roślin stwierdzonych w wymienionych zbiorowiskach. Pobraną darń rozrzucono na poletkach doświadczalnych na hałdzie odpadów poflotacyjnych w ilości około kg/m 2. Rozpoczęto regularną obserwację rozwoju roślinności na poletkach (spis pojawiających się gatunków). Każde poletko eksperymentalne jest fotografowane w odstępach miesięcznych. Obok składu gatunkowego roślin wyższych wraz z ich pokryciem, ocenie podlegają także: glebowy bank nasion, obfitość i różnorodność mikoryz, oraz różnorodność funkcjonalna zespołów mikroorganizmów glebowych. W pierwszym sezonie trwania eksperymentu, na poletkach z darnią stwierdzono średnio obecność 16 gatunków roślin naczyniowych w przypadku darni pobranej z murawy ciepłolubnej, 17 w przypadku darni pobranej z hałdy oraz 26 w przypadku darni pobranej z łąki, podczas gdy na poletkach kontrolnych zanotowano średnio 12 gatunków. Przedstawiony eksperyment będzie prowadzony przez kolejne sezony wegetacyjne do 2011 roku. Definicje pojęć używanych w tekście: Restauracja (ang. restoration) powrót ekosystemu do stanu jaki posiadał przed uszkodzeniem. W restauracji ekologicznej odtworzona zostaje zarówno struktura jak i funkcja ekosystemu. Celem restauracji jest naśladowanie naturalnego, funkcjonującego i samoregulującego się ekosystemu, który jest zintegrowany z krajobrazem. Rehabilitacja (ang. rehabilitation) działania prowadzące do poprawy stanu po degradacji, przy czym nie jest oczekiwana pełna restauracja ekosystemu po jego uszkodzeniu. Mikoryza (ang. mycorrhiza) związek mutualistyczny, tworzony pomiędzy korzeniami roślin a strzępkami grzybów. Istotą tego związku jest przekazywanie produktów fotosyntezy z rośliny do grzybni, która z kolei dostarcza z podłoża do komórek roślinnych związki mineralne, pierwiastki śladowe oraz wodę. Podziękowania Praca została wykonana w ramach projektu badawczego NN MNiSW. LITERATURA BEARDEN B. N., PETERSEN L., 2000; Influence of arbuscular mycorrhizal fungi on soil structure and aggregate stability of a vertisol, Plant and Soil, vol. 218, pp COLE D. N., Restoration of subalpine camp sites in the Eagle Cap Wilderness, Oregon; w: Handbook of Ecologica Restoration vol. 2., ed. Perrow M.R., Davy A.J., Cambridge University Press, Cambridge, UK COOKE J.A., JOHNSON M.S., 2002; Ecological restoration of land with particular reference to the mining of metals and industrial minerals: A review of theory and practice, Environmental Review, vol. 10, pp EBERSOLE J. J.,, BAY R. F., CONLIN D. K., Restoring high-alpine social trails on the Colorado Fourteeners; w: Handbook of Ecological Restoration vol. 2, ed. Perrow M.R., Davy A.J., Cambridge University Press, Cambridge, UK ERNST W.H.O., Schwermetallvegetation der Erde, Geobotanica Selecta 5. G. Fischer, Stuttgart GRODZIŃSKA K., KORZENIAK U., SZAREK-ŁUKASZEWSKA G., GODZIK B., 2000; Colonization of zinc mine spoils in southern Poland preliminary studies on vegetation, seed rain and seed bank, Fragmenta Floristica et Geobotanica vol. 45, pp GRODZIŃSKA K., SZAREK- ŁUKASZEWSKA G., 2002; Hałdy cynkowoołowiowe w okolicach Olkusza przeszłość, teraźniejszość i przyszłość, Kosmos vol. 51, pp JASTROW J. D., MILLER R. M., LUSSENHOP J., 1998; Contributions of interacting biological mechanisms to soil aggregate stabilization in restored prairie, Soil Biology and Biochemistry, vol. 30, pp

5 223 KIRMER A., TISCHEW S., Hanbuch naturnahe Begrünung van Rohböden, Taubner Verlag, KRZAKLEWSKI W., PIETRZYKOWSKI M., 2002; Selected physicochemicals properties of zinc and lead are tailings and their biological stabilization, Water, Air and Soil Pollution, vol. 141, pp MADEJ G., SKUBALA P., 1996; Communities of mites (Acari) on old galena-calamine mining wastelands at Galman, Poland, Pedobiologia, vol.40, pp MATUSZKIEWICZ W., Przewodnik do oznaczania zbiorowisk roślinnych Polski. PWN, Warszawa NIKLIŃSKA M., CHODAK M., LASKOWSKI R., Ekologiczne metody oceny skutków zanieczyszczenia gleb, Kraków ORŁOWSKA E., ZUBEK S., JURKIEWICZ A., SZAREK-ŁUKASZEWSKA G., TURNAU K., 2002; Influence of restoration on arbuscular mycorrhiza of Biscutella laevigata L. (Brassicaceae) and Plantago lanceolata (Plantaginaceae) from calamine spoil mounds, Mycorrhiza, vol. 12, pp RYSZKA P., TURNAU K., 2007; Arbuscular mycorrhiza of introduced and native grasses colonizing zinc wastes: implications for restoration practices, Plant and Soil, vol. 298, pp SIMARD S. W., DURALL D., JONES M., Carbon and nutrient fluxes within and between mycorrhizal plants; w: Mycorrhizal ecology, ed. van der Heijden M. G. A., Sanders I. R., Springer, Berlin SMITH S. E., READ D. J., Mycorrhizal symbiosis. Academic Press, San Diego, London, New York SZAREK-ŁUKASZEWSKA G., NIKLIŃSKA M., 2002; Concentration of alkaline and heavy metals in Biscutella laevigata L. and Plantago lanceolata L. growing on calamine spoils (S Poland), Acta Biologica Cracoviensia ser. Botanica, vol. 44, pp SZAREK-ŁUKASZEWSKA G., SŁYSZ A., WIERZBICKA M., 2004; The response of Armeria maritima (Mill.) to Cd, Zn and Pb, Acta Biologica Cracoviensia, ser. Botanica, vol.46, pp TORDOFF G.M., BAKER A.J.M., WILLIS A.J., 2000; Current approaches to the revegetation and reclamation of metalliferous mine wastes, Chemosphere, vol. 41, pp TURNAU K., HASELWANDTER K., Arbuscular mycorrhizal fungi, an essential component of soil microflora in ecosystem restoration; w: Mycorrhizal Technology in Agriculture. From Genes to Bioproducts, ed. Gianinazzi S., Schüepp H., Barea J.M., Haselwandter, Birkhauser Verlag, Switzerland TURNAU K., ORŁOWSKA E., RYSZKA P., ZUBEK S., ANIELSKA T., GAWROŃSKI S., JURKIEWICZ A., Role of mycorrhizal fungi in phytoremediation and toxicity monitoring of heavy metal rich industrial wastes in Southern Poland; w: Viable methods of soil and water pollution monitoring, protection and remediation, ed. Twardowska I., Springer URBAŃSKA K.M., WEBB N.R., EDWARDS P.J., Restoration ecology and sustainable development, Cambridge University Press WHISENANT S. G., Terrestial systems; w: Handbook of Ecological Restoration vol. 1, ed. Perrow M.R., Davy A.J., Cambridge University Press, Cambridge, UK WHITING S.M., REEVERS R.D., RICHARDS D., 2004; Research priorities for conservation of metallophyte biodiversity and their potential for restoration and site remediation, Restoration Ecology, vol.12, pp YOUNG T.P., PETERSON D.A., CLARY J.J., 2005; The ecology of restoration: historical links, emering issues and unexplored realms, Ecology Letters, vol. 8, pp