Włodzimierz Majtkowski

Transkrypt

1 Wyniki doświadczeń rekultywacyjnych na terenach zdegradowanych w Polsce (prowadzonych przez Ogród Botaniczny IHAR w Bydgoszczy) Włodzimierz Majtkowski Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin - PIB Krajowe Centrum Roślinnych Zasobów Genowych Ogród Botaniczny w Bydgoszczy Płońsk,

2 Wprowadzenie i uzasadnienie Degradacją gleb nazywa się pogorszenie właściwości chemicznych, fizycznych i biologicznych oraz spadek ich aktywności biologicznej, co powoduje zmniejszenie ilości oraz jakości pozyskiwanej biomasy roślin. Według Komisji Europejskiej (Komunikat COM(2002)179) do najważniejszych mechanizmów zagrożenia gleb i odpowiadającym im form degradacji zalicza się: erozję, spadek zawartości materii organicznej, zanieczyszczenie, zasolenie, zasklepianie i zagęszczanie, spadek różnorodności biologicznej, powodzie i osuwiska ziemi. Siuta (2000*) rozszerza listę zagrożeń o: techniczną degradację struktury ekologicznej wskutek eksploatacji kopalin, przesuszanie i zawodnienie, wieloczynnikową degradację przemysłową, a także zubożenie gleby przez wynoszenie składników z plonem. Gleby i grunty zdegradowane powinny podlegać rekultywacji, jeśli nie zostaną zabudowane i nie służą innym celom. *Siuta Ochrona powierzchni ziemi stan i niezbędne działania. Mat. Konf. Nauk. Tech.: Ochrona i rekultywacja gruntów. Inżynieria Ekologiczna 1: Pod pojęciem rekultywacji rozumie się przywracanie wartości użytkowych i przyrodniczych terenom zdewastowanym i zdegradowanym przez działalność człowieka. Zagospodarowanie i użytkowanie terenu (głównie leśne i rolnicze) możliwe jest dopiero po rekultywacji. Proces rekultywacji terenów zdegradowanych może zachodzić samoistnie w drodze naturalnych przemian zachodzących w środowisku glebowym, jednak podstawową metodą rekultywacji jest metoda techniczno biologiczna, realizowana podczas zabiegów prowadzonych przez człowieka. Rekultywacja prowadzona tą metodą obejmuje 3 fazy: przygotowawczą (dokumentacyjną), techniczną i biologiczną. Celem rekultywacji biologicznej jest ożywienie gleby, czyli odtworzenie jej aktywności biologicznej.

3 Wprowadzenie i uzasadnienie c.d. Docelowe zagospodarowanie rolnicze należy jeszcze poprzedzić, trwającym 4 15 lat, etapem zagospodarowania przedplonowego, którego głównym zadaniem jest dalsza poprawa właściwości gleby. Według GUS powierzchnia gruntów zdewastowanych i zdegradowanych wymagających rekultywacji wynosiła w Polsce w 2016 r ha, co stanowiło 0,21% całkowitej powierzchni kraju (GUS Ochrona środowiska 2017). Podane liczby uwzględniają jedynie formy degradacji i dewastacji terenu związane bezpośrednio z działalnością przemysłową człowieka. Powierzchnia terenów zdegradowanych, uwzględniająca nieprzemysłowe formy degradacji, jest wielokrotnie większa. Głównym celem prowadzonych przez Ogród Botaniczny KCRZG w Bydgoszczy doświadczeń była ocena przydatności różnych gatunków roślin alternatywnych, o przemysłowym lub energetycznym wykorzystaniu biomasy, które można zastosować podczas rekultywacji biologicznej na etapach roślinności pionierskiej i przedplonowej. Wyniki prowadzonych prac są bardzo ważne dla jednostek odpowiedzialnych za rekultywację terenów zdegradowanych, ponieważ zysk uzyskany ze sprzedaży biomasy może stanowić dodatkowy przychód, obniżający koszty uproduktywniania gruntów.

4 Wykaz obiektów doświadczalnych Sowlany k. Białegostoku - składowisko odpadów paleniskowych. Bytom - tereny skażone metalami ciężkimi na skutek długotrwałej działalności wydobywczej oraz przetwórczej rud Pb, Zn i Cd. Solec Kujawski - komunalne wysypisko śmieci (nieczynne). Konin - strefa ochronna Huty Aluminium.

5 Doświadczenie 1. Hałda popiołów w Sowlanach k Białegostoku

6 Charakterystyka obiektu Powierzchnia całkowita: 32,7 ha. Powierzchnia wyłączona z eksploatacji i poddana rekultywacji w 1999 r.: 5,5 ha. Zakres prac rekultywacyjnych: - formowanie skarp i tarasów, - użyźnienie bezglebowego podłoża osadem ściekowym w ilości 350 m 3 ha -1, - uzupełniające nawożenie NPK (120 kgha -1 ), - wysiew mieszanki rekultywacyjnej (9 gatunków), - założenie doświadczenia z 29 gatunkami traw z kolekcji Ogrodu Botanicznego IHAR w Bydgoszczy, - obsadzenie półek drzewami i krzewami (m.in.: amorfa, oliwnik, rokitnik). Lokalizacja

7 Rekultywacja hałdy (techniczna i biologiczna) Podlewanie wysianej mieszanki Mieszanie popiołu z osadem

8 Wprowadzone gatunki roślin część rekultywowana 1. Rajgras wyniosły Arrhenatherum elatius 2. Kupkówka pospolita Dactylis glomerata 3. Kostrzewa czerwona Festuca rubra 4. Życica wielokwiatowa Lolium multiflorum 5. Życica trwała Lolium perenne 6. Lucerna siewna Medicago sativa 7. Tymotka łąkowa Phleum pratense 8. Gorczyca biała Sinapis alba 9. Koniczyna łąkowa Trifolium pratense 6 lipiec 1999 r., miesiąc po wysiewie

9 Wprowadzone gatunki roślin część doświadczalna 1. Agropyron agroelymoides 2. A. aucheri 3. A. campestre 4. A. cristatum 5. A. desertorum 6. A. littorale 7. A. smithii 8. A. tanaiticum 9. A. trichophorum 10. A. ugamicum 11. Bromus inermis 12. Elymus condensatus 13. E. dahuricus 14. E. elongatus 15. Elymus farctus 16. E. giganteus 17. E. hispidus 18. E. pyracanthus 19. E. riparius 20. E. villosus 21. Elytrigia pruinifera 22. E. pungens 23. Festuca arundinacea 24. Leymus chinensis 25. L. mollis 26. L. racemosus 27. L. secalinus 28. Miscanthus sacchariflorus 29. Spartina pectinata

10 Doświadczenie, rok wysiewu Leymus chinensis Miscanthus sacchariflorus Elymus elongatus Spartina pectinata

11 Rok 2000 zadarniona powierzchnia hałdy Półka z drzewami

12 Doświadczenie rok 2009 Ocena rozwoju roślin Miskant cukrowy Wydmuchrzyca pontyjska Wysokość roślin spartina preriowa 200 cm miskant cukrowy 182 cm wydmuchrzyca pontyjska 139 cm Spartina preriowa

13 Zadrzewione półki rok 2009 Rokitnik Oliwnik Żarnowiec Amorfa Amorfa

14 Ilość składników pokarmowych w podłożach pobranych z hałdy popiołów w Sowlanach w październiku 2009 r. Podłoże ph Zasolenie N-NO 3 P K Ca Na Mg [gl -1 ] [mgl -1 ] [mgl -1 ] [mgl -1 ] [mgl -1 ] [mgl -1 ] [mgl -1 ] Popiół 6,47 0,10 < Popiół + osad 6,10 0, Część niezadarniona

15 Zawartość metali ciężkich w podłożach pobranych z hałdy popiołów w Sowlanach w październiku 2009 r. Podłoże Cd Cr Pb Zn [mgkg -1 ] [mgkg -1 ] [mgkg -1 ] [mgkg -1 ] Popiół <5 36,22 <10 385,83 Popiół + osady ściekowe <5 28,42 <10 647,62 Dopuszczalne zawartości dla gleb średniozwięzłych* * - Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi (D.U. nr 37 poz. 344 z r.).

16 Zawartość metali ciężkich w materiale roślinnym pobranym ze zrekultywowanej hałdy popiołów z EC w Białymstoku-Sowlanach w X.2009 r. w mgkg -1 L.p. Materiał Cd Cr Pb Zn 1 Spartina pectinata <5 <5 <10 354,2 2 Elaeagnus angustifolia 5,85 <5 37,64 227,49 3 Elymus elongatus <5 <5 12,26 370,46 4 Cytisus scoparius <5 < Tanacetum vulgare <5 <5 <10 75,92 6 Bromus inermis <5 <5 < Festuca arundinacea <5 <5 <10 38,84 8 Miscanthus sacchariflorus <5 <5 <10 25,26 9 Helianthus tuberosus bulwy 0 <5 <10 17,35 10 Helianthus tuberosus łodygi <5 <5 86,69 10,55 11 Hippophaë rhamnoides owoce <5 0 <10 26,23 12 Hippophaë rhamnoides pędy 0 <5 <10 35,37 13 Urtica dioica 0 <5 <10 40,11 14 Amorpha fruticosa <5 17,65 65,38 562,39 Progowe zawartości metali ciężkich w roślinach na cele paszowe dla liści (Poznański 1997) 0,1 3 20

17 Podsumowanie 1. Główny cel rekultywacji hałdy zahamowanie erozji wietrznej pyłów został osiągnięty. 2. Wniesienie komunalnych osadów ściekowych do rekultywacji popiołów i wprowadzenie roślinności trawiastej wpłynęło na inicjację życia biologicznego w martwym podłożu. 3. Zastosowane osady ściekowe były źródłem metali ciężkich. Najwyższą zawartość Zn stwierdzono w pędach amorfy krzewiastej, oliwnika wąskolistnego i żarnowca miotlastego oraz w biomasie wydmuchrzycy wydłużonej; topinambur i amorfa należały do gatunków kumulujących najwięcej ołowiu; w tkankach amorfy stwierdzono także najwięcej chromu. Bromus inermis

18 Doświadczenie 2 Bytom ( ) (oceniano 8 gatunków roślin, w tym 5 wieloletnich gatunków traw oraz 3 gatunki dwuliściennych bylin) Gleba średnio zwięzła skażona metalami ciężkimi na skutek długotrwałej działalności wydobywczej oraz przetwórczej rud Pb, Zn i Cd. Pole podzielono na 4 części, na których w ramach współpracy z IETU w Katowicach prowadzono badania nad wpływem trzech stabilizatorów doglebowych, których funkcją miało być wiązanie metali ciężkich zawartych w glebie w formę nierozpuszczalnych i nie dostępnych dla roślin połączeń. Celem tych badań było określenie wpływu tej metody na obniżenie zawartości metali ciężkich w biomasie przeznaczonej do spalania, w porównaniu do kontroli. Sida hermaphrodita Panicum virgatum

19 Bytom analizy chemiczne gleby w mg/kg (X.2012) Rok Wariant glebowy Cd Cr Pb Zn 2010 I - bez dodatków I - bez dodatków II - z dodatkiem podłoża III - z dodatkiem podłoża IV - z dodatkiem podłoża Dopuszczalne stężenie metali ciężkich zanieczyszczających glebę średnio zwięzłą (Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi, D.U. 2002, 37 poz. 344)

20 Bytom zawartość metali ciężkich w biomasie w mg/kg w zależności od zastosowanego wariantu glebowego pod koniec 2012 r. (w.i bez dodatków, w.ii z dodatkiem podłoża 1) L.p. Gatunek Cd Cr Pb Zn w. I w. II w. I w. II w. I w. II w. I w. II 1 Andropogon gerardii 0,4 0 2,1 0,4 10,8 3, Elymus elongatus 0,4 1,3 1,8 2,4 9,2 5, Lavathera thuringiaca 2,7 3,3 4,4 0,5 12,4 29, Panicum virgatum 0,6 0,6 0,9 2,3 10,2 18, Sida hermaphrodita 5,4 4,3 0,4 1,4 2,4 2, Silphium perfoliatum 1,6 4,6 8,1 5,1 82,4 231, Spartina pectinata 0,2 0 2,1 2,5 7,5 1, Wartości progowe dla pelet i brykietów (wg PN EN :2011 i PN EN :2011) 0,

21 Ocena potencjału plonowania gatunków wysadzonych w Bytomiu na koniec sezonu wegetacyjnego 2013 r. Gatunek Wysokość roślin [cm] Plon świeżej masy [t/ha] Zawartość suchej masy [%] Plon suchej masy [t/ha] Andropogon gerardi ,1 56,2 10,8 Elymus elongatus ,5 62,7 8,9 Lavathera thuringiaca ,4 53,1 10,2 Panicum virgatum ,2 64,7 14,5 Sida hermaphrodita ,8 53,8 16,0 Silphium perfoliatum ,4 33,8 18,8 Spartina pectinata ,9 57,3 11,4

22 Podsumowanie Najlepiej rozwiniętymi gatunkami na koniec 2013 r. były: Sida hermaphrodita i Silphium perfoliatum, z których uzyskano odpowiednio: 16,0 i 18,8 t suchej masy z 1 ha. Ślazowiec pensylwański o wysokości 317 cm był najwyższym gatunkiem wśród ocenianych roślin. Spośród waloryzowanych gatunków traw najwyższe plony zebrano z prosa rózgowatego (14,5 t s.m./ha) i spartiny preriowej (11,4 t s.m./ha). Badania zawartości metali ciężkich w próbach glebowych wykazały przekroczenia dopuszczalnego stężenia Cd, Pb i Zn w próbach pobranych z wariantów z preparatami zastosowanymi przez IETU w Katowicach w celu zmniejszenia dostępności dla roślin metali ciężkich zawartych w glebie. W wariancie bez dodatku preparatów ograniczających pobieranie m.c. przez rośliny, nie wykazano przekroczeń zawartości m.c. Obserwowane zależności pozwalają stwierdzić, że zastosowane gatunki roślin przyczyniły się do fitosanitacji skażeń glebowych do dopuszczalnego poziomu. W próbach materiału roślinnego odnotowano przekroczenie progowych zawartości kadmu, ołowiu i cynku, niezależnie od zastosowanego wariantu glebowego. Gatunkiem wyróżniającym się wysoką kumulacją m.c. była sylfia przerośnięta, w której tkankach stwierdzono zawartość Cd w ilości 4,6 mg/kg s.m., Pb 231,4 mg/kg s.m. i Zn 647,5 mg/kg s.m.

23 Doświadczenia 3 i 4 wysadzenie roślin VII.2009 Solec Kujawski 8 gatunków (Konin) Konin - Andropogon gerardi - Elymus elongatus* - Miscanthus sacchariflorus* - Panicum virgatum* - Spartina pectinata* - Lavatera thuringiaca - Sida hermaphrodita - Silphium perfoliatum * - w Solcu Kujawskim (4 gatunki)

24 Skład chemiczny gleby 1. Zawartość metali ciężkich Formy ogólne zawartość w mg/kg s.m. gleby Lokalizacja Pb Cd Ni Cr Cu Zn Hg Konin 4,3 0,17 1,5 7,3 4,0 17 0,01484 Solec Kujawski 18,1 0,51 4,3 7,4 25,4 153,9 0,04189 Dopuszczalne zawartości dla gleb średniozwięzłych* * - Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi (D.U. nr 37 poz. 344 z r.). Stopień zanieczyszczenia metalami ciężkimi w badanych próbach nie przekraczał zawartości naturalnej.

25 Skład chemiczny gleby 2. Wyniki badań na zawartość makroelementów. Lokalizacja Nr próby Zasolenie [g/l] ph w H 2 O Zawartość w mg/l badanego materiału N-NO 3 P K Mg Ca 1 0,12 bn 6,9 o 5 bn 48 ś 88 ś 47 ś 680 ś Konin 2 0,06 bn 6,6 lk 100 bw 35 n 380 bw 65 w 662 ś 3 0,06 bn 7,1 o 17 n 24 n 200 bw 70 w 1886 bw 4 1,19 w 7,1 o 140 bw 279 bw 575 bw 420 bw 2800 bw 5 1,41 w 7,1 o 170 bw 312 bw 690 bw 464 bw 2600 bw Solec Kujawski 6 1,19 w 7,2 o 110 bw 356 bw 775 bw 446 bw 2700 bw 7 0,80 ś 7,2 o 100 bw 252 bw 540 bw 399 bw 2800 bw Przykrycie powierzchni składowiska odpadów komunalnych w Solcu Kujawskim warstwą kompostu, po zakończeniu jego eksploatacji, przyczyniło się do poprawy żyzności.

26 Ocena rozwoju gatunków wysadzonych na terenach zdegradowanych 1. Solec Kujawski, komunalne wysypisko śmieci Gatunek Wysokość roślin [cm] Plon świeżej masy [t/ha] Zawartość suchej masy [%] Plon suchej masy [t/ha] Elymus elongatus 134 9,96 45,94 4,58 Panicum virgatum ,71 48,75 17,41 Spartina pectinata ,80 52,20 16,60 Miscanthus sacchariflorus ,02 51,76 14,50 Panicum virgatum Miscanthus sacchariflorus

27 Ocena rozwoju gatunków wysadzonych na terenach zdegradowanych 2. Konin Gatunek Wysokość roślin [cm] Plon świeżej masy [t/ha] Zawartość suchej masy [%] Miscanthus sacchariflorus 178 pojedyncze pędy, plonu nie oceniano Sida hermaphrodita 75 pojedyncze pędy, plonu nie oceniano Plon suchej masy [t/ha] Andropogon gerardi 204 5,69 66,08 3,76 Silphium perfoliatum 246 8,53 36,48 3,11 Elymus elongatus 177 5,51 67,29 3,71 Panicum virgatum 169 4,44 70,28 3,12 Lavathera thuringiaca 139 3,73 57,00 2,13 Spartina pectinata 172 pojedyncze pędy, plonu nie oceniano Calamagrostis epigejos (ruderalny) ,9 71,25 14,18 Elymus elongatus Calamagrostis epigejos

28 Badania zawartości metali ciężkich w mg/kg s.m. Konin biomasa pobrana z terenu doświadczenia w XI r. Gatunek Cd Cr Pb Zn Elymus elongatus 0 0,78 2,40 3,25 Lavathera thuringiaca 0,29 0 4,61 20,82 Miscanthus sacchariflorus 0 6,82 13,48 21,87 Panicum virgatum 0,21 34,68 613,62 16,73 Silphium perfoliatum 44,10 6,72 236,20 38,87 Spartina pectinata 0 0,02 2,34 13,32 Bromus inermis Ruderalny 30,44 12,63 579,05 6,00 Calamagrostis epigejos Ruderalny 1,34 2,57 4,38 18,30 Daucus carota Ruderalny 0,59 0 3,05 33,05 Holcus lanatus Ruderalny 90,00 33,65 153,79 24,99 Wartości progowe dla pelet i brykietów 0, Wyniki: stwierdzono znaczną kumulację Cd w tkankach sylfii przerośniętej - 44,1 mg/kg s.m. i stokłosy bezostnej 30,44 mg/kg, a także Pb u tych samych gatunków, odpowiednio 236 i 579 mg/kg s.m. oraz u prosa rózgowatego 613,6 mg/kg.

29 Podsumowanie Solec Kujawski Najlepiej rozwijającymi się gatunkami były trawy typu C4 fotosyntezy Panicum virgatum, Spartina pectinata i Miscanthus sacchariflorus, które pod koniec sezonu wegetacyjnego 2013 r. osiągnęły wysokość odpowiednio: 241, 230 i 205 cm. Na uwagę zasługiwała wysokość plonu biomasy uzyskanego z tych gatunków: Panicum virgatum 17,4 t s.m./ha, Spartina pectinata 16,6 t s.m./ha, Miscanthus sacchariflorus 14,5 t s.m./ha, który był ponad 3 x wyższy od plonowania Elymus elongatus (4,6 t s.m./ha). Konin Zastosowane gatunki plonowały na poziomie ok. 3 t s.m./ha. i pod względem rozwoju zostały zdominowane przez trzcinnika piaskowego Calamagrostis epigejos, ekspansywny gatunek ruderalny, wyróżniający się bardzo małymi wymaganiami wobec siedliska, z którego uzyskano plon w wysokości 14 t s.m. z 1 ha. Kozłowski i współautorzy (2012) podkreślają znaczenie tego gatunku dla fitoenergetyki. Doświadczenie w Koninie jest przykładem na stosowanie zasad zrównoważonego rozwoju dla biopaliw, zawartych w przepisach dyrektywy 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. Kreowanie globalnej podaży biomasy nie powinno naruszać naturalnych ekosystemów, np. poprzez przekształcanie wieloletnich odłogów w użytki rolne, w celu wprowadzenia uprawy roślin energetycznych (Błażejewska, 2011). Obserwacje fitosocjologiczne roślinności występującej w strefie ochronnej Huty Aluminium wykazały obecność ok. 20 gatunków roślinności zielnej i drzewiastej, tworzących trwałą fitocenozę, której przekształcanie w plantację produkcyjną roślin energetycznych jest nieuzasadnione.

30 Zamiast wniosków gatunki perspektywiczne Wśród ocenianych roślin dominują gatunki obcego pochodzenia. Wprowadzenie ich do uprawy w naszym kraju wymaga dodatkowych badań i obserwacji nad potencjalnym zagrożeniem inwazyjnym. Stanowią interesujący materiał w perspektywie zachodzących zmian klimatycznych, np. proso rózgowate i miskant chiński, uniwersalne trawy do różnorodnych zastosowań. Panicum virgatum biomasa do celów energetycznych Plon biomasy: 9-13 t s.m./ha Panicum virgatum wartościowa pasza dla przeżuwaczy Panicum virgatum trawa ozdobna Plon uzyskany : 9,8 t s.m./ha (w warunkach długotrwałej suszy)

31 Analizy molekularne 120 Analiza skupień dla wybranych 33 obiektów miskanta Metoda Warda Odległości euklidesowe *odl.wiąz/odl.maks /L /L /L8.6 82/L7.7 78/L7.3 93/L /L7.6 94/L /L /L /L5.2 87/L8.5 85/L8.3 67/L3.6 75/L5.7 73/L5.5 66/L3.5 68/L3.7 84/L8.2 65/L3.4 63/L3.2 72/L5.4 69/L5.1 86/L8.4 64/L3.3 79/L7.4 76/L7.1 77/L7.2 74/L5.6 83/L8.1 71/L5.3 89/L8.7 62/L3.1 Głównym celem aktualnie prowadzonych badań jest wyszukanie nowych populacji wieloletnich gatunków traw typu C-4 fotosyntezy prosa rózgowatego i miskanta chińskiego, charakteryzujących się wysoką produktywnością i jakością, przeznaczonej do produkcji biogazu i do spalania biomasy lignino-celulozowej, w porównaniu do uprawianego w Polsce miskanta olbrzymiego. Obserwacje fenologiczne i morfologiczne oraz badania molekularne potwierdzają dużą zmienność występującą w zgromadzonych populacjach. Badania prowadzone są w ramach PW zad. 2.8: Poszerzanie puli genetycznej roślin z przeznaczeniem na cele nieżywnościowe r.

32 Literatura Błażejewska K Pośrednie zmiany użytkowania gruntów a produkcja bioenergii. Czysta Energia 12: Kozłowski S. i in Trawy właściwości, występowanie i wykorzystanie. PWRiL o. Poznań: 400 ss. Poznański E Stopień skażenia gleb i roślin metalami ciężkimi na terenie aglomeracji bydgoskiej. Materiały z IV i V Forum Ochrony Środowiska w Bydgoszczy, seria Ochrona Środowiska: Siuta J Ochrona powierzchni ziemi stan i niezbędne działania. Mat. Konf. Nauk. Tech.: Ochrona i rekultywacja gruntów. Inżynieria Ekologiczna 1: DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ