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 ph KCl 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 ph KCl 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.
192 A. Patrzałek 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 MgSO 4 oraz Fe(SO 4 ) 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 m 2 północnowschodniej 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% P 2 O 5. Fosfor znajduje się w niej formie związków 3Ca 3 (PO 4 ) 2 CaF 2 i 3Ca 3 (PO 4 ) 2 CaCO 3 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.
194 A. Patrzałek 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 H 2 O i KCl), kwasowość hydrolityczną (Hh) (metodą Kappena). Jony zasadowe w 1 N octanie amonu, Ca 2+ 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 5 Hieracium pilosella kwiatowe, nie zawiązują nasion 6 Leontodon autumnalis Mchy Moss 8 Ceratodon purpureus W okresie wiosennym intensywnie zielone, o bujnym 9 Pohlia involututs wzroście 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 Żwirowa Piaskowa Ziemista >25 25 2 2 1 <1 4 letni grunt przed zabiegami agrotechnicznymi 35 45 10 Po okresie 30 lat 10 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 H 2 O 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).
198 A. Patrzałek 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 Al 3+ z ulegającego wietrzeniu kaolinitu. Pojemność sorpcyjna warstwy akumulacyjnej 30-letniej gleby inicjalnej, wytworzonej na odpadach górniczych, podobna jest do poziomu A 0 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
200 A. Patrzałek 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.