ZDOLNOŚĆ BUFOROWA I ZAWARTOŚĆ MATERII ORGANICZNEJ GLEB OBSZARU ŹRÓDLISK POTOKU WODNA W CHRZANOWIE Jadwiga Grelowska, Agnieszka Józefowska Katedra Gleboznawstwa i Ochrony Gleb, Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie Opiekun naukowy: prof. dr hab. Anna Miechówka Słowa kluczowe: buforowość, materia organiczna, gmina Chrzanów Streszczenie. Praca miał na celu ocenę odporności gleb obszaru źródlisk potoku Wodna w gminie Chrzanów na potencjalną degradację wywołaną przez zakwaszenie. Jest to teren z pozostałościami płatów roślinności o dużym znaczeniu dla zachowania różnorodności biologicznej. Celem badań glebowych było określenie zdolności buforowych gleb przy użyciu metody Arrheniusa. Zdolności buforowe badanych glebach w bardzo dużym stopniu, istotnym statystycznie (r=0,7577) zależą od zawartości węglanu wapnia w tych glebach. 1. Wstęp Obszar źródlisk potoku Wodna położony jest na terenie gminy Chrzanów (województwo Małopolskie), sołectwa Luszowice, przy granicy z gminą Trzebinia. Zajmuje obniżenie terenu, pomiędzy wzniesieniem wapiennym na wschodzie, a łagodnie opadającym stokiem wzgórza Luszowiec na zachodzie. Jest miejscem wysięku wód bogatych w węglan wapnia. Roślinność badanego obszaru tworzy mozaikę płatów łąk wilgotnych i podmokłych oraz turzycowisk z kępami krzewów. Występuje tu jedenaście gatunków roślin objętych ochroną gatunkową [Pająk 2009]. Większość z nich związana jest z glebami o odczynie obojętnym lub zasadowym, są to więc gatunki wrażliwe na zmiany odczynu, zwłaszcza na zakwaszenie. Lokalizacja w okolicy o charakterze przemysłowym, bliskość GOP oraz Elektrowni Siersza PKE S.A. w Trzebini (przez lata na tzw. liście osiemdziesięciu ), a także bezpośrednie sąsiedztwo Zakładów Górniczych Trzebionka S.A sprawiają, że źródliska były i są poddawane antropopresji. Na obecny ich kształt najprawdopodobniej największy wpływ miał drenaż poziomów wodonośnych przez zakłady górnicze oraz przeprowadzone przed kilkudziesięciu laty melioracje [Pająk 2009]. Położenie (na wschód od emiterów zanieczyszczeń) w połączeniu z uwarunkowaniami klimatycznymi (przewaga wiatrów z sektora zachodniego i stosunkowo wysoka jak na warunki Polski roczna suma opadów ok. 800 mm [Nowak 1994]) powodują narażenie gleb na degradację powodowaną zakwaszonymi wodami opadowymi. Regulujące właściwości gleb, a więc zdolność gleby do przeciwdziałania zmianom jej właściwości, łącznie ze zmianami odczynu pod wpływem działania kwasów lub zasad
nazywa się buforowością [Ostrowska i in. 1991]. Buforowość jest miarą odporności gleby na antropogeniczne czynniki, m. in. Tzw. kwaśne deszcze [Miechówka, Dziurzyńska 1990], powodujące zmiany jej fizykochemicznych właściwości. Właściwości buforowe gleb wynikają głównie z zawartości próchnicy i minerałów ilastych, kształtujących właściwości sorpcyjne oraz zawartości węglanu wapnia [Bednarek i in. 2004]. 2. Materiały i metody Materiał glebowy pobrano w 2007 roku z poziomów genetycznych trzech profili glebowych zlokalizowanych w obrębie płatów należących do trzech różnych zbiorowisk (zmiennowilgotnej łąki trzęślicowej profil 1, łąki zabagnionej profil 2, młaki niskoturzycowej profil 3). Dodatkowo pobrano 14 próbek powierzchniowych spod gatunków chronionych w obrębie całego obszaru źródliskowego. Próbki glebowe wysuszono w temperaturze pokojowej, a następnie przesiano przez sito o średnicy oczek 2 mm. W tak przygotowanym materiale oznaczono: ph metodą potencjometryczną w H 2 O i roztworze KCl o stężeniu 1 mol dm -3, zawartość węglanów metodą objętościową Scheiblera, zawartość azotu ogólnego metodą Kieldahla przy użyciu aparatu Kjeltec, zawartość węgla organicznego metodą Tiurina w modyfikacji Oleksynowej [Oleksynowa i in. 1993], skład granulometryczny (w próbkach o zawartość C organicznego nie przekraczających 80 g kg -2 ) metodą areometryczną Casagrande a w modyfikacji Prószyńskiego [PN-R-04032 1998]. Zawartość materii organicznej obliczono na podstawie zawartości węgla organicznego przy użyciu współczynnika Waksmana - 1,724. Właściwości buforowe badanych gleb oznaczono według metody Arrheniusa w modyfikacji Brennera i Kappena [Ostrowska i in. 1991] zadając określone ilości gleby zwiększającymi się dawkami 0,1 N HCl i 0,1 N NaOH, a następnie po 24 godzinach dokonując potencjometrycznego pomiaru ph. Wyznaczono krzywe buforowe, a za miarę zdolności buforowych przyjęto stopień nachylenia krzywych względem osi odciętych oraz pole powierzchni pomiędzy krzywymi buforowymi badanych gleb, a krzywą teoretyczną (zwane dalej polami). Do obliczeń statystycznych, w celu powiązania buforowości z innymi właściwościami gleb, wykorzystano oddzielnie pola charakteryzujące buforowość względem zasad i kwasów oraz ich sumę. Współczynnik korelacji porządku rang Spearmana obliczono przy użyciu programu Statistica 8.0. 3. Wyniki Badane gleby w oparciu o Systematykę gleb Polski [1989] zaliczono do gleb: gruntowo-glejowych torfiasto-glejowych (profil 3) i gruntowo-glejowych właściwych (profil 2), a na terenie o mniejszej wilgotności, zajmowanym przez zmiennowilgotną łąkę trzęślicową do gleb deluwialnych próchnicznych (profil 1). Wszystkie badane gleby
charakteryzowały się budowa warstwowa. Składały się na nią naprzemianległe poziomy mineralne o składzie granulometrycznym piasku luźnego, a w przypadku gleby gruntowoglejowej właściwej także piasku gliniastego oraz podpowierzchniowe poziomy zasobne w materię organiczną (tab. 1). Tabela 1. Wybrane właściwości badanych gleb profi l 1 2 3 poziom głębokość cm ph CO 2 węglanowy C org. materia org. N ogólny C/N H 2 O KCl g kg -1 "zasada" "kwas" "suma" A 0-10 7,3 7,1 54,6 46,3 79,8 4,4 10,6 10,5 50,6 61,1 C 10-35 7,6 7,2 0,0 1,8 3,1 0,4 4,7 5,0 11,9 16,9 II Ae 35-75 6,6 6,3 1,9 95,8 165,1 8,0 11,9 40,0 39,1 79,0 II O 75-100 6,4 6,0 0,5 137,5 237,0 12,8 10,8 43,3 37,5 80,8 II D < 100 7,2 6,7 0,8 17,1 29,5 1,9 9,4 brak brak brak Aox 0-3 7,1 6,8 2,4 17,4 30,0 1,6 11,0 17,2 41,1 58,3 Agg 3-18 6,8 6,4 1,4 13,4 23,2 1,0 13,0 29,5 31,3 60,8 Ge 18-35 7,0 6,9 15,0 62,4 107,6 4,7 13,2 34,5 46,9 81,3 G 35-59 7,4 7,0 3,6 10,8 18,7 0,7 15,2 13,9 43,2 57,0 IIGe 59-65 7,1 7,0 22,3 52,1 89,8 3,3 15,6 28,2 51,3 79,5 IIG 65-85 7,3 7,1 14,9 27,0 46,5 1,9 13,9 18,9 51,2 70,1 IIC < 85 7,4 7,1 8,6 6,6 11,4 0,7 9,8 17,2 44,4 61,6 Ae 0-17 7,2 7,0 10,3 70,7 121,9 5,7 12,4 27,9 48,7 76,6 G 17-43 7,4 7,1 0,0 2,1 3,6 0,4 5,2 4,9 11,5 16,5 II G 43-48 7,8 7,5 0,3 31,8 54,8 0,5 70,8 brak brak brak III Agg 48-53 7,0 6,6 0,0 35,9 62,0 2,6 13,8 21,5 36,2 57,7 III G 53-68 7,5 7,0 0,0 3,2 5,6 0,4 7,3 5,5 12,1 17,6 IV Agg 68-70 6,9 6,9 16,9 65,6 113,1 4,1 15,8 30,7 49,9 80,6 14 próbek powierzchniowych maks. 7,6 7,2 182,9 139,0 239,6 10,9 16,6 29,4 53,0 87,2 minim. 6,1 5,8 0,2 48,0 82,8 3,2 9,4 45,0 32,2 68,0 średnio 7,0* 6,8* 49,6 94,6 163,1 7,7 12,6 33,9 45,3 79,1 * W obliczeniach uwzględniono że ph = - log [H 3 O + ] Badane gleb charakteryzowały się odczynem od słabo kwaśnego do zasadowego, przy czym większość gleb miała odczyn obojętny. Tylko 3 próbki powierzchniowe i 2 poziomy gleby deluwialnej próchnicznej miały odczyn słabo kwaśny. Odczyn zasadowy stwierdzono w 2 próbkach powierzchniowych oraz poziomach: IIG w profilu 3 i C w profilu 1 (tab. 1). Zawartość węglanów była silnie zróżnicowana i nie związana z ph badanych gleb. We wszystkich poziomach powierzchniowych badanych gleb stwierdzono dużą zawartość materii organicznej, wahającą się w granicach od 30,0 do 239,6 g kg -1 (tab. 1). Relatywnie wąski stosunek C/N w poziomach próchnicznych i mineralno-organicznych (tab. 1) świadczy o wysokim stopniu humifikacji materii organicznej. Właściwość ta jest typowa dla ekosystemów źródlisk alkalicznych [Wołejko 1991]. Najniższą zdolnością buforową, wyrażającą się w największym stopniem nachylenia krzywej buforowej, i najmniejszą sumą pól (4 razy mniejszym od wartości średniej) charakteryzowały się poziomy glejowe (G i IIIG) gleby gruntowo-glejowej torfiasto-glejowej (ryc. 2) oraz skały macierzystej gleby deluwialnej próchnicznej (ryc. 1). Były to poziomy pole
Ryc. 1. Krzywe buforowe profil 1 Ryc. 2. Krzywe buforowe profil 3 Ryc. 3. Krzywe buforowe profil 2 Ryc. 4. Krzywe buforowe wybranych próbek powierzchniowych o składzie granulometrycznym piasku luźnego oraz najniższej zawartości substancji organicznej i śladowej zawartości węglanów. Zdolności buforowe poziomów o podobnym składzie granulometrycznym ale bogatszych w próchnicę lub zawierających węglany nie odbiegały znacząco od średniej. Największymi zdolnościami buforowymi charakteryzowały się poziomy genetyczne o najwyższej zawartości materii organicznej. Poziomy te w glebach gruntowo-glejowych (profile 2 i 3) były równocześnie najzasobniejsze w węglany, co znalazło odbicie w proporcji pomiędzy polami buforowości względem kwasów i zasad - zdolności buforowe względem kwasów były większe, a pole względem kwasów stanowiło ok. 60% sumy pól. Natomiast w rzeczonych poziomach gleby deluwialnej pola względem kwasów i zasad były w przybliżeniu równe (ryc. 1), z nieznaczną przewagą zdolności buforowych względem zasad. Krzywe buforowe poziomów podpowierzchniowych bogatych
w węglany, ale ubogich w próchnicę (ryc. 2) odznaczały się wyraźnym przegięciem, tak że ich odporność na zmiany odczynu pod wpływem kwasów była znacznie większa od odporności na alkalizację (pole względem kwasów stanowiło ponad 70 % sumy pól) (tab. 1). Zdolności buforowe powierzchniowych poziomów gleb, wyrażone stopniem nachylenia krzywych buforowych próbek powierzchniowych, ocenić należy jako duże (ryc. 4). Sumy pól buforowości były porównywalne z sumami wyznaczonymi dla najlepiej zbuforowanych poziomów profili (tab. 1). Dla dwunastu z czternastu próbek powierzchniowych zdolności buforowe względem kwasów były większe niż względem zasad (pole względem kwasów stanowiło od 55 do 64% sumy pól) (rys. 4). Jedynie w przypadku dwóch próbek zdolności buforowe względem kwasów były niższe niż względem zasad (stanowiły 32 i 34% sumy). Najprawdopodobniej było to konsekwencją znikomej zawartości węglanów (poniżej 1 g CO 2 węglanowego kg -1 gleby), czym niniejsze próbki odróżniały się od pozostałych. Stwierdzono bardzo silną zależność pomiędzy zdolnościami buforowymi gleb obszaru źródliskowego potoku Wodna, a zawartością materii organicznej oraz znaczną zależność pomiędzy tymi zdolnościami a zawartością węglanów (tab.2). W badanych glebach z zawartością próchnicy silniej związana jest odporność na alkalizację niż odporność na zakwaszenie. Natomiast odporność na zakwaszenie związana jest w większym stopniu z zawartością węglanu wapnia (zależność praktycznie pełna). Nie stwierdzono istotnego związku pomiędzy zdolnościami buforowymi gleb, a wyjściowymi wartościami ze stężenia jonów wodorowych (tab. 2). Tabela 2. Współczynnik korelacji porządku rang Spearmana dla p 0,05(*),p 0,01(**), p 0,001(***), stężenie jonów H + C CO 2 [mol dm -3 ] organiczny węglanowy pole w H 2 O w KCl g kg -1 "zasada" "kwas" "suma" stężenie jonów H + w H 2 O 1,0000 0,8670 0,3457 0,0461 0,3423-0,0076 0,2275 [mol dm -3 ] w KCl *** 1,0000 0,1538-0,1226 0,2624-0,1694 0,0665 C organiczny g kg -1 - - 1,0000 0,5356 0,8180 0,4407 0,8567 CO 2 węglanowy - - ** 1,0000 0,2038 0,9221 0,7577 pole "zasada" - - *** 1,0000 0,0821 0,6863 "kwas" - - * *** 1,0000 0,6868 "suma" - - *** *** *** *** 1,0000 4. Dyskusja Gleby na obszarze źródlisk potoku Wodna powstały w wyniku naprzemiennie występujących dwóch procesów glebotwórczych: procesu deluwialnego nanoszenia materiału erodowanego (głównie piasku i niewielkich ilości szkieletu wapiennego) z pobliskich wzniesień oraz procesu bagiennego (akumulacji materii organicznej w warunkach silnego uwilgotnienia). Obecność szkieletu wapiennego i charakter wód źródliska doprowadził do powstania poziomów zasobnych w materię organiczną i węglany. Właściwości te miały
decydujący wpływ na kształtowanie zdolności buforowych badanych gleb. Obecnie, w zależności od poziomu oraz wahania wód gruntowych, gleby obszaru źródliskowego w różnym stopniu kształtowane są przez procesy glejowe. Podobnie, jak w glebach Podhala [Miechówka, Dziurzyńska 1990], odporność gleb źródliska na działanie tzw. kwaśnych deszczy kształtowana jest przez zawartość materii organicznej, węglanu wapnia i skład granulometryczny. Natomiast odmiennie, niż w przypadku opisanym przez Prusinkiewicza i in. [1992] wyjściowe ph badanych gleb nie ma wpływu na ich odporność na zakwaszenie. Zależność ta zapewne ujawnia się w glebach kwaśnych natomiast w glebach o odczynie słabo kwaśnym do zasadowego nie jest widoczna. Zdolności buforowe gleb obszaru źródliskowego potoku Wodna różnią się znacząco od zdolności buforowych opisanych w literaturze gleb glejowych [Adamczyk i in. 1982, Miechówka, Dziurzyńska 1990]. Badane gleby charakteryzują się większą buforowością, zwłaszcza odpornością na zakwaszenie. Różnią się też od poziomów powierzchniowych innych jednostek systematycznych, charakteryzujących się porównywalnymi zawartościami materii organicznej, wykazując większą odporność na zakwaszenie, co należy wiązać z ich zasobnością w węglany. Zaobserwowano duże podobieństwo właściwości buforowych badanych gleb, zwłaszcza gleb gruntowo-glejowych (profile 2 i 3), do gleb torfowych, mimo ich wyższej zawartością materii organicznej i kwaśnego odczynu [Adamczyk i in. 1983, Miechówka i Dziurzyńska 1990, Miechówka i Mikołajczyk 1994]. Można sądzić, że podobieństwo to jest wynikiem nałożenia się korzystnego wpływu na zdolności buforowe zawartości węglanów i materii organicznej. Ponad to stwierdzono podobieństwo do gleby wytworzonej z deluwium [Miechówka, Mikołajczyk 1994], a więc o podobnej genezie. 5. Wnioski 1. Gleby obszaru źródliskowego potoku Wodna charakteryzują się dobrym zbuforowaniem, tak w kierunku zakwaszenia jak i alkalizacji. 2. Badane gleby odznaczają się wysoką odpornością na degradację wywołaną przez tzw. kwaśne deszcze co pozwala sądzić, że stanowią one stabilne i trwałe siedlisko występowania gatunków chronionych preferujących gleby o odczynie obojętnym. 3. Głównym czynnikiem odpowiadającym za zdolności buforowe badanych gleb jest zawartość materii organicznej i węglanów, przy czym, odporność na zakwaszenie jest w większym stopniu uzależniona od zawartości w nich węglanów niż materii organicznej. 4. Deluwialno-bagienna geneza gleb obszaru źródliskowego potoku Wodna oraz alkaliczny charakter wód miały istotny wpływ na ich właściwości buforowe.
6. Literatura Adamczyk B., Oleksynowa K., Niemyska-Łukaszuk J., Drożdż-Hara M., Kozłowska E., Fajto A. 1983. Zbuforowanie gleb Puszczy Niepołomickiej. Rocz. Glebozn., 34: 81-92 Bednarek R., Dziadowiec H., Pokojska U., Prusinkiewicz Z. 2004. Badania ekologicznogleboznawcze. PWN, Warszawa. Miechówka A., Dziurzyńska A. 1990. Odporność gleb Podhala na antropogeniczną degradację. Problemy Zagospodarowania Ziem Górskich, 32: 43-50. Miechówka A., Mikołajczyk J. 1994. Buffer ability of Podhale soils. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol., 413: 221-229. Nowak W. 1994. Środowisko przyrodnicze [w:] Trzebinia (Zarys dziejów miasta i regionu) red. Kiryk F. Wyd. Secesja, Kraków, 9 40. Oleksynowa K., Tokaj J., Jakubiec J. 1993. Przewodnik do ćwiczeń z gleboznawstwa i geologii dla studentów AR. Metody laboratoryjne analizy gleby. Wyd. AR, Kraków. Ostrowska A., Gawliński S., Szczubiałka Z. 1991. Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin, 83-85. Pająk J. 2009. Zagrożenia i ochrona obszaru źródliskowego potoku Wodna. Monografie, Wielokierunkowość Badań w Rolnictwie i Leśnictwie (w druku). PN-R-04032 1998. Gleby i utwory mineralne. Pobieranie próbek i oznaczanie składu granulometrycznego. Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa. Prusiewicz Z., Kwiatkowska A., Pokojska U. 1992. Zmiany odczynu i buforowość gleb w świetle kilkuletnich symulacyjnych doświadczeń terenowych nad skutkami kwaśnych dreszczów. Rocz. Glebozn., 43: 5-21. Systematyka gleb Polski 1989. wydanie czwarte Rocz. Glebozn., 40. Wołejko L. 1991. Porównanie kompleksów źródliskowych rozwijających się w warunkach naturalnych i zmienionych w wyniku antropopresji. Zesz. Nauk. AR w Szczecinie, 149: 53-105. Adres: Uniwersytet Rolniczy Katedra Gleboznawstwa i Ochrony Gleb grelowska@vp.pl Agnieszka.Jozefowska@ur.krakow.pl