ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LIX NR 1 WARSZAWA 2008: 60-68 MAREK DEGÓRSKI1, ALOJZY KOWALKOWSKI2 BUFOROWOŚĆI PRZEWODNICTWO ELEKTROLITYCZNE JAKO WSKAŹNIKI WARUNKÓW ROZWOJU GLEB BIELICOWYCH* BUFFERING CAPACITY AND ELECTROLYTIC CONDUCTIVITY AS INDICATORS OF THE CONDITIONS OF PODZOLIC SOILS DEVELOPMENT 'instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania PAN, Warszawa, 2 Europejski Instytut Kształcenia Podyplomowego przy Akademii Świętokrzyskiej, Kielce Abstract: Soils finding them selves in a state o f equilibrium are characterised by defined minim i zed losses o f substances that correspond w ith their stages o f developm ent and tend to rise considerably as succession progresses. The subsequent increases in the m obilisation o f energy and substances in soils m ay give rise to greater losses, until a new state o f equilibrium becom es stabilised. The set o f indicators o f the process includes directly-know n ph configurations and gradients defining the profile-related differentiation o f buffering capacities as well as electrolytic conductivities, these pointing to the situation at the given tim e w here concentrations o f salts in the soil solution are concerned [Ulrich et al. 1979; K ölling et al. 1995]. Field research was carried out in the years 2004-2005, in catenas o f podzolic soils o f differing degrees o f developm ent located on the area o f flat land beneath the sum m it o f Śnieżka in the Karkonosze M ountains (known as Plateau below Śnieżka), in the North Podlasie Lowland (B iałowieża Forest), on the Hel Peninsula, on the Schaabe Bar (Rugia) and at Kevo in Finnish Lapland (Fig. 1). The indices presented differentiate sim ultaneously betw een old and young cryogenic soils formed from as well as from old glacial sediments decom posed rocks in situ and non cryogenic soils from single- or m ulti-environm ent holocene sediments. Słowa kluczow e: buforow ość, przew odnictwo elektrolityczne, wskaźniki rozw oju gleb bielicowych, gleby środkowej i północnej Europy. Key w ords: buffering capacity, electrolytic conductivity, indicators o f podzolic soils development, soils o f central and northern Europe. * Badania wykonano w ram ach projektu badawczego KBN Z P 0 4 E 01526 G eograficzne uw arunkow ane trendy i dyskontynuacje procesów rozw oju gleb bielicoziem nych - ich genetyczne i ekologiczne aspekty.
Buforowość i przewodnictwo elektrolityczne a warunki rozwoju gleb bielicowych 61 WSTĘP Rozwój gleb cechuje się różną dynamiką obiegu energii i materii, zależną od stanu dojrzałości danego pedonu. Gleby znajdujące się w stanie zrównoważenia charakteryzują się określonymi zminimalizowanymi stratami substancji odpowiadającymi ich stadiom rozwoju, natomiast znacząco rosnącymi w trakcie ich sukcesji. Następcze uruchamianie energii i substancji w kolejnych stadiach rozwoju gleb może prowadzić do wyższych strat, aż do momentu ustabilizowania się nowego stanu zrównoważenia. Do zespołu wskaźników tych procesów należą profilowe układy i gradienty (największe ukierunkowane zmiany wartości) ph określające zakresy buforowości i przewodnictwa elektrolitycznego oraz wskazujące na aktualny stan stężenia soli w roztworze glebowym [Ulrich i in. 1979; Köllingi in. 1996]. Celem prezentowanych badań jest ocena buforowości i elektrolitycznego przewodnictwa jako wskaźników warunków powstawania gleb. W badaniach wykorzystano zróżnicowane pod względem położenia geograficznego gleby bielicowe. MATERIAŁ I METODY Obiekty badań Badania terenowe realizowano w latach 2004-2005 w katenach gleb bielicowych o różnych stopniach rozwoju, wykształconych ze zróżnicowanych pod względem pochodzenia i wieku substratów mineralnych (rys. 1). Do badań wybrano pięć powierzchni badawczych położonych na Równi pod Śnieżką (Karkonosze), na Nizinie Północnopodlaskiej (Puszcza Białowieska), na Równinie Kevo (Fińska Laponia), na Półwyspie Hel oraz na Mierzei Schaabe (Rugia). Gleby pod Śnieżką wykształcone zostały na zrównaniu denudacyjnym (profil 7) oraz na górnej części stoku o ekspozycji N (profile 8, 9) ze zwietrzeliny granitoidowej intruzji karkonoskiej, bardzo silnie przekształconej w plejstocenie. Formy terenu, jak i morfologia gleby do dnia dzisiejszego zachowały cechy środowiska peryglacjalnego z odpowiadającymi pokrywami akumulacyjnymi na stoku. Pole pagórów bugrowych, z widocznymi makroformami procesów kriogenicznych i z zachowanymi zespołami typowych reliktowych cech tufurowych gleb tundrowych, świadczy jednoznacznie o środowisku mrozowym, w jakim badane gleby powstawały i przez długie okresy pozostawały. Współcześnie obszar ten znajduje się pod oddziaływaniem muraw Carici rigidae Nardetum, a tam, gdzie występuje kosodrzewina, pokrywę glebową stanowią górskie strukturalne gleby rdzawo-bielicowe [Kowalkowski, Degórski 2005]. Gleby Puszczy Białowieskiej wykształcone zostały na akumulacyjnej równinie zbudowanej z materiału glacifluwialnego z wychodniami pagórów morenowych, stanowiącej wschodnią część wysoczyzny bielskiej, której geneza wiązana jest ze zlodowaceniem Warty [Degórski 2007]. Główna faza akumulacji materiału glacifluwialnego występowała tu 140-150 ka BP [Banaszuk 2001] z późniejszymi przekształceniami mrozowymi w środowisku peryglacjalnym. Badaniami objęto gleby rdzawo-bielicowe (profile 1 i 2) i bielicowe (profil 3) porośnięte subkontynentalnym borem świeżym Peucedano-Pinetum [Kozłowska 2007]. Badania pokrywy glebowej w północnej Laponii prowadzono na południe od współczesnej strefy wieloletniej zmarzliny, na tarasach zbudowanych z materiału glacifluwialnego silnie przekształconego peryglacjalnie (profile 14,15), akumulowanego
62 M. Degórski, A. Kowalkowski w okresie atlantyckim holocenu (ok. 6 ka BP) oraz wykształconych z mezo- i neoholoceńskich zwietrzelin mrozowych na grzbiecie granitognejsowym (profil 13), z naturalnie rosnącą tu sosną [Kallio i in. 1969, 1986]. Pod względem syntaksonomicznym zbiorowisko roślinne porastające badane gleby bielicowe zostało zaklasyfikowane jako północno-borealny bór sosnowy świeży Barbilophophozio (lycopodioides)-pinetum lapponicae [Kozłowska 2007]. Badane gleby bielicowe w okolicach Juraty na Półwyspie Helskim położone są na wydmach białych i żółtych (profile 4 i 5) oraz na brunatnych wałach brzegowych (profil 6), których geneza związana jest z neoholocenem. Ich powstanie J. Bączyk [1963] wiąże z RYSUNEK 1. Lokalizacja powierzchni badawczych na tle linii recesji lądolodu skandynawskiego: 1.zlodowacenie Południ owopolskie, 2. zlodowacenie Odry, 3. zlodowacenie Wisły, 4 i 5. holoceńskie fazy recesji lądolodu, 6. wody powierzchniowe FIGURE 1. Localization of research plots on the background of lines of recession phase of icesheet: 1. Southern Polish Glaciation, 2. Oder Glaciation, 3. Vistulian Glaciatio n, 4 and 5. Holocene recession phases of icesheet, 6. water
Buforowość i przewodnictwo elektrolityczne a warunki rozwoju gleb bielicowych 63 Exchangeable Silicate Range of buffering capacities RYSUNEK 2. Zróżnicowanie wartości ph i przewodnictwa elektrolitycznego w badanych glebach Karkonoszy na tle zakresów buforowości FIGURE 2. Differentiation of ph and electrolytic conductivity in studied soils in Karkonosze Mts. młodszym subbreborealem, czyli okresem trwającym od około 4200 do 2800 BP. Poglądy te potwierdzają datowania wykonane metodą,4c kopalnych poziomów bielic próchnicznoorsztynowych usytuowanych w części spągowej wydm brunatnych, na podstawie których ich wiek określono na 2770±70 BP (profil 6). Gleby bielicowe powierzchniowych eolicznych pokryw wydmowych są znacznie młodsze (profile 4 i 5). Wiek poziomu iluwialnego kopalnych gleb bielicowych w analizowanych wydmach żółtych wynosi ok. 1170±50 BP [Tomczak, Kowalkowski 1994; Kowalkowski 2004]. Roślinność porastająca te gleby to nadmorski bór bażynowy - Empetro nigri-pinetum [Kozłowska 2007]. Analizowane gleby bielicowe na Mierzei Schaabe (profile 10, 11, 12) położone są na współczesnym zrównaniu akumulacyjnym zbudowanym z namywów morskich, których akumulacja zachodzi tu od ok. 8300 BP do czasów współczesnych [Schumacher 2002]. Dynamika procesów akumulacyjnych jest zróżnicowana, a ich zasięg i wielkość zależy zarówno od wahań poziomu morza [Mömer 1978], jak i aktywności brzegowych procesów abrazyjno-akumulacyjnych [Schumacher, Bayerl 1999]. Roślinność porastająca te gleby to nadmorski bór bażynowy - Empetro nigri-pinetum [Kozłowska, 2007]. Badania polow e Kwasowość gleb (ph w roztworze wodnym) i przewodnictwo elektrolityczne oznaczono w poszczególnych poziomach glebowych (mineralnych i organicznych) w warunkach polowych przy pomocy ph-metru i konduktometru firmy Hatch. W każdym z obiektów badano 3 profile glebowe. Zakresy buforowości gleb zostały przyjęte za Ulrichem [1981] według ekologicznego zgrupowania gleb wynikającego z ich stanu chemicznego.
64 M. Degórski, A. Kowalkowski WYNIKI BADAŃ Gleby rdzawo-bielicowe wytworzone ze zwietrzelin granitowych na Równi pod Śnieżką mają w dolnej części profilu stosunkowo wysokie wartości ph w zakresie buforowości krzemianowej, ku powierzchni malejące - przechodzące do zakresów buforowości wymiennej i glinowej. Wartości przewodnictwa elektrolitycznego roztworu glebowego są najniższe w dolnej części profilu, rosną znacząco przy powierzchni badanych gleb. Linie profilowego przebiegu ph są silnie lewoskrętne, a przewodnictwa elektrolitycznego - od silnie do słabo prawoskrętne, z gradientami na głębokości od 35^40 do 5 cm. Bardzo zróżnicowany układ tych linii wskazuje, w badanych strukturalnych górskich glebach rdzawo-bielicowych, na różne przebiegi procesów rozkładu minerałów starych zwietrzelin kriogenicznych i mineralizacji próchnicy glebowej spowodowane antropogenicznie uwarunkowanymi zmianami w zbiorowiskach roślinnych i procesami deluwialnymi (rys. 2). Gleby rdzawo-bielicowo powstałe w Puszczy Białowieskiej ze starych kriogenicznych deluwiów osadów morenowych na osadach fluwioglacjalnych poniżej głębokości 70 cm wykazują ph w zakresie buforowości krzemianowej, przechodzące ku powierzchni do zakresów buforowości wymiennej i glinowej, na granicy z glinowo-żelazową. Lewoskrętne linie profilowe ph, z gradientami na głębokościach od 80 do 30-10 cm, nie wykazują związków z bardzo słabo w lewo skierowanymi liniami przebiegu bardzo niskich wartości przewodnictwa elektrolitycznego roztworów glebowych, ze słabymi gradientami na głębokości 5-10 cm (rys. 3). Układ ten jest wskaźnikiem współcześnie słabego natężenia RYSUNEK 3. Zróżnicowanie wartości ph i przewodnictwa elektrolitycznego w badanych glebach Puszczy Białowieskiej na tle zakresów buforowości gleb FIGURE 3. Differentiation of ph and electrolytic conductivities in studied soils in Białowieża Forest
Buforowość i przewodnictwo elektrolityczne a warunki rozwoju gleb bielicowych 65 RYSUNEK 4. Zróżnicowanie wartości ph i przewodnictwa elektrolitycznego w badanych glebach północnej Laponii na tle zakresów buforowości gleb FIGURE 4. Differentiation of ph and electrolytic conductivities in studied soils in Northern Lapland rozkładu minerałów glebowych starych osadów lodowcowych na wtórnym złożu (profile 1, 2). W glebie bielicowej wytworzonej z osadów fluwialnych (profil 3) krzywa ph jest prawoskrętna w zakresie buforowości glinowej, przechodzącej na 40 cm w zakres buforowości wymiennej do granicy krzemianowej na głębokości 10 cm. Bardzo niskie wartości przewodnictwa elektrolitycznego mają przebieg pionowy, od głębokości 25 cm ku powierzchni, słabo prawoskrętny z niewielkimi gradientami. Prawoskrętne linie profilowe badanych cech wskazują na biotyczną akumulację wymiennych kationów o charakterze zasadowym w glebie powstałej z silnie przemytych i ubogich w krzemiany osadów fluwialnych. W glebach wytworzonych ze zwietrzelin granitognejsów w Kevo linie głębokościowe wartości ph są ostro lewoskrętne, od zakresu buforowości krzemianowej w dolnych częściach profilu przez zakres buforowości wymiennej do glinowej przy powierzchni. Wyraźne są gradienty na głębokości 2 0 ^ 0 cm i słabo zaznaczone na głębokości 15-5 cm, co jest związane z poziomową budową tych gleb. Odwrotny, ostro prawoskrętny przebieg mają linie wysokich wartości przewodnictwa elektrolitycznego, rosnących od dolnych części profili do poziomów powierzchniowych, z gradientami jak w przypadku ph. Są to wskaźniki długotrwałego, płynnie zrównoważonego przebiegu dominującego eluwialnego procesu glebotwórczego z intensywnym rozkładem minerałów krzemianowych w stosunkowo młodych zwietrzelinach kriogenicznych i osadach fluwioglacjalnych bez cech znaczącej ingerencji człowieka w środowisko (rys. 4). W neoholoceńskich piaskach wydmowych i starszych wałach brzegowych na Półwyspie Hel profilowe linie wartości ph są silnie lewoskrętne, od górnego zakresu buforowości krzemianowej w dolnych częściach profili do zakresów buforowości wymiennej, glinowej oraz glinowo-żelazowej w górnej części (rys. 5). Linie te wykazują
66 M. Degórski, A. Kowalkowski dwa gradienty, na głębokościach: od 90 do 70 cm i od 50 do 30 cm. Linie profilowe bardzo niskich wartości przewodnictwa elektrolitycznego roztworów glebowych są w dolnej części do głębokości 20 cm pionowe, z niewielkim gradientem prawoskrętnym w poziomach organicznych. Przebiegi tych linii wskazują na niezależne od składu mineralnego wartości ph w dolnej części profili badanych gleb oraz silne zubożenie minerałów łatwo rozkładających się w materiale pochodzącym z rozmycia moren, na wtórnych fiuwialnych i eolicznych złożach, przekształconego w różnym stopniu środowiska plaży. Na Mierzei Schaabe, w bardzo młodych glebach bielicowych powstających z namywów morskich, linie profilowe niskich wartości ph są lewoskrętne, od związanych z rosnącym wiekiem osadów zróżnicowanych zakresów buforowości krzemianowej, wymiennej i glinowej w dolnych częściach gleb do pedogenicznych zakresów buforowości wymiennej, RYSUNEK 5. Zróżnicowanie wartości ph i przewodnictwa elektrolitycznego w badanych glebach Półwyspu Helskiego na tle zakresów buforowości gleb FIGURE 5. Differentiation of ph and electrolytic conductivities in studied soils in Hel Peninsula
Buforowość i przewodnictwo elektrolityczne a warunki rozwoju gleb bielicowych 67 RYSUNEK 6. Zróżnicowanie wartości ph i przewodnictwa elektrolitycznego w badanych glebach półwyspu Schaabe na tle zakresów buforowości gleb FIGURE 6. Differentiation of ph and electrolytic conductivities in studied soils in Schaabe Peninsula glinowej i glinowo-żelazowej, występujących już na głębokości 60 cm i dalej do powierzchni profilu (rys. 6). Przebiegi tych linii mają związek z układem słabo rozwiniętych poziomów glebowych, o czym świadczą niewielkie gradienty na ich granicach, co także zaznacza się w zbliżonych do pionowych przebiegach linii bardzo niskich wartości przewodnictwa elektrolitycznego. W porównaniu z Półwyspem Helskim występuje tu względnie większe zróżnicowanie badanych cech, w związku z współcześnie aktywnym rozmywaniem pobliskich klifów zbudowanych z materiałów morenowych i kredy, a następnie bezpośrednim namywaniem tych materiałów na mierzei i związanym z tym małym zaawansowaniem ciągle odnawianych procesów glebotwórczych. WNIOSKI 1. Przedstawione wskaźniki profilowego zróżnicowania ph oraz przewodnictwa elektrolitycznego roztworu glebowego badanych gleb bielicowych jednoznacznie różnicują stare i młode gleby kriogeniczne wytworzone ze zwietrzelin in situ - młodych (Kevo) i starych (Równia pod Śnieżką) oraz ze starych lodowcowych sedymentów jednego środowiska (Białowieża), a także młode gleby niekriogeniczne z neoholoceńskich sedymentów składających się z materiałów wielu środowisk (lądowych, jak i morskich) na Półwyspie Helskim i Mierzei Schaabe.
68 M. Degórski, A. Kowalkowski 2. Skwantyfikowanie w profilu gleb bielicowych genetycznej sekwencji poziomów i warstw przy pomocy łatwo oznaczalnych fizykochemicznych właściwości, przedstawionych w liniowym układzie wektorów, umożliwia wstępne poznanie istniejącej różnorodności pedonów w polipedonie, uzależnionej od mozaikowatości substratów glebowych oraz od działających na nie zmieniających się w czasie i w przestrzeni czynników klimatu, reliefu, zbiorowisk roślinnych i człowieka. 3. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że ph z zakresami buforowości i przewodnictwo elektrolityczne oznaczone bezpośrednio w profilu glebowym m ogą być wykorzystane jako indykatory warunków rozwoju i funkcjonowania gleb bielicowych. LITERATURA B A N A S Z U K H. 2001: O zasięgu zlodow acen ia W isły w Polsce p ółn ocn o-w schod niej na podstaw ie badań geom orfologicznych i term olum inescencyjnych. Przegl. G eogr. 73, 3: 2 8 1-3 05. BĄCZYK J. 1963: G eneza Półwyspu H elskiego na tle rozwoju Zatoki Gdańskiej. Dokum entacja Geograficzna 6: 176 ss. DEGÓRSKI M. 2005: Chronosckwcncja gleb bielicow ych w okolicach Juraty na Półw yspie Helskim: wstępne studia gcom orfologiczn o-p cd ologiczn c. W: K. Borówka (red.) Plcjstoccńskic i holoccńskic przem iany środow iska przyrod niczego Polski - wybrane aspekty. U niw ersytet S zczeciń sk i, P olskie T ow arzystw o G eograficzne, O ficyna IN PLUS, Szczecin: 17-21. DEGÓRSKI M. 2007: Spatial variability in podzolic soils o f central and northern Europe. U.S. Environmental Protection A gency, Washington: 178 ss. KALLIO P., LAINE U., M AKINEN Y. 1969: Vascular flora o f Inari Lapland. Rep. K evo Subarctic Res. Stat. 5 Turku: 1-1 0 8. KALLIO P., H URM E H., EU RO LA S., NOROKORPI Y., SEPPO NEN P. 1986: Research activities on the forest line in Northern Finland. A rctic 39, 1: 5 2-5 8. KOWALKOWSKI A. 2004: Rozpoznawanie i klasyfikacja wytworzonych w środowisku pciyglacjalnym i ckstrapcryglacjalnym stref przekształceń i glcbopokryw stokowych. Regionalny M onitoring Środowiska 5: 47-94. KOW ALKOW SKI A., DEGÓRSKI M. 2005: B iogcom orfogcniczn a odrębność górskich strukturalnych gleb rdzawych bielicow ych. P roblem y Zagospodarow ania Ziem Górskich 52: 7-1 6. K OZŁOW SKA A. 2007: Charakterystyka gcobotaniczna zbiorow isk roślinnych. O pracow anie w ykonane w ramach projektu badawczego KBN 2P 04E 01526 Geograficznie uwarunkowane trendy i dyskontynuacjc procesów rozwoju gleb biclicozicm nych - ich genetyczne i ekologiczne aspekty, msc, Warszawa: 7 ss. KÖLLING C. HOFFMANN M., GULDER H.J. 1995: Bodenchemische Vertikalgradienten als charakteristische Zustandsgrößen von Waldökosystemen. Zeitschr. Pßanzenern. und Bodenkunde 1/96, 159, 1: 69-78. M Ö R N ER N. 1978: Late Q uaternary sea -lev e l changes in northw estern Europe - sy n th esis. G eol. For. Stokholm Förh. 100, 4: 38 1-4 0 0. TOM CZAK A., K O W ALK O W SK I A. 1994: M łodsze fazy ew olucji półw yspu H elsk iego w św ietle badań osadów i gleb. Konf. Geologia i Geomorfologia Pobrzcża Południowego Bałtyku. Słupsk: 56 ss. ULRICH B., MAYER R., K H A N N A P.K. 1979: Depposition von Luftverunreinigungen und ihre Auswirkungen in W aldökosystem en im S ollin g. Sehr. F orstl. Fak. G öttingen u.d. N ieders. F orstl. B ersuchsau st. Saucrländcrs Verl. Frankfurt: 291 ss. ULRICH B. 1981: Ö k o lo g isch e Gruppierung von B öden nach ihren chem isch en B odenzustand. Zeitschr. P ßan zen ern. und B oden kunde 144: 2 8 9-3 0 5. SC H U M A C H ER W. 2002: Costal evolution o f the Schaabc spit and the shoreline displacem ent curve for Rügen Island. G reifsw alder Geographische Arbeiten 25: 5 5-6 0. SCHUM ACHER W., BAYERL К. 1999: The shoreline displacem ent curve o f Rügen Island (Southern Baltic Sea) - Q uaternary International 56: 107-1 1 3. Doc. dr hab. Marek Degórski Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania PAN ul. Twarda 51/55, 00-818 Warszawa