Grunty podlegają nieustannemu oddziaływaniu czynników środowiskowych o charakterze naturalnym i antropogenicznym. Czynniki naturalne występują w przyrodzie od momentu ukształtowania się powierzchni lądów w minionych epokach geologicznych i nie mają nieodwracalnego wpływu na stan gruntów. Zupełnie inaczej jest w przypadku czynników antropogenicznych, które zazwyczaj prowadzą do nieodwracalnych zmian w środowisku gruntowym. Niekorzystne oddziaływania są związane z przemysłem i rolnictwem (główne gałęzie gospodarki światowej). Wynikłe pod ich wpływem przekształcenia dzielą się na trzy grupy – geomechaniczne, hydrologiczne i chemiczne [Kowalik 2007; Siuta 2009].
Efektem wspomnianych oddziaływań jest degradacja gruntu. Pod pojęciem tym należy rozumieć pogorszenie właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych. Ustawa o ochronie gruntów rolnych i leśnych [Ustawa… 2013] mianem degradacji określa także spadek wartości użytkowych wskutek pogorszenia się warunków środowiska. Najważniejszym procesem niszczenia gruntów jest degradacja chemiczna. Wywołane przez nią zmiany w środowisku są bardzo trudne do neutralizacji ze względu na szybkie i gwałtowne różnicowanie się jego chemizmu (np. odczynu, zasolenia, zawartość toksyn). W konsekwencji zanieczyszczenia chemicznego grunt staje się biologicznie martwy, zaburzając bioróżnorodność siedlisk [Maciak 1999; Kowalik 2007].
4.1. Biologiczne technologie rekultywacji gruntów
Zgodnie z definicją Ustawy o ochronie gruntów rolnych i leśnych [Ustawa… 2013] rekultywacja gruntów oznacza nadanie lub przywrócenie gruntom zdegradowanym i zdewastowanym wartości użytkowych lub przyrodniczych poprzez właściwe ukształtowanie rzeźby terenu, poprawienie właściwości fizycznych i chemicznych, regulację stosunków wodnych, odtworzenie gleb, umocnienie skarp i odbudowanie niezbędnej infrastruktury [por. Sobczyk, Pawul 2012; Poros, Sobczyk 2013].
Rekultywacja biologiczna terenów zdegradowanych jest jednym z najważniejszych zagadnień związanych z zagospodarowaniem tych obszarów. Stopniowe wprowadzanie roślinności stabilizuje teren oraz zabezpiecza go przez występowaniem erozji wodnej i wietrznej. Specyficzną odmianą rekultywacji biologicznej jest tworzenie tzw. zielonych pasów izolacyjnych, których głównym zadaniem jest ochrona okolicznych terenów przed
zanieczyszczeniami gazowymi i pyłowymi. Wprowadzanie roślin na tereny zdegradowane ma również ważny wymiar estetyczny, ponieważ miejsca takie na ogół nie posiadają zróżnicowanej bioróżnorodności oraz pogarszają odczucia sensoryczne mieszkańców. Dodatkowo podczas projektowania rekultywacji biologicznej można wykorzystać gatunki roślin, które mają zdolność do pobierania i akumulacji zanieczyszczeń ze środowiska, przyczyniając się do jego stopniowego oczyszczania – fitoremediacji [Maciak 1999; Baran 2000; Gołda 2005].
Fitoremediacja należy do grupy najbardziej przyjaznych metod rekultywacji środowiska. Zaletą tej grupy metod jest stosunkowo niski koszt jej przeprowadzenia i możliwość wykorzystania powstałej biomasy w różnych celach (np. energetycznym, surowcowym, kompostowym). Możliwości wykorzystania poszczególnych roślin są uwarunkowane czynnikami, takimi jak wilgotność gruntu, jego odczyn, zawartość substancji pokarmowych i materii organicznej, stężenie zanieczyszczeń, mikroklimat.
Wyróżnia się następujące rodzaje fitoremediacji:
− fitoekstrakcja – usuwanie zanieczyszczeń ze środowiska poprzez pobieranie i akumulacje w nadziemnych częściach rośliny,
− fitodegradacja – metaboliczny rozkład zanieczyszczeń, zachodzący w tkankach roślin (może przebiegać z udziałem mikroorganizmów glebowych),
− rizodegradacja – degradacja zanieczyszczeń inicjowana przez mikroorganizmy występujące w strefie korzeniowej roślin,
− rizofiltracja – sorpcja zanieczyszczeń przez korzenie,
− fitostabilizacja – obniżenie przyswajalności i dostępności zanieczyszczeń poprzez unieruchomienie ich w gruncie,
− fitoewaporacja – przetwarzanie zanieczyszczeń stałych w formy gazowe i uwalnianie ich do atmosfery [Ghosh, Singh 2005; Wrzosek i in. 2008].
Oprócz szeregu zalet metody fitoremediacji posiadają pewne ograniczenia. Najważniejszymi z nich są zasięg oddziaływania ograniczony do strefy korzeniowej roślin i długotrwały proces oczyszczania. Innymi problemami, z jakimi można się spotkać podczas rekultywacji biologicznej, są m.in. wysokie koncentracje zanieczyszczeń, możliwość przeprowadzenia zabiegów na niewielkiej powierzchni terenu, specyfika pobierania zanieczyszczeń. Powyższe aspekty powodują, że metody biologicznej desorpcji zanieczyszczeń z gruntu są stosowane relatywnie rzadko [Baran 2000; Zemelduch, Tomaszewska 2007].
4.2. Wykorzystanie procesów sukcesji wtórnej w rekultywacji
Sukcesja wtórna (zwana często samorzutną) jest często spotykana na składowiskach odpadów. Jest naturalnym procesem prowadzącym do odzyskania pierwotnych walorów przyrodniczych środowiska. Sukcesja wtórna najwolniej zachodzi na terenach skażonych i nieużytkach poprzemysłowych. Obserwacje prowadzone przez botaników wykazały, że naturalne zarastanie terenów zniszczonych i zanieczyszczonych przez przemysł napotyka na szereg barier i ograniczeń. Do najważniejszych czynników hamujących wzrost roślin należy zaliczyć brak odpowiednio przystosowanych gatunków roślin do danego typu zanieczyszczenia w sąsiedztwie skażonego obszaru oraz niekorzystne warunki siedliskowe, m.in. zaburzenia hydrologiczne w gruncie, skrajne parametry odczynu i zasolenia gruntu, toksyczna kumulacja metali ciężkich, występowanie procesów erozyjnych [Kachel 1995].
Zimny [1972] dokonał podziału sukcesji wtórnej, zachodzącej na nieużytkach poprzemysłowych, na trzy etapy:
1. zasiedlanie powierzchni przez gatunki pionierskie, które są najbardziej odporne na zanieczyszczenie i na skrajne warunki siedliskowe (czas trwania etapu 1-3 lata),
2. stopniowe zadarnianie terenu (czas trwania etapu 3-15 lat),
3. wkraczanie roślinności krzewiastej i drzewiastej oraz stabilizacja ekosystemu (czas trwania etapu 15-40 lat).
Uzupełnieniem powyższego podziału jest opracowany przez Krzaklewskiego w 1988 roku trójklasowy podział nieużytków ze względu na szybkość zarastania. Zgodnie z tym podziałem stawy osadowe zakładów sodowych należy zaliczyć do obiektów o bardzo trudnym stopniu rekultywacji biologicznej (III klasa nieużytków – pojawienie się roślinności naczyniowej następuje najwcześniej po 10 latach od zakończenia eksploatacji obiektu). Ze względu na dużą koncentrację związków fitotoksycznych, nadmierne zasolenie i duże wahania wilgotności wspomniane składowiska należy przykryć 2-metrową warstwą izolacyjną. Dolna część warstwy (do 50 cm) powinna składać się w dolnej części z gruntów kwaśnych lub bardzo kwaśnych, neutralizujących nadmierne zasolenie, natomiast górną część (ok. 150 cm) powinny stanowić grunty żyzne o dużej zawartości próchnicy i substancji odżywczych. Dodatkowo po wykonaniu warstwy izolacyjnej i obsadzeniu jej stosowną roślinnością zalecane jest kilkuletnie intensywne nawożenie azotem, fosforem i potasem w celu redukcji stresowych warunków siedliskowych [Krzaklewski 1988].
4.3. Przykłady rekultywacji składowisk odpadów posodowych
Składowiska odpadów posodowych stanowią trudny obiekt do rekultywacji. Główną cechą tego typu obiektów jest występowanie dużych ilości łatwo rozpuszczalnych soli, które wchodzą w interakcję z otaczającym środowiskiem, obniżając jego walory. Dodatkowo odpady posodowe są składowane w rozległych osadnikach (np. w USA powierzchnia pojedynczych osadników sięga ponad 8 km2
), istotnie odznaczających się w krajobrazie [Koś, Miakota 1988; Loska, Tadych 1988; Poda 1999; Matthew, Effler 2003]. Rozpatrując problematykę rekultywacji składowisk odpadów posodowych, możemy wyróżnić dwa główne kierunki stosowane obecnie:
1. pozostawienie terenu sukcesji wtórnej,
2. przeprowadzenie wybranych zabiegów rekultywacji techniczno-biologicznej.
Na terenie Europy samorzutną sukcesję wtórną zachodzącą na terenach składowania odpadów posodowych można obserwować w okolicach Brenburga (Niemcy) i Petrovic (Czechy). W obu przypadkach naturalny rozwój roślinności trwa ponad 70 lat. Badania porównawcze przeprowadzone przez zespół pod kierownictwem Grünewalda [2006; 2007] wykazały, że na terenach niezrekultywowanych osadników następuje szybka akumulacja związków węgla organicznego i próchnicy. Zjawisko to wraz z transformacją podłoża można uznać za inicjalny proces glebotwórczy [Gołda 2007]. Hánêl [2004] i Rusek [2004] na podstawie zdjęć fitosocjologicznych i analizy fauny glebowej w okolicach Petrovic wykazali, że tereny składowisk posodowych zdecydowanie różnią się składem gatunkowym fauny i flory w porównaniu do okolicznych, półnaturalnych zbiorowisk leśnych. Różnice te wynikają z toksycznego wpływu zasolenia na rośliny oraz łatwego wnikania soli (zwłaszcza chlorków) do organizmów mikrofauny, powodując ich szybkie zamieranie. Dodatkowym czynnikiem wpływającym na zmniejszoną bioróżnorodność terenów składowisk względem okolicznych zalesień był niekorzystny mikroklimat, który powodował szybkie nagrzewanie się do wysokich temperatur wierzchnich warstw zgromadzonych odpadów i szybkie wysychanie przebywających tam organizmów bezkręgowych.
Przykładem typowej rekultywacji składowisk odpadów posodowych są osadniki byłych Krakowskich Zakładów Sodowych „Solvay”. Prace były prowadzone trójetapowo w latach 1989-95. Etapy pierwszy i drugi stanowiły prace projektowe i rekultywacja techniczna – rozplantowanie grobli poszczególnych stawów, ukształtowanie skarp, wykonanie drenażu odwadniającego oraz przykrycie osadów nadkładem gruntowym. Przeprowadzone prace obejmowały przetransportowanie 200 km3 materiału ziemnego [Poda 1999; Krzak
2005]. Trzeci etap rekultywacji został przeprowadzony fragmentarycznie i polegał na obsianiu koron osadników mieszanką traw i roślin motylkowych [Boroń i in. 2000]. Prace te zostaną szczegółowo omówione w rozdziale 6.7 niniejszej rozprawy.
Problem rekultywacji składowisk posodowych w Polsce jest nadal aktualny, czego najlepszym przykładem są Janikowskie Zakłady Sodowe „Janikosoda”. Nieczynne składowisko zakładów w Janikowie zostało zrekultywowane na podstawie zmodyfikowanego projektu rekultywacji opracowanego dla byłych Krakowskich Zakładów Sodowych. Wspomniana modyfikacja dotyczyła wykorzystania w fazie biologicznej osadów ściekowych, które wymieszano z osadem posodowym i obsiano mieszanką traw i brachiny. Przeprowadzona rekultywacja wykazała pozytywny wynik pomimo braku dostępności wody opadowej w trakcie sezonu wegetacyjnego. Zastosowanie osadu ściekowego sprzyjało plonowaniu roślin oraz zwiększało dostępność niezasolonej wody dla systemu korzeniowego roślin w wyniku ciągłego procesu ewapotranspiracji. Dzięki temu można pominąć nawożenie mineralne w sezonie wegetacyjnym [Siuta 2005; Siuta i in. 2008].