MAREK DEGÓRSKI1, ALOJZY KOWALKOWSKI2
BUFOROWOŚĆI PRZEWODNICTWO ELEKTROLITYCZNE
JAKO WSKAŹNIKI WARUNKÓW ROZWOJU
GLEB BIELICOWYCH*
BUFFERING CAPACITY AN D 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 m inim i zed lo sses o f su b sta n c e s th at c o rre sp o n d w ith th eir stag es o f d e v e lo p m e n t and ten d to rise con sid erab ly as su ccessio n p ro g resses. T he subsequent in creases in the m o b ilisatio n o f en e r gy and su b stan ces in soils m ay g iv e rise to g reater losses, until a new sta te o f eq u ilib riu m becom es stabilised. T he set o f indicators o f the process includes directly-know n pH configura tions and gradients defining the profile-related differentiation o f b uffering capacities as w ell as electro ly tic co n d u ctiv ities, these p o in tin g to the situation at the given tim e w here c o n cen tra tions o f salts in the soil solution are concerned [U lrich et al. 1979; K ölling et al. 1995]. Field research w as carried out in the years 2 0 0 4 -2 0 0 5 , 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 Ś nieżka in the K arkonosze M ountains (know n as Plateau below Śnieżka), in the N orth P odlasie L ow land (B iałow ieża Fo rest), on the Hel P eninsula, on the Schaabe B ar (R ugia) and at K evo in F innish L apland (Fig. 1). T he in d ices p re s e n te d d iffe re n tia te sim u lta n e o u sly b etw een o ld and y o u n g c ry o g e n ic soils form ed from as well as from old glacial sedim ents decom posed rocks in situ and non cryogenic soils from single- o r m ulti-en v iro n m en t holocene sedim ents.
Słow a k lu c z o w e : b u fo ro w o ść, p rzew odnictw o elektrolityczne, w skaźniki rozw oju gleb bielico- w ych, gleby środkow ej i północnej Europy.
K ey w ords: bufferin g capacity, electrolytic conductivity, indicators o f p o d zo lic soils d ev elo p m ent, soils o f central and northern Europe.
* B adania w ykonano w ram ach projektu badaw czego KBN Z P 0 4 E 01526 „G eograficzne u w arun kow ane trendy i d y sk o n ty n u acje p ro cesó w rozw oju gleb b ie lico ziem n y ch - ich g en ety c zn e i ek o lo g iczn e a sp e k ty ” .
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; K öllingi in. 1996].
Celem prezentowanych badań jest ocena buforowości i elektrolitycznego przewodnic twa jako wskaźników warunków powstawania gleb. W badaniach wykorzystano zróżni cowane 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 pocho dzenia i wieku substratów mineralnych (rys. 1). Do badań wybrano pięć powierzchni badawczych położonych na Równi pod Śnieżką (Karkonosze), na Nizinie Północno- podlaskiej (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 odpowia dającymi pokrywami akumulacyjnymi na stoku. Pole pagórów bugrowych, z widocznymi makroformami procesów kriogenicznych i z zachowanymi zespołami typowych relikto wych cech tufurowych gleb tundrowych, świadczy jednoznacznie o środowisku mrozo wym, 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].
G leby Puszczy B iałow ieskiej wykształcone zostały na akum ulacyjnej równinie zbudowanej z materiału glacifluwialnego z wychodniami pagórów morenowych, stano wiącej wschodnią część wysoczyzny bielskiej, której geneza wiązana jest ze zlodowa ceniem Warty [Degórski 2007]. Główna faza akumulacji m ateriału glacifluwialnego występowała tu 140-150 ka BP [Banaszuk 2001] z późniejszym i przekształceniam i mrozowymi w środowisku peryglacjalnym. Badaniami objęto gleby rdzawo-bielicowe (profile 1 i 2) i bielicow e (profil 3) porośnięte subkontynentalnym borem świeżym
Peucedano-Pinetum [Kozłowska 2007].
B adania pokryw y glebow ej w północnej Laponii prow adzono na południe od współczesnej strefy w ieloletniej zmarzliny, na tarasach zbudow anych z m ateriału glacifluwialnego silnie przekształconego peryglacjalnie (profile 14,15), akumulowanego
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.zlodo wacenie Południ owopol- skie, 2. zlodowacenie Od ry, 3. zlodowacenie Wisły, 4 i 5. holoceńskie fazy recesji lądolodu, 6. wody powierzchniowe
FIGURE 1. Localization o f research plots on the background o f lines o f recession phase o f ice- sheet: 1. Southern Polish Glaciation, 2. O der G la ciation, 3. Vistulian Gla
c ia tio n , 4 and 5.
Holocene recession pha ses o f icesheet, 6. water
RYSUNEK 2. Zróżnicowanie wartości pH i przewodnictwa elektrolitycznego w badanych glebach Karkonoszy na tle zakresów buforowości
FIGURE 2. D ifferentiation o f pH and electrolytic conductivity in studied soils in K arkonosze Mts. on the background o f buffering capacities
młodszym subbreborealem, czyli okresem trwającym od około 4200 do 2800 BP. Poglądy te potwierdzają datowania wykonane metodą ,4C kopalnych poziomów bielic próchniczno- orsztynowych 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 p olow 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.
E xch an geab le Silicate R an ge of buffering capacities
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 krzem ianowej, ku pow ierzchni 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. D ifferentiation o f pH and electrolytic conductivities in studied soils in Białowieża For est on the background o f buffering capacities
RYSUNEK 4. Zróżnicowanie wartości pH i przewodnictwa elektrolitycznego w badanych glebach północnej Laponii na tle zakresów buforowości gleb
FIGURE 4. Differentiation o f pH and electrolytic conductivities in studied soils in Northern Lapland on the background o f buffering capacities
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 gradientam i. 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 w ydm ow ych i starszych w ałach brzegow ych na Półwyspie Hel profilowe linie wartości pH są silnie lewoskrętne, od górnego zakresu buforow ości krzem ianow ej w dolnych częściach profili do zakresów buforow ości wymiennej, glinowej oraz glinowo-żelazowej w górnej części (rys. 5). Linie te wykazują
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 o f pH and electrolytic conductivities in studied soils in Hel Peninsula on the background o f buffering capacities
RYSUNEK 6. Zróżnicowanie wartości pH i przewodnictwa elektrolitycznego w badanych glebach półwyspu Schaabe na tle zakresów buforowości gleb
FIGURE 6. D ifferentiation o f pH and electrolytic conductivities in studied soils in Schaabe Penin sula on the background o f buffering capacities
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 elektro litycznego 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 se dymentów składających się z materiałów wielu środowisk (lądowych, jak i morskich) na Półwyspie Helskim i Mierzei Schaabe.
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 różnorodno ści 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 podstaw ie uzyskanych wyników można stwierdzić, że pH z zakresam i buforo wości i przew odnictw o elektrolityczne oznaczone bezpośrednio w profilu glebo wym m ogą być w ykorzystane jako indykatory w arunków rozw oju i funkcjono wania gleb bielicow ych.
LITERATURA
B A N A S Z U K H. 2 0 0 1 : O z a się g u z lo d o w a c e n ia W isły w P o lsc e p ó łn o c n o -w sc h o d n ie j na p o d sta w ie badań g e o m o r fo lo g ic z n y c h i term o lu m in e sc e n c y jn y c h . P rze g l. G e o g r. 73, 3: 2 8 1 - 3 0 5 .
B Ą C Z Y K J. 1963: G eneza P ółw yspu H elsk ieg o na tle rozw oju Zatoki G dańskiej. D okum entacja G eograficzn a 6: 176 ss.
D EG Ó RSK I M. 2005: C hronosck w cn cja gleb b ielico w y ch w ok olicach Juraty na P ó łw y sp ie H elskim : w stęp ne studia g c o m o r fo lo g ic z n o -p c d o lo g ic z n c . W: K. B orów k a (red.) P lcjsto c c ń sk ic i h o lo c c ń sk ic przem iany śro d o w isk a p r z y ro d n ic z eg o P o lsk i - w yb ran e aspekty. U n iw e r sy te t S z c z e c iń s k i, P o lsk ie T o w a rzy stw o G eo g ra ficzn e, O ficy n a IN P L U S , S zczecin : 1 7 -2 1 .
DEG Ó R SK I M. 2007: Spatial variability in p od zolic so ils o f central and northern Europe. U .S. Environmental Protection A g e n c y , W ashington: 178 ss.
K ALLIO P., L A IN E U ., M A K IN E N Y. 1969: Vascular flora o f Inari Lapland. R ep. K e v o S u b a rctic Res. Stat.
5 Turku: 1 -1 0 8 .
K A L LIO P., H U R M E H ., E U R O L A S ., N O R O K O R P I Y., S E P P O N E N P. 1986: R esearch a c tiv itie s on the forest line in N orthern Finland. A rc tic 3 9 , 1: 5 2 - 5 8 .
KOW ALKOW SKI A. 2004: Rozpoznawanie i klasyfikacja wytworzonych w środowisku pciyglacjalnym i ckstrapc- ryglacjalnym stref przekształceń i glcbopok ryw stokow ych. R egion aln y M o n ito rin g Ś ro d o w isk a 5: 4 7 -9 4 . K O W A L K O W SK I A ., D E G Ó R S K I M. 2 005: B io g c o m o r fo g c n ic zn a o d rębność g ó rsk ich strukturalnych gleb
rd zaw ych b ie lic o w y c h . P r o b le m y Z a g o sp o d a r o w a n ia Ziem G ó rsk ich 52: 7 - 1 6 .
K O Z Ł O W SK A A. 2 0 0 7 : C harakterystyka g co b o ta n iczn a z b io ro w isk ro ślin n y ch . O pra co w a n ie w y k o n a n e w ramach projektu b a d aw czego K B N 2 P 0 4 E 0 1 5 2 6 „G eograficzn ie uw arunkow ane trendy i dyskontynuacjc procesów rozw oju gleb b ic lic o z ic m n y c h - ich g en ety czn e i ek o lo g ic z n e asp ek ty” , m sc, W arszawa: 7 ss.
KÖLLING C. HOFFMANN M., GULDER H.J. 1995: Bodenchemische Vertikalgradienten als charakteristi sche Zustandsgrößen von Waldökosystemen. Zeitschr. Pßanzenern. und Bodenkunde 1/96, 159, 1: 69-78.
M Ö R N E R N . 1978: L ate Q u atern ary s e a - le v e l c h a n g e s in n o rth w estern E urope - s y n th e s is . G e o l. For.
S to k h o lm F ö rh . 100, 4: 3 8 1 - 4 0 0 .
T O M C Z A K A ., K O W A L K O W S K I A . 1994: M ło d sze fa zy e w o lu c ji p ó łw y sp u H e ls k ie g o w ś w ie tle badań osad ów i gleb. K onf. G e o lo g ia i G eo m orfologia Pobrzcża P o łu d n iow ego B ałtyku. Słupsk: 56 ss.
ULRICH B., M A YER R., K H A N N A P.K. 1979: D epposition von Luftverunreinigungen und ihre A usw irkungen in W a ld ö k o sy stem en im S o llin g . Sehr. F o rstl. Fak. G ö ttin g en u.d. N ie d e rs. F o rs tl. B ersu c h sa u st. Sau- crländcrs Verl. Frankfurt: 291 ss.
U L R IC H B. 1981: Ö k o lo g is c h e G ru p p ieru n g vo n B ö d en nach ihren c h e m is c h e n B o d e n z u sta n d . Z eitsch r.
P ß a n z e n e r n . u n d B o d e n k u n d e 144: 2 8 9 - 3 0 5 .
SC H U M A C H E R W. 2 0 0 2 : C o sta l e v o lu tio n o f the S chaab c sp it and the sh o r e lin e d isp la c e m e n t cu rve for R ügen Island. G re ifsw a ld e r G e o g ra p h isc h e A rb e ite n 25: 5 5 -6 0 .
SC H U M A C H E R W., BA Y E R L К. 1999: T he shoreline displacem ent curve o f R ügen Island (Southern B altic S ea ) - Q u a te r n a ry In te rn a tio n a l 56: 1 0 7 -1 1 3 .
Doc. dr hab. Marek Degórski
Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania PAN ul. Twarda 51/55, 00-818 Warszawa
