Zmiany krajobrazu na zwałowisku zewnętrznym kopalni siarki pod wpływem leśnej rekultywacji docelowej

ELŻBIETA JOLANTA BIELIŃSKA, SŁAWOMIR LIGĘZA, JACEK PRANAGAL

ZMIANY KRAJOBRAZU

N A ZWAŁOWISKU ZEWNĘTRZNYM KOPALNI SIARKI

POD WPŁYWEM LEŚNEJ REKULTYWACJI DOCELOWEJ

CHANGES IN THE LANDSCAPE

OF THE OUTER WASTE HEAP OF SULPHUR MINE

CAUSED BY FOREST LAND RECLAMATION

Instytut Przyrodniczy w Lublinie

A b stra c t: T he paper presents the in flu en ce o f forest land reclam ation on transform ations in the

la n d sca p e o f the ou ter w a ste heap o f the sulphu r m in e b a sed on c h a n g e s in so il e n z y m a tic activity. The research w as con d u cted in P iaseczn o near T arnobrzeg ( 5 0 ° 3 5 ’N , 2 1 ° 4 7 ’E). It w as stated that du rin g o v e r 3 0 -y e a r land r ecla m a tio n the la n d sca p e rea ch ed a state o f d y n a m ic b io lo g ic a l eq uilib riu m essen tia l for its appropriate fu n ction in g. Introduction o f red oak in the reclam ation o f the slo p e s stim ulated sig n ifica n tly an increase in soil e n zy m a tic a ctivity w h ich ju s tifie s the use o f this sp e c ie s in b io lo g ic a l reclam ation o f industrial lan d scap es.

S ło w a k lu c z o w e ’, krajobraz, kop alnia siarki, z w a ło w isk o , rek u ltyw acja leśn a, a k ty w n o ść e n z y ­

m atyczn a.

K e y w o rd s : la n d sca p e, sulp hu r m in e, m in in g w a ste heap, forest land recla m a tio n , en zy m a tic

a ctivity.

WSTĘP

Odkryw kowa eksploatacja siarki niszczy całą strukturę ekologiczną krajobrazu poprzez zmianę matryc krajobrazowych, likwidację połączeń korytarzowych pomiędzy poszczególnymi płatami i obniża stopień spójności krajobrazu [Fischer, Magomedow 2004; Słow ińska-Jurkiew icz i in. 2005]. Postępujące zanieczyszczenie w szystkich komponentów krajobrazu zaburza naturalne procesy biochemiczne regulujące przepływ energii i obieg materii w systemie krajobrazowym [Bielińska, Słowińska-Jurkiewicz 2004]. Kluczowym problemem jest przywrócenie walorów krajobrazowych zdewas­ towanym obszarom, ukształtowanym działalnością kopalni [Siuta 2002; Słowińska- Jurkiewicz i in. 2005].

Wieloletni monitoring pedosfery z wykorzystaniem metod opartych na testach enzy­ matycznych pozwala na ocenę stopnia ewolucji krajobrazów przemysłowych, a także na ocenę skuteczności stosowanych sposobów rekultywacji [Bielińska i in. 2004].

W celu oceny wpływu leśnej rekultywacji docelowej na przekształcenia kulturowego krajobrazu na zwałowisku zewnętrznym kopalni siarki zbadano zmiany aktywności enzymatycznej gleb na części zwałowiska usypanego z utworów piaszczystych.

MATERIAŁ I METODY

W opracowaniu zam ieszczono wyniki badań uzyskane w 1997 i w 2007 roku. Badania zlokalizowano na terenie zalesionego zwałowiska zewnętrznego kopalni siarki w Piasecznie koło Tarnobrzega (50°35’N, 21°47’E). Zostało ono usypane w latach 1959-1965. Zalesienie stoków wykonano w latach 1967-1969. Stoki zw ałow iska (uform owane w w yniku osypyw ania się zw ałowanego m ateriału i erozji wodnej) umocnione zostały płotkami faszynowymi. Przy gotowanie podłoża do zalesienia polegało na uform ow aniu poziom ych tarasów o szerokości półek około 0,3 m, naw ożeniu mineralnym (200 kg mocznika, 200 kg soli potasowej 40%, 320 kg superfosfatu na 1 ha) i obsianiu powierzchni pomiędzy półkami tarasów m ieszanką zielnych roślin motylkowatych. W składzie gatunkowym zalesień uwzględniono kilkanaście gatunków drzew i krzewów stosując różne formy zmieszania. Do zalesienia użyto sadzonek dwuletnich. Szczegółową charakterystykę zwałowiska, sposobów rekultywacji tech­ nicznej i zalesiania zawiera opracowanie Węgorka [2003].

Prace badawcze prowadzono na części zwałowiska usypanej z utworów o składzie granulometrycznym piasków luźnych. Do badań aktywności enzymatycznej gleb wyty­ powano następujące powierzchnie obserwacyjne:

- powierzchnia I - wierzchowina, zespół gatunków dębu czerwonego (Quercus ru­ bra L.) i lipy drobnolistnej (Tilia cordata Mill.);

- powierzchnia II - wierzchowina, monokultura dębu czerwonego (Quercus rubra L.); - powierzchnia III - wierzchowina, monokultura sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.); - powierzchnia IV - zbocze, monokultura robinii akacjowej (Robinia pseudacacia L.).

Próbki glebowe do badań laboratoryjnych pobierano z głębokości 5-20 cm, jesienią każdego roku, w okresie, w którym gleba znajdow ała się w stanie dynam icznej równowagi utrzymującej bieg procesów biochemicznych tego środowiska w granicach um iarkow anego nasilenia. N a każdej powierzchni próbki pobierano z 4 punktów pomiarowych leżących na przekątnych prostokąta. Próbki indywidualne z poszcze­ gólnych powierzchni uśredniano i wykonywano w nich oznaczenia w 3 powtórzeniach. Przeprowadzono jednoczesne badania aktywności czterech enzymów: dehydrogenaz [Thalmann 1968], fosfataz [Tabatabai, Bremner 1969], ureazy [Zantua, Bremner 1975] i proteazy [Ladd, B utler 1972]. Enzym y te biorą bezpośredni udział w biogeo- chemicznym obiegu węgla, azotu i fosforu w ekosystemach oraz reagują wyraźnie na działanie czynników środowiskowych.

O znaczono także pH w 1 mol-dm“3 KC1 oraz zaw artość przysw ajalnych form fosforu i potasu m etodą E gnera-R iehm a oraz w ęgiel organiczny i azot ogółem analizatorem Vario Мах [Мосек i in. 2003].

WYNIKI I DYSKUSJA

W okresie prowadzonych badań (1997 i 2007 r.) monitorowane gleby charakte­ ryzow ały się odczynem od obojętnego na pow ierzchni I (w ierzchow ina, zespół gatunków dębu czerwonego i lipy drobnolistnej), lekko kwaśnego na powierzchniach: II (wierzchowina, monokultura dębu czerwonego) i IV (zbocze, monokultura robinii akacjowej) do kwaśnego na powierzchni III (wierzchowina, monokultura sosny zwy­ czajnej) (tab. 1). Opad iglasty jest bardziej kwaśny w porównaniu z liściastym i przy jego rozkładzie zakwaszenie gleby bywa wyraźniejsze. Wpływ gatunku drzewa na efekt zakwaszenia gleb wiąże się w dużej mierze z różnicami w sposobie ich odżywiania azotowego, związanego z uwalnianiem protonów z wodoru [Mocek i in. 2004]. Nie stwierdzono tendencji do wzrostu zakwaszenia gleb z upływem lat badań (tab.l).

Na badanych powierzchniach obserwacyjnych zasoby węgla organicznego i ogólnej ilości azotu w glebach w 2007 roku były statystycznie istotnie większe, o około 30% niż w 1997 roku (tab. 1). Wzrastające z

upływem czasu zawartości węgla or­ ganicznego i azotu ogółem w gle­ bach świadczą o narastaniu zdolności samoregulacyjnej badanego krajobrazu i skuteczności prowadzonej rekulty­ wacji. Pozytywne oddziaływanie sys­ temu rekultywacji na przeobrażenia zdegradowanego krajobrazu przejawia się między innymi poprzez tworzenie się próchnicy glebowej [Kowalkowski 1999; M ocek i in. 2004]. N ow a aktywna próchnica jest w glebach stym ulatorem ciągłości procesów obiegu materii i przepływu energii, zachodzących pomiędzy elementami krajobrazu [B ielińska, Słow ińska- Jurkiew icz 2004; Fischer, M ago- medow 2004]. Akumulację najmniej­ szych ilości С organicznego i N ogółem stw ierdzono w glebie po­ w ierzchni III (m onokultura sosny zwyczajnej) (tab. 1). Relatywnie niski poziom tych składników, obserwo­ wany w glebie powierzchni pod mo­ nokulturą sosny zwyczajnej wiązał się ze zróżnicowanym składem chemicz­ nym rozkładającego się m ateriału organicznego. W ekosystemach leś­ nych głównym źródłem materii orga­ nicznej w glebie jest opad m ateria­ łu roślinnego. Opad iglasty zawiera mniej N, a więcej ligniny niż opad liściasty. O pad iglasty bogaty w

TABELA 1. pH, zawartość C org., N o g . oraz przyswajalnych form fosforu (P) i potasu (K ) w glebie

TABLE 1. Soil pH, content o f C org, N tot, and available P and К Pow. Plots Lata Years PH..ci С N C:N p К [g-kg-1: [m g-kg-1] 1. 1997 20 0 7 6,9 7,1 10,08 14,45 0 ,8 6 1,27 11,7 11,3 19,7 20,1 2 3 ,9 2 1 ,7 II 1997 2 0 0 7 6.3 6.4 9 ,8 2 13,72 0,8 3 1,19 11,8 11,5 18,4 2 2 ,3 25.3 2 0 ,9 III 1997 20 0 7 5,3 5,2 6,27 9,30 0,52 0,79 12,0 11,7 19,2 19,8 19,1 18,4 IV 1997 2 0 0 7 5.7 5.7 8,65 12,54 0 ,7 4 1,09 11,7 11,5 16,9 17,2 17,5 16,2 NIR„.„5 dla: LSD „n5 for: obiektów /sites lat/years 0,8 0,9 0 ,0 8 0 ,0 8 r.n. r.n. Г.Г.. r.n. r.n. r.n. Objaśnienia: I - wierzchowina, zesp ó ł gatunków dębu czerw onego ( Q iiercus ru b ra L.) i lipy drobnolistnej

(Tilia c o rd a ta Mill.); П - wierzchowina, monokultura

dębu czerw onego ( Q u ercu s ru b ra L.); HI - w ierz­ chowina, monokultura sosny zwyczajnej ( P in u s

s y lv e s tr is L.); IV - zb ocze, monokultura robinii

akacjowej (R obinia p sc u d a c a c iu L.); r.n. - różnice nieistotne; Explanations: I - a hilltop, set o f red oak

( Q uercus ru b ra L.) and sm all-’eaved lime (Tilia c o rd a ta Mill.); 1 1 - a hilltop, monoculture o f red oak (Q u ercu s ru b ra L.); Ill - a hilltop, monoculture o f

Scotch Pine (P in u s s y lv e s tr is L.); IV - a slope, monoculture o f robinia (R obin ia p s e u d a c a c ia L.); r.n. - differences not significant

woski, żywice i ligninę jest odporniejszy na rozkład ze względu na wysoki począt­ kowy indeks lignocelulozow y, który decyduje o tem pie jeg o m ikrobiologicznych przemian [Kurek 2002]. Priha i in. [1999] wykazali, że gatunek drzew wpływa istotnie na zawartość węgla organicznego w glebie.

W okresie prowadzonych badań wartości stosunku C:N w badanych glebach były zbliżone i mieściły się w przedziale: 11,3-12,0 (tab.l).

Gleby na badanych powierzchniach charakteryzowały się niską zawartością przys­ wajalnych form fosforu i potasu (tab.l). W okresie prowadzonych badań zanotowano niewielkie, statystycznie nieistotne zmiany w zawartości tych składników w glebach. W przypadku fosforu zaznaczyła się tendencja do wzrostu zawartości tego składnika w glebach wraz z upływem czasu.

W 2007 roku aktywność badanych enzymów glebowych była 2-3-krotnie większa niż w 1997 roku (tab. 2). Wzrost aktywności enzymatycznej w badanych glebach z upływem lat badań mógł być związany ze wzrostem masy korzeniowej drzew. Zwiększała się bowiem pula enzymów decydująca o reakcjach katalitycznych [Bielińska 2001]. Obserwowanej stymulacji towarzyszyła istotnie większa zawartość CQr w glebach (tab.l). Obecność substratów węglowych indukuje i stymuluje biosyntezę enzymów przez mikroorganizmy glebowe [Kieliszewska-Rokicka 2001]. Wyniki te świadczą, że rekultyw acja leśna zwałowiska wpłynęła korzystnie na potencjał badanego krajobrazu, w tym na takie potencjały

częściowe, jak: samoregulacyjno-odpomościowy, buforujący, środow iskotw órczy i zasobowo- użytkowy wyrażający między innymi zdolność krajobrazu do produkcji i magazynowania energii w postaci substancji organicznej [Solon 2004]. N ajw iększą aktyw ność badanych enzym ów stwierdzono w glebach powierzchni z nasa­ dzeniami dębu czerwonego (powierzchnie I i II), gdzie gleba cechowała się istotnie większą za­ wartością węgla organicznego i azotu ogółem (tab. 1). Dane te wskazują, że zastosowanie dębu czerwonego w rekultywacji leśnej stoków zwa­ łowiska zewnętrznego kopalni siarki w Piasecznie koło Tarnobrzega stymulując istotnie nasilenie aktywności enzymów glebowych, warunkujących procesy obiegu materii i przepływu energii w systemach krajobrazowych, miało szczególnie korzystny wpływ na funkcjonowanie badanego krajobrazu. O bserw ow ana, relatyw nie niska aktywność enzymatyczna gleby na powierzchni III (monokultura sosny zwyczajnej) mogła być efektem większego zakwaszenia gleby na tej powierzchni (tab. 1). Odczyn gleby ma bowiem istotne znaczenie dla syntezy biomasy mikro­ biologicznej i udziału С biomasy mikrobiologi­ cznej (C j ) w ogólnej zawartości w glebie С organicznego. S tosunek С do CQrj je st wskaźnikiem względnej dostępności substratów dla reakcji enzymatycznych [Kurek 2002]. TABELA 2. Aktywność enzymatyczna gleb

TABLE 2. Enzymatic activity o f soils Pow.-Plots Lata Years Dh Ph U P I 1997 2 0 0 7 2,32 6,75 6,93 13,72 5,34 10,79 8,09 17,93 11 1997 20 0 7 1,98 6,30 4,85 12,22 3,89 9,93 5,68 14,03 III 1997 20 0 7 0,95 3,06 3,02 5,94 2,13 4,87 3,93 9,21 IV 1997 20 0 7 1,47 4,38 4,16 7,59 3,10 6,32 4,89 10,73 NIR 0 05 dla: LSD for: obiektow /sites lat/years 0,43 0 ,9 6 1,12 2,33 0,93 1,98 0,9 4 2,1 6 Objaśnienia jak pod tab. 1 - Explanation as in the Table 1 ; Dh - dehydrogenazy w cm 3 H9-kg_l-d_1, Ph - fosfatazy w mmol P N P -kgr'-h '1, U - ureaza w mg N -N H '^kg-1^ -1, P - proteaza w mg tyrozyny kg"'-h'1 Dh - dehydrogenases in cm 3 H2-kg_1-d_I, Ph - phosphatases in mmol P N P -k g-'-h '1, U - urease in mg N -N H +-kg~1-h~1, P - protease in mg tyrosme-kg“l*h"!

Należy podkreślić, że w 1997 roku aktywność badanych enzymów kształtowała się na takim samym poziomie jak w glebach piaszczystych naturalnych ekosystemów leśnych wyłącznie w glebach na wierzchowinie w drzewostanach liściastych (powierz­ chnie I i II), natomiast w 2007 roku w glebach wszystkich analizowanych powierzchni. Te dane dowodzą, że w efekcie ponad 30-letniej rekultywacji badany krajobraz uzyskał stan dynamicznej równowagi biologicznej, niezbędnej dla prawidłowego funkcjonowania systemu krajobrazow ego, niezależnie od składu gatunkowego zalesień i położenia powierzchni obserwacyjnych w rzeźbie terenu.

WNIOSKI

1. Przeprowadzone badania wykazały, że w efekcie ponad 30-letniej rekultywacji ba­ dany krajobraz uzyskał stan dynamicznej równowagi biologicznej, niezbędnej dla prawidłowego funkcjonowania systemu krajobrazowego.

2. W zrastające z upływem czasu zawartości węgla organicznego i azotu ogółem w glebach świadczą o narastaniu zdolności samoregulacyjnej badanego krajobrazu i skuteczności prowadzonej rekultywacji leśnej zwałowiska zewnętrznego kopalni siarki w Piasecznie koło Tarnobrzega.

3. Zastosowanie dębu czerwonego w rekultywacji leśnej stoków zwałowiska stymu­ lowało istotnie nasilenie aktywności enzymów glebowych warunkujących procesy obiegu materii i przepływu energii w systemach krajobrazowych, co uzasadnia wy­ korzystanie tego gatunku w rekultywacji biologicznej krajobrazów przemysłowych. 4. Z przeprowadzonych badań wynika, że użyte testy enzymatyczne sygnalizują rów­ nież zmiany zachodzące w systemie krajobrazowym pod wpływem gatunku roślin drzewiastych, co może być wykorzystane przy sporządzaniu optymalnych koncep­ cji rekultywacji krajobrazów przemysłowych.

LITERATURA

BIEL IŃ SK A E.J. 2001 : A k tyw ność enzym atyczna gleby w sadzie w iśn iow ym w zależności od metody jej pielęgnacji. R o zp ra w y N aukow e AR w Lublinie, zesz. 251, W ydział Rolniczy'. 144 ss.

BIELIŃSKA E.J., SŁO W IŃSK A-JU RK IEW IC Z A. 2004: A ktyw ność enzym atyczna jako wskaźnik rekultywacji gleb y na terenie po otworowej eksploatacji siarki. Archiwum O chrony Środow iska 3 1 ,3 :

1 6 3-172.

BIEL IŃ SK A E.J., W ĘGOREK T., LIGĘZA S., FUTA B. 2004: A ktyw ność enzym atyczna piaskow ych industrioziem ów zalesionych robinią akacjową (Robinia p seu d a ca cia L.) zależn ie od w ystaw y stoku zw ałow iska. Rocz. G lebozn. 55, 2: 6 9 -7 5 .

FISCHER Z., M A G O M E D O W M. 2004: Ekologia - krajobraz - energia. Towarzystw o N aukow e Kato­ lickiego Uniw ersytetu Lubelskiego: 9 -1 9 5 .

K IELISZEW SK A-R OK IC KA B. 2001: Enzym y glebow e i ich znaczenie w badaniach aktyw ności m i­ krobiologicznej gleby. W: Drobnoustroje środowiska gleb ow ego. H. Dahm, A. Pokojska-Burdziej (red.), U M K Toruń: 37-Г 7.

KOW ALKOW SKI A. 1999: Funkcje gleb w ekosystem ach leśnych i czynniki ich ew olucji. W: K ow al­ kow ski A. (red.) Funkcjonowanie gleb leśnych na terenach zagrożonych i trendy jeg o zmian, KNL PAN, Warsztaty N au kow e Puławy: 3 -1 0 .

K UREK E. 2002: Związki przyczynow o-skutkow e aktyw ności m ikrobiologicznej i zakw aszenia gleb.

Zesz. Probl. Post. N auk Roln. 482: 3 0 7 -3 1 6 .

L A D D N ., BU T L E R J.H.A. 1972: Short-term assays o f soil proteolytic enzym e activities using proteins and dipeptide derivatives as substrates. S oil Biol. Biochem. 4: 19-30.

M OCEK A ., D R Z Y M A Ł A S., M A SZ N E R P. 2003: G eneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. AR Poznań: 416 ss.

MOCEK A., BIE L IŃ SK A E.J., KACZM AR EK Z., MICHALIK J. 2004: Enzym atic activity o f forest soils after 10-year period o f reclamation o f forest area totally damaged by fire. Proceedings o f the Int. Conf. on biorem ediation o f soil and groundwater. Cracow-Poland: 121-132.

PRIHA O., H ALLA N TIE T., SM O LA N D ER A. 1999: Comparing microbial biom ass, denitrification enzym e activity and numbers o f nitrifiers in the rhizosphere o f Pinus sylvestris, P icea abies and

Betula pen du la seedlings with m icroscale methods. W: Fertility o f Soils. Springer-Verlag: 162 ss.

SIUTA J. 2002: Inżynieria ekologiczna w mojej działalności. Wydaw. Nauk. Gabriel Borowski: 320 ss. SŁOW IŃSK A-JU RK IEW IC Z A., KOŁODZIEJ B., JOŃCA M. 2005: Zm iany krajobrazu na obszarze

po kopalni siarki „Jeziorko”. O gólnopolska Konf. N aukowa „Rekultywacja Środow isk Zdegradowa­ nych” , 3 0 -3 1 sierpnia 2005 r. Lublin - Janów Lubelski - Jeziorko - M achów - Piaseczno: 8 2 -8 3 . SOLO N J. 2004: Z astosow anie koncepcji potencjałów krajobrazowych dla ocen y stopnia spójności

krajobrazu, (red. ) A. C iszew ska Problemy Ekologii Krajobrazu. Wydaw. SGGW 14: 2 9 -4 1 . TABATABAI M .A ., BR EM N ER J.M. 1969: U se o f p-nitrophenol phosphate for assay o f soil phos­

phatase activity. Soil Biol. Biochem. 1: 3 0 1 -3 0 7 .

T H A L M A N N A. 1968: Zur M ethodik der Bestim m ung der D ehydrogenase Aktivität in Boden mittels Triphenyltetrazoliumchlorid (TTC). Landwirtsch. Forsch. 21: 2 4 9 -2 5 8 .

WĘGOREK T. 2003: Zm iany niektórych w łaściw ości materiału ziem nego i rozwój fitocenoz na zw ało­ w isku zew nętrznym kopalni siarki w wyniku rekultywacji leśnej. Rozpr. Nauk. AR w Lublinie 275, Wyd. A R Lublin: 140 ss.

ZA N T U A M.I., B R EM N ER J.M. 1975: Comparison o f methods o f assaying urease activity in soil. Soil

Biol. Biochem. 7: 2 9 1 -2 9 5 .

Prof. dr hab. Elżbieta Jolanta Bielińska

Instytut Gleboznawstwa i Kształtowania Środowiska, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie

20-069 Lublin, ul. Leszczyńskiego 7 e-mail: elzbieta. bielinska@ar. lublin.pl