ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LV NR 2 WARSZAWA 2004: 427-433
CZESŁAW SZA FRA Ń SK I, PIO TR STACHOW SKI
ZMIANY UWILGOTNIENIA GRUNTÓW
POGÓRNICZYCH N A ZWAŁOWISKU
WEWNĘTRZNYM ODKRYWKI “KAZIMIERZ PÓŁNOC”
CHANGES OF MOISTURE
POSTMINING GROUNDS
WASTE HEAP OF THE „KAZIMIERZ PÓŁNOC”
OPEN CAST
K atedra Melioracji, Kształtow ania Środowiska i Geodezji, A kadem ia R olnicza im. A ugusta C ieszkow skiego w Poznaniu
Abstract'. The paper presents the results o f field researches and observation carried out on four
experimental areas located at inner waste heap o f the “Kazimierz Północ” open pit. The open pit is located in the Kujawskie Lakeland (52°20’ N, 18°05’E). The results o f detailed analyses o f fields and laboratory researches show that selective cap-rock m anagem ent m ethod caused small spatial variability o f postmining ground in spatial as well as profile configuration. Loam dominates in the upper soil layers. The researches indicate differentiation in perm eability o f analysed ground. Experimental areas consisted o f sandy clay loam have the smallest infiltration ability. The researches show high usefulness o f analysed postm ining ground to agricultural reclamation.
Słowa kluczowe: gospodarka wodna gruntów pogóm iczych, zapas wody w glebie. Key words: water management o f postmining grounds, water capacity in soil.
WSTĘP
O dkryw kow a eksploatacja w ęgla brunatnego w yw ołuje przekształcenia głów nie geomechaniczne w otaczającym środowisku przyrodniczym. W miejsce gleb, najczęściej niskich klas bonitacyjnych, pow stają grunty pogóm icze, które są utw oram i powstałym i w w yniku urabiania, transportow ania i zw ałowania nadkładu. Grunty pogóm icze KW B K o n in s ą z b u d o w a n e z g lin z w a ło w y c h ze z n a c z n ą d o m ie s z k ą p ia s k ó w czw arto rzęd o w y ch oraz sporadycznie iłów poznańsk ich. S ą to zatem utw o ry o odm iennych w łaściw ościach chem icznych, fizycznych, a przede w szystkim w odnych [G ilew ska, Otremba 2002]. Powstające z gruntów pogóm iczych zw ałowiska zm ieniają
428 С. Sza frański, P. Stachow ski
architekturę krajobrazu i jednocześnie tw orzą nowe układy ekologiczne, a w w yniku różnorodnych zabiegów rekultyw acyjnych oraz w ieloletniego użytkow ania w łączane są do rolniczej bądź leśnej przestrzeni produkcyjnej [(Gilewska, K asztelew icz 1998]. Na obszarach tych występuje duża zależność uwilgotnienia od warunków pogodowych, gdyż grunty te charakteryzują się typowo opadow o-retencyjną gospodarką wodną, w której jedynym źródłem wody są opady atm osferyczne. Zw ierciadło w ody gruntowej zalega bardzo głęboko i nie ma wpływu na uw ilgotnienie w ierzchnich w arstw gruntów tych terenów [Szafrański, Stachowski 1998].
Celem pracy była ocena uw ilgotnienia w ierzchnich w arstw gruntów pogórniczych zw ałow iska w ew nętrznego odkrywki “K azim ierz P ółnoc”, na którym w 1998 roku przeprow adzono rekultyw ację techniczną i rozpoczęto rekultyw ację rolniczą.
MATERIAŁY I METODY
W pracy w ykorzystano wyniki badań i obserwacji terenow ych przeprow adzonych na 4 pow ierzchniach doświadczalnych, o wielkości 0,32 ha każda, zlokalizow anych na zw ałow isku w ew nętrznym odkrywki “K azim ierz P ółnoc”, położonej na Pojezierzu Kujawskim (szerokość 52°20’ N, długość 18°05’E). Zwałowisko, na którym prowadzono badania, jest zrów nane z rzędnym i otaczającego terenu i zalicza się do typu zw ałowisk, o w ierzchow inie dostosowanej do poziom u terenów przyległych. Po zakończeniu w 1998 roku rekultyw acji technicznej na badanych pow ierzchniach dośw iadczalnych upraw ia się lucernę, pszenicę ozim ą, rzepak oraz jęczm ień jary. Szczegółow e badania terenowe obejmowały wykonanie wierceń i odkrywek glebowych, w trzech transektach, przecinających w ytypow ane pow ierzchnie ze w schodu na zachód. N a podstaw ie w ykonanych w każdym transekcie 27 w ierceń (łącznie około 80) do głębokości 3 m, wyznaczono na każdej powierzchni zasięgi gruntów o podobnej budowie profilu. Profile w y ty p o w an e na po d staw ie selekcji celow ej są re p rezen taty w n e w 7 0 -8 0 % dla analizow anych pow ierzchni dośw iadczalnych [Zając 1994]. W łaściw ości fizyczne i c h e m ic z n e b ad a n y ch p ro fili o zn a czo n o w la b o ra to riu m K a te d ry M e lio ra c ji i K ształtow ania Środowiska ogólnie znanymi metodami:
• Skład granulom etryczny badanych profili oznaczono m etodą aerom etryczną Casa- g rande’a w modyfikacji Prószyńskiego [Drzymała i in. 1985], z podziałem m ateriału glebow ego na grupy granulom etryczne według PN-R-04033 [1998].
• G ęstość objętościow ą określono na podstaw ie próbek objętościow ych o nienaruszo nej strukturze, pobranych w 4 pow tórzeniach z każdego poziom u, cylindram i o po jem ności V = 100 c m '.
• G ęstość stałej fazy gleby (właściw a) oznaczono piknom etrem .
• Porow atość (pełną pojem ność wodną) obliczono na podstaw ie gęstości właściw ej i objętościowej.
• Z aw artość m aterii organicznej określono m etodą pośrednią Tiurina.
• Podstaw ow e w łaściw ości wodne określono z otrzym anych krzyw ych (pF) wodnej retencyjności i na ich podstaw ie ustalono: ilość w ody ogólnie dostępnej dla roślin (W OD), ilość w ody łatwo (W ŁD) i trudno dostępnej (W TD) dla roślin [Sm edem a, Rycroft 1983].
Z m ia n y u w ilg o tn ie n ia g ru n tó w p o g ó r n ic z y c h na zw a ło w isk u 429
S zczegółow e rozpoznanie wierzchniej w arstw y gruntów pogórniczych badanego z w a ło w is k a z n a jd u je s ię w p ra c y S z a f r a ń s k ie g o i i n . [2 0 0 1 ]. W k a ż d y m reprezentatywnym profilu wykonano pomiary infiltracji wierzchnich i perkolacji głębszych w arstw gruntów, w czterech powtórzeniach, m etodą podw ójnych pierścieni [Drzym ała i in. 1985]. Przebieg w arunków m eteorologicznych w roku hydrologicznym 2 0 0 1/2002 przeanalizow ano opierając się na codziennych pom iarach opadów atm osferycznych we w łasnym posterunku opadow ym oraz wyniki codziennych pom iarów tem peratur pow ietrza ze stacji m eteorologicznej KW B “K onin” w Kleczew ie.
WYNIKI I DYSKUSJA
Przeprowadzone pomiary geodezyjne wykazały, że na etapie rekultywacji technicznej, pow ierzchnia zw ałow iska została ukształtow ana w łaściw ie. W zględne w ysokości w zniesień w badanym transekcie w ynoszą 0,5 m na 10 m długości. Zgodnie z “Ustawą
o ochronie gruntów rolnych i leśnych [1995], przy stopniu deniw elacji do 0,7 m na
10 m długości, dopuszczalne jest przeznaczenie takiej pow ierzchni pogórniczej pod użytkow anie rolnicze.
Wyniki szczegółowych badań gleboznawczych zwałowiska wewnętrznego odkrywki “ K a z im ie rz P ó łn o c ” p o tw ierd z iły , że w ierzch n ie w a rstw y b a d a n y c h g ru n tó w pogórniczych m ająu ziam ien ie glin piaszczystych i lekkich oraz glin średnich (tab. 1). G ęstość fazy stałej tych gruntów nie w skazuje istotnych zm ian i osiąga w profilu (0 -1 5 0 cm) w artość od 2,66 do 2,68 M g • m~3. W iększe zróżnicow anie w ystępuje natomiast w gęstości objętościowej analizowanych profili. W warstwie 0 -6 0 cm, średnia w artość gęstości objętościowej w aha się od 1,86 (profil nr 3) do 1,90 M g • n r 3 (profil nr 2). Natom iast w głębszych warstwach (60-150 cm) badanych gruntów pogórniczych gęstość ta osiąga średnią wartość 1,95 Mg • n r 3. Związane to jest z m niejszą zaw artością m aterii organicznej i słabą penetracją korzeni upraw ianych roślin. N a badanych p o w ierzch n iac h d o św iad c zaln y ch istnieje zró żn ico w a n ie w za w arto śc i m aterii organicznej. W w arstw ie 0 -6 0 cm profili nr 1 i nr 3 wynosi średnio 0,30% . N atom iast w dwóch pozostałych profilach (nr 2 i nr 4), zawartość materii organicznej w tej warstwie je s t d w u k ro tn ie w y ż sz a i w y n o si śred n io 0,60% . M ałe z ró ż n ic o w a n ie sk ład u granulom etrycznego wpłynęło także na niewielkie różnice we właściwościach wodnych analizowanych gruntów pogórniczych. Stan retencji, odpowiadający polowej pojemności wodnej (R ppw), w w arstw ie 0 -1 0 0 cm w ahał się od 231 do 275 mm. P rzeprow adzone badania terenow e w ykazały różnice w przepuszczalności w ierzchnich warstw gruntów pogórniczych. W spółczynnik infiltracji ustalonej w warstwie 0 -3 0 cm osiągnął wartość od 2,4 • 10"5 do 3,4 • 10~5 m • s_1. N atom iast w spółczynnik perkolacji w w arstw ie 3 0 -6 0 cm był kilkakrotnie m niejszy i w ahał się od 0,02 • 10~5 do 0,13 • 10~5 m • s_1.
N a rysunku 1 przedstaw iono kształtow anie się zapasów w ody w w arstw ie 0 - 100cm w okresie w egetacyjnym 2002 roku, na tle dobow ych opadów i średnich dobow ych tem peratur pow ietrza w analizow anych profilach gruntów pogórniczych. Sum a opadów w tym okresie (417 mm) była w yższa od średniej z w ielolecia o 100 mm, a tem peratura pow ietrza rów nież w yższa od średniej z w ielolecia aż o 3,8°C. Okres w egetacyjny 2002 roku rozpoczął się przy w ysokich zapasach w ody w w arstw ie 0 - 100 cm, zbliżonych do polowej pojemności wodnej (PPW ) we wszystkich profilach. W
430 С. S zafrański, P. Stachow ski
TABELA 1. Niektóre właściwości fizyczne, chemiczne i wodne badanych profili gruntów pogómiczych TABLE 1. Some physical, chemical and water properties of investigated soil profiles postmining grounds Nr profilu, Uprawa Profile No, Land use Wars twa Layer (cm) Skład granu lome tr. Texture accor ding to PN-R- 04033 Gęstość obj. Bulk density (Mg-m3) Gęstość fazy stałej Specific gravity (Mg-m 3) % mate rii org. Orga-nic matter % Polowa pojemność wodna Water field capacity (irf • m 3) Infiltracja* ustalona i perkolacja Vertical percolation (m ■ s ') 0-50 0-100 0-30 30-60 1. Lucer 0-60 gl 1,89 2,68 0,31 130 260 2,4 0,02 na 60-100 gs 1,96 2,67 0,29 xlO'5 xlO'5 Lucerne 100-150 gs 1,98 2,66 0,41 2.Pszeni 0-30 gP 1,87 2,67 0,76 133 275 3,4 0,04 ca ozima 30-60 gl 1,93 2,68 0,52 xlO-5 xlO'5 Winter 60-100 gl 1,95 2,68 0,64
wheat 100-150 gl 1,98 2,68 0,62
3. Jęcz 0-30 gl 1,87 2,68 0,31 130 256 3,0 0,13 mień jary 30-60 gP 1,85 2,67 0,29 xlO'5 xlO'5 Barley 60-100 gl 1,88 2,67 0,41
spring 100-150 gl 1,88 2,67 0,35
4. Rzepak 0-60 gl 1,87 2,67 0,59 116 231 2,6 0,03 Rape 60-150 g 1,89 2,67 0,53 xlO'5 xlO'5 * Współczynnik infiltracji ustalonej i współczynnik perkolacji (m • s ')
dniu 7 kw ietnia zapasy wody w tej warstwie w yniosły od 262 m m (profil nr 1) do 270 m m w profilu nr 2. W yniki uw ilgotnienia gruntów pogóm iczy ch w tym okresie potw ierdzają spostrzeżenia Karczm arka i innych [2000], żc czynnikiem w arunkującym uw ilgotnienie wierzchnich w arstw gm ntów pogóm iczych są zapasy w ody pozim owej. W ystępujące do końca kwietnia opady w połączeniu z niską średnią dobow ą tem peraturą powietrza wpłynęły na niewielkie obniżenie uwilgotnienia wierzchnich warstw gm ntów pogómiczych. Istotny spadek uwilgotnienia wystąpił w dmgiej połowie maja, po dłuższym okresie bezopadow ym . Zapasy w ody w analizowanej w arstw ie osiągnęły w dniu 25 m aja w artości od 209 mm (profil nr 3) do 217 mm (profil nr 2). W czerw cu w ystąpił zarówno w zrost uwilgotnienia, jak i jego spadek, co było spowodowane niekorzystnym rozkładem opadów atm osferycznych i tem peratur powietrza. W zrost zapasów wody, średnio o 44 mm, w ystąpił w pierwszej dekadzie czerwca i był następstw em wysokiej sum y opadów w okresie od 26 m aja do 15 czerwca. Okres obejm ujący trzecią dekadę czerw ca i pierw sze dni lipca to ponow ny spadek uw ilgotnienia badanych gm ntów , spowodowany głównie brakiem opadów. Zapasy wody zostały odbudowane na początku dm giej dekady lipca, po opadach o większej wysokości. Znaczący spadek zapasów wody w w arstw ie 0 -1 0 0 cm stwierdzono pod koniec dm giej dekady sierpnia. K olejny
RYSUNEK 1.Zmiany zapasów wody w warstwie 0-100 cm na tle sum dobowych opadów (P) i średnich dobowych temperatur powietrza (T) w okresie wegetacji 2002 r. w analizowanych profilach gruntów pogómiczych
FIGURE 1. Changes water contents in soil layer 0-100 cm on the background of the daily precipitation sums and air mean daily temperatures during vegetation period of 2002 in the investigated profiles of postmining grounds
Zm ia n y u w il g o tn ie n ia gr untów p o g ó m ic z y c h na zw a ło w is k u .
432 С. Sza frański, P. Stachow ski
RYSUNEK 2. Zapasy wody w warstwie 0-100 cm na początku (Zp) i końcu (Zk) półrocza zimowego (XI-IV ) i letniego (V-Х ) i zmiany zapasów wody w badanych gruntach pogórniczych, w roku hydrologicznym 2001/2002.
FIGURE 2. Water contents in layer 0-100 cm at the beginnig (Zp) and at the end of (Zk) winter half-year (XI-IV) and summer half-year (V--X) and changes of water contents in postmining grounds in the hydrological years 2001/2002
wzrost zapasów wody wystąpił po opadach w pierwszej połowie września. Suma opadów w tym okresie w yniosła 88 m m i była w yższa od średniej z w ielolecia o 39 mm. W jednom etrow ej w arstw ie analizow anych gruntów, zapasy wody w dniu 14 w rześnia kształtow ały się od 270 m m (profilu nr 3) do 310 m m (profil nr 1), przekraczając stan retencji przy PPW odpow iednio o 14 m m i 50 mm.
Przeprowadzone badania potwierdziły, że dynamika zmian uwilgotnienia wierzchnich w arstw gruntów pogórniczych w roku hydrologicznym 2001/2002 kształtow ała się przede w szystkim pod w pływ em rozkładu i w ysokości opadów atm osferycznych oraz tem peratur pow ietrza. W średnim pod w zględem sum y opadów półroczu zim ow ym (X I-IV ) nie stwierdzono przyrostów zapasów wody w warstwie 0 -100 cm om awianych gruntów pogórniczych (rys. 2). Zapasy wody w tej warstwie, pod koniec tego półrocza, były od 6 do 38 m m niższe od zapasów początkow ych. N atom iast w półroczu letnim (V -X ) 2002 roku, w którym sum a opadów w yniosła 497 mm i była w yższa o 175 m m od średniej z w ielolecia, w ystąpiły zarówno spadki, ja k i w zrosty zapasów w ody w gruntach pogórniczych. Pod koniec tego półrocza, z uwagi na w yższe sum y opadów d o b o w y c h i n iż sz e śre d n ie d o b o w e te m p e ra tu ry p o w ie trz a , z a p a sy w o d y w jednom etrow ej w arstw ie gruntów pogórniczych były średnio o 64 m m w yższe od zapasów w ody na początku półrocza letniego.
WNIOSKI
1. N a podstaw ie szczegółow ych badań gleboznaw czych stw ierdzono, że w ierzchnie w arstw y gruntów pogórniczych zw ałow iska w ew nętrznego odkryw ki “K azim ierz P ółnoc” w ykazują niew ielką zm ienność w składzie granulom etrycznym oraz pod staw ow ych w łaściw ościach fizycznych, chem icznych i wodnych.
Z m ia n y u w ilg o tn ie n ia g ru n tó w p o g ó m ic z y c h na zw a ło w is k u 433
2. Przeprow adzone pom iary geodezyjne wykazały, że na etapie rekultyw acji technicz nej, pow ierzchnia zw ałow iska została ukształtow ana w łaściw ie. W zględne w yso kości w zniesień w badanym transekcie w ynoszą 0,5 m na 10 m długości.
3. A naliza zm ian uw ilgotnienia wierzchnich w arstw gruntów pogóm iczych w ykazała, że zależą one głównie od przebiegu w arunków m eteorologicznych. Stw ierdzono, że w m okrym pod w zględem sum y opadów okresie w egetacyjnym 2002 roku, naj w iększe zapasy w ody w w arstw ie 0 -1 0 0 cm badanych gruntów pogóm iczych osią gały wartości od 262 mm do 270 mm i były zbliżone do zapasów wody przy polowej pojem ności wodnej.
4. Przeprow adzone badania potwierdziły, że istotny w pływ na zm iany zapasów wody w gruntach pogóm iczych w yw iera rozkład opadów atm osferycznych. Pod koniec półrocza letniego roku hydrologicznego 2001/2002, z uwagi na w yższe sum y o pa dów dobow ych i niższe średnie dobowe tem peratury pow ietrza, zapasy w ody w jednom etrow ej w arstw ie gruntów pogóm iczych były średnio o 64 m m w yższe od
zapasów w ody na początku półrocza letniego.
LITERATURA
DRZYMAŁA S., MASZNER P., MICHAŁEK K., MOCEK A. 1985: Analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. AR Poznań. 30-44, 79-83, 145-148.
GILEWSKA M., KASZTELEWICZ Z. 1997: Kształtowanie rolniczej i leśnej przestrzeni produkcyjnej na gruntach pogómiczych. Mat. Konf. Nauk. pt.:”Gómictwo odkrywkowe a ochrona środowiska-fakty i mit”, Wyd. AGH Kraków 197-209.
GILEWSKA M., OTREMBA K. 2002: Zmienność przestrzenna wybranych właściwości gruntów pogómi czych. R o cz. A R P o zn a ń . C C C X L II, M elior. Inż. Ś ró d . 23: 83-93.
KACZMAREK Z., OWCZARZAK W., MOCEK A.2000: Właściwości fizyczne i wodne gleb płowych i czar nych ziem położonych w bezpośrednim sąsiedztwie odkrywki “Kazimierz” KWB “Konin”. R o cz. A R P o z n a ń C C C X V III, R o ln . 56: 265-276.
SMEDEMA L., RYCROFT D.1983: Land drainage: planning and desing of agricultural drainage systems. Basford Academic and Educatioral Ltd Londo: 29-34.
SZAFRAŃSKI C., STACHOWSKI P. 1998: Zdolności retencyjne rekultywowanych rolniczo gruntów pogómi czych. Z esz. P r o b l. P o st. N auk. R o ln . 460: 457-466.
SZAFRAŃSKI C., STACHOWSKI P., KOZACZYK P. 2001 : Stan zwałowiska wewnętrznego odkrywki “Kazi mierz” po rekultywacji technicznej. Z esz. P ro b l. P o st. N auk. R oln. 477: 269-274.
ZAJĄC K. 1994: Zarys metod statystycznych. P a ń st. Wyd. E kon. W a rsza w a : 57-60.
POLSKA NORMA PN-R-04033 1998: Gleby i utwory mineralne - podział na frakcje i grupy granulometrycz- ne. Wyd. Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa.
USTAWA z dn.3 lutego 1995 r. o ochronie gruntów rolnych i leśnych: 1995. Dz. U. Nr 16, poz.78 z późniejszymi zmianami.
p r o f d r hab .inż. C zesław Szafrański,
K atedra M elioracji, K ształtow ania Środow iska i G eodezji A ka d em ia R olnicza im. A. C ieszkow skiego
