ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LV NR 2 WARSZAWA 2004: 3 5 7 -3 6 4
KATARZYNA SOŁEK -PO D W IK A , JO AN NA N IE M Y SK A -ŁU K A SZU K , KRYSTYNA C IA R K O W SK A
WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE GLEB
BYŁEJ KOPALNI SIARKI GRZYBÓW PO
UPŁYWIE 30 LAT OD ZAPRZESTANIA EKSPLOATACJI
I PODJĘCIU PRAC REKULTYWACYJNYCH
SELECTED PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES
OF SOILS FROM THE FORMER SULPHUR MINE
„GRZYBÓW” 30 YEARS AFTER FINISHED
EXPLOITATION AND BEGINNING OF THE LAND
RECLAMATION TREATMENTS
K atedra G leboznaw stw a i Ochrony Gleb, A kadem ia R olnicza w K rakow ie
A b stra c t: The objective o f the studies was to determ ine changes in chem ical and physico
chemical properties o f the soils from the first mine field o f the sulphur mine “Grzybów” . These changes were the result o f the long-term influence o f sulphur and a land reclamation treatments undertaken after finished exploitation. Restitution o f soil properties from the period before the exploitation started, seems in the case o f studied soils very difficult. Neutralizing effect o f liming o f soils o f the sulphur mine “Grzybów” can be observed only in some surface layers o f studied soils while lower layers o f these soils are characterized by still unfavorable values o f indicators o f soil acidification (determined 30 years after finished exploitation and reclamation): low values o f pH, high hydrolytic and exchangeable acidity, high level o f exchangeable aluminium, and its high share in exchangeable acidity.
Słowa kluczow e: gleba, kopalnia siarki, siarka, glin, degradacja. Key words: soil, sulphur mine, sulphur, aluminium, degradation
WSTĘP
H istoria eksploatacji siarki w Tarnobrzeskim Zagłębiu Siarkow ym liczy 40 lat. W ydobycie i przetw órstw o siarki spow odow ało znaczne zanieczyszczenie atm osfery, gleb oraz w ód pow ierzchniow ych i podziem nych, dlatego też przem ysł siarkow y został uznany za jeden z bardziej uciążliwych dla środowiska. Kopalnia „G rzybów” wchodząca
358 К. Sołek-Podwika, J. Niemyska-Łukaszuk, K. Ciarkowskci
w skład Tarnobrzeskiego Zagłębia Siarkowego była pierw szą w Polsce kopalnią siarki, w której w 1966 roku rozpoczęto eksploatację złoża m eto d ą o tw o ro w ą F rasha [Dziewański i in. 1988]. Jednym z widocznych skutków działalności kopalni było skażenie gleb siarką rodzimą, której wykwity były widoczne w miejscach awarii systemu w ie r tn ic z e g o , w p o b liż u s k ła d o w is k i s z la k ó w tra n s p o r to w y c h . S ia rk a w pow ierzchniow ej warstwie gleby ulega utlenieniu do kwasu siarkow ego [Siuta, Lekan 1972], który drastycznie obniża odczyn i pow oduje wzrost zaw artości siarczanów [M otow icka-Terelak, D utka 1991]. Z aw artość siarki w w ierzchniej w arstw ie pól górniczych kopalni siarki „G rzybów ” w ynosiła średnio od 5 do 10 g • kg 1 gleby, a m aksym alnie (w okół otw orów eksploatacyjnych) naw et do 50 g • kg-1 gleby [Lekan, Pięta 1972, D rożdż-H ara 1978].
Celem przeprowadzonych badań było określenie zmian właściwości chem icznych i fizykochem icznych, jakie zaszły w glebie pierw szego pola górniczego kopalni siarki „G rzybów ” pod wpływem wieloletniego oddziaływania siarki oraz w wyniku zabiegów rekultyw acyjnych przeprow adzonych po zakończeniu eksploatacji.
MATERIAŁ I METODY BADAŃ
Do badań pobrano m ateriał glebowy z trzech profilów glebowych zlokalizow anych na pierwszym polu górniczym, na którym w latach 60. eksploatowano siarkę, a następnie przeprowadzono rekultywację techniczną (w tym neutralizację gleby przez wapnowanie). Z różnicow ane efekty przeprow adzonych zabiegów rekultywacji podstaw ow ej m iały w pływ na wyniki prowadzonej rekultywacji biologicznej i zagospodarow anie tego terenu. Skuteczność przeprow adzonego w apnow ania gleby oceniano na podstaw ie stopnia pokrycia jej przez roślinność. Badane gleby porośnięte były pojedynczym i drzew am i (brzoza, dąb, topola, osika) i liczną roślin n o ścią zielną. Dla terenów poeksplo atacy jn y ch kopalni siarki „G rzyb ów ” początkow o op racow ano p rojekt rolniczego zagospodarowania [Siuta, Lekan 1972, M ałek i in. 1977]. Później, ze względu na brak zainteresow ania w przejm ow aniu przez rolników gruntów zrekultyw ow anych, kierunek zagospodarowania zmieniono na leśny o funkcjach kraj obrazo wo-ochronnych [Gołda 1995].
Badane gleby zaliczone są do gleb industrioziemnych [Systematyka gleb Polski 1989], które powstały z niecałkowitych gleb opadowo-glcjowych, w wyniku geochemicznych, chemicznych i hydrologicznych przekształceń. Według systematyki gleb podanej w World
Reference Base for Soil Resources [ISSS/ISRIC/FAO 1998] gleby te zaliczono do: Anthropic Gleyic Regosols. W następstwie prowadzonych na terenie kopalni prac wydobywczych
doszło do zniszczenia układu i naturalnych cech poziom ów w profilach glebow ych, stąd przy ich opisie nic podano sym boli, tylko m iąższość. W pobranym m ateriale g leb o w y m o zn a czo n o p o d sta w o w e w łaśc iw o ści fizy c zn e, fiz y k o c h e m ic z n e i chem iczne, w tym skład granulom etryczny m etodą aerom etryczną C asag ran d c'a w m odyfikacji Prószyńskiego - frakcję piasku (1,0-0,1 m m ) w ydzielono na m okro m etodą sitow ą, pH w H ?0 , w 1 mol • dm 3 KCl i 0,01 mol • d n r 3 C aC l2 poten- cjom ctrycznie, kw asow ość hydrolityczną m etodą K appena w C H 3C O O N a o stężeniu 1 mol • d n r 3, kw asow ość w ym ienną w KC1 o stężeniu 1 mol • dm -3, zaw artość
W łaściw ości fizy k o c h e m ic zn e gleb b yłej ko p a ln i sia rki G rzybów... 359
w ym iennego w odoru i glinu m etodą Sokołow a oraz zaw artość siarki ogółem i siarki siarczanow ej w edług zm odyfikow anych m etod Barsleya-Lancastera - w uzyskanych w yciągach oznaczono formy siarki m etodą w agow ą w edług Polskiej N orm y PN-75 C- 04566/21 i PN -74 C-04566/09.
WYNIKI I DYSKUSJA
Eksploatacja i składowanie siarki wpłynęły na zanieczyszczenie środow iska siarką, co doprow adziło do znacznego nagrom adzenia jej w glebie. Zaw artość form siarki w glebie p ierw szego pola górniczego kopalni siarki „G rzy b ó w ” , w o kresie od rozpoczęcia eksploatacji (w 1968 roku), w trakcie (w 1971 roku), [D rożdż-H ara 1978] oraz po 30 latach od jej zakończenia (w roku 2001 ) przedstawiono na podstawie wyników badań gleby profilu 3. Profil ten został usytuow any praw ie w tym sam ym m iejscu, z którego próbki gleby pobierała D rożdż-H ara [1978]. O znaczona przez nią w 1968 roku zaw artość siarki ogółem w ynosiła w warstw ie pow ierzchniow ej 2,80 g S • kg-1 gleby. W wyniku prowadzonych prac wydobywczych zawartość siarki w badanej glebie pola górniczego (położonego w strefie silnych zanieczyszczeń), gw ałtow nie wzrosła. Po zakończeniu eksploatacji w 1971 roku, na tym polu oznaczono aż 15,44 g S • kg -1 gleby, w tym S -S 0 4 było 12,13 g • k g -1 gleby. Zaw artość obu form siarki była wów czas najw yższa w w arstw ie powierzchniowej i m alała w raz z głębokością [D rożdż-H ara 1978]. Po przeprow adzeniu rekultyw acji technicznej i biologicznej zaw artość siarki ogółem , oznaczona w 2001 roku w w arstw ie pow ierzchniow ej tej gleby, zm niejszyła się do 0,319 g • kg-1 gleby, a S -S 0 4 do 0,035 g • kg-1 gleby. Po 30 latach od zakończenia e k sp lo a ta c ji z a w arto ść siark i na tym polu b y ła zró ż n ic o w a n a . W w a rstw a c h pow ierzchniow ych gleb tego pola, reprezentow anych przez profile 1 i 2, zaw artość siarki ogółem w ynosiła odpow iednio 4,579 i 3,254 g • kg-1 gleby, a S -S 0 4 3,220 i 1,888 g • kg-1 gleby (tab. 1). N a tej podstaw ie m ożna sądzić, że pom im o przepro w adzony ch prac rekultyw acyjnych gleby byłej kopalni siarki „G rzy b ó w ” nadal charakteryzowały się w ysoką akum ulacją związków siarki. Kiepul [1999] na podstawie w yników 9-letnich doświadczeń lizym etrycznych ocenił, iż około 80% w prow adzonej do gleby siarki (w postaci w odnego roztw oru kw asu siarkow ego) ulega w niej akum ulacji, natom iast Singh i inni [1980] podają, że 95% w prow adzonej do gleby siarki m oże być p rzez n ią zatrzym ane. W w arstw ie próch n iczn ej p ro filu 3 po zakończonej neutralizacji (m im o że zaw artość form siarki nie p rzekro czy ła ilości uznanej za w ysoką, [K abata-Pendias i in. 1993]), nadal w ystępow ało w yraźne jej nagrom adzenie w dolnej w arstw ie. Z aw artość siarki ogółem w w arstw ie spągow ej osiągnęła w artość 1,558 g • kg-1 gleby, w tym S -S 0 4 było 1,219 g • kg-1 gleby (tab. 1). P rocentow y udział S -S 0 4 w zaw artości siarki ogółem w glebach profilów (1 -3 ) badanego pola stopniow o zw iększał się w raz z głębo ko ścią stanow iąc w w arstw ach spągow ych naw et 99% zaw artości siarki ogółem (profil 1). O becnie, w obec braku dopływ u siarki elem entarnej do gleb badanego terenu, akum ulacja siarczanów w w arstw ach spągow ych była spow odow ana w ym yw aniem ich z górnej części profilu o lż e jsz y m u z ia rn ie n iu . O m aw ia n e g leb y c h a ra k te ry z o w a ły się p ro filo w y m
TABELA 1. Skład granulometryczny oraz zawartość S ogółem i S - S 0 4 badanych gleb
TABLE 1. Soil texture and content o f S total and S - S 0 4 o f investigated soils
Nr profilu Profile No.
Głębokość Depth [cm]
Procentowa zawartość frakcji o średnicy w mm Percentage content of fraction of diameter in mm
S-S04 S og. S total s - s o 4 w S og. 1,0-0,1 0,1-0,05 0,05-0,02 0,02-0,006 0,0 0-0 , 0 0 2 < 0 , 0 0 2 [g- kg ' ]gleby] [%] 1 0 - 2 0 56 8 14 12 4 6 3,220 4,579 70,32 20-38 55 8 16 12 4 5 0,501 1,312 38,20 38-53 49 8 19 10 5 9 0,953 2,279 41,79 53-90 42 8 12 1 0 8 2 0 3,438 3,446 99,77 90-130 44 1 0 10 1 0 8 18 2,616 2,651 98,69 2 0 - 1 2 56 6 11 9 5 13 1 , 8 8 8 3,254 58,03 1 2 - 2 0 52 8 9 9 5 17 3,020 4,991 60,51 20-30 62 5 10 10 5 8 3,228 5,368 60,12 30-40 80 4 5 5 2 4 3,223 6,336 50,87 40-80 45 7 13 10 6 19 0,296 0,835 35,41 3 0-16 62 11 11 7 4 5 0,035 0,319 10,87 16-37 57 11 14 10 5 3 0,039 0,240 16,29 37-64 64 10 1 0 9 4 3 0,051 0,093 55,07 64-100 69 7 3 3 7 11 1,188 1,531 77,62 100-130 54 4 8 10 12 12 1,219 1,558 78,23 36 0 K . S o łe k -P o d w ik a , J. N ie m y sk a -Ł u k a sz u k , К . C ia rk o w sk a
W łaściw ości fizy k o c h e m ic zn e g leb b yłej kop a ln i s ia rk i G rzybów... 361
TABELA 2. Niektóre właściwości fizykochemiczne badanych gleb TABLE 2. Some physico-chemical properties of investigated soils Nr pro filu Profile No. Głębo kość Depth [cm] pH Al3+T00/Kw Kw Al3+ H+ Kh
H20 KC1 CaCL, [%] [mmol(+) • kg"1 gleby]
1 0-20 3,93 3,75 3,87 56,84 23,40 13,30 10,10 41,80 20-38 3,41 3,13 3,32 93,95 21,50 20,20 1,30 29,10 38-53 3,15 2,95 3,08 95,70 58,20 55,70 2,50 58,40 53-90 3,30 3,09 3,20 95,42 240,20 229,20 11,00 240,20 90-130 3,41 3,19 3,26 53,35 254,00 135,50 118,5 254,00 2 0-12 7,48 7,28 7,39 _ 0,00 0,00 0,00 5,80 12-20 3,18 2,71 3,13 49,13 51,50 25,30 26,20 63,80 20-30 2,95 2,59 2,68 69,63 46,10 32,10 14,00 72,00 30-40 3,40 3,13 3,43 47,56 16,21 7,71 85,00 24,20 40-80 5,72 4,88 4,98 41,38 2,90 1,20 1,70 17,80 3 0-16 7,46 7,23 6,98 _ 0,00 0,00 0,00 2,60 16-37 5,99 5,18 5,48 53,85 1,30 0,70 0,60 18,40 37-64 4,38 3,82 3,96 88,89 8,10 7,20 0,90 21,30 64-100 4,08 3,51 3,90 96,77 46,50 45,00 1,50 54,20 100-130 4,30 3,55 4,09 87,64 36,40 31,90 4,50 52,90
zróżnicow aniem uziarnienia - od piasków luźnych do piasków gliniastych m ocnych, przew arstw ionych lub podścielonych utworami zw ięźlejszym i - gliną lekką lub ciężką (tab. 1).
N e u tralizu jący w pływ w apna, w prow adzanego p o d czas rek u lty w acji do z a siarczonych gleb pól górniczych m ożna obserw ow ać tylko w w ybranych w arstw ach pow ierzchniow ych badanych gleb (tab. 2). Pod w pływ em intensyw nego w apnow ania w jednym z profilów w warstwie powierzchniowej (0 -1 2 cm) nastąpił w zrost odczynu do z a s a d o w e g o (pH w H 20 o s ią g n ę ło w a rto ś ć 7 ,4 8 ), ale w a rs tw y g łę b s z e charakteryzow ały się nadal bardzo kw aśnym odczynem (w warstw ie 12-20 cm, pH w H 20 wynosiło 3,18). Wyniki wieloletnich doświadczeń Krzaklewskiego i innych [ 1997] wykazały, że w procesach neutralizacji gleb kwaśnych niski odczyn pow ierzchniow ej w arstw y gleby stwarza m niejszą przeszkodę niż kw aśne podglebie. W apnowanie gleb, w edług Borkowskiej [1988] i Pokojskiej [1989], pow oduje zm ianę odczynu górnych w arstw gleby, natom iast nie m a w pływ u na podniesienie pH niższych warstw. O zróżnicowanym odczynie badanych gleb decydowała zawartość kationów o charakterze kw aśnym . K om pleks sorpcyjny w ysycony był głównie jonam i w odoru i glinu, przy czym z reguły dom inow ał glin, którego udział często przekraczał 50% (rys. 1).
A nalizując w yniki badań w łaściw ości fizykochem icznych gleb pochodzących z terenu kopalni siarki „G rzybów ” m ożna przekonać się o negatyw nym w pływ ie na środowisko przyrodnicze eksploatacj i złóż siarki m etodą otw orow ą Frasha. Wyniki badań uzyskane w odstępach kilkudziesięcioletnich, świadczące o zmianach właściwości
362 К. Sołek-Podwika, J. Niem yska-Łukaszuk, K. Ciarkowska
RYSUNEK 1. Udział glinu w kompleksie sorpcyjnym wydzielonych warstw badanych gleb FIGURE 1. Share of aluminium in sorption complex in selected layers of investigated soils
zasiarczonych gleb zebrano w tabeli 3. W tabeli w ykorzystano, oprócz w yników własnych, oznaczenia w łaściw ości gleb pochodzących z pierw szego pola górniczego uzyskane przez Lekana i Piętę [1972] oraz D rożdż-H arę [1978].
Odtworzenie w łaściwości gleb kopalni z okresu, kiedy nie prow adzono eksploatacji siarki w ydaje się w przypadku tych gleb, o specyficznej budowie litogenicznej, bardzo trudne. Narastające od powierzchni silne zasiarczenie gleb badanego terenu spowodowało przekształcenie ich pierwotnych właściwości fizykochemicznych (tab. 3). Neutralizujący w p ły w w a p n o w a n ia m o ż n a o b s e r w o w a ć ty lk o w w y b ra n y c h w a rs tw a c h po w ierzchniow ych badanych gleb (tab. 3). Z pow odu dw uczłonow ej budow y w w arstw ach spągow ych gleb badanego terenu nadal w ystępują niekorzystne w artości w sk a ź n ik ó w k w a so w o ści gleb (o z n acz o n e po 30 latach od z a k o ń c z e n ia p rac eksploatacyjnych i prow adzonej rekultyw acji), do których m ożna zaliczyć: niskie wartości pH w H20 i KC1, wysoką kwasowość hydrolitycznąKh i kwasowość wym ienną Kw oraz w ysoką zaw artość glinu w ym iennego A l34 i duży jego udział w kw asow ości wym iennej (tab. 3).
WNIOSKI
1. Przeprow adzone po 30 latach (od zaprzestania eksploatacji i podjęciu prac rekulty wacyjnych) badania wykazały, że przeprowadzone zabiegi rekultywacji technicznej (wapnowanie) nie w płynęły na w yraźną i trw ałą popraw ę chem icznych w łaściw ości „zasiarczonych” gleb.
2. W glebach badanego terenu występuje nadal nadm ierne nagrom adzenie siarki ogó łem i siarczanow ej oraz utrzym ujące się niskie wartości pH i w ysoka zaw artość glinu wym iennego w kom pleksie sorpcyjnym.
W łaściw ości fizy k o c h e m ic z n e g leb b yłej ko p a ln i sia rki G rzybów.. 363
TABELA 3. Zmiany niektórych właściwości gleb, od rozpoczęcia eksploatacji do zakończenia rekultywacji, pobranych z pierwszego pola górniczego kopalni siarki "Grzybów"
TABLE 3. Changes in selected soil properties, from the beginning of the exploitation and till the finishing of réclamation, taken out from the first mining field of the sulphur mine "Grzybów" Czas pobrania materiału do badań Głębo kość pH Kh Kw AP* Autorzy Authors Time of taking up the
material Depth [cm] н 2° KCl [mmol(+) • kg 1 gleby] Przed rozpoczęciem eksploatacji (stan wyjściowy) Before starting exploitation (primary state) 0-20 5,3-7,1 4,3-6,2 24,00 4,00 2,00 Lekan, Pięta [1972] W trakcie prac wydobywczych During exploitation (1968) 0-18 60-90 3,0 6,6 2,7 5,4 81,90 6,20 70,90 2,10 65,10 0,90 Drożdż Нага [1978] Po zakończonej eksploatacji After finishing exploitation (1971) 0-25 60-90 2,2 4,0 2,1 3,7 220,00 45,00 307,50 56,80 262,90 55,30 Po zakończonej rekultywacji After finishing reclamation (1998-2001) profil 1 Badania własne Authors' studies 0-20 53-90 3,93 3,30 3,75 3,09 41,80 240,20 23,40 240,20 13,30 229,20 profil 3 0-16 64-100 7,46 4,08 7,23 3,51 2,60 54,20 0,00 46,50 0,00 45,00
LITERATURA
BORKOW SKA В. 1988: Toksyczność glinu. Wiad. Bot. 32, 3: 157-166.
DROŻDŻ-HARA M. 1978: Zmiany właściwości chemicznych i fizyko-chemicznych gleb upraw nych zanieczyszczonych siarką. Rocz. Glebozn. 24, 2: 135-150.
DZIEWAŃSKI J. (red.) 1988: Oddziaływanie przemysłu siarkowego na środowisko przyrodnicze województwa tarnobrzeskiego. Studia i Rozprawy 1. ZPGSM iE PAN, Kraków: ss. 143. GOŁDA T. 1995: Zmiany i rekultywacja środowiska glebowo-wodnego w górnictwie otworowym
siarki. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 418: 725-729.
ISSS/ISRIC/FAO. 1998: World Reference Base for Soil Resources. World Soil Resources Reports. 84, FAO, Rome 89.
KABATA-PENDIAS A., MOTOW ICKA-TERELAK T., PIOTROWSKA M., TERELAK H., W I TEK T. 1993: Ocena stopnia zanieczyszczenia gleb i roślin metalami ciężkimi i siarką. IUNG Puławy, P(53): 1-20.
364 К. Sołek-Podwika, J. N iem y ska-Łukaszuk, K. Ciarkowska
KIEPUL J. 1999: Działanie następcze symulowanej imisji siarki oraz wapnowania na bilans siarki w glebie. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 467: 539-545.
KRZAKLEW SKI W., KOWALIK S., W ÓJCIK J. 1997: Rekultywacja utworów toksycznie kw a śnych w górnictwie węgla brunatnego. Monografia. Wyd. MONOS, ss. 95.
LEKAN SZ., PIĘTA J. 1972: Degradacja użytków rolnych rejonie w kopalni siarki „G rzybów ”. XIX Ogólnopolski Zjazd Nauk. PTG Katowice-Kraków, Komunikaty. Puławy, wrzesień 1972: 259-269.
M AŁEK B., KOWAL CZ., WYKRZYKOW SKI M. 1977: Dotychczasowy stan prac nad rekulty w acją w rejonie Grzybowsko-Staszowskim. Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Przemysłu Siar kowego „Siarkopol”. Mat. Sesji Nauk. Tarnobrzeg, 1-7.06.1977:98-106.
MOTOW ICKA-TERELAK T., DUTKA S. 1991 : Degradacja chemiczna gleb zanieczyszczonych siarką i jej wpływ na rośliny uprawne. IUNG, Puławy, R, 284.
POKOJSKA U. 1989: Różne aspekty toksyczności glinu dla roślin. Prz. Nauk. Lit. Roln. i Leśn. 35, 1: 97-104.
POLSKA NORMA PN-74, C-04566. 1975: Badania zawartości siarki i jej związków. Oznaczanie siarczanów metodą wagową. Dz. Norm. i Miar nr 10/1975, poz. 35.
POLSKA NORMA PN-75, C-04566/21. Badania zawartości siarki i jej związków. Oznaczanie siarki ogólnej metodą wagową. Dz. Norm. i Miar nr 21/1974, poz. 69.
SINGH B. R., ABRAHAMSEN G., STU ANES A. 1980: Effect o f simulated acid rain on sulfate movement in acid forest soils. Soil. Sei. Soc. Am. J. 44, 1: 75-80.
SIUTA J., LEKAN SZ. 1972: Rekultywacja gleb zdewastowanych w procesie otworowej eksplo atacji siarki. XIX Ogólnopolski Zjazd Nauk. PTG Katowice-Kraków. Komunikaty. Puławy, wrzesień 1972: 251-258.
SYSTEMATYKA GLEB POLSKI 1989. Rocz. Glebozn. 40, 3, ss. 150.
dr inż. K atarzyna Sołek-P odw ika
K atedra G leboznaw stw a i O chrony Gleb, A kadem ia Rolnicza 31-120 Kraków, Al. M ickiew icza 21
