Zmienność chemizmu gleb wytworzonych na zwałowisku wewnętrznym odkrywki Pątnów w wyniku wieloletniego, zróżnicowanego nawożenia mineralnego

ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LV NR 2 WARSZAWA 2004: 2 9 1 -2 9 9

A N D R Z E J M O C EK , W O JC IE C H O W C ZA R ZA K , PAWEŁ RY B CZY Ń SK I

ZMIENNOŚĆ CHEMIZMU GLEB

WYTWORZONYCH N A ZWAŁOWISKU

WEWNĘTRZNYM ODKRYWKI PĄTNÓW

W WYNIKU WIELOLETNIEGO, ZRÓŻNICOWANEGO

NAWOŻENIA MINERALNEGO

CHEMICAL CHANGEABILITY IN SOILS DEVELOPED ON

THE INTERNAL WASTE HEAP OF THE PĄTNÓW

OPENCAST MINE FOLLOWING LONG-TERM,

DIVERSIFIED MINERAL FERTILISATION

w Poznaniu

A b stra c t: The study presents results o f changes in concentrations o f organic carbon, total nitrogen and available forms o f phosphorus, potassium and magnesium in anthropogenic soils - developed on the internal waste heap o f the Pątnów opencast brown coal mine - following long-term, diversified mineral fertilisation (NPK) and application o f different tillage systems. The examined soils were characterised by sandy loam texture, basic reaction and, as a rule, high concentrations o f available phosphorus and m agnesium as well as low er quantities o f the available form o f potassium.

Słowa kluczow e: gleby antropogeniczne, zwałowisko wewnętrzne, rekultyw acja biologiczna, potas, fosfor, magnez, systemy uprawy

K ey w ords: anthropogenic soils, waste heat, biological reclam ation, potassium , phosphorus, m agnesium , cultivation systems

WSTĘP

W w yniku działalności kopalnictwa odkrywkow ego w pokrywie glebowej - objętej tą działalnością - zachodzą pow ażne przekształcenia geom echaniczne. W yrobiska po w yeksploatow aniu kopaliny - na skutek zazw ałow ania - tw orzą tzw. zw ałow iska w ew nętrzne, które poddaw ane są następnie rekultyw acji technicznej i biologicznej.

292 А. Мосек, W. Owczarzak, P. Rybczyński

Stosow ane od wielu lat selektywne zw ałowanie pozostaw ia na ogół w stropowej części zasypanego wyrobiska utwory, które stanowią w większości przypadków dobry materiał glebotwórczy, szczególnie pod względem uziamienia. Zdecydowanie gorzej przedstawiają się w łaściw ości chem iczne tych utw orów zarówno pod w zględem zaw artości m aterii organicznej, ja k i zasobności w podstaw ow e m akro- i m ikroskładniki niezbędne dla praw idłow ego w zrostu i rozw oju roślin. Stąd napraw a chem izm u tych gruntów jest podstawowym i najważniejszym zadaniem rekultywacyjnym, pozwalającym w możliwie krótkim czasie na przekształcenie m artw ego gruntu (skały) w utw ó r ożyw iony, charakteryzuj асу się określoną produktyw nością. Wobec braku badań na ten tem at niniejsza praca stanowi w stępną próbę przybliżenia tego zagadnienia. Jej celem była ocena w ybranych w łaściw ości chem icznych w ierzchnich poziom ów gleb, na których od lat znajdują się poletka dośw iadczalne Katedry G leboznaw stw a i Rekultyw acji Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu. Zostały one zlokalizowane w południowej części zwałowiska wewnętrznego odkrywki węgla brunatnego „Pątnów” w Koninie, ukształtow anego w 1972 roku.

MATERIAŁ I METODY BADAŃ

Do badań w ytypow ano 9 poletek dośw iadczalnych (ry s.l). Przy ich w yborze kierow ano się głów nie sposobem użytkow ania (żyto, ugór zielony - przyorane żyto i obsiew m otylkow ych oraz ugór czarny) oraz zróżnicow anym poziom em naw ożenia m ineralnego. N a w spom nianych poletkach, w procesie ich biologicznej rekultyw acji, stosow ano następujace naw ożenie mineralne:

1 N PK; 160 kg N, 80 kg K ,0 , 40 kg P , 0 5 2 N PK; 320 kg N, 160 kg K20 , 80 kg P2O s

W roku 2002 z każdego poletka pobrano 7 próbek średnich (m ieszanych) za pom ocą laski Egnera. Po ich wysuszeniu i przesianiu przez sito o średnicy oczek 2 mm wykonano następujące oznaczenia [M ocek i in. 2000]:

• skład granuloem tryczny m etodą areom etryczną, • w ęgiel organiczny m etodą Tiurina,

• azot ogólny m etodą Kjeldahla,

• odczyn m etodą potencjom etryczną w elektrolicie 1 mol • dm KCl, • w ęglan w apnia m etodą Scheiblera,

• przysw ajalne form y fosforu i potasu m etodą Egnera-Riehm a, • przysw ajalny m agnez m etodą Schachtschabela.

Ze względu na znaczną ilość wyników, a ograniczoną objętość pracy, zrezygnowano z ich prezentacji w formie tabelarycznej na rzecz graficznej w edług ściśle określonych przedziałów zawartości określonej właściwości.

Z m ia n y chem izm u g le b na zw a ło w isku w ew nętrznym o d kry w k i P ą tn ó w 293

RYSUNEK 1. Schemat doświadczenia uprawowo-nawozowego i zmienności składu granulometrycznego FIGURE 1. Diagram of the tillage-fertilisation experiment and variations in soil texture

OMÓWIENIE I DYSKUSJA WYNIKÓW

G leby w ytypow ane do badań w ykazują dość w yrów nane uziam ienie. Z godnie z k ry teriam i - w yró żn ian ia grup g ran ulom etrycznych - przyjętym i przez P o lskie Tow arzystw o G leboznaw cze [PTG 1989] należą one generalnie do glin lekkich słabo spiaszczonych. Rzadziej pojaw iają się gliny lekkie silnie spiaszczone. W nielicznych przypadkach w ystępują gliny lekkie pylaste. W edług kryteriów przyjętych w N orm ie Polskiej PN-R-04033 [1998] wierzchnie poziomy poletek wykształciły się z glin lekkich, natom iast na podstaw ie zasad przyjętych przez U SD A [1951] reprezentują one gliny piaszczyste {sandy loam - SL).

Z m ienn ość u ziarnienia poziom ów w ierzchnich na p oszczeg ó ln y ch po letk ach zobrazowano na rysunku 1, przyjmując 4 przedziały zawartości części spławialnych. Na tej podstaw ie m ożna stwierdzić, że nieco w yższą ilością frakcji o średnicy poniżej 0,02 mm charakteryzowały się poletka 3 ,4 oraz 8 i 9. Zawartości iłu koloidalnego w badanych glebach wahały się w granicach 9-18% , przyjm ując najczęściej wartości 12-14% .

294 Л. М осек, W. Owczarzak, Р. R ybczyński

R Y S U N E K .2. Z m ienność zaw artości w ęgla RYSUNEk 3. Zmienność zawartości fosforu organicznego (g ■ kg ') (g • kg ')

FIGURE 2. Variations in organie carbon content FIGURE 3. Variations in phosphorus content (g • kg ') (g • k g ')

Zaw artości w ęgla organicznego w poziom ach w ierzchnich poszczególnych poletek przedstaw iono na rysunku 2, natom iast jego zm ienność w odpow iednich kom binacjach upraw ow ych i naw ozow ych na rysunku 6. Ilości Corg. w ahały się w stosunkow o szerokim przedziale od 1,6 do 14,6 g • kg-1. Przy w zględnie w yrów nanym uziam ieniu badanych gleb są to w artości bardzo kontrastow e, aczkolw iek trudne do w yjaśnienia. N ie zaobserw ow ano bowiem w yraźnego zróżnicow ania tej cechy od ilości koloidów m ineralnych oraz system u uprawy.

W celu uchw ycenia zależności m iędzy zaw artością w ęgla organicznego a stoso­ w anym naw ożeniem posłużono się w artościam i średnim i (z 7 punktów pom iarow ych na poletku) dla każdej kom binacji naw ozowej [rys. 6]. Przy takim ujęciu zarysow ały się pew ne tendencje w zrostu ilości w ęgla organicznego w raz z zasto-so w aniem zw iększonych daw ek naw ożenia, szczególnie pod upraw ą żyta i na czarnym ugorze.

Z m ia n y chem izm u g le b na zw ało w isku w ew n ętrzn ym o d kry w k i P ą tn ó w 295

RYSUNEK 4. Zmienność zawartości potasu (g • kg-1)

FIGURE 4. Variations in potassium content (g • k g ')

RYSUNEK 5. Zmienność zawartości magnezu (g • kg"')

FIGURE 5. Variations in magnesium content (g * kg ')

W analizow anych próbkach glebow ych zaw artość azotu ogólnego zaw ierała się w szerokich granicach od 0,24 do 1,07 g • kg-1. Pom im o tak dużej rozpiętości w yników zaobserw ow ano - podobnie ja k w przypadku Corg. - tendencję w zrostu ilości Nog. w raz ze zw iększonym i daw kam i stosow anych naw ozów. N ajm niej tego cennego p ierw iastk a odnotow ano na czarnym ugorze (0 ,2 7 -0 ,3 4 g • kg-1). W y raźniejsze zróżnicow anie zaw artości N og. w ystąpiło na poletkach pod u praw ą żyta. Jego ilość w ynosiła od 0,43 (0 N PK ) do 0,72 g • kg"1 (2 NPK).

Oceniając zawartości Corg. i Nog. w poziomach wierzchnich poszczególnych poletek należy stwierdzić, iż są one wyraźnie niższe, aniżeli w mineralnych glebach uprawnych, w ykształconych w naturalnie przebiegających procesach glebotwórczych.

296 А. Мосек, W. Owczarzak, P. R ybczyński

P om im o w sp om nianych rozbieżności, w w ięk szo ści gleb bad an y ch p o letek zachow ane były podobne stosunki węgla do azotu, jak w glebach w ykształconych poza zw ałow iskam i [Rząsa i in. 1999]. W ahały się one z reguły w przedziale 7-14:1 z w yjątkiem gleb pod czarnym ugorem, w których C:N był wyraźnie szerszy, gdyż w ahał się najczęściej w granicach 17-20:1, osiągając w skrajnych przypadkach naw et wartość ponad 30:1. Najprawdopodobniej przyczynę tego zjaw iska należy upatryw ać w silnym w ym yw aniu m ineralnych form azotu.

W ytypow ane do badań gleby charakteryzow ały się bardzo w ysokim odczynem . W artości p H KC1 w ahały się w przedziale 7,55-8,10. Są to zatem gleby zdecydow anie zasadowe. Tak wysokie wartości pH nie są spotykane w żadnych poziomach wierzchnich m ineralnych gleb upraw nych Polski, łącznie z utw oram i w ykształconym i ze skał w apniow cow ych [Spychalski 1998]. N a podkreślenie zasługuje także fakt, iż odczyn analizow anych gleb był bardzo w yrów nany na w szystkich poletkach niezależnie od naw ożenia i upraw ianych roślin. Jest to reperkusją dużej zaw artości w ęglanu w apnia, ja k ą stw ierdzono w przedm iotow ych glebach. Ilości C a C 0 3 kształtow ały się bow iem w przedziale 4,32-27,56% (przeciętnie 5-6% ). Tak znaczna zawartość węglanu w apnia w ynika z w łaściw ości genetycznych m ateriału użytego do form ow ania badanego zw ałow iska wewnętrznego. T w orząje m ieszaniny bogatych w w ęglany glin „szarych” zlodowacenia środkowopolskiego ze zwałowym materiałem piaszczystym zlodowacenia północnopolskiego [Bender, Gilew ska 1989, Krygowski 1971]. W edług badań R ząsy i M łynarka [ 1968] zawartość węglanu wapnia w glinach „szarych”, pobranych z różnych rejonów W ielkopolski w aha się w przedziale 7,71-13,66% . W okolicach Konina ilości tego związku we w spom nianych utworach występują średnio na poziom ie 10,5-11,5% . Z badań tych autorów w ynika także, iż najbogatsze w w ęglany są frakcje pyłow e (ok. 50%) całości C a C 0 3) oraz ił koloidalny (ok. 10-20% ).

Zaw artości przysw ajalnego fosforu (P) zaw ierały się w bardzo szerokich granicach (rys.3), w ahając się od ponad 260 mg • kg-1 (I ki. zaw artości) do poniżej 13 m g • kg-1 (V ki. zaw artości). Średnie ilości dla poszczególnych poletek kształtow ały się zaw sze w I i II klasie zaw artości (143-250 mg • kg-1) przy naw ożeniu daw kam i 1 N P K i

RYSUNEK 6. Przeciętne zawartości węgla organicznego (g • kg ') w różnych kombinacjach uprawowych i nawozowych

Z m ia n y chem izm u g leb na zw a ło w isku w ew nętrznym o d kryw ki P ą tn ó w 297

RYSUNEK 7. Przeciętne zawartości fosforu (mg P • kg"1) w różnych kombinacjach uprawowych 1 nawozowych

FIGURE 7. Mean phosphorus content (mg P • kg“1) in different fertilisation treatment

2 N P K pod upraw ą żyta oraz pod czarnym ugorem. W przypadku braku naw ożenia (0 NPK ) zasobności fosforu w badanych glebach - pod w szystkim i system am i upraw y - były w yraźnie niższe (z reguły III—IV kl. zaw artości). P rzedstaw ione pow yżej zależności w yraźnie obrazują w ykresy zm ienności zaw artości fosforu w różnych kom binacjach naw ozow ych i upraw ow ych (rys.7). Pew nym zask oczeniem było występowanie tak znacznych ilości przyswajalnego fosforu w analizowanych próbkach. Ich w ysoki odczyn powinien bowiem sprzyjać znacznej retro gradacji tego pierwiastka.

Zdecydow anie niższymi zasobnościam i - w stosunku do analogicznych kom binacji - charakteryzowały się badane gleby odnośnie potasu (rys.4). W większości przypadków ilości tego składnika m ieściły się w III-V klasie zaw artości (od 162 do 37 m g • kg-1 gleby). W yjątek stanowiły jedynie gleby poletek pod ugorem zielonym i żytem nawożone podw ójną daw ką nawozów, w których zaw artości przysw ajalnego potasu m ieściły się w wysokiej - II bądź fragm entarycznie naw et w bardzo wysokiej - 1 klasie zawartości. P odobnie ja k w przypadku fosforu zaobserw ow ano w zrost ilości potasu w glebach

RYSUNEK 8. Przeciętne zawartości potasu (mg К • kg-1) w różnych kombinacjach uprawowych i nawozowych

298 А. Мосек, W. Owczarzak, P. R ybczyński

RYSUNEK 9. Przeciętne zawartości magnezu (mg Mg • kg-1) w różnych kombinacjach uprawowych i nawozowych

FIGURE 9. Mean magnesium content (mg Mg • kg ') in different fertilisation treatment

naw ożonych w yższym i daw kam i naw ozów (rys.8). N iższe klasy zaw artości potasu m ogą św iadczyć o w zm ożonym w ym yw aniu tego składnika, pobraniem przez rośliny bądź jeg o fik sacjąp rzez m inerały ilaste w ystępujące we frakcji koloidalnej.

Badane gleby wykazywały w ysoką na ogół zawartość przyswajalnej form y m agnezu (rys.5). N ależy sądzić, że obok w ęglanów w apnia analizow ane utw ory zw ałow e są także bogate w węglany m agnezu. Ilości tego pierw iastka kształtowały się w przedziale od ponad 120 do około 55 mg • kg-1 gleby (I-III kl. zawartości). N ajw yższą zasobnością charakteryzowały się gleby poletek pod czarnym ugorem, które niemal w całości mieściły się w I klasie zaw artości. W odróżnieniu od zasobności w fo sfor i potas ilości przysw ajalnego m agnezu - z w yjątkiem czarnego ugoru - m alały na ogół w raz ze w zrostem zastosow anych daw ek nw ożenia m ineralnego (rys.9). Tendencje te należy praw dopodobnie wiązać z faktem, iż wyższe nawożenie m ineralne pow odow ało w zrost plonow ania roślin, i tym sam ym większe w ynoszenie tego m akroskładnika ze strefy rizosfery. Potw ierdziły to także w cześniejsze badania Gilewskiej [1991].

Przeprow adzone badania dostarczyły szeregu, niekiedy zaskakujących, w yników trudnych do w yjaśnienia i przedyskutow ania na tle istniejącej literatury przedm iotu. N ależy je traktow ać jak o w stępny m ateriał źródłow y nad oceną skutków w ieloletniej rekultyw acji biologicznej zw ałow isk w ew nętrznych, ukształtow anych z utw orów o u ziarnieniu glin lekkich, stanow iących m ieszan inę glin „szary ch ” zlo d ow acenia środkow opolskiego z utworami piaszczystym i zlodow acenia północnopolskiego.

WNIOSKI

1 .G leby analizow anych poletek dośw iadczalnych na zw ałow isku w ew nętrznym „P ąt­ nów ” charakteryzują się w yrów nanym składem granulom etrycznym w w arstw ie upraw nej. S tanow iąje w zdecydowanej w iększości gliny lekkie słabo spiaszczone i w niew ielkim stopniu gliny lekkie silnie spiaszczone.

2. B ogaty w w ęglan w apnia m ateriał zw ałow y stwarza dobre warunki do pow staw ania trw ałych kom pleksów zw iązków organicznych i organiczno-m ineralnych, stabilizu­ jąc ilość tw orzącego się w ęgla organicznego, szczególnie w w yniku antropogenicz­ nej rekultyw acji biologicznej pod upraw ą żyta i ugorem zielonym .

Z m ia n y chem izm u g leb na zw a ło w isku w ew nętrzn ym od kryw ki P ą tn ó w 299

3. B adane gleby cechują się zróżnicow aną zasobnością w przysw ajalne m akroskładni- ki - P, K, Mg. W najw iększych ilościach w ystępują w nich łatw o dostępne form y fosforu i m agnezu, przy w yraźnie niższych zaw artościach potasu. W przypadku fosforu i potasu stw ierdzono w zrost zasobności analizow anych gleb w te składniki w raz z zastosow aniem w iększych daw ek odpow iednich nawozów.

LITERATURA

BENDER J., GILEW SKA M. 1989: Techniczne odtwarzanie gleb w przemyśle wydobywczym i jego skutki gospodarcze. W: Zagadnienia sozologiczne w przemyśle wydobywczym i prze­ twórczym surowców mineralnych. Kraków, AGH: 7-17.

GILEW SKA M. 1991 : Rekultuwacja biologiczna gruntów pogómiczych na przykładzie KWB „Ko­ nin” . Rocz. AR w Poznaniu, Rozprawy Naukowe: 211.

KRYGOWSKI B. 1971: Geografia fizyczna Niziny Wielkopolskiej. Część I. Geomorfologia. PTPN Poznań.

M OCEK A., DRZYMAŁA S., M ASZNER P. 2000: Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. AR Poznań.

NORM A POLSKA PN-R-04033 1998: Gleby i utwory mineralne. Podział na frakcje i grupy gra- nulometryczne. „A lfa” Warszawa PKN, MiJ.

PTG, Systematyka gleb Polski 1989:. Rocz. Glebozn. 40, 3/4.

RZĄSA S., M ŁYNAREK Z. 1968: Właściwości fizyczne glin zwałowych zlodowacenia środko- wopolskiego (Riss) Niziny Wielkopolskiej. PTPN. Wydz. Nauk Roln. i Leśnych, 24, Poznań: 245-264.

RZĄSA S., OW CZARZAK W., MOCEK A. 1999: Problemy odwodnieniowej degradacji gleb uprawnych w rejonach kopalnictwa odkrywkowego na Niżu Środkowopolskim. Wyd. AR w Poznaniu.

SPYCHALSKI W. 1998: Parametry fizykomechaniczne rędzin różnych formacji geologicznych na tle wybranych właściwości chemicznych. Kat. Glebozn. AR w Poznaniu. Rozprawa doktorska. USDA 1951: Soil Survey Staff. Soil Survey Manual U.S. Dept. Agriculture Handbook., No. 18.

prof. dr hab. A n d rzej M ocek

K atedra G leboznaw stw a A kadem ii R olniczej im. A ugusta C ieszkow skiego w P oznaniu ul. M azow iecka 42, 60-623 Poznań e-m ail: m o c e k a @ a u p o zn a n .p l