Gleba i jej właściwości
Glebą nazywamy warstwę powierzchniową, pokrywającą skorupę ziemską. Powstała ona w wyniku długotrwałych procesów, które przebiegały na powierzchni Ziemi. O długości tego procesu świadczy fakt, iż warstwa ziemi o grubości 2-3cm kształtuje się od 200 do 1000 lat. Proces ten polega na oddziaływaniu czynników klimatycznych, które powodują wietrzenie skał, jak i na oddziaływaniu organizmów. Rozdrobniona skała zatrzymuje cząstki wody i powietrze. Z czasem pojawiają się rośliny utrwalające glebę. Bardzo ważną funkcję pełnią drobnoustroje, których zadaniem jest rozkładanie szczątków roślinnych i zwierzęcych, wzbogacając w ten sposób glebę w próchnicę i minerały. Gleba ma następujący skład:
- materia organiczna (5%);
- minerały (45%);
- woda (25%);
- powietrze (25%).
Utrzymanie wysokiej jakości gleby zapewniają organizmy glebowe. W związku z tym można potraktować glebę jako żywą warstwę skorupy ziemskiej. Jak wiadomo wszystko co żywe podlega ciągłym zmianom, będących wynikiem oddziaływania czynników naturalnych, a także wpływem działalności samego człowieka.
Składniki chemiczne
Wyróżniamy następujące pierwiastki: węgiel C, glin Al., wapń Ca, żelazo Fe, chlor Cl, wodór H, potas K, magnez Mg, azot N, sód Na, tlen O, fosfor P, siarka S, krzem Si + mangan Mn, molibden Mo, miedź Cu, kobalt Co, ołów Pb, cynk Zn, bor B, tytan Ti.
Część mineralna to przede wszystkim: krzem Si, glin Al, żelazo Fe, wapń Ca. Krzem Si występuje w 60 do 90 % pod postacią krzemionki. Glin Al występuje w granicach 5 do 12%. Żelazo Fe występuje w postaci Fe2+ oraz Fe3+. Natomiast wapń Ca w postaci węglanu wapnia CaCO3. Zawartość CaCO3 waha się pomiędzy ilościami śladowymi, a kilkudziesięcioma procentami. Pozostałe pierwiastki mierzymy w ppm; mogą sięgać najwyżej 1% zawartości.
Typy i procentowy udział najczęstszych gleb naszego kraju
Gleby bielicowe, płowe i brunatne są najczęstsze. Stanowią łącznie 82% wszystkich naszych gleb. Pozostałe gleby to:
- gleby błotne (9%);
- gleby mady (5%);
- czarne ziemie (2%) i czarnoziemy (1%);
- gleby rędzinowe (1%).
Struktura warstwy glebowej
W glebie tworzą się tzw. agregaty. Są one bardzo ważne, ponieważ zapewniają roślinom właściwą gospodarkę wodną i warunki cieplne. W gruzełkach występują przestrzenie kapilarne, w których gromadzi się woda kapilarna. W większych przestrzeniach gromadzi się woda grawitacyjna. Gdy spłynie, do wolnych miejsc dostaje się powietrze atmosferyczne, dostarczając w ten sposób tlen O2. Natomiast woda czerpana jest z kapilar.
Profil glebowy
Następstwem zachodzących w glebie procesów glebotwórczych jest powstanie poziomów genetycznych, które przebiegają w sposób równoległy do glebowej powierzchni. Są one zróżnicowane ze względu na właściwości fizyczne oraz chemiczne. Ten typ zróżnicowania nazywamy zróżnicowaniem morfologicznym.
Samym profilem glebowym nazywamy przekrój pionowy miąższości warstwy naszej Ziemi, która stale poddaje się procesom glebotwórczym. Profil glebowy ma zmienną głębokość. Poza obszarem tropikalnym jest mniejsza, niż 1,5m. w profilu glebowym wyróżniamy następujące po sobie poziomy glebowe. Dzięki nim możemy zaklasyfikować daną glebę do danego typu, nawet w warunkach terenowych. Profil glebowy jest podstawą w systematyce gleb. Wyróżniamy następujące poziomy w profilu glebowym: poziom eluwialny (E), poziom iluwialny (B), ściółka (Ao), poziom akumulacyjny (A), skała macierzysta (C) i poziom glejowy (G).
Poziomy genetyczne różnią się od warstw powstających w wyniku procesów skałotwórczych, przebiegających wcześniej od glebotwórczych.
Poziomy oraz podpoziomy
Duże litery z alfabetu łacińskiego stanowią symbole poziomów głównych, natomiast małymi literami oznacza się cechy towarzyszące. Wyróżniamy następujące poziomy główne:
- Organiczny Ao - można go spotkać w glebie typu mineralnego oraz mineralno - organicznego. W jego skład wchodzą obumarłe, a także niezupełnie rozłożone szczątki zwierzęce. Poziom ten w glebach typu organicznego ma miąższość powyżej 30cm.
- Próchniczy A - spotykany w glebie mineralnej, gdzie profil jest nienaruszony (wyjątek stanowią bielice). Ma zróżnicowaną miąższość; jego barwa zaczyna się od jasnoszarej i przechodzi w czerń (jest to zależne od poziomu, w jakim zmumifikowane są szczątki). Poziom próchniczy jest główną strefą dla rozwoju roślin. Gleby przeznaczone do uprawy posiadają od 1 do 2% substancji organicznej.
- Eluwialny E - poziom wymywania o rdzawo-szarej, bądź też jasnobrunatnej barwie. Występuje w bielicach oraz glebach bielicowych pod poziomami Ao i A. jego powstanie wynika z oddziaływania zakwaszonych roztworów glebowych, które wsiąkają w profil. Grubość tego poziomu wynosi kilkadziesiąt cm.
- Iluwialny B - poziom wymywania o rdzawo-szarej, bądź też jasnobrunatnej barwie. Powstaje na skutek kumulowania się wymywanego z wyższych poziomów Al2O3 oraz FeO3.
- Skały macierzystej C - jest minimalnie zmienioną częścią profilu. Oddziaływają na nią procesy glebotwórcze.
- Glejowy G - w glebach bardzo wilgotnych, w których niedotlenienie prowadzi do redukcji, która zachodzi dzięki drobnoustrojom. Kolor tego poziomu jest popielaty, niebieskawy. Taka barwa wynika z obecności zredukowanego żelaza Fe i manganu Mn.
Powód badań gleby
Glebę badamy w celu poznania przemian w niej zachodzących i jej samej. Takie informacje są niezbędne w celu określenia jej stanu, ewentualnego stopnia jej zniszczenia, zbadania jej morfologii, a także właściwości chemiczno- fizycznych, chemicznych i fizycznych.
Cechy morfologiczne
Do określenia rodzaju gleby służą nam:
- profil glebowy;
- struktura miąższości, nowotworów glebowych i samej gleby;
- barwa.
Miąższość to suma głębokości każdego jednorodnego genetycznie poziomu w profilu glebowym począwszy od powierzchni, aż po skałę macierzystą. Odmiany gleb skał niemasywnych posiadają najmniejsze profile, wynika z tego następujący podział gleb:
- całkowicie głębokie, powyżej 150cm;
- niecałkowicie głębokie, poniżej 150cm;
- średniopłytkie oraz płytkie, poniżej 50cm.
Barwa jest cechą zmieniającą się zależnie od nasłonecznienia, stopnia rozdrobnienia i wilgotności. Barwa gleby jest zależna od barwy swoich części składowych. Czerń nadaje próchnica; żelazo II wartościowe szarozielonkawą i niebieską, a III wartościowe żółtą, szarą i rdzawoczerwoną. Chłonność ciepła, a także jego przewodnictwo po części zależą od barwy.
Struktura gleby jest stanem połączenia odmiennych elementarnych cząstek stałych. Wyróżniamy znaczne różnice w strukturze gleby mineralnej oraz organicznej. W glebach mineralnych wyróżniamy strukturę: słupkową, pryzmatowi i warstwową. W glebach organicznych: gruzełkowatą, proszkową i ziarnistą.
Układ glebowy to sposób ułożenia agregatów oraz ziaren w glebie. Wyróżniamy 4 rodzaje takich układów:
- luźny - ziarna, agregaty, żwiry i nie sklejone piaski są ułożone luźno;
- pulchny - makropory są tak ułożone, że tworzą się porowatości. Występuje to w glebach powstałych z lessów, a także w murszowo-torfowych. Daje to korzystne warunki cieplne, powietrzne i wilgotnościowe dla rośli;
- zwięzły - szczelnie przylegające agregaty minimalizują przestrzenie mikroporowate. c madach i utworach pylastych;
- zbity - różne pod względem wielkości ziarna przylegają ściśle tworząc tzw. bezstrukturalną masę glebową. Wyróżniamy w glebach gliniastych.
Nowotwory glebowe, czyli konkrecje są dziełem procesów glebotwórczych. Do ich najważniejszych cech zaliczamy odmienność morfologiczną. Od reszty gleby różnią się kształtem, składem i masą. Mają chemiczne pochodzenie i zależnie od niego mogą tworzyć skupienia soli chlorków, sodu, magnezu, wapnia, siarczanów, węglanu wapnia, tlenków żelaza, glinu oraz manganu.
Fizyczne właściwości
Priorytetem przy ustalaniu właściwości fizycznych jest układ trójfazowy tej gleby. Na fazę stałą przypadają cząstki mineralno-organiczne, mineralne i organiczne. Fazę ciekłą stanowi roztwór glebowy, natomiast gazową powietrze. Powietrze na przemian z roztworem glebowym wypełnia pory. Zasadniczymi właściwościami fizycznymi są:
- skład granulo-metryczny.
Podstawowymi składnikami gleby są cząstki mineralne, które powstają w wyniku erozji wietrznej działającej na skałę macierzystą. Do mineralnych składników zaliczamy minerały: ilaste (np. illit), krzemianowe (np. kwarc i skalenie) i bezkrzemowe (kalcyt i gips). Większość cząsteczek jest różna, więc cząsteczki glebowe podobne pod względem składu oraz właściwości fizycznych zakwalifikowano do grup frakcyjnych. W naszym kraju materiał glebowy dzieli się na dwie grupy:
1. Części szkieletowe, które stanowi frakcja kamieni o średnicy powyżej 20nm i frakcja żwiru o średnicy 20-1nm.
2. Części ziemiste, do których zaliczamy frakcję piasku (średnica 1-0,1nm), frakcję pyłu (średnica 0,1-0,02) i frakcję zwaną częściami spławianymi o średnicy poniżej 0,02nm.
Do części spławianych zaliczamy ił pyłowy koloidalny, drobny i gruby. Składem granulometrycznym nazywamy udział danej frakcji w definicyjnej jednostce masy gleby. Uznaje się to za zasadniczą cechę gleby, mającą związek z materiałem macierzystym i jego jakością.
- gęstość gleby.
Gęstością gleby nazywamy masę jednego metra sześciennego suchej gleby, nienaruszonej strukturalnie. Jest zależna od uziarnienia oraz struktury gleby. Wyróżniamy dwa rodzaje gęstości:
- gęstość właściwą-rzeczywistą.
Mówi o tym o ile cząstka gleby nie zawierająca powietrza ani wody ma większą masę od cząsteczek wody, które zajmują tę samą objętość. Zależy od tzw. składu mineralnego.
- gęstość objętościowa.
Przez tą gęstość rozumiemy stosunek masy danej próbki gleby, która jest naturalna w swoim układzie do objętości całkowitej tej próbki. Ze wzrostem tej gęstości wzrasta stopień porowatości tej gleby i jest ona bardzie zbita.
- porowatość.
Suma wolnych przestrzeni gleby. Wyróżniamy porowatość kapilarną oraz niekapilarną.
- zwięzłość.
Jest to siła, będąca miarą spojenia cząsteczek. Mierzy się ją poprzez określenie siły potrzebnej do ich rozdzielenia.
- plastyczność.
Jest cechą umożliwiającą przybieranie glebie różnych kształtów, gdy jest wilgotna. Jest zależna od wielkości cząsteczek.
- lepkość.
Jest wyrażana zdolnością przylegania gleby. Zależy od składu mechanicznego oraz wilgotności gleby.
- pęcznienie, kurczenie.
Zachodzi w glebach zawierających dużo cząstek koloidalnych. Zwiększenie objętości przez gęstość, przy nawilgotnieniu to właśnie pęcznienie, a kurczenie przebiega w drugim kierunku.
- wodne właściwości.
Woda może przyjmować różne postacie:
- wolną, kiedy przepływa z góry w dół gleby, determinowana własną masą;
- kapilarną, wnikającą do najcieńszych kanalików glebowych. Jest rezerwuarem wilgoci w glebie i porusza się w każdym kierunku;
- błonkową, trudnodostępną dla roślin. Powleka gruzełki oraz cząsteczki;
- higroskopową, silnie związaną i dostającą się do gleby z atmosfery. Jest obecna w ciężkich oraz próchniczych typach gleb;
- molekularną, która zatrzymuje się na cząsteczkach gleby, w wyniku działania sił adhezji. Jest zależna od typu występujących w glebie koloidów;
- pary wodnej, znajdującej się w porach i będącej częścią składową powietrza glebowego.
- cieplne właściwości.
Mają związek z przewodnictwem i pojemnością cieplną. Intensywność nagrzewania oraz szybkość utraty ciepła gleby mają związek z barwą oraz wilgotnością tej gleby. Ciepło może dostarczać słońce, procesy biologiczne i powietrze.
Właściwości chemiczne oraz fizyko-chemiczne
Skład chemiczny, formy, związki i przemiany pierwiastków określamy mianem właściwości chemicznych gleby. Badania są prowadzone aby oznaczyć:
- zawartość materii organicznej gleby. Jeśli gleba jest prawidłowo użytkowana powinna występować równowaga pomiędzy substancjami organicznymi i tworzącymi się związkami próchnicowymi. W przypadku przyspieszonej mineralizacji możemy wnioskować, iż doszło do zakwaszenia lub akumulacji toksycznych związków. Aby zbadać ilość substancji organicznej w glebie stosuje się metodę barwową.
- zawartość próchnicy, a także węgla organicznego utlenialnego. Węgiel i próchnica pozwalają oszacować zawartość substancji organicznej w glebie, a także stopień jej humifikacji. Zawartość węgla w glebie świadczy o zawartości próchnicy. Należy zastosować przelicznik 58%. Sposób oznaczenia opiera się na utlenianiu węgla C do dwutlenku węgla CO2. oznaczenie przebiega w środowisku kwaśnym.
- zawartość azotu. Jest zależna od jakości oraz ilości substancji organicznej, a także od stopnia rozkładu (C\N). zawartość azotu w glebie to zawartość azotu organicznego + zawartość związków mineralnych azotu. Oznacza się również ilość ołowiu, kobaltu, kadmu, niklu, magnezu i manganu.
Odczyn pH, sorpcyjność i właściwości ohydo-redukcyjne określają właściwości fizyko-chemiczne.
Odczyn gleby - jest zależny od stężenia jonów wodorowych H+ i zasadowych OH-. ph ma związek z aktywnością biologiczną. Jeśli stosunek jonów kwasowych do zasadowych jest równy 1 to pH jest neutralne. W środowisku kwaśnym występuje przewaga jonów H+, a w środowisku zasadowym jonów OH-. do oznaczenia odczynu gleby używa się dwóch metod. Pierwsza to pomiar potencjometryczny (polega na mierzeniu różnicy potencjałów pomiędzy półogniwami. Drugą metodą jest pomiar kolorymetryczny (mierzy się barwę cieczy, która powstaje w wyniku reakcji: płyn Helliga + gleba).
Zdolność sorpcyjna - to zdolność absorbenta do absorpcji par, gazów, cząsteczek niezdysocjonowanych oraz jonów pochodzących z roztworu glebowego. Polega to na pochłanianiu wymienionych substancji, które zachodzi na powierzchni tego absorbenta. W przypadku gleby sorpcja zależy od koloidalnej fazy stałej (są to cząsteczki 2*10-3mm). Wyróżniamy: koloidy glebowe, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Al.(OH)3, minerały ilaste, kompleksy ilasto-próchnicze i próchnicę. Wyróżniamy trzy typy sorpcji: biologiczną, chemiczną i wymienną. W glebie funkcjonuje ta ostatnia. Jej istotą jest wymiana wcześniej zaabsorbowanych jonów na te znajdujące się w roztworze glebowym. Maksymalną ilość kationu H+, którą jest w stanie zaabsorbować 100 g materiału glebowego nazywa się pojemnością sorpcyjną gleby. W czasie zachodzących reakcji redoks dochodzi do przyłączania lub oddawania elektronów. W czasie przemian materii organicznej w glebie dominują procesy utleniania (są nieodwracalne).
Czynniki odpowiedzialne za niszczenie gleby
Wpływ stosunków wodnych na niszczenie gleb
Nie tylko erozja jest odpowiedzialna za niszczenie warstwy glebowej, odpowiada za to również odchylenia stosunków wodnych. W większości odpowiedzialny jest za to człowiek. Gospodarka wiąże się z osuszaniem gleb lub ich nadmiernym nawadnianiem. W kwestii osuszania gleb najbardziej doskwierają kopalnie typu głębinowego oraz odkrywkowego. Przykładowo na terenach położonych na południe od miasta Poznań, gdzie znajdują się pokłady węgla brunatnego o dł. 60 km i szer. od 3-5 km, wydobycie niesie ze sobą następujące konsekwencje:
- nastąpi zakłócenie obiegu wody na obszarze o pow. 16500 km2;
- obszar o pow. 3200 km2 zostanie całkowicie odwodniony.
Niestety obniżenie poziomu wód typu gruntowego utrudnia nam dostęp do wody i jej pozyskania. Spowodowane jest to regulacją rzek, wycinaniem lasów i eksploatowaniem zasobów wodnych na cele komunalne dużych miast.
Melioracje
Melioracje prowadzone w niewłaściwy sposób powodują niszczenie gleb. Sens ich wykorzystania objawia się na terenach nadmiernie nawodnionych (gdy wodę należy odprowadzić) lub suchych (gdy trzeba ją dostarczyć). Zastosowane w danym terenie sprzyjają mu, niestety oddziaływają negatywnie na tereny sąsiadujące. Przez odprowadzenie wody lub jej wprowadzenie odwadniamy jakiś inny obszar lub stwarzamy sytuacje, że jest zdecydowany nadmiar wody na innym obszarze. Dużo częściej się zdarza, że przez meliorację bogate zasoby wody w przyspieszonym tempie dostają się do rzek, którymi wędrują do mórz. Ponadto nawet dobrze wykonane melioracje polne powodują opad w głąb ziemi poziomu wód gruntowych. Odbija się to szczególnie negatywnie na gospodarce wodnej lasu, gdyż powoduje znaczne przesuszenie oraz niszczenie gleby.
Zjawisko erozji
Jest to najczęstsza przyczyna degradacji gleby. Erozja polega na mechanicznym oddziaływaniu na powierzchnię Ziemi w sposób niszczący czynnikami zewnętrznych oraz na przenoszeniu owych produktów niszczenia. Rozróżniamy dwa typy erozji wodną i wietrzną. Przykładem erozji wodnej jest spłukiwanie elementów gleby przez opad atmosferyczny, np. w postaci deszczu. Nasilenie tego rodzaju erozji zależy od stopnia w jakim występuje roślinność. Najlepiej osłonięte są gleby porośnięte trawami, leżące w lasach. Niestety człowiek wycina lasy i niszczy roślinność. Odsłania w ten sposób glebę zwiększając jej podatność na erozję. Najbardziej odczuwalne jest to na górzystych obszarach, gdzie spływowi powierzchniowemu (powodującemu erozję) sprzyja nachylenie terenu. Również erozję rzeczną zaliczamy do erozji wodnej. Rzeka w czasie przepływu zabiera ze sobą rozdrobnione podłoże, elementy spłukiwanej gleby z terenów przybrzeżnych do rzek. Natomiast brzegi morskie ulegają erozji wywołanej przez wodę morską uderzającą z dużym impetem o brzeg.
Wiatr również jest czynnikiem erozjo-twórczym. Erozja tego rodzaju polega na przenoszeniu drobin piasku oraz próchnicy glebowej pod wpływem wiatru. W wyniku nasilenia erozji wietrznej dochodzi do burz pyłowych. Polska jest obszarem, gdzie zjawiska te uległy zdecydowanemu nasileniu. Dotyczy to głównie obszarów wylesionych, gdzie występują wyraźne deficyty wody.
Wydeptywanie gleb
W zbiorze czynników destrukcyjnych dla gleby znajduje się również tzw. wydeptywanie gleby. Chodzi o wydeptywanie, którego sprawcą są ludzie lub zwierzęta. Zwłaszcza niszcząco działa wypas, np. owiec na halach. Owce swymi twardymi racicami mogą całkowicie zburzyć strukturę podłoża. Nadmierny wypas może prowadzić do zniszczenia górskich hal. Sytuacja ta dotyczy głównie tych obszarów górzystych, gdzie wypas ma miejsce na ich zboczach.
Degradacja gleb
Degradując glebę bezwzględnie obniżamy jej właściwości oraz wartość. Przejawia się to obniżeniem jej żyzności. W drodze klasyfikacji gleb pod względem ich jakości wprowadzono kategorie gleby, takie jak:
- zdrowa gleba;
- chora gleba;
- martwa gleba.
Zdrowa gleba to taka, w której wszystkie układy czynników fizycznych (struktura), biologicznych (organizmy żywe) i chemicznych (mikro- oraz makroelementy glebowe) funkcjonują prawidłowo. Gleby chore to te, które uległy zniszczeniu w wyniku oddziaływania erozji lub zanieczyszczeń. Ich właściwości biologiczne uległy zmianie. Zaliczamy do nich także gleby wyjałowione, które pozbawione są wartościowych składników i potrzebują odpowiednich nawozów. Natomiast gleby martwe to gleby pozbawione życia, niezdolne do produkcji. Naturalnie można jest spotkać w sąsiedztwie czynnych wulkanów oraz na terenach pustynnych. Niestety najczęściej są efektem działalności człowieka. Spotykamy je na usypiskach kopalnianych, hałdach lub w postaci luźnych lotnych piasków, których zagospodarowanie jest niemożliwe.
Za degradację gleb odpowiadają:
- skażenia przemysłowe;
- komunikacja lokalna, regionalna i globalna;
- nieprzemyślane metody uprawy;
- chemizacja rolnictwa;
- zastosowanie środków ochrony roślinności pól oraz lasów.
Zanieczyszczenia przemysłowe oraz komunikacyjne trafiają do gleby z powietrza, z wody lub z obojga źródeł równocześnie. Przykładowo kwaśne deszcze, zawierające w sobie szereg kwasów (głównie siarkowych i azotowych) trafiają do gleby automatycznie zmieniając ich odczyn na kwaśniejszy i co za tym idzie zmniejszając ich żyzność. Niestety wielkim trucicielem gleb jest rolnictwo. Jak wiadomo pod uprawę szuka się dobrej jakości gleby, niestety zastosowanie szeregu związków opartych na chemii podczas jej uprawiania niszczy ją w dużym stopniu. Problem ten nie może być bagatelizowany.
Zjawisko degradacji terenów o różnej kategorii gleb nie jest nowym. Każdego dnia niszczone są olbrzymi obszary gleby. Poza wcześniej wymienionymi powodami tak wielkiej klęski ekologicznej jest rozbudowa przemysłu i miejsc mieszkalnych, co wymaga oczywiście zagospodarowywania wciąż nowych terenów. Również coraz więcej terenów pochłania rekreacja, a także nowo powstające drogi, trakcje i inne komunikacyjne szlaki.
Mówiąc o niszczeniu gleby mówimy o jej dewastacji, a także degradacji. Dewastacja oznacza całkowite zniszczenie grunt, wraz z którym w parze idą daleki przekształcenia, a niekiedy spustoszenie powierzchni danego obszaru. Mówimy o takich stratach w przypadku przykrycia powierzchni gleby asfaltem lub gdy jej wierzchnia warstwa zostanie zdarta i wywieziona. Tego rodzaju zmiany dostrzec można na terenach przyfabrycznych, gdzie powierzchnia gleby przykryta jest zwałowiskiem odpadów hutniczych, czy innych. Podobnie sytuacja wygląda przy kopalniach. Powstają w ten sposób trwałe nieużytki. Ich zagospodarowanie to niezwykle długotrwały i drogocenny proces. Niezwykle niszczącym jest proces odkrywkowego eksploatowania kopalin. Odkrywkowe kopalnie nie tylko niszczą powierzchnię terenu, one doszczętnie dewastują profil geologiczny na znaczą głębokość. Efektem jest zatrzymanie wszelkich zachodzących mechanizmów, których zadaniem jest wytwarzanie gleby, tzw. procesów glebotwórczych. Zatrzymane zostają procesy regulujące obieg wody i nie zapominajmy o najważniejszym - w takiej glebie ginie wszelkie życie. Tego rodzaju wydobycie pozostawia po sobie krajobraz wyglądający jak pustynia. Teren ten zdecydowanie bardziej ulega erozji wietrznej i wodnej i jeszcze bardziej niszczeje. Ponadto jest źródłem zanieczyszczeń typu pyłowego dla terenów sąsiadujących i nie tylko.
Ochrona gleb
Po pierwsze należy zapobieganie erozji gleby. Następnie musimy zadbać, aby utrzymać w niej właściwe stosunki hydrologiczne i zapobiec napływaniu zanieczyszczeń różnego pochodzenia i rodzaju. Najważniejsze jest zastąpienie wielu pracochłonnych i energochłonnych zabiegów naturalną samoregulacją. Wzrost wilgotności powietrza determinuje zadrzewienie śródpolne, jednocześnie zmniejszając intensywność parowania wody z gleby. Również wpływa ono stabilizująco na temperaturę, poprzez regulację glebowych stosunków wodnych. Dużym plusem jest także ochrona przed erozją wietrzną (zadrzewienia skutecznie osłabiają działanie wiatrów). Stanowią również szczególną barierę ochronną dla górskich powierzchni glebowych. Zapobiegają one powodziom, a co za tym idzie erozji glebowej. Na stokach górskich pokrytych jedynie polami, niezbędne jest stosowanie właściwej orki (równolegle do warstwic), w celu przeciwdziałaniu obsuwom gleby oraz zmniejszeniu spływu powierzchniowego wody. Podobnie zabiegi dotyczą bardziej stromych wzniesień. Na wyjątkowo stromych zboczach buduje się zapory w postaci podmurówek, bądź też leżących kłód. W przypadku, gdy zbocza wykorzystuje się pod pastwiska, należy ograniczać wypas do rozmiarów, które nie stanowią zagrożenia dla gleby. Rezultatem tych zabiegów jest wzrost zadrzewień śródpolnych, a także zbiorników retencyjnych o naturalnym charakterze.
Rekultywacja gleb
Odpowiednie zabiegi, które umożliwiają nam wykorzystanie zrekultywowanych terenów np. do celów leśnych czy komunalnych są bardzo pożądane. Niestety w większości przypadków otrzymuje się grunty o niepełnowartościowej glebie. Odpowiadają za to wciąż zachodzące przemiany, będące efektem np. wietrzenia. Niestety rekultywacja terenów zdegradowanych jest bardzo czasochłonna, trudna i kosztowna, a same sposoby rekultywacji zależą od stopnia i rodzaju degradacji.
Rekultywacja jest zabiegiem składającym się z następujących procesów:
- na początku konieczne jest techniczne ukształtowanie zdewastowanego gruntu;
- w dalszych działaniach rozpoczyna się mechaniczną uprawę tego gruntu;
- nawozi się intensywnie;
- sadzi się rośliny o właściwościach próchnicotwórczych.
Przyczyną degradacji mogą być zaburzenia wodno-powietrzne w glebie. Mogą one powodować nieodwracalne skutki. Powodem mogą być melioracje odwadniające. Gdy prowadzi się je nierozsądnie powodują przesuszenie gruntu, prowadzące do niszczenia ekosystemu. Inną przyczyną może być składowanie na powierzchni odpadów, żużlu czy popiołów, pochodzących z przemysłu przetwórczego, czy też energetycznego. W wyniku tego powstają obszary bezglebowe.
Podział surowców (kryterium podziału jest ich przeznaczenie)
- energetyczne - zaliczamy do nich ropę naftową, torf, gaz ziemny, węgiel kamienny i brunatny.
- hutnicze - wyróżniamy: metale żelazowe, takie jak rudy żelaza, manganu i chromu; metale uszlachetniające stal, takie jak wanad, nikiel, kobalt, tytan, molibden; metale nieżelazne to rudy: cynku, cyny, miedzi i ołowiu; metale lekkie, takie jak: glin i mangan; metale specjalne oraz rzadkie: rtęć, arsen, kadm, bizmut, cez; metale szlachetne, takie jak: srebro, złoto, platyna; metale promieniotwórcze jak uran i rad.
- niemetaliczne, czyli sól kamienna i potasowa, fosforany, azotany i borany.
- budowlane takie jak surowce węglanowe, surowce iłowe, surowce krzemionkowe i skały magmowe.
Surowce mineralne i ich wpływ
Eksploatowane, a następnie przetwarzane surowce energetyczne posiadają wiele szkodliwych składników, takich jak siarka czy fluor. Bardzo duże ilości zdegradowanych gruntów są w okolicach Krakowa, Poznania, Łodzi, Wrocławia i Opola. Taki stan rzeczy wynika z intensywnej eksploatacji, na tych terenach. Jest tam dużo kopalni odkrywkowych. Problem ten dotyczy zwłaszcza Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego GOP. Takie nieużytki przemysłowe na terenie aglomeracji miejskich stanowią szczególnie poważny problem, gdyż należy je wyłączyć z jakiejkolwiek produkcji rolnej.
Nieużytki są skutkiem uszczerbków na zdrowiu. Mają bardzo negatywny wpływ na okolice. Rozprzestrzeniają się z nich pyły oraz gazy, co jest bardzo niepożądane w skutkach. Jeśli weźmiemy pod uwagę stężenie gazów w atmosferze pochodzenia przemysłowego oraz opad pyłów, na których kumulują się pierwiastki śladowe to śmiało możemy stwierdzić, że cały GOP ma zniszczone gleby.
Rekultywacja oraz zagospodarowywanie obszarów zdegradowanych - wybór metody; tworzenie gleby
Aby wybrać właściwą metodę musimy się oprzeć na analizie wielu czynników. Są nimi przede wszystkim:
- jakość gruntu;
- budowa zwału, pochodzenie i jego kształt.
Wnioskując o jakości gruntów musimy zbadać ich właściwości fizyczne, skład mineralny oraz chemiczny.
Obecność skał magmowych jest czynnikiem niesprzyjającym przerabianiu gruntu w glebę. Piaskowce są minerałami poddającymi się wietrzeniu. Występuje duża zawartość krzemionki, przez co powstające gleby niestety są słabe. W przypadku wapieni, które są łatwo wietrzejące (zwłaszcza te z dużą zawartością utworów gliniastych) rekultywacja jest prosta, a produktywność już zrekultywowanych gleb jest duża.
Wyróżniamy następujące nieużytki przemysłowe:
- górnicze - efekt działania górnictwa podziemnego czy odkrywkowego, np. zwały górnictwa rud żelaza lub miedzi.
- przemysłu przeróbczego - których źródłem są zakłady hutnicze, energetyczne czy wzbogacania, np. zwały popiołu.
Rekultywacja ma charakter biotechnologiczny
Drzewa, krzewy oraz trawy stanowią podstawę procesów rekultywacyjnych. Ich podstawowymi funkcjami jest stabilizacja utworów glebowych, co zapobiega erozji; tworzenie biofiltrów chroniących przed chemikaliami; to dzięki nim inicjowane są początkowe procesy glebotwórcze. Na proces rekultywacji przypadają trzy fazy:
- rekultywacja przygotowawcza to: opracowanie dokumentacji kosztorysowej oraz technicznej; wnikliwe zapoznanie się z nieużytkiem; zadecydowanie o kierunku rekultywacji oraz zagospodarowania.
- rekultywacja techniczna to: proces stosowany w przypadku terenów po kopalniach odkrywkowych i składowiskach odpadów zarówno przemysłowych, jak i komunalnych. Dzielimy ją na poniższe czynności:
- budowa niezbędnych tras dojazdowych;
- ukształtowanie rzeźby danego terenu, opierające się na niwelowaniu powierzchni tzw. wierzchowin zwałów, także łagodzeniu skarp i zboczy (stromych), porządkowaniu rzeźby, tzw. spągu wyrobisk. Wszystkie te działania stosuje się by polepszyć gospodarkę wodną terenu i zmniejszyć wpływ erozji;
- stabilizacja stosunków wodnych. Polega na regulacji cieków, budowaniu kanałów i rowów odwadniających. Buduje się również zbiorniki wodne i niekiedy zastosowanie znajdują także urządzenia nawadniające;
- odtworzenie gleb przy pomocy urządzeń i rozwiązań technicznych;
- niwelacja terenu, do której niezbędne jest wykonanie przeniesienia znacznych mas ziemnych. Wymaga to środku transportu i ciężkiego sprzętu;
- kształtowanie stromych zboczy oraz skarp. Przeprowadza się to by zapewnić im właściwą stateczność. W przypadku zwałów większych od 10m jednakowe nachylenie nie jest polecane;
- odkwaszanie terenu (całkowite lub częściowe) oraz izolacja niektórych toksycznych i jałowych gruntów. Izolacja jest procesem polegającym na właściwym przykryciu gruntu koniecznie użyźnioną warstwą materiału. Jej grubość jest zależna od rodzaju przyszłego zagospodarowania danego obszaru. Następnie do podłoża sieje się lub zasadza rośliny.
- rekultywacja biologiczna. Jest procesem obejmującym:
- zrekonstruowanie struktury biologicznej skarp wyrobisk oraz zboczy wałów. Robi się to dla zabezpieczenia stateczności, a także by zapobiec erozji;
- regulację stosunków wodnych, poprzez zastosowanie niezbędnych technik melioracji oraz przez uniemożliwienie w dotarciu zanieczyszczeń do wód;
- zrekonstruowanie gleb poprzez zastosowanie metod agrotechnicznych.
Takie zabiegi jak: mechaniczna uprawa, zastosowanie mieszanek próchniczych, raczej roślin motylkowych i traw oraz stosowanie nawozów wyłącznie mineralnych to zabiegi agrotechniczne, które również są w zakresie rekultywacji biologicznej.
Przydatność rekultywowanych gruntów na zwałach
W oparciu o powyższy aspekt, wyróżniamy następujące utwory:
- przydatne - czarnoziemy i czarne ziemie, lessy, mady, gliny zwałowe;
- potencjalno-produktywne;
- toksyczne - jeśli jest ona zbyt wysoka, rekultywacja jest możliwa jedynie poprzez pokrycie utworu metrową warstwą czystej gleby;
- jałowe.
Hałdy - kryteria klasyfikacji materiału
Jeśli podział ma mieć charakter praktyczny to kryterium powinno być pochodzenie i właściwości fizyko-chemiczne. Według opinii znawców najlepszymi skałami do rekultywacji są materiały z czwartorzędu, a także lessy, czarnoziemy, torfy i gliny brunatne. Innym kryterium określającym przydatność do rekultywacji jest system punktowy. Opiera się na pięciu wskaźnikach:
- litologicznym (WL) - wartość ta dotyczy składu ziarnowego dla utworów toksycznych oraz nietoksycznych. Dotyczy także ilości frakcji pyłów oraz iłów (0 ÷ 60 pkt);
- wapniowym (WCa) - wartość jest zależna od zawartości węglanu wapnia CaCO3 zarówno w skałach, jak i utworach luźnych (0 ÷ 15 pkt);
- spoistości (WSp) - przy skrupulatnej ocenie utworów luźnych, której dokonuje się w oparciu o wskaźnik plastyczności (0 ÷ 10);
- sorpcji (Wso) - jest wyznaczany przy ocenie jedynie utworów luźnych, w oparciu o wyznaczoną pojemność sorpcyjną (o ÷ 15 pkt);
- genezy (Wg) - określany w oparciu o pochodzenie. Z czwartorzędu:
- mady (5-20 pkt);
- lessy (15 - 25 pkt);
- piaski (5 pkt);
- gliny ( 5 pkt).
Z trzeciorzędu:
- wapienie (5 pkt);
- iły krakowskie (5 - 19 pkt) i poznańskie (10 ÷ 15 pkt).
Kreole:
- margle (10 ÷ 15 pkt);
Jeśli chcemy dokonać oceny szczegółowej ustalamy liczbę bonitacyjną, którą liczymy z następującego wzoru:
Lb = WL + Wca + WSP + WSO
Na podstawie Lb zaliczamy dany utwór do poszczególnej klasy:
A (Lb = 75 pkt) - bardzo dobre, sprzyjające rekultywacji rolnej;
B (70 ÷ 75 pkt) - dobre, sprzyjające rekultywacji leśnej;
C (21 ÷ 70 pkt) - wadliwe;
D (<21 pkt) - złe, wymagające izolacji, jałowe.
Procesy towarzyszące tworzeniu się gleby
Wpływ środowiska naturalnego, w naturalnych warunkach jest czynnikiem warunkującym tworzenie się gleby ze skał. Skały lub minerały pochodzące ze skorupy naszej Ziemi, jeśli dotrą na powierzchnię, mogą być skałą macierzystą przyszłych gleb. Powstawanie gleb z takiego surowego materiału ma związek z wietrzeniem oraz procesami biochemicznymi. Wyróżnia się trzy typy wietrzenia: chemiczne, biologiczne oraz fizyczne. Przebiegają równocześnie, ale z innym nasileniem. Pod wpływem wietrzenia zmianie ulega wygląd składników mineralnych od zewnętrznej strony skały. Odporność na działanie wiatru jest różna u różnych skał. Skały typu grubokrystalicznego ulegają trudniej wietrzeniu. Utwory zbudowane z jednego rodzaju minerału są bardziej odporne, od tych wielo-mineralnych. Kolejność wietrzenia jest następująca: najpierw zachodzi wietrzenie fizyczne (dochodzi do rozdrobnienia), potem dochodzi do wietrzenia chemicznego i biologicznego.
Wietrzenie typu chemicznego - jego efektem jest zmiana struktury minerałów. Wytwarzane są nowe minerały zwane wtórnymi. Rozkład skał oraz minerałów poprzez wietrznie typu chemicznego oraz mineralnego jest bardzo skuteczne w klimacie wilgotnym. Czynnikami bardzo istotnymi dla wietrzenia chemicznego są woda, dwutlenek węgla, kwasy mineralne, organiczne i tlen. Podczas tego wietrzenia na zwałowiskach dochodzi do:
- utlenienia (ma zasięg na głębokość do której dochodzi tlen),
- redukcji (zachodzi tam, gdzie nie występuje wolny tlen; niekiedy redukcję wywołują kwasy),
- hydratacji (jeśli woda jest składnikiem minerałów, zmieniając ich właściwości chemiczne oraz fizyczne - 2Fe2O3+3H2O = 2Fe2O3*3H2O),
- hydrolizy ( hydrolizie z minerałów trudno ulega siarczan (VI) wapnia i węglan wapnia - jeszcze trudniej; w przypadku minerałów zasadowych istnieje możliwość do wymiany z wodorem CaSiO3+HOH=H2SiO3+Ca(OH)2 ),
- karbonatyzacji (ma ona związek z powstawanie węglanów, a substratem są dwuwęglany. Karbonatyzacja jest związana z rozkładem minerałów glebowych. Ma związek z hydrolizą minerałów, które następnie przechodzą w inne).
W trakcie oddychania korzeni uwalnia się dużo dwutlenku węgla, tworzącego połączenia z kationami. Ze wzrostem koncentracji dwutlenku węgla wzrasta wietrzenie chemiczne.
Wietrzenie chemiczne daje minerały wtórne, mające znaczną aktywność i zalicza się je do minerałów ilastych, a z nich z kolei zbudowane są iły oraz gliny. W glinie oprócz minerałów wtórnych znajduje się również kwarc, substancje organiczne i uwodnione tlenki żelaza. Wyróżniamy następujące grupy glin:
- montmorylonitowa, czyli (OH)4Al4Si8O20*H2O - powstaje w warunkach kwaśniejszych od kaolinitowej. Stanowi główny składnik tzw. glin bentonitowych, dobrze sorbuje i występuje w piaskowym typie gleb o frakcji poniżej 0,002mm.
- kaolinitowa, czyli (OH)8Al4Si4O10 - zaliczamy do niej kaolinit. Tworzy się podczas wietrzenia skał typu glinokrzemianowego w warunkach kwaśnych. Spotyka się ją najczęściej na zwałach obydwóch rodzajów węgla.
- illitowa - zaliczamy do niej illit, który jest najbardziej powszechnym produktem procesu wietrzenia skał lądowych. Można ją spotkać na zwałach z odpadów węglowych.
Wietrzenie typu biologicznego - gleby i skały osadowe rzadko zawierają jedynie jeden rodzaj iłów. Celem rekultywacji jest zintensyfikowanie procesów glebotwórczych, w których znaczną rolę pełni wietrzenie biologiczne. Dochodzi do niego w wyniku oddziaływania organizmów na skały lub poprzez chemiczne przetworzenie minerałów, przy użyciu produktów rozkładu materii organicznej (kwasy huminowe i dwutlenek węgla). Ten typ wietrzenia odgrywa ważną rolę podczas powstawania gleby. Z tego wynika tak wielkie znaczenie materii organicznej podczas rekultywacji obszarów bezglebowych. Próchnica może powstawać jedynie w glebie. Stanowi ona aż 90% substancji organicznej znajdującej się w glebie. Substancja organiczna to 5% gleby. W czasie humifikacji (humus = próchnica) powstają związki organiczne, które sklasyfikowano do 4 grup:
- fulwokwasy;
- kwasy hymato-melanowe;
- huminy (są to sole stymulujące, bądź hamujące wzrost organizmów żywych);
- kwasy huminowe.
Kwasy huminowe
Ich skład elementarny to:
- węgiel C - 50-60%;
- tlen O - 30-39%;
- wodór H - 1,5-5%;
- azot N - 1-5%.
Do tej pory nie poznano wzoru strukturalnego kwasów huminowych. Przypuszcza się, że huminy są mieszanką spolimeryzowanych związków o dużym pokrewieństwie. Ułożone są gąbczasto, dzięki czemu mają duże możliwości sorpcyjne oraz hydratacyjne. Ich połączenia chelatowe są trzonem kompleksu sorpcyjnego gleby. Są odpowiedzialne za dynamikę gleb. Połączenia chelatowe są przyczyną gruzełkowatej budowy, specyficznej barwy. Ponadto gromadzą jony, wodę i mają znaczenie w dla ciepła gleby. Chelaty polepszają żyzność gleby i regulują właściwy rozwój mikroorganizmów. Koloidalne wielordzeniowe hydroksy-kompleksy glin - humus oraz kompleksy humus - glin - minerał ilasty są charakterystyczne dla kwasów huminowych. Dzięki nim gleba ma odpowiednią troficzność, korzystne warunki wodne, prędkość sorpcji, jakość i ochronę przed jej skażeniem.