WYKŁAD 1

GLEBA - naturalny twór wierzchniej warstwy skorupy ziemskiej, zdolna do zaspokojenia zaopatrzenia roślin w składniki pokarmowe i wodę oraz zaopatrzenie korzeni roślin w niezbędną ilość powietrza (O₂) i ciepła, umożliwiających ich naturalny rozwój.

ZNACZENIE GLEB:

• Funkcje gospodarcze

• Produkcja rolnicza i ogrodnicza (żywność, pasze)

• Produkcja leśna (drewno)

• Funkcje ekologiczne w skali lokalnej i globalnej

• Produkcja pierwotna związków organicznych dla innych organizmów

• Zapewnienie równowagi w obiegu C w przyrodzie

• Modyfikacje obiegu H₂O w przyrodzie i kształtowanie klimatu

• Elementy różnych ekosystemów - bioróżnorodność

• Inn np. funkcje gleby i roślin (estetyczne, naukowe, ochrona przed erozją)

PROBLEMY ZWIĄZANE Z OCHRONĄ GLEB:

• Ochrona zasobów gleb

• Ochrona gleb przed degradacją w tym przed zniszczeniem

• Konieczność odtwarzania (rekultywacji) gleb zdegradowanych

MECHANIZM ZAGROŻENIA GLEB:

• erozja

• spadek zawartości materii organicznej

• skażenie gleb

• lokalne skażenie gleb

• rozproszone skażenie gleb

• zasklepianie gleb

• zagęszczanie gleb

• spadek różnorodności biologicznej

• zasolenie

• powodzie osuwiska ziemi

CZYNNIKI DECYDUJĄCE O WARTOŚCI UŻYTKOWEJ GLEBY:

• czynniki morfologiczne - miąższość profilu, poziom próchnicy

• właściwości fizyczne - skład granulometryczny, struktura, tekstura

• właściwości chemiczne i fizyko chemiczne - zasobność w makro i mikroelementy, pH, właściwości sorpcyjne

• właściwości biochemiczne i biologiczne - substancje organiczne, skład edafonu

Użytki rolne w Polsce:

według klas bonitacyjnych

ok. 40% - IV

ok. 0,4% - I i II

Należy chronić grunty najlepsze, mamy ich mało - Ustawa o ochronie gruntów rolnych i leśnych -1995r.

DEGRADACJE I DEWASTACJA GLEB.

DEGRADACJA- pogorszenie właściwości gleb: chemicznych, fizycznych i biologicznych oraz spadek ich aktywności biologicznej, co powoduje zmniejszenie ilości oraz jakości pozyskiwanej biomasy rośln

RODZAJE DEGRADACJI GLEB:

• przeznaczenie gleb produktywnych na cele nierolnicze i nieleśne, wyłączenie z użytkowania

• naturalna degradacja, intensyfikowanie działalności człowieka

• erozja wodna i wietrzna

• pustynnienie i stepowienie

• degradacja antropogeniczna

• geomechaniczna

• hydrologiczna

• chemiczna

• inne formy np. biologiczna, zanieczyszczenie mechaniczne

EROZJA WODNA GLEBY

EROZJA- (erosio - żłobienie) niszczenie powierzchniowej warstwy gleby najbardziej urodzajnej. Polega na dezintegracji struktury gleb i mechanicznym przemieszczaniu cząstek glebowych pod wpływem działania wody lub wiatru.

• ruchome wydmy - przejaw erozji wietrznej

• zwałowiska - przejaw erozji wodnej

I erozja powierzchniowa → II erozja liniowa tzw. żłobiny, później przekształcają się w wąwozy → III erozja podziemna (sufozja)

STOPNIE ZAGROŻENIA GLB EROZJĄ WODNĄ:

• I - erozja słaba → częściowe zmywanie poziomu orno-próchnicznego

• II - umiarkowana → zmywanie poziomu orno-próchnicznego, żłobiny poniżej poziomu próchnicznego

• III - intensywna → zmywanie poziomu orno-próchnicznego, żłobiny poniżej poziomu próchnicznego - silniejsze działanie erozyjne

• IV - silna → niszczenie całego profilu gleby, rozczłonowanie reliefu

• V - bardzo silna → niszczenie całego profilu gleby, rozczłonowanie reliefu- bardziej erozyjne

CZYNNIKI ZAGROŻENIA EROZJĄ WODNĄ:

1. geomorfologia trenu (wielkość spadków, długość stoków, formy morfologiczne- wklęsłe i wypukłe)

• mikrorelief

2. gatunek i rodzaj gleby

3. wielkość i intensywność opadów

4. pokrywa roślinna i sposób gospodarowania

EROZJA POTENCJALNA - stan ogólnego zagrożenia erozją danego obszru, uzależniony od czynników stałych, niezmiennych (1-3)

EROZJA AKTUALNA - stan rzeczywistego zagrożenia postępu procesów erozyjnych na danym obszarze , uzależniony od potencjalnego zagrożenia erozją oraz od czynników zmiennych - pokrywa roślinna.

ZNACZENIE SPADKU TERENU

spadek terenu	<3%	3-6%	6-10%	10-15%	>15%
stopień zagrożenia erozją wodną	1	2	3	4	5

Podatne na erozję są lessy

• Znacznie długości stoku - im dłuższy i czysty tym większa erozja

• Gatunek gleby:

• Utwory najbardziej podatne na erozję:

• utwory pyłowe

• gleby bardzo lekkie - piaski luźne i słabogliniaste

• gleby rędzinowe

• Utwory średnio zagrożone erozją:

• piaski gliniaste lekkie

• piaski gliniaste mocne pylaste

• gliny lekkie pylaste

• Utwory słabo podatne na erozję:

• piaski gliniaste mocne niepylaste

• gleby gliniaste z wyjątkiem w/w

• gleby ilaste nierędzinowe

• gleby szkieletowe

• Opady - występowanie opadów intensywnych a nie roczna suma opadów decyduje o wzmożonej erozji wodnej

NAJBARDZIEJ ZAGROŻONE EROZJĄ WODNĄ SĄ:

• wyżyny

• góry

• pojezierza

Wykład 2

Znaczenie okrywy roślinnej - erozja rzeczywista.

Wpływ okrywy roślinnej i sposób użytkowania na ilość zmywanego materiału:

Sposób użytkowania względna ilość zmywanego materiału

Las 1

Rola, upraw prostopadła do stoku

płodozmianem 500

Rola, uprawa prostopadła do stoku

monokultura kukurydzy 1000

Czarny ugór 3000

Mechanizm przeciwerozyjnego działania okrywy roślinnej:

• intercepcja

• zmniejszenie energii kinetycznej kropel wody uderzających o glebę

→efekt: zmniejszenie odpływu wody, zwłaszcza pod lasami i trwałymi użytkami zielonymi.

Skutki erozji:

1. Zróżnicowanie miąższości poziomu A na stokach - tworzenie gleb deluwialnych u podnuży stoków

2. Zmiana wartości użytkowej gleb:

• zmiany miąższości poziomu próchnicznego oraz zmiany innych właściwości morfologicznych i fizycznych gleby prowadzą do zmian przydatności rolniczej

• zmniejszeni gleb w składniki pokarmowe

3. Bezpowrotna strata gleb (Średnie straty gleb: USA, Europa 17ton/ha*rok)

Modele USLE i RUSLE

• do bezpośredniego opisu zjawiska erozji w latach 70-tych ubiegłego wieku opracowano model: uniwersalnego równania strat gleb (USLE)

• równanie powstało na podstawie wieloletnich badań eksperymentalnych realizowanych na ponad 10 tys. obiektów - w warunkach naturalnych z wykorzystaniem symulatorów deszczu w terenie i laboratorium

E=R*K*L*S*C*P

gdzie:

E - średnia roczna masa erodowanej gleby z jednostki powierzchni (t/ha*rok)

R - średnia roczna erozyjność deszczu i spływów, zależne od intensywności opadu

K - podatność na rozję

L - bezwymiarowy współczynnik długości zbocza

S - bezwymiarowy współczynnik spadku zbocza

C - bezwymiarowy współczynnik rodzaju uprawy i sposobu użytkowania

P - bezwymiarowy współczynnik zabiegów przeciwdziałających erozji

Model RUSLE

• nowsze wersje tego modelu są programami komputerowymi znanymi jako: RUSLE

EROZJA GLEB - ASPEKTY POZYTYWNE

• Deponowanie materiału naniesionego przez rzeki prowadzi do tworzenia w dolnych i ujściowych odcinkach biegu rzek cennych gleb:

• żyzne gleby mady np. Żuławy

• gleby delt wielkich rzek np. Nilu

Skala zagrożenia erozją wodną w Polsce

powierzchniowa 28% gleb zagrożonych

wąwozowa 18% gleb zagrożonych

ROZJA GLEB JAKO PROBLM W ŚWIECIE

• udział procesu erozji w zakłóceniu obiegu C w przyrodzie - porównywalny ze skutkami wylesiania i spalania paliw konwencjonalnych

• erozja pozostaje głównym przedmiotem działań w zakresie ochrony gleb - między innymi w krajach wysoko rozwiniętych a szczególnie w krajach trzeciego świata, zwłaszcza na obszarach tropikalnych i subtropikalnych.

ZAPOBIEGANIE EROZJI WODNEJ

• Metody techniczne:

• poprzeczno stokowy układ działek, pól, pola orne bezwzględnie powinny być sytuowane na stokach o spadku mniejszym niż 18%

• budowa przeszkód (grobli) zmniejszających prędkość spływu wody, przegradzanie jarów i wąwozów zaporami

• budowa teras i progów

• budowa zbiorników retencyjnych

• regulacje odpływu wody z miejsc zagrożonych erozją

• drenowanie

• Zabiegi fitomelioracyjne:

• zalesianie

• zakrzewianie

• zadarnianie terenu

• pasy zadarnione rozdzielające powierzchnie wykorzystywane jako grunty orne

• Zabiegi agrotechniczne

• orka równoległa do warstwic

• zapobieganie mieszaniu struktury gleby (np. dodatki żelujące)

• zwiększenie zdolności strukturotwórczej gleb przez iłowanie i wzbogacanie w próchnice

• stosowani płodozmianów przeciwerozyjnych z roślinnością trawiasto - motylkową i zastosowaniem wsiewek i poplonów

Erozja wietrzna - (eoliczna) polega na unoszeniu cząstek gleby przez wiatr i ich deponowanie w odległych miejscach.

CZYNNIKI ZAGROŻENIA EROZJĄ WIETRZNĄ:

• rodzaj i gatunek gleby

• ukształtowani terenu

• siła wiatru

• wilgotność gleby

• rodzaj okrywy roślinnej i sposób użytkowania
  

Gatunek gleby a erozja wietrzna:

• piaski murszowe i mursze

• piaski luźne i słabo gliniaste zmniejszające się zagrożenie

• utwory pyłowe różnego pochodzenia erozją wietrzną

• piaski silnie pylaste

• piaski gliniaste (lekkie i mocne) niepylaste

• gliny i iły różnego pochodzenia

SKUTKI EROZJI WIETRZNEJ:

• „czarna niedziela” - materiał glebowy niesiony z innego stanu

• ok. 17 mln ha gleb - Kazachstan po zaoraniu stepów północnych

POZYTYWNE SKUTKI:

• deponowanie materiału naniesionego przez wiatr na przedpolu lodowca doprowadziło do tworzenia miąższach warstw osadów pyłowych - lessów.

W Polsce erozja wietrzna występuje na glebach uprawnych, w okresach suszy, oraz w zimie gdy gleba jest przemarznięta i niepokryta roślinnością. Lącznie narażonych 28% powierzchni, szczególnie narażone są nadmorskie piaski wydm oraz środkowa Polska - piaski użytkowane rolniczo.

PRZCIWDZIAŁANIE EROZJI WIETRZNEJ

• Modyfikacje prędkości wiatru

• zadrzewienia śródpolne - krzewy w formie żywopłotów, wiatrochronne pasy drzew, zmniejszające prędkość wiatru wierzby i topole, drzewa iglaste, krzewy o dużej masie zielonej.

• przeciwwiatrowy system upraw wstęgowych

• ustawianie płotów ochronnych z dsek bądź siatek

• stosowanie pasów ochronnych z roślin zbożowych

• Zapobieganie przesuszeniu gleb

• stosowani ściółki (słoma , kompost) do pokrycia powierzchni tzw. m….

• odpowiednie zabiegi agrotechniczne

• Wprowadzenie trwałej okrywy roślinnej na gleby szczególnie podatne na erozję

• zalesienie gruntów nieprodukcyjnych

• utrwalani ruchomych wydm

Zabiegi przeciw erozyjne mają szczególne znaczenie przy rekultywacji terenów zdegradowanych.

DERADACJA HYDROLOGICZNA -( wodna ) gleby polega na niekorzystnych zmianach dotychczas istniejących warunków wodnych gleb, co związane jest ze zmianą położenia zwierciadła wód glebowo - gruntowych. Zmiany te mogą postępować w kierunku przesuszania lub zawodnienia gleb.

PRZESUSZENIE

Przykład obiektów o glebach przesuszonych:

1. Kopalnie odkrywkowe wymagają odwodnienia co powoduje powstawanie leja depresyjnego.

2. Kopalnie podziemne działają drenująco na wody gruntowe

3. Ujęcia wód podziemnych

4. Niewłaściwie wykonywane melioracje odwadniające.

Wykład 3

Degradacja hydrologiczna- charakterystyka szczegółowa

Lej depresyjny w rejonie kopalni odkrywkowej. Kształt i wielkość leja zależy od miąższości i przepuszczalności przeciętnych poziomów wodonośnych tj.

• głębokość i powierzchnia odkrywki

• występowanie w nakładzie ciągłych warstw wodonośnych (żwir, piaski łatwo przepuszczalne)

• przepuszczalność tych warstw

Budowa geologiczna złoża węgla brunatnego w Bełchatowie. W nakładzie dominują piaski z lokalnymi wtrąceniami glin i iłów. Efekt: lej depresyjny ma powierzchnię 450km² i promień ok. 30 km

Turoszów:

• w nakładzie występują miąższe warstwy iłów mioceńskich, tylko lokalne domieszki innych utworów np. piasków.

• Efekt: brak leja depresyjnego

REJONY NAJBARDZIEJ INTNSYWNIE KSPLOATUJĄCE WODY PODZIEMNE W POLSCE

Pobór wody podziemnej na różne cele 1,94 mld m³/rok

Wody z odwadniania obiektów górniczych i budowlanych 1,04 mld m³/rok

LEJ DEPRESYJNY W GÓRNICTWIE PODZIEMNYM :

• przecięcie warstw wodonośnych przy budowie szybów może być przyczyną powstawania leja. Skutki można minimalizować przez uszczelnianie szybów.

• odwadnianie złoża wpływa na warunki hydrologiczne warstw nadległych.

INNE PRZYCZYNY PRZESUSZNIA GLEB:

• Niewłaściwa melioracja odwadniająca np. realizowane przez drenaż odwadniający lub rowy odwadniające

• korzystne efekty - odwadniani gleb wiosną

• działanie niekorzystne - w okresie suszy (zwykle w okresie wegetacji)

Prawidłowo przeprowadzone melioracje to odwodnienie gleb z jednoczesną możliwością ich nawodnienia.

Zmeliorowane użytki rolne 6,7 mln/ ha tj. 36% Użytków rolnych.

Grunty orne nawadniane 0,05mln/ha

SZEGÓLNE SKUTKI PRZESUSZNIA GLB ORGANICZNYCH:

1. Murszowe (zmiana struktury)

2. mineralizacja torfu - zmniejszeni miąższości

3. pożary torfowisk

Obniżenie miąższości torfu niskiego:

Tempo mineralizacji i ubytek warstwy glebowej zależy od warunków klimatycznych i stopnia (głębokości) odwodnienia.

• W WARUNKACH POLSKICH:

• obniżenie się powierzchni zmeliorowanych torfowisk niskich użytkowanych ekstensywnie jako łąki: 1cm/rok

• przy intensywniejszym użytkowaniu łąk 1,3 - 1,5 cm/rok

POWSTAWANIE POŻARÓW

• wydalanie metanu z głębnych warstw torfowiska

• obecność przesuszonych (zmurszałych) warstw torfu

• czynniki inicjujące (np. podpalenie, uderzenie pioruna)

Lato 2002- uciążliwy pożar torfowiska na Polsiu

• SKUTKI ZMIAN POŁOŻENIA ZWIRCIADŁA WODY DLA ROŚLIN:

1. Nadmiar wody - deficyt tlenowy, uniemożliwienie oddychanie korzeni

2. niedobór wody - susza, przesuszeni gleb użytków rolnych

WODA DOSTĘPNA DLA ROŚLIN- RODZAJE WODY Z JAKIEJ MOGĄ KORZYSTAĆ ROŚLINY:

• woda retencyjna (PPW - polowa pojemność wodna obejmuje wodę użyteczną dla roślin ( pF 2,0 - 4,2) oraz wodę nie użytkową (pF > 4,2)

• woda podsiąku kapilarnego

Zdolność roślin do korzystania z wody gruntowej zależy od głębokości (zasięgu ) strefy korzeniowej (przykłady gatunków o szczególnie głębokim systemie korzeniowym: lucerna)

TYPY GOSPODARKI WODNEJ GLEB:

• Typ gruntowo - wodny - gdy zwierciadło wody - glebowej lub sfera wody kapilarnej podpartej - stale znajdują się w zasięgu górnej lub środkowej strefy profilu glebowego

• Typ opadowo - gruntowo - wodny -warunki pośrednie zależne od sezonowego stanu zwierciadła wody gruntowej występuj zmienność pochodzenia wody dostępnej dla roślin.

• Typ opadowo retnczyjny - jedynym źródłem wody jest woda opadowa (woda retencyjna)

W obrębie typów występują podtypy.

KOMPLEKSY PRZYDATNOŚCI ROLNICZEJ GLEB:

1 - 3 kompleksy pszenne

4 - 7 kompleksy żytnie

8 - 9 kompleksy zbożowo - pastewne

10 - 13 kompleksy górskie

14 grunty orne przeznaczone pod użytki zielone

• Skutki przesuszenia poszczególnych kompleksów gruntów ornych:

1. Kompleksy pszenne

• Kompleks 1 (pszenny b. dobry) bez zmian lub przechodzi w kompleks 3 (pszenny wadliwy)

• kompleks 2 (pszenny dobry) bez zmian lub przechodzi w 3

• kompleks 3 (pszenny wadliwy) bez zmian

2. Kompleksy żytnie

• zasadniczo przynależność gleby do kompleksu zależy od składu granulometrycznego i budowy profilu

• zakłada się mimo to, że wskutek przesuszenia kompleksy żytnie obniżają się.

3. Kompleksy zbożowo - pastewne

Może nastąpić zmiana:

• Kompleks 8 w kompleks pszenny

• kompleks 9 w kompleks żytni.

• Zmiany typu siedliska lasu wskutek przesuszenia:

Przykład:

• Bór bagienny → bór świeży→ bór suchy

OCENA GOSPODARCZA I EKOLOGICZNA SKUTKÓW ODDZIAŁYWANIA LEJA DEPRSYJNEGO:

Ocena zmian skutków zależy od charakteru zmian gospodarki wodnej gleb:

• w przypadku gleb o gospodarce opadowo retencyjnej - pływ przesuszenia nieznaczny

• w przypadku gleb o gospodarce gruntowo - wodnej i opadowo - gruntowo - wodnej skutki przesuszenia zależą od zdolności retencyjnej gleb i wielkości obniżenia wody gruntowej.

RKULTYWACJA TRENÓW PRZESUSZANYCH:

Przed rozpoczęciem rekultywacji konieczne jest sporządzenie ponownych zmian hydrologicznych (np. po zakończeniu eksploatacji złoża itd.) ZAWODNIENIE GLEB:

Skutki nieznacznego podniesienia zwierciadła wody gruntowej. Zmiana kompleksów i typów siedlisk:

• zasadniczo - zmiany odwrotne do opisywanych w przypadku przesuszenia. Skutki: deficytu tlenu,

• radykalnych zawodnień - całkowita utrata zdolności produkcyjnej gleby

Sposoby postępowania przy zagospodarowywaniu gleb trwale zawodnionych:

1. utworzenie zbiornika wodnego, dostosowanie użytkowania terenu do stanu zawodnienia

2. przesuszenie terenu (przykład z KWK Makoszowy)

3. stał odpompowywanie wody

Konflikty między ochroną przyrody a rekultywacją:

• obszary zawodnień powstałe w efekcie degradacji hydrologicznej stanowią często korzystne stanowiska (w tym łęgowe) dla ptaków zwłaszcza wodnych,

• murawy kserotermiczne - cenne zespoły roślinne na przyusznych ubogich piaskach

Wykład 4

Degradacja chemiczna - polega na wprowadzeniu obcych substancji chemicznych, co prowadzi do zaburzenia równowagi chemicznej, niekorzystnych zmian bioprzyswajalności, składników pokarmowych oraz ograniczenie aktywności biologicznej gleby.

• RODZAJE ZANIECZYSZCZEŃ CHEMICZNYCH W GLBIE

• zanieczyszczenia nieorganiczne (są cały czas w obiegu ) np. metale ciężkie, arsen , fluor, zasolenie, zakwaszenie.

• zanieczyszczenia organiczne: (ulegają biodegradacji, o różnej podatności na biodegradację i rozkład chemiczny) np. ropopochodne, WWA, związki chloroorganiczne, , dioksyny, PCB, pestycydy, z różnych grup chemicznych .

SKUTKI OBCNOŚCI ZANICZYSZCZEŃ W GLBIE:

• Zmiana składu chemicznego fazy stałej i roztworu glebowego

• niekiedy zmiana właściwości fizycznych gleby

Skutki obecności zanieczyszczeń w glebie - a roztwór glebowy

(Rys 5.1 książka)

Największe zagrożenie występuje gdy zanieczyszczenia występują w roztworze glebowym.

Wniosek: Unieruchomienie zanieczyszczeń w fazie stałej znacznie ogranicza negatywne skutki zanieczyszczenia.

SORPCJA JAKO MECHANIZM UNIERUCHAMIANIA ZANIECZYSZCZEŃ W GLBIE:

Sorpcja - zatrzymywanie w glebie składników pokarmowych (a także innych pożądanych lub niepożądanych substancji) co przeciwdziała ich wymywaniu.

RODZAJE SORPCJI: (zależne od mechanizmu zatrzymywania)

• mechaniczna

• fizyczna (siły spójności)

• wymienna ( wymiana jonów między kompleksem sorpcyjnym a roztworem glebowym)

• chemiczna ( zatrzymywaniu w glebie składników w postaci nierozpuszczalnych soli)

• biologiczna ( wbudowane w organizmy żywe)

Sorpcja wymienna - główny mechanizm unieruchomienia jonów. sorpcja wymienna polega na zatrzymywaniu składników obecnych w roztworze glebowym w postaci jonów w wyniku wymiany jonowej między roztworem glebowym a koloidalnym kompleksem sorpcyjnym.

Minerały ilaste i substancje organiczne jako sorbenty kationów

• główne składniki kompleksu sorpcyjnego

• minerały ilaste ( wtórne krystaliczne glinokrzemiany warstwowe)

• uwodnione tlenki żelaza i glinu

• minerały bezpostaciowe (alofany)

• próchnica glebowa

• kompleksy ilasto - próchnicze

Pojemność sorpcyjna:

• kaolinit 3 - 15

• haloizyt 5 - 10

• montmorylonit 80 - 120

• wermikulit 100 - 200

• illit 20 - 50

• próchnica 150 - 170

Reasumując: odporność gleby na zanieczyszczenie substancjami kationowymi - odpowiada zdolności sorpcyjnej gleby ( a zwłaszcza warstwy ornej)

SORPCJA ANIONÓW

• zachodzi w niewielkim stopniu

• sorpcja wymienna i specyficzna głównie Al i Fe

• aniony w roztworze glebowym np. HCO₃^- , NO₃^-, Cl^-, SO₄^-2, PO₄^-3, H₂PO₄^-2.

Przypomnienie:

T= K_h + S

gdzie:

T - całkowita pojemność sorpcyjna gleby wobec kationów odpowiada sumie katonów o charakterze kwaśnym ( K_h - kwasowość hydrolityczna)

OCENA ODPORNOŚCI GLEBY NA DEGRADACJĘ CHEMICZNĄ

Metoda 1

Na podstawie zawartości próchnicy:

• suma zawartości próchnicy nie zawsze w pełni informuje o właściwościach sorpcyjnych gleby

• np. piaski murszaste - bogate w substancje organiczną wykazują słabe właściwości sorpcyjne.

• zwięzłe gleby gliniaste, bogate w węglan wapnia wykazują dużą odporność na zakwaszenie niezależnie od zawartości próchnicy.

Metoda 2

Na podstawi całkowitej pojemności sorpcyjnej (wg Lityńskiego)

• duża całkowita pojemność sorpcyjna gleby nie gwarantuje wysokiej zdolności sorpcji kationów np. jeśli gleba jest silnie kwaśna.

Metoda 3

Na podstawie sumy kationów zasadowych (wg Siuty tab.)

Jest to obiektywna miara zdolności wymiany kationów - zarówno w stosunku do kationów wodorowych jak i innych np. metali ciężkich

Potencjalną odporność gleb na degradację chemiczną można szacować na podstawie zawartości próchnicy oraz zawartości i rodzaju minerałów lilastych

Udział gleb o różnych stopniach odporności na degradację:

1. gleby bardzo słabo odporne 37%

2. gleby słabo odporne 17%

3. średnio odporne 20%

4. odporne 10%

5. bardzo odporne 10%

6. bardzo silnie odporne 9%

ZAKWASZENIE GLEB - PRZYCZYNY I SKUTKI

Przyczyny naturalnego zakwaszenia gleb w Polsce:

• powstawanie naturalnych kwasów organicznych w procesie rozkładu i humifikacji materii organicznej

• wydzielanie CO₂ w wyniku procesów oddychania (podziemnych części roślin oraz mikro i mezo flory i fauny glebowej)

• wymywanie składników zasadowych w głąb profilu glebowego

Przyczyny antropogeniczne:

• kwaśne deszcze ( zwłaszcza H₂SO₄, oraz HNO₃ także NH₃)

• konsumpcja składników zasadowych przez rośliny, usuwanie wraz z plonem

• stosowanie nawozów mineralnych fizjologicznie kwaśnych

Odporność gleby na zakwaszenie= zdolność wymiennego i chemicznego wiązania( sorbowanie) jonów H⁺ z roztworu glebowego.

UKŁADY BUFOROWE W GLEBIE

Dzięki reakcją poszczególnych składników układu buforowego gleby mimo wprowadzenia do gleby kationów wodorowych nie rośnie znacznie ich stężenie w glebie.

Bufor Zakres pH

węglanowy 6,2 - 8,6

krzemianowy cały zakres pH zwłaszcza pH >5

wymiany jonowej szeroki zakres pH, zwłaszcza 4,2 - 5

glinowy < 4,2

glinowo - żelazowy <3,8

żelazowy <3,2

Bufor węglanowy:

2CaCO₃ + 2H⁺ → Ca(HCO₃)₂ + Ca²⁺

Dzięki tej reakcji, mimo wprowadzenia do gleby zawierającej węglan wapnia kationów wodorowych, nie rośnie stężenie tych kationów w roztworze glebowym ani też nie zajmują ani jednego miejsca w KS gleby.

(Tab 5.6 str 11

Bufor krzemianowy

Działanie tego bufora polega na reakcji jonów H⁺ z pierwotnymi krzemianami obecnymi w glebie, w wyniku czego są tworzone minerały ilaste.

Przykład: kaolinizacja skalenia potasowego

skaleń potasowy →kaolinit

K₂, Al₂₂Si₆O₁₆ + 3H⁺ → H₂Al₂Si₂O₈ + H₂O +3K⁺ + 4 SiO₂

W warunkach naturalnych reakcja ta zachodzi bardzo wolno.

Bufor wymiany jonowej

Bufor glinowy i żelazowy

W warunkach silnie kwaśnego odczynu radykalnie wzrasta rozpuszczalność związków Al. i Fe

Przy pH <4,2 - kompleksów hydroksyglinowych - w wyniku czego powstają wolne kationy Al⁺³

pH <3,8 - przy udziale rozpuszczonej substancji organicznej - rozkładowi ulegają także uwodnione tlenki Fe - powstają rozpuszczone kompleksy organiczne Fe

pH < 3,2 rozpoczyna się bardzo intensywny rozkład amorficznych i krystalicznych tlenków żelaza do wolnych jonów Fe⁺³

Wykład 5

Metale ciężkie w glebach - pochodzenie, formy i rozpuszczalności

Metale ciężkie metale o gęstości ponad 4,5 g/cm³

Metale ciężkie - funkcje fizjologiczne

1. niektóre metale = mikroelementy ( np. Cu, Zn, Mo, Fe)

2. inne - nie pełnią funkcji fizjologicznych (np. Cd, Pb, Hg)

WSZYSTKIE SĄ W NADMIARZE TOKSYCZNE

Najważniejsze źródła metali ciężkich w glebie

Naturalne: Antropogeniczne:

- skałą macierzysta - opady atmosferyczne (pyły różnego pochodzenia np. Pb ze spalin samochodowych)

-próchnica (naturalna bioakumulacja) - zanieczyszczenie wody, ścieki odpady

-nawozy i pestycydy

Znajomość naturalnej zawartości metali w glebie niezbędne jest minimum aby odpowiedzieć na pytanie:

Czy gleba została zanieczyszczona metalami ciężkimi ze źródeł antropogenicznych?

Naturalne źródła metali ciężkich

METALE CIĘZKIE W RÓŻNYCH SKAŁACH:

• w skałach kwaśnych i zasadowych

Nikiel:

• tło geochemiczne 80mg/kg

• Skały kwaśne (granit) 20mg/kg

• Skały zasadowe (bazalt) 140 mg/kg

• Skały ultrazasadowe (serpentynity) 3000mg/kg

Serpentynity na Dolnym Śląsku

• Rejon Niemczy

• Rejon Masłowic i Jordanowa

• Rejon Ząbkowic Śląskich (Szklary)

• w skałach geochemicznie wzbogaconych w metale ciężkie

• przykłady wychodni łupków miedzionośnych na wzgórzu W. Młynik (PK Chełmy)

• wychodnie dolomitów ołowionośnych w rejonie Tarnowskich Gór

Typowe zawartości wybranych metali ciężkich różnych skałach macierzystych gleb (rysunek)

• w glebach lekkich i ciężkich

• piaski i piaskowce są uboższe w metale ciężkie od glin, iłów, łupków ilastych

• uwaga: w Polsce dominują gleby wytworzone z piasków

Naturalna bioakumulacja źródłem metali ciężkich w glebie.

Efekt: zawartości metali w poziomach próchnicznych (A) wyższe niż w poziomach

Antropogeniczne źródła metali ciężkich (przykłady)

• opady pyłu z atmosfery

Przykład rejonu Huty Miedzi Głogów: Cu w powierzchniowych poziomach gleb.

Do roku 2002 określony w Polsce dopuszczalny opad pyłu

Pb= 0,1g/m²*rok

Cd= 0,01g/m²*rok

Co odpowiada wzrostowi zawartości w glebie:

Pb - 0,5g/kg * rok

Cd - 0,05g/kg * rok

• Nawozy źródłem metali ciężkich

• nawozy mineralne:

• nawozy fosforowe: 0,1- 170 mg/kg Cd, 2 - 1200 mg/kg As, 50 - 1500 mg/kg Zn

• wapno nawozowe np. pokutnicze do 5% Zn

• nawozy organiczne:

• gnojowica do 50 mg/kg As, (stymulator wzrostu dla drobiu)

• obornik

• niekonwencjonalne nawozy organiczne:

• osady ściekowe do 5% Cr i Zn do OX………..Pb , Cu Cd

• komposty z odpadów miejskich….

• Pestycydy jako źródło metali ciężkich (przykłady)

• Fungicydy:

• Hg - zaprawy rtęciowe (już nie stosowane)

• Cu - Miedzian 50 (tlenochlorek miedzi) ciecz bordoska

• Zn - Zineb Menkozeb

• Inne (insektycydy, rodentycydy)

• As - arseniany Pb i Ca , arsenian Na, związki arsenoorganiczne?

• Zn - fosforek cynku

Zawartość Cu w glebach winnic (po wielu latach stosowania fungicydów miedziowych) 110-1500mg/kg

ODDZIAŁYWANIE METALI CIĘZKICH W GLEBACH NA EKOSYSTEM

Ekologiczne skutki (między innymi fito przyswajalność i fitotoksyczność) zależą:

• nie tylko od zawartości całkowitej w glebie

• ale także od form chemicznych i ich rozpuszczalności

Znaczenie ekologiczne metali ciężkich w glebie uwarunkowane jest ich przejściem z fazy stałej do roztworu glebowego

CYNNIKI DECYDUJĄCE O ROZPUSZCZALNOŚCI METALI CIĘŻKICH W GLEBIE:

1. Całkowita pojemność sorpcyjna wobec kationów

2. odczyn pH

3. warunki tlenowe

4. obecność łatwo rozpuszczalnych substancji kompleksujących

Ad. 1

• dzięki wysokiej energii wejście do KS, metale są silnie sorbowane wymiennie

• mineralna frakcja ilasta

• kaolinit 3 - 15 C mol(+)/kg

• illit 20 - 50

• wermikulit 150 - 200

• substancja organiczna

• próchnica glebowa 180 - 300 C mol (+)/kg

• tlenki: Fe , Al, Mn 5 - 30 C mol(+)/kg

Ad. 2

• niskie pH (środowisko kwaśne) - duża rozpuszczalność

• wysokie pH (obojętne lub alkaiczne) niska rozpuszczalność metali ciężkich

• ale dla metali tworzących w roztworze formy anionowe: zależność odwrotna wzrost rozpuszczalności ze wzrostem pH

Mo (MoO₄^2-)

As ( AsO₃^3-)

Cr (Cr₂O₇^2-)

• niektóre metale kationowe ( np. Cu, Zn) wykazują wzrost rozpuszczalności przy bardzo wysokim pH

Ad. 3

Reakcje w glebie Efekty

Zużywanie O₂ -

redukcja NO₃^- -

redukcja (rozpuszczanie) rozpuszczanie okludowane

MnO₂→ Mn²⁺

Ad. 4

Proces bielicowania w glebie

• (efekt między innymi kompleksowanie Fe i Al. przez kwasy fulwowe)

CZYNNIKI DECYDUJĄCE O POBIERANIU METALI CIĘZKICH Z GLEBY PRZEZ ROŚLINY:

1. gatunek rośliny (ogólna zależność: warzywa liściowe > zboża)

2. genotyp (odmiana, …)

3. morfologia rośliny (kształt) np. szorstkość liści (tytoń)- wrażliwość na pył opadający, kapusta - osłonięte liście wewnętrzne

4. część rośliny

5. faza rozwoju

6. interakcje jonowe (synergizm lub autogonizm) np

P ↔Zn Se↔S Cd↔Zn

Sr↔Ca P(PO₄^3-)↔As(AsO₄^3-)

7. akumulatory i hiperakumulatory

np. Cd - Thlaspi caerulescens

Se - Astragames??

Ocena stopnia zanieczyszczenia metalami ciężkimi gleb uprawnych. Do roku 19993 ocena stopnia zanieczyszczenia metalami ciężkimi gleb uprawnych w Polsce była możliwa tylko w oparciu o Rozporządzenie Ministra Rolnictwa w/s rolniczego wykorzystania ścieków

Wytyczne IUNG w/s oceny stopnia zanieczyszczeń gleb metalami ciężkimi

• wyznaczono 5 stopni zanieczyszczeń metalami

Stopień 0 - gleby niezanieczyszczone o naturalnej zawartości metali ciężkich

Stopień I - gleby o podwyższonej zawartości metali ciężkich

stopień II - słabo zanieczyszczone

Stopień III - średnio zanieczyszczone

Stopień IV - silnie zanieczyszczone

Stopień V - bardzo silnie zanieczyszczone

podano kryteria oceny.

Wykład 6

Problem zanieczyszczenia gleb metalami ciężkimi ma w Polsce charakter lokalny i występuje głównie w rejonie emisji.

Jednak tam gdzie gleby wykazują znaczne zanieczyszczenia metalami ciężkimi konieczna jest rekultywacja.

W świetle polskiego prawa: Dopuszczalne zawartości metalami ciężkimi w glebach regulują standardy gleb zebrane w Rozporządzeniu Ministra.

DEGRADACJA CHEMICZNA

Prawne regulacje dotyczące gleb w Polsce

• ustawa z dnia 03.02. 1995 r. o ochronie gruntów rolnych i leśnych

• ochrona gleb w kontekście ich użyteczności

• ustawa z dnia 27.04. 2001 r. Prawo ochrony środowiska

• ustawa z dnia 13.04. 2007 r. o zapobieganiu szkodą w środowisku i ich naprawie

USTAWA: Prawo ochrony środowiska (2001)

Część II Ochrona zasobów środowiska

Dział IV Ochrona powierzchni ziemi

Art. 101

Ochrona powierzchni ziemi polega na zapewnieniu jak najlepszej jej jakości w szczególności poprzez:

1. racjonalne gospodarowanie

2. zachowanie wartości przyrodniczych

3. zachowanie możliwości produkcyjnego wykorzystania

4. ograniczenie zmian naturalnego ukształtowania

5. utrzymywanie jakości gleb i ziemi powyżej lub co najmniej na poziomie wymaganych standardów

6. doprowadzenie jakości gleb i ziemi co najmniej do wymaganych standardów

Ogólnie - dla gleb zanieczyszczonych:

Dopuszczalne zawartości zanieczyszczeń w glebach regulują standardy jakości gleb i ziemi

Rozporządzenie Ministra Środowiska z 09.09. 2002 r.

• uwzględnia około 50 substancji w tym metale ciężkie i różne zanieczyszczenia organiczne

• wyodrębnia 3 kategorie sozologiczne obszarów: A, B, C

• uwzględnia głębokość oraz przepuszczalności gruntu

• nie bierze się pod uwagę właściwości gleby takich jak :odczyn , zawartość próchnicy i pojemności sorpcyjne - TE ZAGROŻENIA DECYDUJĄ O ZAGROŻENIU EKOLOGICZNYM

WYKAZ SUBSTANCJI UJĘTYCH W STANDARDACH

I metale ciężkie ( As, Ba, Cr, Zn, Cd, Co, Cu, Mo, Ni, Pb, Hg)

II nieorganiczne (cyjanki)

III węglowodory( benzyna, oleje mineralne, węglowodory aromatyczne, WWA)

IV węglowodory chlorowane (między innymi PCB)

V środki ochrony roślin

VI pozostałe zanieczyszczenia

Zgodnie z ustawą Prawo ochrony środowiska gleby nie spełniające standardów jakości należy rekultywować.

Dwie strategie rekultywacji gleb zanieczyszczonych:

• unieruchomienie

• usunięcie

ZASOLENIE GLEB

Zasolenie - zawartość w glebie soli rozpuszczalnych w wodzie a zwłaszcza: chlorków Cl^- , siarczanów SO₄^-2 i azotanów NO₃^-.

• analiza zasolenia gleby opiera się na oznaczeniu elektrolitycznego przewodnictwa właściwego ekstraktu gleby w wodzie destylowanej

• jednostki zasolenia: 1mS/cm =1000 μS/cm = 100 mS/m ( 1000 μS/cm odpowiada ok. 2,23 g NaCl/kg gleby to jest 0,22% w warunkach ekstrakcji 1:5)

KLASY ZASOLENIA GLEB WEDŁUG ZALECEŃ FAO: KLASY 0-3

0 - nie zasolone

1 - lekko zasolone

2 - średnio zasolone

4 - wysoko zasolone

ZASOLENIE GLEB:

• problem zasolenia gleb dotyczy głównie :

• gleb klimatu aridowego (suchego, gorącego) - sołańce, sołańczaki, sołodie i takyrzy - a w szczególności gleb nawodnonych w tej strefie klimatycznej (przewaga parowania nad wsiąkaniem → stały wzrost koncentracji soli w glebie)

• gleby typu marszów ( w początkowym okresie ich użytkowania)

• gleb intensywnie nawadnianych (np. ściekami lub gnojowicą)

• gleb narażonych na antropogeniczny dopływ soli (np. wzdłuż dróg)

GŁÓWNE ANTROPOGENICZNE ŹRÓDŁA ZASOLENIA GLEB:

• likwidacja śliskości dróg ( problem zasolenia występuje przejściowo - dotyczy zimy i wczesnej wiosny, znika latem)

Wykład 7

ZANIECZYSZCZENIE GLEB ZWIAZKAMI ORGANICZNYMI. REKULTYWACJA GLEB ZDEGRADOWANYCH CHEMICZNIE.

SPECYFICZNE CECHY ZANIECZYSZCZEŃ ORGANICZNYCH W GLEBIE:

• Podatność na biodegradację - z pośród związków organicznych szczególnie uciążliwe są te trudno podatne na biodegradację

• Podatność na rozkład chemiczny, fitochemiczny lub termiczny

• Ograniczona (choć zróżnicowana) rozpuszczalność w wodzie

• cechy hydrofobowe

• Zróżnicowana (niekiedy znaczna) lotność to jest zdolność do odparowywania (miarą lotności jest temperatura wrzenia oraz prężność pary)

Ilustracja specyficznych cech zanieczyszczeń organicznych w glebie na przykładnie substancji ropopochodnych (Tabela podr)

Zagrożenie środowiska glebowego przez różne frakcje ropy nafty

Przepływ wody w glebie zanieczyszczonej ropopochodnymi

Ropopochodne w glebie - rozmieszczenie profilowe

SZCZEGÓLNIE NIEBEZPIECZNE ZANIECZYSZCZENIA ORGANICZNE W GLEBIE:

• trwałe

• trudno podatne na biodegradację

• silnie toksyczne

Przykłady:

• dioksyny

• PCB

• substancje wybuchowe np. TNT (trójnitrotoluen)

- trafiają do gleb w wyniku wycieków, awarii, miejscach przeładunku, transporcie.

• pestycydy

SKALA DEGRADACJI CEMICZNEJ GLEB W EUROPIE:

Według niektórych danych w Europie Zachodniej jest 1400000 obiektów wykazujących zanieczyszczenie gleb (dane 1990)

Obecnie obowiązek rekultywacji!!!

Dwie strategie rekultywacji gleb zanieczyszczonych:

1. unieruchomienie zanieczyszczeń w formie stałej = zmniejszenie rozpuszczalności - nie stosuje się, nie zgodne z prawem

2. usunięcie zanieczyszczeń z gleby ( lub ich rozkład w przypadku związków organicznych) - metoda obowiązująca

Ad. 1

Metody proste, tanie. „Bomba z opóźnionym zapłonem”

W świetle polskiego prawa (standardy jakości) konieczne jest skuteczne usuwanie zanieczyszczeń z gleby czyli stosowanie drugiej strategii.

USUWANIE ZANIECZYSZZEŃ Z GLEB

Możliwe sposoby:

• In situ - na miejscu

• ex situ - poza miejscem, gdzie nastąpiło zanieczyszczenie, w zakładzie oczyszczania gleb.

Pierwszy etap rekultywacji gleb zanieczyszczonych substancjami organicznymi - mechaniczne sczerpywanie zanieczyszczeń.

Faza rekultywacji wstępnej → zczerpywanie wolnego produktu

Faza rekultywacji właściwej → In situ

↓

ex situ

MECHANIZM USUWANIA ZANIECZYSZCZEŃ Z GLEBY:

• wymywanie - dotyczy różnych zanieczyszczeń

• gorącą parą wodną

• gorącą wodą

• woda z dodatkiem detergentów

• woda z dodatkiem innych związków zwiększających rozpuszczalność (np. metali ciężkich)

• Odparowywanie - dotyczy zanieczyszczeń lotnych (organicznych i nieorganicznych np. Hg)

• Rozkład - dotyczy substancji organicznych

• biologiczny = biodegradacja

• fitochemiczny

• termiczny

• Fitoremediacja (fito ekstrakcja) pobieranie przez rośliny

• dotyczy metali ciężkich ale też niektórych zanieczyszczeń organicznych

Wymywanie z gleby in situ

• wprowadzenie wody ze środkiem zwiększającym rozpuszczalność zanieczyszczeń (np. detergentem)

• studnie ujmujące wodę zanieczyszczoną

• oczyszczanie ścieków - odzysk wody i unieszkodliwienie znieczyszceń

• kontrola jakości wód podziemnych

zalety	wady
- tanie	- nie wszystkie zanieczyszczenia dają się tak usunąć
-proste technicznie	- ryzyko przedostania się zanieczyszczeń do wód gruntowych
	konieczność oczyszczania zużytej wody

Wymywanie zanieczyszczeń ex situ

Schemat procesu:

1. przygotowanie gleb (przesianie, kruszenie, mieszanie z wodą)

2. wprowadzenie czynnika ekstrahującego

3. proces przemywania (ekstrakcji) - ekstrakcja, płukanie, frakcjonowanie

Otrzymuje się:

• glebę oczyszczoną

• odciek do dalszego oczyszczania

• osad zawierający frakcję drobno zdyspergowaną

Ocena procesu:

• Metoda skuteczna do usuwania z gleb szerokiego spektrum zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych np.

• chlorowanych i niechlorowanych związków organicznych

• pestycydów

• PCB

• metali ciężkich

• Można oczyszczać praktycznie jedynie gruboziarnisty piasek i żwir (optymalne efekty dla uziarnienia 0,25 - 2,0 mm)

• Duże koszty, gleba wyjałowiona

Termiczny rozkład bądź desorpcja zanieczyszczeń z gleby - ex situ

Schemat procesu termicznej desorpcji:

1. przygotowanie gleby (przesianie , kruszenie)

2. ogrzewanie gleby ( w temp. 50 - 600°C) - zależnie od potrzeb. Desorpcja (odparowanie) zanieczyszczeń od najbardziej lotnych do najmniej.

3. Niezbędny system oczyszczania gazu

Otrzymuje się:

• glebę oczyszczoną ale pozbawioną próchnicy , związków organicznych i innych

• zatężone zanieczyszczenia

W przypadka bardzo łatwo lotnych zanieczyszczeń - możliwe próżniowe (podciśnieniowe) odparowywanie In situ

Proces biodegradacji ropopochodnych w glebach

Organizmy glebowe zdolne do rozkładu węglowodorów:

• znanych jest ponad 100 gatunków bakterii, grzybów i promieniowców zdolnych do wykorzystania węglowodorów jako źródło węgla i energii.

Przykłady:

• Bakterie : Bacillus, Achromobacter, Pseudomonas, Nocardia.

• Grzyby: Trichoderma Aspergillus

• Promieniowce: Penicillum

Wykład 8

DEGRADACJA GEOMECHANICZNA GLEBY, PODSTAWY REKULTYWACJI, WYBÓR KIERUNKU ZAGOSPODAROWANIA

Degradacja geomechaniczna

• polega na częściowym lub całkowitym mechanicznym zniszczeniu profilu glebowego (powierzchni litosfery) i związane jest ze zmianą dotychczasowych warunków geomorfologicznych.

• Zachodzi głównie pod wpływem robót górniczych i budowlanych, tworzenie wysypisk, zwałowisk i zbiorników retencyjnych, obwałowań oraz wydobywanie torfów.

Rzeźba powierzchni terenów zdegradowanych geomechanicznie:

• formy wypukłe (zwały),

• formy wklęsłe (wyrobisko).

Typy zwałowisk:

• wgłębne (zagłębione),

• nadpoziomowe:

• w odkrywce,

• na gruncie rodzimym,

• niwelacyjne (poziome):

• w odkrywce,

• w naturalnych zagłębieniach,

• w niecce osiadania,

• stokowe.

Kształty zwałowisk:

• stożkowe i kopulaste,

• stołowe,

• płaskie,

• grzbietowe (grobowe),

• nieregularne.

Rodzaje wyrobiska (warunki wodne):

• suchogruntowe - zwierciadło wody gruntowej leży poniżej spągu,

• zawodnione - gdzie spąg stale przykryty jest wodą i występuje poniżej naturalnego poziomu wód gruntowych napływających do wyrobiska.

Górnictwo odkrywkowe jako przyczyna degradacji. Formy degradacji geomechanicznych w górnictwie odkrywkowym (zwałowiska zewnętrzne i wewnętrzne).

Nieracjonalne i racjonalne gospodarowanie nadkładem

Wg ustawy o ochronie gruntów rolnych i leśnych, przed przystąpieniem do prac ziemnych - może być na wykonawcę nałożony obowiązek zajęcia warstwy próchnicznej.

O wielkości zwałowiska i wyrobiska końcowego decyduje m.in. stosunek nadkładu do kopaliny.

Przykłady dla polskich kopalni węgla brunatnego:

• Adamów 7,5:1,

• Kazimierz 7,9:1,

• Bełchatów 2,8:1,

• Turoszów 1,5:1.

Najważniejsze surowce eksploatowane odkrywkowo w Polsce:

• - węgiel brunatny,

• - siarka,

• - surowce skalne luźne (iły, gliny, piaski, żwiry, kruszywo naturalne),

• - surowce skalne - skały lite (kamień drogowy i budowlany, np. granit, bazalt, marmur, piaskowiec itp.).

Górnictwo podziemne jako przyczyna degradacji. Formy degradacji:

• deformacje terenu,

• hałdy skały płonej,

• składowiska odpadów przeróbczych (np. poflotacyjnych),

• możliwe zawodnienie terenu.

Surowce eksploatowane podziemnie:

• węgiel kamienny,

• rudy miedzi,

• siarka (metoda Frasha),

• sól kamienna,

• ponadto: ropa naftowa, gaz ziemny.

Osiadanie terenu - na obszarze górnictwa węgla kamiennego i miedzi. Przykłady:

• Górny Śląsk - Bytom: maksymalnie 21 m w ciągu XX wieku,

• Górny Śląsk - rejon KWK Makoszowy (Zabrze) - do 12 metrów,

• Rejon Wałbrzycha - osiadanie wiaduktu w rejonie stacji PKP Wałbrzych Główny - 9 m w ciągu XX wieku,

• Górnictwo miedzi (LGOM) - osiadanie terenu do 3,5 m w rejonie Gilowa koło Lubina.

Przetwórstwo rud i kopalin - dodatkowe źródło degradacji.

• odpady poflotacyjne górnictwa miedzi oraz cynku i ołowiu,

• odpady przetwórcze górnictwa węglowego.

Podstawy rekultywacji gleb

• Rekultywacja gruntów jest to nadawanie lub przywrócenie gruntom zdegradowanym albo zdewastowanym wrr ości użytkowych lub przyrodniczych, przez właściwe ukształtowanie rzeźby, poprawienie właściwości fizycznych i chemicznych, uregulowanie stosunków wodnych, odtworzenie gleb, umocnienie skarp oraz zbudowanie lub odnowienie niezbędnych dróg. ( ustawa o ochronie gruntów rolnych i leśnych z 1995 roku.)

• Rekultywacja w związku z niekorzystnym przekształceniem naturalnego ukształtowania terenu polega na przywróceniu do stanu poprzedniego.

• Rekultywacja zanieczyszczonej gleby lub ziemi polega na przywróceniu jej właściwości do stanu wymaganego standardami jakości (Art. 103 Prawo Ochrony Środowiska 2001)

Zagospodarowanie gleb:

• po rekultywacji następuje etap zagospodarowania,

• zagospodarowanie gleb to rolnicze, leśne lub inne,

• wyróżnia się zagospodarowanie:

• przedplonowe (niekoniecznie),

• docelowe.

OGÓLNE ZASADY REKULTYWACJI TERENÓW ZDEGRADOWANYCH GEOMECHANICZNIE

Rekultywacja biologiczna:

cel: „ożywienie gleby”

obejmuje następujące zbiegi:

• zabezpieczanie stateczności zboczy obudową biologiczną

• uprawa mechaniczna

• nawożenie

• wzbogacanie gleb w substancje organiczną

• zabiegi służące regulacji stosunków wodnych

• wprowadzenie roślinności pionierskiej lub docelowej

Sposób prowadzenie rekultywacji technicznej i biologiczne zależy od planowanego kierunku zagospodarowania.

Kierunki:

1. rolniczy:

1. GO,

2. TUZ,

3. Sady,

2. leśny:

1. lasy produkcyjne,

2. lasy ochronne,

3. inny:

1. rekreacyjny,

2. trwałe zadarnianie,

3. wodny,

4. specjalny (np. składowisko odpadów),

5. „ekologiczny”.

Wybór kierunku zagospodarowania. Czynniki decydujące:

• geomorfologia obiektu, nachylenie stoków,

• rodzaj utworów (tzw. przydatność rekultywacyjna oraz możliwość przykrycia warstwą żyźniejszą),

• warunki wodne,

• zgodność z lokalnym planem zagospodarowania przestrzennego,

• czynniki ekonomiczne,

• inne czynniki (np. ochrona przyrody).

Kryteria wyboru rolniczego kierunku:

• potencjalnie produktywne utwory (o wysokiej przydatności),

• niewielkie spadki terenu,

• uregulowane stosunki wodne,

• zapotrzebowanie na produkty rolne,

• odpowiednia infrastruktura terenu,

• brak źródeł emisji zanieczyszczeń,

• czynniki ekonomiczne.

Kryteria wyboru leśnego kierunku:

• słabo produktywne utwory,

• znaczne spadki terenu (funkcja przeciwerozyjna lasu),

• uregulowane stosunki wodne,

• sąsiedztwo źródeł emisji (funkcja fitosanitarna lasu).

Kryteria wyboru wodnego kierunku:

• wyrobiska odwodnione podczas eksploatacji - z możliwością wypełnienia wyrobiska wodą,

• spąg i skarpy trudno przepuszczalne - „glinianki”,

• perspektywa zalania wyrobiska po zakończeniu dopompowywania wody (powrót dynamicznego zwierciadła wody do stanu pierwotnego) - niezależne od przepuszczalności utworów,

• wyrobiska, gdzie eksploatacja odbywa się „spod wody”.

Przykłady zagospodarowania w kierunku specjalnym - przyrodniczym:

• Wojcieszów - konieczność zachowania rzadkich gatunków mięczaków występujących endemicznie na skałach wapiennych,

• Wilcza Góra - kamieniołom bazaltu, konieczność zachowania unikalnego ciosu bazaltowego tzw. róży bazaltowej,

Wykład 9

KWALIFIKACJA PRZYDATNOŚCI REKULTYWACYJNEJ WG SKAWINY - OGÓLNA ZASADA

Przydatność rekultywacyjna utworów ze zwałów:

• bardzo przydatne (docelowo - gleby I - III klasy bonitacyjnej)

• potencjalnie przydatne

• jałowe

• toksyczne ( wymagają niekiedy izolacji 0,8 - 1,2m warstwą innych utworów)

Tabela książka 209

Klasyfikacja przydatności rekultywacyjnej według liczby bonitacyjnej (LB)

Przydatność rekultywacyjną można określić na podstawie sparametryzowanej wartości tak zwanej liczby bonitacyjnej.

LB > 75 klasa A - utwory bardzo dobre, przydatne do rekultywacji rolnej

LB 50 - 75 klasa B - utwory dobre , przeznaczone do rekultywacji leśnej

LB 20 - 50 klasa C - utwory wadliwe, do rekultywacji leśnej po częściowym ulepszeniu

LB <20 klasa D - utwory złe, nieproduktywne ( wymagające użyźniania lub izolacji)

Wskaźniki:

• litologiczny ( granulometryczny) 0 - 60 pkt.

• wapniowy 0 - 15 pkt.

• spoistości 0 - 10 pkt.

• sorpcji 0 - 15 pkt.

• genezy 0 - 25 pkt.

Rekultywacja techniczna obejmuje

• odpowiednie ukształtowanie rzeźby terenu

• wyrównanie powierzchni zwałów i spągów

• nadawanie zboczą odpowiednich nachyleń

• regulacja warunków wodnych

• odtworzenie okrywy glebowej

• neutralizacja gruntów toksycznych i użyźnienie jałowych

• budowę dróg dojazdowych i infrastruktury terenu

Skarpy o dużych spadkach powinny być zabezpieczone w szczególny sposób:

• faszyna - wiązki chrustu i gałęzi, najczęściej z wikliny lub brzozy

• maty zabezpieczające

• ……….. np. z wsiewkami traw

Stosowanie terasowania skarp

• zapobieganie erozji poprzez zmniejszenie wysokości i ciągłości stoku

• drogi o znaczeniu technologicznym i komunikacyjnym.

WYKŁAD 10

Sposób prowadzenie rekultywacji technicznej i biologiczne zależy od planowanego kierunku zagospodarowania.

Kierunki:

4. rolniczy:

1. GO,

2. TUZ,

3. Sady,

5. leśny:

1. lasy produkcyjne,

2. lasy ochronne,

6. inny:

1. rekreacyjny,

2. trwałe zadarnianie,

3. wodny,

4. specjalny (np. składowisko odpadów),

5. „ekologiczny”.

Wybór kierunku, czynniki decydujące:

• geomorfologia obiektu, nachylenie stoków,

• rodzaj utworów (tzw. przydatność rekultywacyjna oraz możliwość przykrycia warstwą żyźniejszą),

• warunki wodne,

• zgodność z lokalnym planem zagospodarowania przestrzennego,

• czynniki ekonomiczne,

• inne czynniki (np. ochrona przyrody).

Kryteria wyboru rolniczego kierunku:

• potencjalnie produktywne utwory (o wysokiej przydatności),

• niewielkie spadki terenu,

• uregulowane stosunki wodne,

• zapotrzebowanie na produkty rolne,

• odpowiednia infrastruktura terenu,

• brak źródeł emisji zanieczyszczeń,

• czynniki ekonomiczne.

Podział na 5 klas - klasyfikacja gleb

I - III potencjalnie produktywne

IV jałowe

V gleby nieproduktywne

REKULTYWACJA BIOLOGIZNA WYKORZYSTUJE 3 ZABIEGI:

• uprawę mechaniczną - rozdrabnianie materiału, kruszenie, napowietrzanie, suszenie chemiczne, fizyczne przy pomocy urządzeń rolniczych,

• nawożenie - analiza gruntu i uzupełnienie substancji organicznej i mineralnej lub organiczno - mineralnej

• uprawa roślin - wytwarzanych dużą ilość masy będącej substratem do tworzenia próchnicy.

Rekultywacja biologiczna - jest ro zespół prac i zbiegów mających na celu wytworzenie z gruntu skały warstwy gleby o możliwie dużej aktywności biologicznej.

W rekultywacji duże znaczenie ma odczyn gleby, którą chcemy rekultywować. Odczyn toksyczny poniżej 4 i powyżej 8. Przy odczynie alkalicznym następuje intensywny rozkład próchnicy.

TERNY ZDEGRADOWANE, KTÓRE PO REKULTYWACJI BIOLOGICZNEJ MOGĄ BYĆ ZAGOSPODAROWANE W KIERUNKU ROLNICZYM:

• Zwałowiska wewnętrzne i zewnętrzne po eksploatacji węgla kamiennego,

• zwałowiska wewnętrzne i zewnętrzne po odkrywkowej eksploatacji siarki

• składowiska niwelacyjne odpadów poeksploatacyjnych węgla kamiennego

• tereny zdegradowane po eksploatacji piasku (budowlanego, podsadzkowego)

• tereny zdegradowane po eksploatacji torfu niskiego i wysokiego

• tereny zdegradowane po eksploatacji materiałów piaszczystych (gliny)

• tereny zdegradowane po eksploatacji margli i wapieni

Świat ożywiony, głównie roślinność jest istotnym czynnikiem glebotwórczym. Jest on najważniejszym ogniwem glebotwórczym, który łącznie z klimatem zmienia właściwości tworzywa glebowego, kształtuje typ gleb i jej produktywność.

Założenia te są teoretyczną podstawą biologicznej rekultywacji terenów zdegradowanych (nieużytki poprzemysłowe)

Roślinność pionierska zarówno zielna jak i drzewa jest podstawą biologicznej rekultywacji terenów zdegradowanych. Szczególne właściwości przypisuje się rośliną motylkowym, trawom oraz chwastom posiadającym zdolność wiązania azotu poprzez symbiozę z odpowiednią grupą bakterii.

Wprowadzony płodozmian rekultywacyjny - wytworzona biomasa przeznaczona jest na przyoranie.

PŁODOZMIAN REKULTYWACYJNY NA GLEBY GLINIASTE:

1. nostrzyk,

2. nostrzyk (zaoranie),

3. nostrzyk + kupkówka,

4. nostrzyk + kupkówka (zaoranie),

5. mieszanka zbożowa z wsiewką traw,

6. trawy.

PŁODOZMIAN DLA I ETAPU

1. koniczyna biała + zwykła+ stokłosa bezostna

2. koniczyna biała + zwykła+ stokłosa bezostna ( zaoranie)

3. esparceta ?? siewna + komonica zwyczajna + kupkówka pospolita

Z tony suchej masy wytwarza się tylko 10 % próchnicy.

PRZESŁANKI DECYDUJĄCE O ZAGOSPODAROWANIU SECJALNYM

• wyrobisko po zakończeniu eksploatacji jest zawodnione

• istnienie szczególnych walorów przyrodniczych

• konieczność zachowania istniejącego układu siedlisk dla zachowania równowagi biologicznej

• brak w pobliżu terenów rekreacyjnych

Możliwości zagospodarowania terenów zdegradowanych:

• baseny wodne z plażami, trawami wodnymi do pływania i żeglugi,

• zbiorniki wody czystej

• tereny spacerowe, place gier i zabaw

• tereny wypoczynkowe z placami zabaw i wolnymi przestrzeniami

• obiekty kulturalne - muszle koncertowe, estrady, kina letnie.

• obiekty przyrodnicze - rezerwaty geologicznie przyrodnicze, regionalne,

• tory saneczkowe, narciarskie, trasy rowerowe, trasy do jazdy na wrotkach

• punkty widokowe

• szklarnie, szkółki roślin, hodowla zwierząt

• uprawy rolne, kwiatowe,

• kompozycje, twórcze rzeźby

• pola namiotowe, kempingi, biwaki wraz z zapleczem

• formy przestrzenne, kompozycje architektoniczne

Rekultywacja biologiczna jest najistotniejszym i najkosztowniejszym sposobem przywracania terenu do użyteczności.

Wykład 11

Mieszanki trawiaste:

• suche stanowiska i wilgotne

• duże nawożenie azotem→ dawki dzielone

• P 60, K 80 kg/ha

• wilgoć

Mieszanki motylkowo - trawiaste:

• bardzo dobrze się uzupełniają w mieszankach

• gatunki z silnym systemem korzeniowym i dużym plonem nadziemnym

• mają duże znaczenie w budowie biologicznej skarp: kostrzewa owcza, kostrzewa czerwona, mietlica pospolita

Gdy zastosujemy życicę trwałą która jest nieodporna na suszę to długich suszach zwiędnie.

Trawy gazonowe→ nie tworzą dużej masy nadziemnej, rekultywacja hałd, tworzą zwarty system korzeniowy - zapobiega erozji.

Gatunek musi być dobrany do stanowiska.Podział traw wg wymagań wilgotnościowych:

• trawy stanowisk suchych:

• Kostrzewa owcza,

• Kostrzewa czerwona,

• Kupkówka pospolita,

• Mietlica pospolita,

• Rajgras wyniosły,

• Stokłosa bezostna,

• Trawy stanowisk umiarkowanie wilgotnych:

• Kostrzewa łąkowa,

• Tymotka łąkowa,

• Wiechlina łąkowa,

• Życica trwała,

• Życica wielokwiatowa,

• Trawy stanowisk wilgotnych:

• Kostrzewa trzcinowa,

• Mietlica biaława,

• Mozga trzcinowata,

• Wiechlina błotna,

• Wyczynie łąkowy.

Podział roślin motylkowych pod względem wymagań wilgotnościowych:

• Stanowiska suche:

• Koniczyna zwyczajna,

• Lucerna chmielowa (nerkowata),

• Lucerna mieszańcowa,

• Stanowiska umiarkowanie wilgotne:

• Koniczyna biała i łąkowa,

• Esparceta siewna,

• Stanowiska wilgotne:

• Koniczyna białoróżowa (szwedzka).

Zalety mieszanek:

• uzupełniają się nawzajem

• trawy wykorzystują wodę z warstw wierzchnich, motylkowe głębiej

• motylkowe symbioza z bakteriami brodawkowymi,

• roślin motylkowych nie trzeba nawozić azotem, oprócz dawki startowej N do 40kg/ha w mieszankach trzeba bo nie zaspokoję potrzeb traw

• 2 - 3 liście właściwe symbioza z bakteriami brodawkowymi

Od kierunku zagospodarowania zależy ile lat się wysiewa mieszanki itp. najdłużej trwa to w kierunku rolniczym. W kierunku leśnym już można już po roku, ale zwykle 2 - 3 lat.

WARUNKI DO ZAGOSPODAROWANIA LEŚNEGO

• duże spadki

• grunty jałowe, piaski i żwiry

• w pobliżu zakładów przemysłowych

Wg Skawiny gatunki przedplonowe miały przygotować grunt pod zagospodarowanie leśne.

• Gatunki drzew i krzewów zalecane do nasadzeń na zwałach węgla brunatnego (Turów):

• - olsza szara i czarna,

• - robienia akacjowa,

• - topole,

• - modrzew europejski,

• - jarząb pospolity,

• - dąb czerwony,

• - brzoza brodawkowata,

• - lipa drobnolistna.

• - rokitnik zwyczajny,

• - sumak octowiec,

• - róża pomarszczona.

Dlaczego las???

• mamy ich za mało

• zagospodarowanie leśne jest tańsze

Funkcje lasu:

• Warunki klimatyczne - łagodzi zmiany klimaty,

• Znaczenie gospodarcze,

• Znaczenie ekologiczne,

• Regulacja wilgotności powietrza (stepowienie środkowego pasa Polski brak lasów wpływ na warunki klimatyczne),

• Rekreacyjna,

• Produkcja drewna,

• Łagodzenie skutków powodzi (szczególnie w górach),

• Bardzo duża pojemność wodna ściółki leśnej,

• Na koronach drzew zatrzymuje się do 5 litrów/m² opadu, niekiedy nic nie dociera do gleby,

• Gleba jest bardzo przesuszona głębiej, większa wilgotność jest przy powierzchni gleby - inaczej niż na GO.

PIONIERSKIE GATUNKI DRZEW:

• olsza szara czarna,

• robienia akacjowa,

• topola osika

• brzoza brodawkowata,

• jarząb pospolity,

• czeremcha amerykańska

• wierzby

GATUNKI UNIWERSALNE:

• topole

• klon zwyczajny

• dąb czerwony

• modrzew europejski

• olsza szara

GATUNKI PRODUKCYJNE

• dąb szypułkowy i bezszypułkowy

• jesion wyniosły

• klon jawor

• topole

• modrzew europejski

• sosna zwyczajna, czarna, wejmutka

PIONIERSKIE GATUNKI DRZEW I KRZEWÓW W REKULTYWACJI I ZAGOSPODAROWANIU LEŚNYM

• drzewa:

• olsza czarna,

• robienia akacjowa,

• olsza szara,

• wierzba iwa,

• brzoza brodawkowata,

• topola osika i inne topole,

• jarząb pospolity,

• modrzew europejski,

• dąb czerwony,

• lipa drobnolistna,

• klon jawor,

• gatunki docelowe drzew:

• buk zwyczajny,

• dąb szypułkowy i bezszypułkowy,

• jesion wyniosły,

• lipa drobnolistna,

• sosna zwyczajna,

• krzewy:

• czeremcha amerykańska,

• wiśnia wonna (antypka),

• ligustr pospolity,

• dereń świdra,

• śnieguliczka biała,

• głóg jedno- i dwuszyjkowy,

• suchodrzew zwyczajny,

• bez czarny i koralowy,

• kolcowój zwyczajny,

• róża pomarszczona i dzika,

• rokitnik zwyczajny,

• bez lilak,

• karagana syberyjska,

• oliwnik wąskolistny,

• tamaryszek francuski.

MATERIAŁ SZKUŁKARSKI POWINIEN BYĆ:

• młody

• nie przesuszony

• dobry system korzeniowy

• dobre przygotowanie terenu

• dobrze prowadzony

• może byś jednoroczny lub dwuletni pikowany po roku

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA ROZWÓJ DRZEW I KRZEWÓW NA TERENACH ZDEGRADOWANYCH

• poziom wody gruntowej

• jakość materiału szkółkarskiego

• skład gatunkowy upraw

• sposób przygotowania gruntu

• pora i gęstość sadzenia

WIOSNA - wady - jeżeli wystąpi sucha wiosna to korzenie zasychają, zalety - większość gatunków po prostu lepiej przyjmuje się wiosną;

• JESIEŃ - wady - możliwość przemarznięcia, zalety - do sadzenia w ogrodach, częściowo się przyjmuje, wiosną korzysta już z wody roztopowej.

DRZEWA ODPORNE DO DANYCH CZYNNIKÓW DEGRADACJI PRZY ODPOWIEDNIM UWILGOTNIENIU

SO₂ Dąb szypułkowy i bezszypułkowy, olsza szara czarna, topola, głóg, wierzba iwa, bez czarny, dąb czerwony, robinia akacjowa, oliwnik wąskolistny, sosna wejmutka.

Zapylanie(?) Brzoza brodawkowata, dąb szypułkowy, lipa drobnolistna, robinia akacjowa, rokitnik zwyczajny.

Fluor Brzoza brodawkowata, dąb szypułkowy, wierzba iwa, bez czarny

Odporne na kilka czynników degradujących - Brzoza brodawkowata, dąb szypułkowy, klon zwyczajny, lipa drobnolistna, olsza czarna, olsza szara.

Wykład 12

PROBLEM REKULTYWACJI I ZAGOSPODAROWANIA TERENÓW PRZEMYSŁOWYCH W POLSCE:

• Tereny związane z eksploatacją i przetwarzaniem :

• węgla kamiennego i brunatnego

• siarki

• metali nieżelaznych

• surowców skalnych

• składowisk odpadów przemysłowych

PROBLEM REKULTWACJI I ZAGOSPODAROWANIA TERENÓW GÓRNICTWA I RUD METALI

surowiec	wydobycie rud (mln ton)	roczna produkcja metali (tys. ton)
Cynk i ołów	4,6	Zn: 162 , Pb: 71
Miedź	25,4	Cu: 586
Żelazo	-	-

Rejony górnictwa rud metali

Cynk i ołów:

• 3 okręgi górnictwa

• Bytom - Tarnowskie Góry

• Olkusz - Trzebnica

• Siewierz - Chrzanów

Miedź:

• „Stare zagłębie” - Rejon Złotoryji i Bolesławca

• „Nowe zagłębie” LGOM

Żelazo:

Kielecki , Częstochowski

ODDZIAŁYWANIE GÓRNICTWA I PRZETWÓRSTWA METALI NA ŚRODOWISKO GLEBOWE:

1. Wydobycie

2. Wzbogacanie rudy (flotacja)

3. Hutnictwo

1. wydobycie - eksploatacja metodą podziemną:

• pylenie - ( pylenie z szybów górniczych, pylenie podczas transportu urobku)

• hałdy górnicze

• deformacje terenu

• zawodnienia

• lej depresyjny

• pylenie → lokalne zanieczyszczenie gleb metalami ciężkimi

• hałdy górnicze → niewielkie (łącznie 70ha) bo skała płonna poddawana jest flotacji

• deformacje → do 3 m

• zawodnienia → praktycznie brak

• lej depresyjny →

→brak, szyby uszczelnione (wymrażanie)

→lej depresyjny związany nie z odwadnianiem kopalni a z pobieraniem wody na potrzeby flotacji

• Dodatkowo: podsadzkowanie →degradacja terenu związana z istnieniem piasków

Wydobycie piasku na cele podsadzkowe - dla górnictwa miedzi

Piaskownia Obora (koło Lbina)

• wydobycie aktualne - 0,15 mln m³ rocznie

• planowane wydobycie - 0,35 mln m³ rocznie

2. Wzbogacenie rudy (flotacja)

• Zbiorniki poflotacyjne

• zajęcie terenu

• zagrożenie hydrotechniczne

• zasolenie przyległych wód i gleb

• zawodnienie lub przesuszenie

• pylenie z plaż

• erozja skarp

Zbiorniki poflotacyjne górnictwa miedzi w „starym zagłębiu”

5 zbiorników: Lena I i II , Iwiny I, II, III)

w „Nowym Zagłębiu”:

Żelazny Most (czynny, powierzchnia 1600ha)

Gilów (nieczynny, zrekultywowany, powierzchnia 850ha)

Katastrofa w Iwinach - hydrotechniczne zagrożenie ze strony zbiorników odpadów półpłynnych.

Ogólne informacje:

• w nocy 13 grudnia 1967 r. została przerwana grobla zbiornika osadów poflotacyjnych Iwiny

• objętość zgromadzonych osadów 11,5 mln m³ wypłynęło 4,6 mln m³

• szerokość wyrwy 68m/134m

• została zalana dolina Rzeki Bobrzny na długości 19 km (szerokość 50 - 150 m)

• zginęło 18 osób

Katastrofa w Aznacollar (kopalnia cynku w Hiszpanii)

• 27 kwietnia 1998 r. - katastrofa

• odpady poflotacyjne - bogate w arsen dostały się do rzeki Gwadalkiwini???

• szlam zniszczył życie w nurcie rzeki

• skażone 5 tys. ha gleby

• skażenie na terenie Parku Narodowego

Zawodnienie/ przesuszenie oraz zasolenie gleb w strefie oddziaływanie zbiorników poflotacyjnych:

• Przesiąkanie zasolonych wód na przedpole zbiornika - lokalne zawodnienia i podtopienia ( lokalizacja - trudna do przewidzenia)

• system piezometrów i studni kontrolnych wokół składowiska - odpompowywanie wód przesiąkających

• skutki → lokalne przesuszenia

OCHRONA PRZED PYLENIEM ZBIORNIKÓW POFLOTACYJNYCH

• pokrywanie powierzchni plaż emulsją bitumiczną („asfaltową”)

• kurtyny wodne

• biologiczna rekultywacja skarp

ZANIECZYSZENIE GLEB METALAI CIĘZKIMI (ZWŁASZCZA Cu I Pb) W REJONIE ODDZIAŁYWANIA ZBIORNIKA ŻELAZNY MOST:

• wsie: Rudno i Tarnówek

• stały monitoring gleb (coroczne badania)

• → lokalnie : III stopień zanieczyszczenia miedzią (wg IUNG)

• strefa ochronna ( strefa ograniczonego użytkowania) wokół składowiska

Problemy i sposoby rekultywacji skarp zbiornika „Żelazny Most”:

• Problemy:

• erozja, spełzywanie materiału,

• niekorzystne właściwości wodne (niska retencyjność - przesuszenie),

• zasolenie,

• zawartość metali ciężkich - ok. 0,2 % do 0,3 %.

• Problemy rozwiązane:

• Zadarnianie tradycyjne (nie dało efektu),

• Trawy odporne na przesuszenie i zasolenie - wydmuchrzyca piaskowa (nie daje gęstej darni, problem pylenia nadal pozostaje),

• Pokrywanie płatami darni - najlepszy sposób

ZASADY REKULTYWACJI I ZAGOSPODAROWANIA POWIERZCHNI ZBIORNIKÓW POFLOTACYJNYCH

• Osady są bardzo trudne do rekultywacji:

• niekorzystne właściwości fizyczne

• alkaliczny odczyn, zasolenie

• metale ciężkie (do 0,2 Cu i 0,1 Pb)

• brak składników pokarmowych

• skuteczna rekultywacja po przykryciu warstwą utworów potencjalnie produktywnych i nawożeniu

• zasady wprowadzenia okrywy roślinnej (na przykładzie zbiornika Gilów) - ćw. terenowe

• szczególne sposoby:

Iwiny II - staw rybny

Lena II - składowisko odpadów skalnych z kamieniołomu bazaltu.

Hutnictwo miedzi:

• emisja SO₂ - silne zakwaszenie gleb

• emisja pyłów metali ciężkich - zanieczyszczenie gleb metalami ciężkimi

• odpady (żużle) hutnicze - problemy składowania, właściwości.

Zabiegi rekultywacyjnej w strefach ochronnych Hut Miedzi Legnica i Głogów :

• zdjęcie i wywiezienie zanieczyszczonej gleby na terenie zakładu, przykrycie warstwą produktywną, niezanieczyszczoną,

• wapnowanie gleby,

• nawożenie torfem, granulowanym węglem brunatnym,

• na etapie doświadczalnym:

• iłowanie gleb bardzo lekkich,

• zastosowanie syntetycznych zeolitów w formie brykietów,

• głęboka orka,

• zadrzewienia (głównie plantacja topoli),

• na słabiej zanieczyszczonych glebach - uprawa roślin przemysłowych (m.in. włóknistych).

Syntetyczne zeolity - syntetycznie preparowane materiały ilaste, często w formie granulatu, produkowane zwykle ze zwietrzelin bentonitowych, o bardzo dużej pojemności sorpcyjnej.

Wykład 13

Degradacja i rekultywacja gleb w rejonie górnictwa i przetwórstwa rud cynku i ołowiu.

• Eksploatacja Zn i Pb (oraz srebra) na Górnym Śląsku trwała od średniowiecza, eksploatowano początkowa złoża zalegające płytko, potem co raz głębsze (do ok. 100 m),

• Górnictwo cynku i ołowiu:

• Hałdy górnicze - dawne i współczesne:

• Warpie,

• Zwały popłuczkowe (szlam z płuczek blendowanych i galmanowych),

• Zbiorniki poflotacyjne:

• Odpady poflotacyjne: mielony wapień i dolomit + Zn, Pb, Cd,

• Huty cynku i ołowiu:

• Obecnie funkcjonuje tylko Huta cynku i ołowiu Miasteczko Śląskie k. Tarnowskich Gór.

Uwaga: warunki jakie muszą być spełnione przy wykorzystaniu komunalnych osadów ściekowych do użyźniania gruntów:

• zawartość metali ciężkich w osadach ściekowych………

• Do rekultywacji gleb silnie zanieczyszczonych metalami ciężkimi nie powinno się stosować substancji organicznych, mogących zawierać związki kompleksujące i uruchamiające metale ciężkie osady ściekowe, obornik, gnojowica itp.

PROBLEM ZANIECZYSZCENIA GLEB METALAMI CIĘŻKIMI

• Kopalnie rud niklu i huta niklu w Szklarach

• hałdy górnicze

• hałda żużla hutniczego

• Kopalnie złota i arsenu, huta arsenu w Złotym Stoku

• hałdy górnicze

• osadniki poflotacyjne

• zanieczyszczenie arsenem gleb w rejonie rzeki …….(wyżej Złoty Potok)

Problemy rekultywacji i zagospodarowania terenów górnictwa węgla kamiennego i brunatnego w Polsce.

Eksploatacja węgla brunatnego (1/3 powierzchni obszarów górniczych)

Rozmieszczenie okręgów górnictwa węgla brunatnego w Polsce:

• Złoża grupy środkowopolskiej (KWB Konin - Turek - Adamów)

• złoża grupy ścinawskiej (KWB Turów)

• złoża grupy bełchatowskiej (KWB Bełchatów, Szczerców)

• ponadto grupy legnicka, poznańska, zielonogórska

• liczba aktualnie eksploatowanych złóż węgla brunatnego: 9

ZRÓŻNICOWANIE GEOLOGICZNE ZŁÓŻ, SKAŁ I NADKŁADU:

• Konin:

• w nadkładnie dominują margliste gliny zwałowe (czwartorzędowe) pozostałe utwory piaski, żwiry, iły tworzą warstwy niewielkiej miąższości

• stosunek nadkładu do złoża 7,5:1

• Turoszów:

• w nadkładzie przewarzają mioceńskie iły bogate w piryt (silnie kwaśne), piaski stanowią nieznaczne domieszki, bardzo cienkie warstwy utworów czwartorzędowych

• stosunek nadkładu do złoża 1,5:1

• Bełchatów:

• w nadkładzie dominują piski czwartorzędowe z niewielkimi domieszkami glin zwałowych i iłów.

• stosunek nadkładu do złoża 2,8:1

WNOISKI DO REKULTYWACJI I KIERUNKÓW ZAGOSPODAROWANIA ZWAŁOWISK

• Konin:

• bardzo dobra przydatność rekultywacyjna nadkładu

• płaskie zwałowiska wewnętrzne - kierunek rolny uzyskano IIIa i IIIb klasę botaniczną

• zwałowiska nadpoziomowe - kierunek leśny, metoda PAN

• Turoszów

• niekorzystne właściwości nadkładu (utwory IV - V klasy przydatności według Skawiny)

• kierunek zagospodarowania - wyłącznie leśny

• Bełchatów

• w nadkładzie utwory bardzo słabo produktywne ( III - IV wg Skawiny) jednak dzięki selektywnej gospodarce nadkładem - możliwe obok leśnego także zagospodarowanie rolnicze zwałowisk wewnętrznych

O wielkości zwałowiska i wyrobiska końcowego decyduje między innymi stosunek nadkładu do kopaliny:

• Adamów 7,5:1

• Kazimierz 7,9:1

• Bełchatów 2,8:1

• Turoszów 1,5:1

Końcowy niedobór materiału końcowego do zapełnienia wyrobiska w różnych kopalniach:

• od 15% powierzchni odkrywki (Adamów, Kazimierz)

• do 40 % (Turoszów)

Wykład 14

• Rekultywacja Biologiczna:

cel: ożywienie gleby

definicja: jest to zespół czynności inżynierskich i agrotechnicznych oraz procesów biochemicznych, które z gleby zdegradowanej lub gruntów pozwolą wytworzyć glebę produktywną, żyzną z nową wytworzoną strukturą biocenotyczną - wskazane jest współdziałanie czynników abiotycznych i biotycznych, które pozwoli na osiągnięcie powyższego celu w możliwie najkrótszym czasie i przy użyciu najmniejszych środków (wg prof. Gilewskiej)

• warunki rekultywacji

• zagospodarowanie leśne,

• model tradycyjny (gatunki pionierskie, a potem rekonstrukcja drzewostanu→ gatunki docelowe)

• gatunki pionierskie: brzoza, robinia, olsza → po 15 - 20 latach utajone nieużytki

• nostrzyk (4 - 6 lat) fitosocjacje trzcinnikowi konkurencji dla sadzonych drzew produkcyjnych

• model PAN (Bender, Gilewska): koncepcja roślinności docelowej gatunki lasotwórcze + 4 - letnie nawożenie min.

• gatunki docelowe - jesion wyniosły, dąb czerwony, klon jawor, lipa wąskolistna, modrzew europejski, sosna zwyczajna, buk zwyczajny (szybka, tania, skuteczna, bez gatunków pionierskich)

REKULTYWACJA I ZAGOSPODAROWANIE TERENÓW PO WYDOBYCIU WĘGLA KAMIENNEGO

Obszary górnicze:

• Górnośląskie zagłębie węglowe

• Dolnośląskie Zagłębie Węglowe

• Lubelskie Zagłębie Węglow

FORMY DEGRADACJI GLEB:

1. Deformacje terenu

2. Zawodnienia

3. Hałdy skały płonej

• składowiska odpadów przeróbczych (np. poflotacyjnych)

• niekiedy: przesuszenie (lej depresyjny)

• oddziaływanie słonych wód kopalnych

• pośrednio: eksploatacja piasku podsadzkowego

1. deformacje terenu - przykłady :

• Górny Śląsk - Bytom max 21m /XX w

• Górny Śląsk - KWK Makoszowy (Zabrze) do 12 m

• Wałbrzych- osiadanie wiaduktu w rejonie stacji PKP 9 m w XXw

2. Rekultywacja terenów zawodnionych - jeżeli woda jest czysta→zbiornik rekreacyjny (planowany staw rybny w rejonie KWK Makoszowy). Zasypanie rozlewiska.

3. Zwały przyzakładowe(niewielkie, stożkowe lub groblowe)

• zwały centralne (duże, gromadzą odpady z kilku kopalni, kształt zwykle stołowego)??

Przy eksploatacji 1 t węgla kamiennego powstaje 0,4t odpadów. Są to wartości zmienne w zakresie wartości od 0,2 - 0,5 t

PROBLE REKULTYWACJIZWAŁOWISK GÓRNICTWA WEGLA KAMIENNEGO

1. kształt zwałów, zwykle strome skarpy

2. przydatność rekultywacyjna materiału zwałowego - zła (klasa V wg Skawiny)

SKŁAD PETROGRAFICZNY GÓRNISTWA WĘGLA KAMIENNEGO

1. łupki ilaste i iłowce,

2. mułówce,

3. piaskowce

4. domieszka węgla 20 - 25%

5. zawartość pirytu FeS₂ do 1%

Materiał zwałowy podlega zwietrzeniu (rozlasowanie iłowców i łupków ilastych)

EFEKTEM ROZLASOWANIA ŁUPKA NA ZWAŁOWISKACH GÓRNICTWA WĘGLA KAMIENNEGO

1. zmiana składu granulometrycznego: utwory murszowe( kamieniste) ulegają przekształceniu w gliny bardzo ciężkie

2. Zmiana właściwości wodnych

• początkowo brak retencji wodnej, bardzo duża przepuszczalność

• efekt: bardzo niska przepuszczalność, stagnowanie.

Wykład 15

Skutki utleniania pirytu

• utlenianie pirytu w zwałach węglowych

FeS₂ +7O₂ + 2H₂O→2Fe²⁺ +4SO₄^2- +4H⁺

bez udziału wody

FeS₂ +2O₂→ FeSO₄ + S

2Fe²⁺ + 1/2O₂ +2H⁺→ 2 Fe³⁺ +H₂O

Fe³⁺ +3H₂O→ (hydroliza)→Fe(OH)₃ + 3H⁺

FeS₂ + 14Fe³ + 8H₂O→ 15Fe²⁺ +2SO₄^2- +16H⁺

Etap 1 w warunkach abiotycznych, ok. 1000 dni jednak w warunkach biotycznych reakcja jest około 10⁶ razy szybsza (Thiobacillus ferrooxidane)

Czas trwania reakcji 4 od 20 minut do 20h

Reakcja 4 może zachodzić bez udziału tlenu (utleniaczem dla pirytu jest Fe³⁺)

SKUTKI UTLENIANIA

1. Zakwaszenie materiału:

reakcje: 1 +4H⁺

3 +3H⁺

4 +16H⁺

2. Zasolenie - uwolnienie jonów siarczanowych SO₄^2-

3. Aktywność termiczna - reakcje są egzotermiczne - możliwość samozapłonu hałd. Hałdy płoną wiele miesięcy, a nawet przez wiele lat.

HAŁDY PRZEPALONE:

• są łatwiejsze do rekultywacji niż hałdy nie przepalone

• są bezpieczniejsze na przyszłość

• Należy czynić wszelkie starania aby ograniczyć możliwość samozapłonu:

• ugniatanie zwałowanego materiału,

• w razie pożaru: odcięcie dopływu powietrza przez wtłaczanie do wnętrza hałdy mieszaniny wody, cementu i gliny.

KIEDY ROZPOCZĄĆ REKULTYWACJĘ

• Rekultywację można podjąć dopiero po częściowym rozlasowaniu powierzchniowej warstwy materiału (kiedy ulegnie zwietrzeniu) tj. zwykle po czasie od 5 m - cy do kilku lat.

INNIE WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁU HAŁD:

1. ODCZYN - ZRÓŻNICOWANY I ZMIENNY W CZASIE

- na hałdach nieprzepalonych od obojętnego do silnie kwaśnego (pH - 2 - 3) - powolna neutralizacja,

- na hałdach przepalonych - odczyn obojętny, czasem alkaliczny (tlenki Ca, K, Mg).

2. ZASOLENIE

• zależy od zawartości pirytu; wysokie w GOP, znacznie mniej w dolnośląskim (Wałbrzych, Nowa Ruda)

• z czasem sole ługowane są w głąb

3. ZASOBNOŚĆ W SKŁADNIKI POKARMOWE:

• N - ogólny - zawartość wysoka, ale jest to N - heterocykliczny (wbudowany w strukturę węgla) nieprzyswajalny; hałdy przepalone - brak N,

• P - bardzo niska zawartość brak P - przyswajalnego,

• Materiał zwykle zasobny w K, Ca, Mg,

• Mikroelementy - zawartość zróżnicowana, zwykle niska przyswajalność.

• Zawartość Cu - jest trochę wyższa w węglu kamiennym; ale metale ciężkie nie są problemem w górnictwie węgla kamiennego; to nie jest problem w rekultywacji.

Rekultywacja i zagospodarowanie. Wybór kierunku zagospodarowania.

• dominuje kierunek leśny (zwłaszcza hałdy Zagłębia Wałbrzyskiego), Wałbrzyskiego niższej zawartości pirytu; skały ubogie w składniki pokarmowe, zasolenie (nieprzydatne na kierunek rolniczy),

• kierunek leśny - lata 60 - 70 - te, szkoła Skawiny kierunek zagospodarowania leśny pod GOP, zauważono wypadanie dorodnych drzew (20 - 25 - letnich),

• zadarnianie - m.in. kierunek rekreacyjny. Biologiczna rekultywacja hałd jest najłatwiejsza, gdy przykryjemy zastany materiał innym, odpowiednim. Próbowano wprowadzić rośliny w materiał łupka, wtedy rośliny zaadaptują się dobrze do bytowania w tym materiale.

• Kierunek rolniczy nie jest stosowany.

• Specjalny np. tereny zawodów moto - crosowych itp.

Najskuteczniejsza metoda rekultywacji hałd węgla kamiennego:

• Przykrycie warstwą gleby o wyższej przydatności rekultywacyjnej (minimalna grubość warstwy gleby - 50 cm),

• Jeśli jest to niemożliwe to:

• Nasadzenie drzew w rowki,

• Metoda talerzowa - wypełniając talerze materiałem przydatnym rekultywacyjnie (w dołki sadzimy drzewa),

• Sadzenie drzew w grunt + nawóz mineralny,

• Hydro (aero) obsiew - mieszanką traw z wykorzystaniem osadów ściekowych.

drzewa - nie wymagające , pionierskie, łatwo adaptujące się, sosna, brzoza, olsza, osika

krzewy - głóg, róże pomarszczone, ligustr pospolity, oliwnik wąskolistny.

• Dodatkowa pośrednia przyczyna degradacji - wydobycie piasku na cele podsadzkowe - dla węgla kamiennego

Z 10 kopalisk piasku podsadzkowego wydobywa się rocznie 9,7 mli t piasku. np. GOP - Maczki - Bór (Sosnowiec) Dąbrowa Górnicza

PROBLEM REKULTYWACJI I ZAGOSPODAROWANIE TERENÓW GÓRNICTWA SIARKI

W Polsce siarka prawie nie jest już eksploatowana.

Tereny zdegradowane przez górnictwo siarki -3,6 tys. ha - 8,2 %.

Złoża siarki w Polsce:

Rejon Tarnobrzegu -siarka zalega w iłach wapiennych i pogipsowych; głębokość 15 - 100 m; płytsze złoża - metoda odkrywkowa (Piaseczno), głębsze - podziemne - metoda Frasha; roczne wydobycie - 0,9 mln ton (2001 rok)

• Degradacje:

• Typowe formy degradacji geomechanicznej:

- wyrobiska (900 ha),

- zwały nadkładu:

- zewnętrzne (ok. 200 ha, 50 m wysokości),

- wewnętrzne (nadkład stanowią przemieszczone piaski i iły),

- brak selektywnej gospodarki nadkładem,

- w części powierzchniowej dominują utwory zwięzłe

- problemem jest zawartość siarki.

• Degradacja hydrologiczna - ciągłe warstwy piasku w nadkładzie, napływ wody z Wisły, konieczność intensywnego odwadniania kopalni.

• Składowanie odpadów poflotacyjnych.

Górnictwo otworowe siarki (5 tys. ha).

1. przekształcenia geomechaniczne - zapadliska terenu,

2. przekształcenia hydrologiczne - zawodnienia wskutek zapadania terenu oraz związane z technologią wydobycia (duże zużycie wody),

3. przekształcenia chemiczne - związane z obecnością siarki.

Rekultywacja i zagospodarowanie gleb.

1. rekultywacja techniczna:

1. tereny zdegradowane geomechanicznie - wg zasad (wyrównanie terenu, formowanie wierzchowin, skarp, spągów itp.),

2. detoksykacja gruntów - neutralizacja kwaśnego odczynu:

1. zawartość 0,1 % S - toksyczna,

2. wapnowanie dawka wapna 80 - 100 ton/ha, często kilkakrotnie, zwykle głęboka orka,

2. rekultywacja biologiczna i zagospodarowanie - początkowo stosowano głównie zalesienia:

1. olsza czarna i szara, topola, robienia akacjowa, topola osika, lipa drobnolistna, dąb czerwony,

2. ale okazało się, że nasadzenia są słabe.

---