„Konin” jako materiał macierzysty gleb

WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Materiały Warsztatów str. 39–48
Mirosława GILEWSKA, Krzysztof OTREMBA
Akademia Rolnicza w Poznaniu, Katedra Gleboznawstwa i Rekultywacji, Zakład Rekultywacji z siedzibą w Koninie
Grunty pogórnicze Kopalni Węgla Brunatnego „Konin”
jako materiał macierzysty gleb
Streszczenie
Praca dotyczy właściwości gruntów pogórniczych Kopalni Węgla Brunatnego „Konin”
jako skały glebotwórcze. Jakość pokrywy glebowej powstającej w wyniku eksploatacji
odkrywkowej węgla brunatnego jest uzależniona od czynnika antropogenicznego decydującego
o doborze i stosowaniu zabiegów rekultywacyjnych. Jakość powstającej w procesie rekultywacji gleby jest wyższa niż gleb zalegających na tym terenie przed eksploatacją.
1. Wstęp
Pokrywa glebowa, na terenach objętych odkrywkową eksploatacją węgla brunatnego przez
Kopalnie Węgla Brunatnego „Konin” zbudowana była ze skał akumulacji lodowcowej –
piasków i glin. Były to przede wszystkim gleby płowe i rdzawe o niskim poziomie wód
gruntowych. Większość gleb należała do klas bonitacyjnych IV, V i VI. Do podstawowych
gatunków roślin uprawianych na tych glebach należały – żyto, owies, mieszanka zbóż jarych,
a z okopowych głównie ziemniaki. Plony uzyskiwane w tych warunkach były niskie (zbóż wynosiły średnio 25,2 q∙ha-1, a ziemniaków 181 q∙ha-1).
Eksploatacja odkrywkowa węgla brunatnego spowodowała zniszczenie tej pokrywy
glebowej i powstanie nowej, którą są grunty pogórnicze zbudowane z utworów czwarto- i trzeciorzędowych, nazywane użytkami kopalnianymi.
2. Właściwości gruntów pogórniczych KWB „Konin”
Charakterystyczną cechą nowej pokrywy glebowej, której właściwości kreuje czynnik
antropogeniczny poprzez system urabiania, transportowania i zwałowania, jest heterogenność
mas ziemnych zarówno w układzie profilowym jak i powierzchniowym. W litologicznie
zróżnicowanym profilu glebowym dominują jednak utwory spoiste, głównie glina zwałowa
szara, zmieszana w różnych ilościach i proporcjach z pozostałymi skałami nadkładu – gliną
zwałową żółtą, iłami plioceńskimi oraz piaskami czwarto- i trzeciorzędowymi.
Skład granulometryczny w większości przypadków jest korzystny z punktu widzenia
przydatności rolniczej. Są to grunty o składzie gliny piaszczystej bądź gliny lekkiej. Sporadycznie mogą jednak występować powierzchnie o składzie granulometrycznym piasków,
a nawet iłów.
Mniej korzystnie przedstawiają się takie właściwości fizyczne jak: gęstość objętościowa,
porowatość ogólna, kapilarna i niekapilarna (tab.2.1). Gęstość objętościowa waha się w przedziale 1,56–2,05 Mg∙m-3. Dziewięćdziesiąt pięć procent uzyskanych wyników mieści się
39
M. GILEWSKA, K. OTREMBA – Grunty pogórnicze Kopalni Węgla Brunatnego „Konin” …
w przedziale 1,81–1,99 Mg∙m-3. Są to wartości wysokie, wskazujące na znaczne zagęszczenie
mas ziemnych. Potwierdzeniem zagęszczenia są także dane dotyczące porowatości ogólnej.
Średnia porowatość ogólna w gruntach pogórniczych jest niska i wynosi około 33% (tab.1).
Wśród por dominują pory kapilarne (około 27%). Ilość makropor jest niewielka i średnio wynosi około 4%. Mała ilość makropor wskazuje, że w tych gruntach utrudniony jest swobodny
ruch wody i powietrza.
Korzystna jest natomiast ich zdolność retencyjna. Wierzchnia jednometrowa warstwa
potrafi zretencjonować około 300 mm wody (Bender, Wasilewski 1989). Do wad gruntów
pogórniczych należy zaliczyć także znaczne ich zakamienienie. W pierwszych latach biologicznej rekultywacji zbiera się około 10 Mg kamieni z powierzchni jednego hektara.
Tabela 2.1. Wybrane właściwości fizyczne gruntów pogórniczych
Table 2.1. The some physical properties of post-mining grounds
Parametr
Przedział Współczynnik
Poziom Wartość Wartość
Odchylenie
Średnia
ufności
Zmienności
[cm] najniższa najwyższa
standartowe
α = 0,05
[%]
Gęstość
objętościowa
[Mg∙m-3]
0–25
25–40
40–70
70–100
1,56
1,84
1,81
1,67
2,05
2,04
2,03
2,00
1,90
1,92
1,91
1,87
0,21
0,06
0,06
0,09
± 0,095
± 0,028
± 0,030
± 0,042
11,05
3,17
3,40
4,87
Porowatość
ogólna
[%]
0–25
25–40
40–70
70–100
28,1
27,9
27,7
26,9
44,8
37,7
42,3
39,1
33,74
32,19
32,44
33,11
4,96
3,19
3,61
3,52
± 2,29
± 1,47
± 1,67
± 1,62
14,70
9,88
11,13
10,63
Porowatość
kapilarna
[%]
0–25
25–40
40–70
70–100
24,7
24,7
19,1
23,7
42,6
32,5
35,4
32,9
29,72
26,91
27,70
28,15
4,84
6,67
3,24
2,73
± 2,24
± 3,08
± 1,50
± 1,26
16,28
24,79
11,70
9,70
Porowatość
niekapilarna
[%]
0–25
25–40
40–70
70–100
1,8
1,0
0,5
1,6
8,07
5,6
8,8
11,6
4,03
3,74
4,17
4,98
1,75
1,83
2,10
2,15
± 0,81
± 3,35
± 0,97
± 0,99
43,42
48,93
50,36
43,17
Właściwości chemiczne gruntów pogórniczych przedstawiono w tabeli 2.2. Z tych danych
wynika, że są to grunty o odczynie zasadowym, który uwarunkowany jest obecnością węglanów wapnia. Zawartość tego związku kształtuje się w szerokich granicach 0–14,33% (średnia
zawartość CaCO3 w analizowanych gruntach pogórniczych wynosi około 10%). Szeroki
przedział wartości, dotyczący tej cechy jest spowodowany zmieszaniem skał zasobnych w ten
związek (glin zwałowych) ze skałami ubogimi w ten składnik (iłami plioceńskimi). Badania
Gilewskiej i Waszkowiaka (1989) dowodzą, że zawartość CaCO 3 w gruntach pogórniczych
Konińskiego Zagłębia Węgla Brunatnego jest jedną z najbardziej zmiennych cech. Duże
zróżnicowanie dotyczy także zawartości węgla utlenialnego (0,12–1,08%). Jest to efekt
40
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
obecności węgla brunatnego w masie ziemnej. Glina zwałowa szara zawiera domieszkę węgla
brunatnego, a spągowe partie iłów są zawęglone. Średnie zawartości węgla wynoszą od 0,37%
do 0,44%.
Grunty pogórnicze charakteryzują się małą zawartością azotu ogółem (0,018–0,024%).
Szeroki jest w nich stosunek C/N. Wynosi on od 17:1 do 33:1. Dane zamieszczone w tabeli 2.2
wskazują, że grunty pogórnicze charakteryzują się także niską zawartością przyswajalnych
form fosforu (0–6,6 mg ∙100 g-1), a także średnią zawartością przyswajalnych form potasu.
Wartości średnie wahają się w przedziale 8,35–9,73 mg ∙100 g-1. Jest to efekt obecności w składzie mineralogicznym frakcji ilastej illitu i montmorylonitu (Bender, Waszkowiak 1989).
Tabela 2.2. Wybrane właściwości chemiczne gruntów pogórniczych
Table 2.2. The some chemical properties of post-mining grounds
Parametr
pH w H2O
pH w l MKCL
CaC03
[%]
C
[%]
P2O5
[mg∙100 g-1]
K20
[mg∙100 g-1]
Przedział Współczynnik
Poziom Wartość Wartość
Odchylenie
Średnia
ufności
Zmienności
[cm] najniższa najwyższa
standartowe
α = 0,05
[%]
0–25
7,2
7,6
7,48
0,10
± 1,09
35,34
25–40
7,3
8,0
7,52
0,16
± 0,07
2,13
40–70
7,3
7,9
7,51
0,15
± 0,80
24,26
70–100
7,2
7,9
7,52
2,37
± 1,09
35,43
0–25
6,8
7,4
7,20
2,27
± 1,05
35,47
25–40
7,0
7,6
7,29
0,17
± 0,08
2,33
40–70
7,1
7,4
7,29
1,67
± 0,77
24,24
70–100
7,0
7,6
7,31
2,30
± 1.06
35,44
0–25
0
12,91
10,22
. 2,70
± 1,23
26,42
25–40
7,39
13,21
10,86
1,27
± 0,59
11,69
40–70
0,0
14,33
10,51
3,04
± 1,41
28,92
70–100
0,0
13,31
9,86
3,09
± 1,43
31,34
0–25
0,22
1,06
0,37
0,19
± 0,094
51,35
25–40
0,15
0,88
0,43
0,21
± 0,106
48,84
40–70
0,12
1,08
0,44
0,20
± 0,101
45,45
70–100
0,18
1,03
0,42
0,19
± 0,102
45,24
0–25
0
6,6
1,89
3,50
± 1,62
185,18
25–40
0
1,3
0,73
0,70
± 0,32
95,89
40–70
0
2,4
0,75
1,22
± 0,56
162,67
70–100
0
4,1
1
1,25
± 0,58
125,00
0–25
0
15,1
8,73
3,77
± 1,74
43,18
25–40
5,2
17,9
9,73
3,10
± 1,43
31,86
40–70
0
15,2
9,72
3,52
± 1,63
36,21
70–100
0
15,2
8,35
3,78
± 1,75
45,27
41
M. GILEWSKA, K. OTREMBA – Grunty pogórnicze Kopalni Węgla Brunatnego „Konin” …
Efektem obecności tych minerałów jest także wysoka pojemność sorpcyjna, która waha się
w przedziale wartości od 7,70–48,44 cmol(+)∙kg-1. Dziewięćdziesiąt pięć procent analizowanych prób mieści się jednak w przedziale 24,06–28,04 cmol(+)∙kg-1. Jest to duża zaleta
tych gruntów. Kationy o charakterze zasadowym stanowią średnio około 96% pojemności
sorpcyjnej. Wśród kationów zasadowych dominuje wapń. Średnia zawartość tego pierwiastka
wynosi 24 cmol(+)∙kg-1 (Gilewska Otremba, 2002). Opisane właściwości wskazują, że jest to
korzystne tworzywo glebowe. Rekultywacja biologiczna-rolnicza i leśna gruntów pogórniczych KWB „Konin” realizowana jest zgodnie z założeniami koncepcji roślin docelowych
Bendera (1995). Realizowane są równocześnie dwa ważne cele gospodarcze: przekształcenie
gruntu w glebę oraz produkcja gospodarczo użytecznej biomasy.
3. Właściwości gleb rozwijających się z gruntów pogórniczych
W opisanej wyżej skale macierzystej, w wyniku stosowanych zabiegów rekultywacyjnych,
zachodzą procesy glebotwórcze. Efekty trwających ponad 20 lat procesów glebotwórczych
i właściwości wytworzonych w tych warunkach gleb przedstawiono na przykładzie badań
prowadzonych na polu doświadczalnym zlokalizowanym na zwałowisku wewnętrznym
„Pątnów”. W badaniach uwzględniono zabiegi rekultywacyjne o różnej intensywności oddziaływania na grunt pogórniczy – kombinacje:
 0 NPK – zabiegi rekultywacyjne ograniczone do stosowania uprawy mechanicznej (naprawy właściwości fizycznych) i wprowadzenia roślin.
 1 NPK – zabiegi rekultywacyjne obejmują: naprawę właściwości fizycznych i naprawę
chemizmu gruntu-skały, realizowaną poprzez nawożenie mineralne dostosowane do warunków edaficznych i wymagań pokarmowych roślin oraz wprowadzenie roślin.
 2 NPK – dawkę nawożenia zwiększono dwukrotnie w stosunku do 1 NPK. Pozostałe zabiegi stosowano bez zmian.
Na tych kombinacjach corocznie przyorywana jest słoma i inne resztki pożniwne rzepaku
ozimego, pszenicy ozimej, żyta, lucerny.
Wierzchnia około 30 cm warstwa gruntów pogórniczych została przekształcona w poziom
próchniczny, który wyraźnie różni się od pozostałej części profilu glebowego. W poziomie tym
wyraźnej poprawie uległy właściwości fizyczne. Na kombinacji O NPK gęstość objętościowa
uległa zmniejszeniu i wynosi około 1,72 Mg∙m-3, a porowatość ogólna wzrosła i wynosi około
35%. Na kombinacjach 1 NPK i 2 NPK, zmiany właściwości fizycznych są jeszcze większe.
Gęstość objętościowa w obu wariantach jest zbliżona i wynosi około 1,67 Mg∙m-3, a porowatość ogólna około 40%. Te dane dowodzą, że nastąpiło wyraźne rozluźnienie mas ziemnych
w tym poziomie. Korzystne zmiany zaszły także w strukturze (rys. 3.1, 3.2, 3.3, 3.4). Tempo
procesów strukturotwórczych uzależnione jest od stosowanych zabiegów rekultywacyjnych.
Struktura bryłowa, charakterystyczna dla gruntów spoistych, przekształca się w strukturę
gruzełkowatą – najkorzystniejszą dla roślin. Taka struktura występuje na kombinacjach 1 NPK
i 2 NPK. Procesy strukturotwórcze na kombinacji bez nawożenia mineralnego (0 NPK)
zachodzą znacznie wolniej. Poziom próchniczny na tej kombinacji charakteryzuje się w dalszym ciągu strukturą bryłową. Podkreślić należy, że najlepszą strukturą charakteryzuje się
poziom próchniczny na kombinacji 2 NPK.
42
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Ap
C
Rys. 3.1. Profil gleby na kombinacji 0 NPK.
Fig. 3.1. The profile of soil on the combination 0 NPK
Ap
C
Rys. 3.2. Profil gleby na kombinacji 1 NPK
Fig. 3.2. The profile of soil on the combination 1 NPK
43
M. GILEWSKA, K. OTREMBA – Grunty pogórnicze Kopalni Węgla Brunatnego „Konin” …
Rys. 3.3. Struktura warstwy ornej – kombinacja 1 NPK
Fig. 3.3. The structure of plough layer – combination 1 NPK
Rys. 3.4. Struktura materiału macierzystego (grunt pogórniczy)
Fig. 3.4. The structure of maternal material (post-mining ground)
44
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Wytworzone poziomy próchniczne wyraźnie różnią się także właściwościami chemicznymi
(tab. 3.1). Na kombinacji 0 NPK warstwa orna jest uboga w materię organiczną oraz przyswajalne formy fosforu i potasu. Występujące w tym poziomie ilości trzech podstawowych
makroelementów i węgla nie wiele różnią się od ich ilości w gruntach pogórniczych.
W poziomie próchnicznym na kombinacjach 1 NPK i 2 NPK nastąpiła wyraźna akumulacja
próchnicy i składników pokarmowych. Średnie ilości materii organicznej oscylują w zakresie
1,2–1,5%, azotu (0,041–0,069%), fosforu (300–410 mg∙kg-1), a potasu (160–215 mg∙kg-1).
Zasobność poziomu próchnicznego w materię organiczną oraz trzy podstawowe makroelementy na kombinacji 1 NPK dorównuje zasobności poziomu próchnicznego gleb uprawnych należących do trzecich klas bonitacyjnych. Zasobność na kombinacji 2 NPK jest nawet
wyższa.
Poniżej poziomu próchnicznego wyraźnych zmian we właściwościach skały macierzystej
nie zaobserwowano. W warstwie podornej grunt pogórniczy jest częściowo rozluźniony i poprzerastany korzeniami roślin; szczególnie na kombinacji 1 NPK i 2 NPK.
Tabela 3.1. Wybrane właściwości chemiczne gleb rozwijających się z gruntów pogórniczych
Table 3.1. The some chemical properties of sols formed of post-mining grounds
Cecha
Kombinacja 0 NPK
Kombinacja 1 NPK
Kombinacja 2 NPK
pH w H2O
7,99–8,88
8,00–8,58
7,99–8,51
pH w l MKCL
7,35–8,21
7,32–7,95
7,30–7,78
CaC03
[%]
2,63–7,54
2,74–6,79
1,75–6,46
C
[%]
0,11–0,47
0,50–0,98
0,49–1,60
N
[%]
0,018–0,043
0,040–0,061
0,036–0,071
P2O5
[mg∙kg-1]
28–85
117–500
223–635
K2O
[mg∙kg-1]
60–220
80–225
140–435
Przedstawione właściwości wskazują, że tempo procesów glebotwórczych jest uzależnione
od intensywności oddziaływania czynnika antropogenicznego, który dysponuje znaczącym
zestawem zabiegów i czynności rekultywacyjnych, oddziaływujących na grunt pogórniczy.
W tym samym czasie skała macierzysta – grunt pogórniczy przekształcony został w glebę,
a właściwie gleby o podobnej budowie morfologicznej (Ap/C), a różnych właściwościach
fizycznych, chemicznych i produktywności. Produktywność gleby, powstałej na kombinacji
0 NPK, mierzona wielkością uzyskiwanych plonów jest bardzo niska i wynosi około 5 dt zbóż
z hektara. Plony uzyskiwane na kombinacjach 1 NPK i 2 NPK już w pierwszym i późniejszych
latach rekultywacji dorównują plonom uzyskiwanym na glebach uprawnych i oscylują w granicach 30–40 dt zbóż z hektara (Gilewska, Otremba 2004). Niniejsze badania dowodzą,
45
M. GILEWSKA, K. OTREMBA – Grunty pogórnicze Kopalni Węgla Brunatnego „Konin” …
że człowiek kreuje właściwości skały glebotwórczej – gruntu pogórniczego, a także właściwości gleby rozwijającej się z tego materiału macierzystego. Jest on zatem czynnikiem decydującym o jakości i produktywności nowo powstającej pokrywy glebowej. Właściwości gleby,
powstającej w procesie rekultywacji na kombinacjach 1 NPK i 2 NPK, są korzystniejsze od
właściwości gleb, które występowały na tych terenach przed eksploatacją węgla brunatnego.
Umożliwiają uprawę roślin o znacznie wyższych wymaganiach pokarmowych i glebowych –
pszenicy, rzepaku, lucerny. Wadą ich jest, podobnie jak gleb uprawnych wytworzonych
z utworów spoistych, wąski przedział wilgotności optymalnej do wykonywania zabiegów
uprawowych. Takie gleby nazywane są glebami minutowymi.
4. Podsumowanie
Produkcja rolnicza realizowana na gruntach pogórniczych jest zgodna z zasadami koncepcji
gatunków docelowych Bendera (rys. 4.1, 4.2).
Ryc. 4.1. Łan pszenicy ozimej na gruntach pogórniczych KWB „Konin”
Fig. 4.1. The canopy of winter wheat on the post – mining grounds KWB „Konin”
46
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Ryc. 4.2. Rolnicze użytkowanie gruntów pogórniczych KWB „Konin”
Fig. 4.2. The agricultural use on the post-mining grounds KWB ”Konin”
Nawożenie mineralne stosowane jest na poziomie 1 NPK. Podstawowymi systemami
użytkowania gruntów pogórniczych są: system paszowo-zbożowy, którego podstawą jest uprawa lucerny oraz zbożowy. Na znacznym obszarze przeprowadzono już klasyfikację bonitacyjną. Uformowane z materiału macierzystego, jakim są grunty pogórnicze, gleby zostały
zaliczone do klas IV – IVa i IVb, głównie z uwagi na nie w pełni wykształcony profil glebowy.
Powstające gleby według Bendera i Gilewskiej (2000) zaliczane są do brunatnych właściwych.
Eksploatacja odkrywkowa węgla brunatnego powoduje komasację gruntów. Stwarza to możliwość powstawania na tych terenach zwartych areałów gleb o wyższych klasach bonitacyjnych,
na których możliwe jest zastosowanie maszyn rolniczych o dużej wydajności. W ostatnim czasie obserwowane są jednak tendencje zmierzające do rozdrabniania tych skomasowanych z konieczności gospodarczej gruntów.
47
M. GILEWSKA, K. OTREMBA – Grunty pogórnicze Kopalni Węgla Brunatnego „Konin” …
Literatura
[1] Bender J. 1995: Rekultywacja terenów pogórniczych w Polsce. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln.,
z. 418, 75–86.
[2] Bender J., Gilewska M. 2000: Rekultywacja w konfrontacji z aktami prawnymi, badaniami
naukowymi i praktyką gospodarczą. Rocz. AR Pozn. CCCXVII, Roln. 56, 343–356.
[3] Bender J., Wasilewski S. 1989: Differencjacja niekotorych svojstv otvalnogo grunta poslie
20-lietnej s/h rekultivacji. [W:] Sbornik Dokladov, t. I, Razrabotka sposobov rekultivacji landszaftov, narusznych promyszlennoj deliatelnostiu, Konin, 22–33.
[4] Bender J., Waszkowiak M. 1989: Wiązanie jonu amonowego przez utwory nadkładu Kopalni
Węgla Brunatnego „Konin”. Arch. Ochr. Środ. 1–2, 125–133.
[5] Gilewska M., Waszkowiak M. 1989: Differencjacja niekotorych chimiczeskich svojstv otvalnogo
grunta poslje 20-lietnej s/h rekultivacji. [W:] Sbornik Dokladov, t. I, Razrabotka sposobov
rekultivacji landszaftov, narusznych promyszlennoj deliatelnostiu, Konin, 71–81.
[6] Gilewska M., Otremba K. 2002: Zmienność przestrzenna wybranych właściwości gruntów pogórniczych. Rocz. AR Poznań CCCXLII, Melior. i Inż. Środ. 23, 83–93.
[7] Gilewska M., Otremba K. 2004: Właściwości gleb formowanych z gruntu pogórniczego. Roczn.
Glebozn., tom LV, nr 2, 111–121.
Post mining areas Brown Coal Mine “Konin”
as a maternal material of the soils
Summary
The thesis concerns properties of the post mining areas of the Brown Coal Mine Konin and
forming out of this soil parent rock of the soils. The quality of the soil cover made as a result of
the post mining of the brown coal is depended on the an anthropogenical factor deciding about
the selection and applying of the reclamation treatments. The quality of soil forming in the
reclamation process is higher than behindhand ones on this area before the reclamation.
Przekazano: 15 marca 2007 r.
48