Výsypka po těžbě hnědého uhlí – unikátní krajinný novotvar Hana Broumová, Kateřina Novotná, Iva Šímová Laboratoř aplikované ekologie, Zemědělská fakulta, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích Abstrakt Výsypka je stanoviště umožňující přežití celé řadě rostlinných a živočišných druhů, vytlačených člověkem z obhospodařované krajiny. Z tohoto důvodu nelze považovat výsypku za lokalitu nezajímavou z hlediska biodiversity a za plochu nevhodnou pro oživení živočišnými a rostlinnými druhy. Tento příspěvek stručně shrnuje naše dlouhodobé studium zaměřené na monitoring funkcí nově formované krajiny vznikající na rekultivovaných plochách a možnosti využití výsypkové vody s jejími specifickými vlastnostmi pro vznik fungujících vodních a mokřadních společenstev nezbytných pro vyváženou krajinu a přispět tak k dalšímu poznání procesů obnovy biotopů v rámci rekultivačních prací a k jejich dalšímu zdokonalení. Práce byla podpořena z výzkumných záměrů Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR MSM 122200003 a MSM 6007665806. Klíčová slova: rekultivace, holistický přístup, biodiverzita Úvod Nejrozsáhlejší ložiska hnědého uhlí v České republice se nacházejí v její západní a severní části pod Krušnými horami. Tato krajina je narušena rozsáhlými hnědouhelnými povrchovými lomy a krajinnými novotvary tzv. výsypkami, které vznikají z vytěženého nadloží uhelných slojí. Odvodnění pánví a odstranění trvalé vegetace na rozsáhlých plochách ovlivňuje podmínky v Krušných horách. Na těchto odvodněných a vegetace zbavených plochách se sluneční energie mění převážně na teplo, protože se nemůže vázat na vodní páry při výparu vody. Obrázek 1 Mapa zájmové oblasti
Obrázek 2 Ortofoto mapa Velké pokrušnohorské výsypky [1]
Přirozená sukcese je probíhá na výsypce velmi pomalu a je podmíněna fyzikálními a chemickými procesy probíhajícími ve výsypkovém substrátu.. Půda bez souvislého
vegetačního krytu je vystavena vysokým teplotám a velkému kolísání půdní vlhkosti, tyto procesy pak vedou ke mineralizaci a ztrátě důležitých živin. Naše dlouhodobé studium je založeno na holistickém přístupu ke krajině. Tento přístup předpokádá, že krajina je živým otevřeným systémem, který je definován v termínech toku solární energie, vody a látek v prostoru a čase [10]. Nejprve jsem se zaměřili na studium kvality a kvantity povrchových výsypkových vod, neboť voda je jedním z limitních životních faktorů. Po té jsme zaměřili pozornost na nekterá hydrologická a fyzikální měření, která ucelí informace o vývoji vodních a mokřadních společenstev, která jsou důležitá pro harmonickou funkci krajiny. Metodika Charakteristika sledovaného území Velká podkrušnohorská výsypka se nachází v západních Čechách 3 km severovýchodně od města Sokolov. Od roku 1960 do ní bylo uloženo přibližně 800 miliónů m3 nadložních zemin. Tato výsypka je 8,5 km dlouhá a 2-2,5 km široká [10]. Svojí rozlohou 1957,10 ha patří k největším v České republice. Pata výsypky leží v nadmořské výšce 445 – 595 m a její dva vrcholy dosahují výšky 600 m.n.m.. Hornická činnost (ukládání nadložních zemin) na celé ploše výsypky byla ukončena roce 2003. Převážnou část ukládaného materiálu tvoří cyprisové jíly usazené na dně třetihorního jezera [9]. Jíly tvoří hlinitokřemičitany s vysokým obsahem kovů alkalických zemin s převahou Ca2+ [2]. Termín „cyprisové“ jíly je odvozen od častého výskytu fosilního korýše Mytilocyprys praenuncia. Chemická analýza Bylo sledováno deset lokalit na území Velké podkrušnohorské výsypky. Přímo v terénu byla měřena konduktivita a pH na přístroji Multiline P4 (WTW Germany). Voda z jednotlivých lokalit byla standardně vzorkována v pravidelných čtyřtýdenních intervalech. Ve vzorcích vody byla potenciometrickou titrační metodou měřena alkalita a z jejích hodnot pak vypočítávána koncentrace HCO3-. Na adsorpčním spektrofotometru typu SpectrAA-640 byly analyzovány kationty Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Fetotal, Mntotal, Altotal.. Metodou průtokové injekční spektrofotometrie na přístroji FIA-star byly stanovovány ostatní důlžité ionty NO3-, NO2-, NH4+, PO43-, SO42-, Cl- [2][5]. Analýza zoobentosu a zooplanktonu Vzorky zooplanktonu o známém objemu byly přefiltrovány přes planktonní síť s velikostí ok 80 µm. Vzorky zoobentosu byly odebírány sondou ze dna nádrže, proprány na sítě a následně stejně jako vzorky zooplanktonu nafixovány formaldehydem[3]. Teplotní a vlhkostní analýza Teplota a vlhkost na sledovaném území byly zaznamenávány pomocí dataloggerů COMET L3631 (teploměr-vlhkoměr) a čtyřkanálových dataloggerů COMET L0141 (teploměr) [4]. Teplota byla snímána každých 10 minut po dobu 48 hodin ve čtyřech výškách. 10 cm pod povrchem půdy, na povrchu půdy, 10 cm nad povrchem půdy a 180cm nad povrchem půdy. Pro optimalizaci dat byla data snímána v průběhu dvou jasných slunečných letních dnů
Výsledky a diskuse Chemická analýza Složení vod na Velké podkrušnohorské výsypce Vody na Velké podkrušnohorské výsypce mají vysoký obsah rozpuštěných látek. Jejich množství je až třicetkrát vyšší ( 8-15 g.l-1) než jak je tomu u běžných povrchových vod ČR (0,05-0,5 g.l-1). Výsypková voda má výrazně vyšší koncentrace zejména těchto rozpuštěných látek: Na, Ca, Mg, Fe, Mn, NH4–N, SO42-, HCO3-. Tato skutečnost je způsobena zejména geologickým podložím výsypky, mineralizací výsypkového substrátu a vymýváním půdy spojených s hornickou činností. Tabulka 1 Koncentrace rozpuštěných látek ve vodách na Velké podkrušnohorské výsypce v porovnání s běžnými povrchovými vodami v ČR Nejčastější hodnoty Nejčastější hodnoty Běžná povrchová sledované na sledované na Parametr jednotka voda v ČR[6] mimovýsypkových výsypkových lokalitách[5] lokalitách [5] pH 8,2 – 8,5 6,4 – 7,2 6,5 – 8,5 alkalita mmol.l-1 14,6 –17,2 0,4 – 1,3 0,5 – 3 -1 NH4 – N mg.l 0,5 – 0,7 0,01 – 0,03 0,05 – 0,5 -1 NO3 – N mg.l 0,4 – 0,6 1,9 – 3,5 0–5 Ptotal (TP) mg.l-1 0,02 – 0,05 0,1 – 0,3 0,05 – 0,4 Na+ mg.l-1 800 – 1300 9 – 14 2 – 50 K+ mg.l-1 17 – 21 2–5 1 – 35 2+ -1 Ca mg.l 210 – 350 5 – 25 10 – 200 Mg2+ mg.l-1 100 – 150 3–8 5 – 50 -1 Cl mg.l 4 – 5,5 8 – 22 3 – 50 2-1 SO4 mg.l 4500 – 5500 27 – 52 20 – 200 Fetotal mg.l-1 2–3 0,3 – 0,9 0,01 – 0,5 Mntotal mg.l-1 1,2 – 2 0,09 – 1,2 0,05 – 0,5 Pro typicky nízké pH (méně než 4,5) jsou důlní vody nazývány jako kyselé důlní vody s obecně uznávanou zkratkou AMD (Acid mine drenage). Obsah síranů se v důlních vodách uhelných dolů pohybuje témě vždy nad 50 %, zbytek rozpuštěných látek tvoří kovy v různém procentickém zastoupení[7]. Koncentrace rozpuštěných kovů se u jednotlivých těžebních oblastí liší, ale v naprosté většině případů, u uhelných dolů, dosahují nejvyšších koncentrací v kyselých vodách v následujícím pořadí: Fe, Mn a Al. Z ostatních kovů je třeba ještě zmínit koncentrace Mg a Ca, které společně tvoří kolem 10 % všech rozpuštěných látek. Poměr jejich vzájemného zastoupení se mění podle lokality, ale nejčastěji je 1 : 2 (Mg : Ca) [2][7]. Běžné prameny na Velké podkrušnohorské výsypce se zcela odlišují svým složením od kyselých důlních vod. Podobnosti lze pouze najít v téměř 70 % zastoupení síranů, v poměru Mg : Ca (1 : 2) a v nízké přítomnosti sloučenin N a P. Výrazně je zastoupen aniont HCO3-, který tvoří z celkového objemu rozpuštěných látek asi 12 % a kationt Na+ tvořící až 11 % rozpuštěných látek. Vzhledem k vysokému pH (6,5 – 7) jsou na sledovaných lokalitách výrazně nižší koncentrace těžkých kovů. Procentické složení AMD a výsypkových vod bylo vypočítáno z látkového množství (mg.l-1) a je prezentováno na obr. 3 a 4.
Obrázek 3 Chemické složení kyselých důlních drenážních vod AMD[7]
Průměrné chemické složení AMD vod Ca Mg 7,5% 3%
Al 1,9%
Ca Fe 6,6%
Mg Al
Mn 6%
Fe Mn SO4
SO4 75%
Obrázek 4 Chemické složení vod na Velké podkrušnohorské výsypce
Průměrné chmické složení vod na Velké podkrušnohorské výsypce HCO3 12,2%
SO4 67,7%
N+P 1,01% Na 12,5% K 0,22% Ca 4,4% Mg Cl 1,3% Fe+Mn 0,5% 0,07%
HCO3 N+P Na K Ca Mg Cl Fe+Mn SO4
Laboratorní test neutralizační kapacity jílů Vody na Velké podkrušnohorské výsypce se svým chemickým složením liší od kyselé důlní drenážní vody (AMD) . Předpokládalo se, že se na tomto zásadním rozdílu podílí zejména jíly na výsypce. Pro ověření této teorie byla v laboratoři testována schopnost neutralizovat naředěnou kyselinu sírovou (6000 mg.l-1 SO42-). Vzorek se připravil smícháním 50 g jílu a 425 g připravené kyseliny v poměru 1 : 8,5. Tato suspenze se nechala hodinu třepat na třepačce. Po protřepání se v suspenzi měřilo pH, následně byl jíl odstředěn a k supernatantu byl opět přidán čerstvý (totožný) jíl tak, aby byl zachován poměr 1 : 8,5, a tento proces se opakoval až do vyčerpání kapalné fáze[2]. Pokus s neutralizační schopností jílů prokázal hypotézu, že jíly dokáží neutralizovat kyselinu sírovou, vznikající při oxidaci pyritů na výsypce a výsledné pH je neutrální až mírně zásadité. Navíc obohacují společně s uhličitany vodu o další složky, zejména vápník, hořčík, sodík a hydrogenuhličitany. Z tohoto důvodu mají prameny vodu s velkým množstvím rozpuštěných sloučenin a vodivost přesahující ve většině případů 6000 µS.cm-1. výše uvedené anionty a kationty výrazně převyšují běžné koncentrace AMD vodách a naopak koncentrace těžkých kovů jsou výrazně nižší než je běžné pro AMD[2].
Tabulka 2 Chemická analýza testovaných jílů. Parametr Jednotka Jíl 1 Jíl 2 Jíl 3 KVK* mval.100g-1 21,024 39,42 39,42 pH–KCl 5,99 5,99 5,99 akt. pH H2O 6,84 6,75 7,22 Catotal g.kg-1 17,29 8,48 6,75 Mgtotal g.kg-1 8,01 4,50 8,51 Natotal g.kg-1 2,14 3,13 6,19 -1 Ktotal g.kg 8,05 5,89 15,44 Altotal g.kg-1 39,05 36,05 26,30 Fetotal g.kg-1 46,25 49,85 40,35 Mntotal mg.kg-1 560,50 438,50 490,50 Cutotal mg.kg-1 68,45 57,95 56,70 Zntotal mg.kg-1 87,85 102,95 88,40 -1 Pbtotal mg.kg 20,10 13,15 14,45 -1 Cdtotal mg.kg 2,45 1,51 1,63 Nitotal mg.kg-1 32,05 22,80 29,45 Crtotal mg.kg-1 94,90 67,30 60,30 Betotal mg.kg-1 0,23 0,43 0,62 * KVK – kationtová výměnná kapacita
Jíl 4 22,34 6,58 7,54 13,06 7,84 1,48 6,32 39,35 74,80 591,00 65,00 90,05 22,70 1,22 30,00 110,40 0,19
Analýza zooplanktonu a zoobentosu Neutrální reakce vody umožňuje snazší oživení vodních ploch a potoků na výsypce. Tato skutečnost byla prokázána pomocí úspěšných transferů z předpolí lomu Jiří, odkud byla odebrána mokřadní vegetace a následně přenesena na nově vytvořené lokality v rámci Velké podkrušnohorské výsypky. Při budování nových lokalit byla snaha přiblížit vznikající vodní nádrže původním pinkám, které se nachází na předpolí povrchového dolu Jiří. Přenesená vegetace se velmi dobře dokázala přizpůsobit novým podmínkám a začala rychle vytvářet mokřadní biotopy. I druhy, které z volné přírody již téměř vymizely (např. rdest alpský (Potamogeton alpinus)) byly přeneseny úspěšně. Ze zástupců zoobentosu byla zjištěna na všech lokalitách přítomnost zástupců čeledi Ceratopogonidae a Chironomidae. Z čeledi Chironomidae byly zaznamenány 3 rody vyskytující se na všech sledovaných lokalitách ve většině nádrží. Jedná se o rody Chironomus ( podčeleď Chironominae - Chironomini), Procladius a Tanypus (podčeleď Tanypodinae). V menších počtech a jen na některých lokalitách se objevili jedinci rodu Tanytarsus (Chironominae-Tanytarsini), Polypedilum, Glyptotendipes, Einfeldia (podčeleď Chironominae - Chironomini), Psectrocladius, Heterotrissocladius a Cricotopus (podčeleď Orthocladiinae )[3]. Jako první nález v České republice zde byl zaznamenán výskyt zástupce z čeledi Chironomidae - Chironomus aprilinus, který obývá slané vody. Dle relativního délkového zastoupení jedinců ve vzorku bylo zjištěno, že Ch. aprilinus má na těchto lokalitách dvě generace do roka. První přezimující generace vyletuje v květnu. Výlet letní generace je načasován na srpen. Průměrná roční abundance tohoto druhu se pohybovala na lokalitě Jezírka okolo 4540 ks.m-2 ( nejvyšších počty však byly zjištěné v červnu 2001 - 17083 ks.m-2odpovídající biomasa - 82g .m-2) [3][8]. Zástupci z čeledí Tabanidae (Chrysops relictus), Stratiomyidae, Culicidae a řádů Ephemeroptera (Cloeon dipterum), Odonata (Libellula depressa), Coleoptera (Haliplus confinis a blíže neurčení zástupci čeledi Dytiscidae) se na více zasolených lokalitách (9-16000 µS.cm-1) vyskytovali méně než na lokalitách s nižší salinitou (vodivost mezi 2-5000 µS.cm-1 [8].
Ze zooplanktonu byl na všech sledovaných lokalitách zaznamenán výskyt slanomilného vířníka Hexarthra fennica stejně jako Ch. aprilinus. Mimo zástupce Hexarthra fennica, byla zaznamenána ve větším počtu vzácná buchanka Tropocyclops prasinus (opět druh přizpůsobený vyšším koncentracím rozpuštěných látek ve vodě), Eucyclops serrulatus a Cyclops sp. Dále byly zaznamenány běžné druhy vířníků Brachionus urceus, Brachionus calyciflorus, Keratella cochlearis, Notholca acuminata, Lecane bulla. Z perlooček byl přítomen velmi rozšířený druh Chydorus sphaericus, ale také Daphnia galeata a Daphnia curvirostris, která je známá z 25 km vzdáleného slaniska Soos u Františkových lázní. Nezanedbatelné počty tvořili také zástupci Ostracoda a Bdelloidea [3].
Teplotní a vlhkostní analýzy Na základě teplotního a vlhkostního měření během slunného letního dne (červenec 2002), byly vypočítány na sledovaných lokalitách teplotní a vlhkostní amplitudy. Naměřená teplotní distribuce byla základem pro zjištění účinnosti jednotlivých vegetačních krytů a byla taktéž signifikantním faktorem pro další studium obnovy malého vodního cyklu na výsypkách[4]. Účinnost byla v našem případě definována jako schopnost jednotlivých biotopů snížit teplotní a vlhkostní fluktuace. Všechny sledované plochy – zemědělská rekultivace, lesnická rekultivace a mokřadní porost – byly stejného stáří (cca 4 roky), nadmořské výšky a orientace. U zemědělské rekultivace byl povrch výsypkového substrátu překryt deponovanou ornicí a byla zde vyseta jetelotravní směska (3-5 druhů). Tento porost v po čtyřech letech existence dosáhl 80% pokryvnosti. Nejvyšší naměřená teplota byla 37°C a maximální denní teplotní amplitudy naměřené na povrchu půdy se zde pohybovaly kolem 22°C (Obr.5). Vlhkost v povrchovém půdním horizontu dosahovala v časných ranních hodinách 98%. Stabilizační funkce trvalého travního porostu byla zajímavým výstupem tohoto měření a potvrdila tak Teorii holistického přístupu prof. Ripla [10]. Obrázek 5 Denní průběh teplot na zemědělské rekultivaci(trvalý travní porost) °C
Diurnal course of temperature in an agricultural recultivation
40 35 30 25 20 15 10 5
temperature of soil 10 cm under surface temperature of soil surface
0 July 8th July 9th July 9th July 9th July 9th July 10th July 10th
Lesnická rekultivace v klasickém pojetí využívá pouze terénně upravený povrch výsypky (surový výsypkový substrát), kam se sázejí prostokořenné sazenice stromků ve sponu 1x1 m. Sazenice jsou ve většině případech voleny ve struktuře cílového porostu. Výsledným efektem takovéto rekultivace je jen ve výjimečných případech zdravý a fungující porost. Častější je situace zaznamenaná na Velké podkrušnohorské výsypce, kde po čtyřech letech vznikaly holiny se zbytky usychajících sazenic.. Celková pokryvnost této lesnické rekultivace byla 3% v obdobných expozicích v rámci sledované oblasti nepřesahovala 10%[4]. Porost se zde i po čtyřech letech choval jak holá výsypka bez rekultivačního zásahu a svými charakteristikami
se přibližoval pouštním podmínkám (teplotní rozdíl v průběhu 24 hodin zde dosahoval až 50°C)(obr. 6). Obrázek 6 Denní průběh teplot v lesnické rekultivaci °C
Diurnal course of temperature in a forestry recultivation
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 July 8th
temperature of soil surface temperature of soil 10 cm under surface July 9th
July 9th
July 9th
July 9th July 10th July 10th
Obrázek 7 Denní průběh teplot ve funkčním mokřadním ekosystému °C 40
Diurnal course of temperature in function wetland ecosystem
35 30 25 20 15 10 5 0 July 8th
temperature of soil on surface temperature of soil 10 cm under surface July 9th
July 9th
July 9th
July 9th July 10th July 10th
Mírně podmáčené porosty až mokřadní lokality samovolně vznikající na průsacích nebo v návaznosti na umělých vodotečích či výsypkových nádržích byly pokryty rákosovým nebo orobincovým porostem. Zejména rákosové porosty zde měli pro funkci nově utvářeného ekosystému mimořádný význam. Tyto porosty je možné považovat za tzv. kondenzační jádra nově utvářeného vodního cyklu této antropogenní krajiny. Pokryvnost námi sledovaných porostů činila 80-90%. Průběh 24 hodinových teplot je uveden v grafu na obr.7, denní amplituda je zde max.15°C a vzhledem k celodenně vodou nasycenému půdnímu profilu se zde neprováděla vlhkostní měření.
Závěr Neutrální až mírně alkalické pH je nejvýznačnější rozdíl, kterým se povrchové vody na Velké podkrušnohorské výsypce odlisují od většiny důlních vod ve světě. Tyto vody jsou naopak charakteristické velmi nízkým pH. S hodnotou pH souvisí i rozdílné působení na vodní faunu. V kyselých vodách působí negativně protony, na Sokolovsku jsou negativním faktorem sraženiny železa a uhličitanů.
Výsypková voda obsahuje vysoké koncentrace bazických kationtů a hydrogenuhličitanů a velmi nízké koncentrace fosforu. Nízká koncentrace fosforu, hydrogenuhličitanové a železité sraženiny jsou zde limitním faktorem oživení výsypkových vod. Navzdory těmto skutečnostem se na výsypkových lokalitách vyskytují unikátní živočišné i rostlinné druhy a vytváří tak jedinečné biotopy. Velmi důležitá je zde též břehová a mokřadní vegetace, která napomáhá přežití bezobratlých organismů ve vodách s vysokou salinitou. Koloběh vody, vegetační kryt a tok látek jsou úzce propojeny. Necitlivý přístup člověka ke krajině, v případě povrchových dolů dohnaný do extrému, na mnoha částech v krajině narušil koloběh vody úzce spojený s toky energie a látek. Obnova vegetace a vodního cyklu je proto nezbytným předpokladem pro snížení ztráty vody a látek z krajiny. Naše teplotní a vlhkostní analýzy potvrdily schopnost mokřadů efektivně disipovat sluneční energii v prostoru a čase[10]. Naše studium na Velké podkrušnohorské výsypce taktéž podpořily a prokázali funkčnost holistického přístupu ke krajině a důležitost vody a mokřadů v nově vznikající rekultivované krajině.
Použitá Literatura [1] Mapové podklady GEODIS Brno, s.r.o. , 1996-2006 http://www.mapy.cz/ [2] Hezina, T., 2001, Vliv rekultivačních prací na koncentraci manganu a železa ve výsypkových vodách a oživení malých vodních nádrží na Velké podkrušnohorské výsypce, disertační práce, České Budějovice,135 p. [3] Šímová, I., 2004, Sukcese zooplanktonu a zoobentosu ve vodních nádržích oblasti narušené povrchovou těžbou nerostů. Disertační práce ZF JU. České Budějovice. [4] Pecharová, E., Procházka, J., Wotavová, K., Sýkorová, Z., Pokorný, J., 2004, Restoration of Landscape after Brown Coal Mining, In: Environmental Issues and Waste Management in Energy and Mineral Production, Atilim University, Ankara, 299-304 pp. [5] Broumová, H., Pecharová, E., 2004, Chemical parameters of surface water of Great podkrušnohorská burden heap and their impact on reviving and comparision between burden heap and near-by localities. Životné prostredie, Bratislava, 2004, č.1 , p. 48-50 [6] Frouz, J., 1999, Obnova společenstev půdních organismů a tvorba půdy na plochách lesnicky rekultivovaných výsypek. In: Sborník přednášek, Zahlazování následků hornické činnosti, sekce Z, 11.10. – 13.10. Příbram. [7] Richards, I. G., Palmer, J.P., Barrat, P.A., 1993, The reclamation of farmer coal mines and stellworks. Studies in Enviromental Sceence 56, Elsevier, Amsterodam, pp. 720. [8] Kallistová, I., 2002, Oživení povrchových vod na velké podkrušnohorské výsypce. In.: Pecharová, E.(ed): Sborník referátů z mezinárodní konference Ekotrend 2002-Trvale udržitelný rozvoj-ZF JU v Českých Budějovicích. [9] Bejšovec, Z., Milič, J., 1994, Hydrologie jako limitující faktor těžební činnosti v Sokolovské pánvi - DÚ Zhodnocení vodního režimu v okolí vytypovaných zbytkových jam vlivem těžby po jejím ukončení. Dílčí výzkumná zpráva úkolu R-2, Výzkumný ústav pro hnědé uhlí,a.s., Most, 32 p [10] Ripl, W., 1995, Management of water cycle and energy flow for ecosystem control – the energy-transport-reaction (ETR) model. Ecological Modelling, 78, 61 – 76.
