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Doctoral Thesis
2013
Ecology of alluvial arable land polluted by copper mine tailings : new insights for restoration
Ecology of alluvial arable land polluted by copper mine tailings : new insights for restoration
Abstract (English)
Mining and extraction of metals generates huge amounts of tailings waste (a mixture of water, finely ground ore rock and processing effluents, which remains after removal of mineral concentrate). Unfortunately, accidental release of mine tailings into river systems and their further deposition in floodplains, often over arable land, has been reported from many parts of the world, with environmental implications difficult to predict. Mine tailings from sulphidic metal ores combine high potential for generating soil acidity, and high concentrations of plant available heavy metals, which are the two most intractable issues in restoration of post-mining sites. On the other hand, barren land degraded by mining waste provides an exciting opportunity to reveal some important ecological principles which might not be apparent under ?normal? conditions. Understanding of the process of primary vegetation succession is in particular crucial for the practice of ecological restoration, which is increasingly seen as a preferable alternative to technical reclamation of land degraded by mining.
This work addresses the two major issues relevant for ecology and restoration of alluvial arable land polluted by mining waste, which have so far been very poorly understood: Firstly, the long-term fate of contaminants and their actual impact on soil quality and crop production under true field conditions. Secondly, the process of spontaneous revegetation of barren land under the extreme soil conditions and the environmental setup considerably different from the well-studied Central European. The explorative study was undertaken on an exceptional locality created by long-term and large scale-fluvial deposition of sulphidic copper (Cu) tailings over alluvial fields in Eastern Serbia. Comprehensive surveys of spontaneous vegetation, weed assemblages and cereal crops (species cover-abundance; biomass per m2; and foliar mineral analyses), and concomitant surveys of rhizosphere soils (31 physical and chemical parameter) included 297 sampling locations throughout the polluted floodplain (flexible sampling scheme based on visual appearance of vegetation). Data were jointly analysed in a gradient approach framework by different multivariate statistical methods (ordination: NMS, PCA, CCA; classification: agglomerative clustering; group comparisons: MRPP, ISA; habitat modelling: NPMR; and, regression analysis).
The results revealed exceptionally strong structure in the vegetation which was highly correlated with the measured soil properties; the regular change of vegetation and soil properties occurred along spatially explicit transects perpendicular to the river channel. The clear gradients observed in this ?field laboratory? research brought forward some new ecological patterns which had not been reported by other relevant studies so far:
1. Severe P deficiency, most likely not amenable by fertilization, is identified as the master limiting soil factor for grains under the multiple abiotic stresses caused by deposition of sulphidic Cu mining waste. Other plausible soil constraints (low pH, excessive concentrations of available Cu and Al, deficiency of N and B; P deficiency-induced increase of As uptake; competition with superior hemicryptophytic weeds), have remained in domain of a ?black-box?.
2. Frequent ploughing accelerates the substitution of high plant available Cu by nutrient deficiency (primarily P and microelements) and excessive exchangeable Al. Thus, agronomic soil quality indicated by crop yield does not improve even when Cu is leached to the background levels. The environmental consequences of intensive land use are however drastic, and increase vulnerability of these soils to further environmental hazards. On the other hand, one type of spontaneously occurring pioneer forests was shown to considerably slow down the oxidative weathering of the tailings deposits and thus prevent Cu leaching via phytostabilization.
3. Although many characteristics of cereal weed assemblages markedly change along the soil pollution gradient, the species? ability to maintain leaf P homeostasis appears to be the key adaptation underlying the observed vegetation structure. The novel associations of unusual species combinations showed a set of functional adaptations which have enabled the leaf N:P homeostasis and thus the uninterrupted survival of weed vegetation along the soil gradient.
4. The proposed conceptual model describes a highly patterned process of spontaneous revegetation of the created barren land under the severe environmental filtering. In this process, the xerothermic surrounding vegetation adapted to calcareous soils has a very limited role. Instead, primary succession relies on novel types of early vegetation which comprise not only novel combinations of species, but also the key role of species which are novel to the affected region, and do not survive outside of the polluted area. We demonstrate for the first time that pollution-induced severe nutrient deficiency can override the well-established importance of both surrounding vegetation and water level gradient for primary succession.
Overall, this study implies that severe nutrient deficiency, which is often a neglected issue in studies of metal-polluted sites, can override the effects of Cu toxicity, the role of surrounding vegetation, and even the role of water level gradients, on the process of spontaneous restoration of vegetation cover. It is highly unlikely that spontaneous restoration under the current conditions would allow the reestablishment of the original (or close to original) alluvial vegetation or pre-pollution agricultural land use. Weathering of the substantial residues of sulphides, further acidification and Cu leaching is the major environmental risk; ploughing (or any mechanical soil disturbance with similar effect) of this vast marginalized area should be avoided. Maintenance of the natural flooding regime, which had, bizarrely, caused this vast degradation in the first place, is indicated important for the current spontaneous succession and warrants further research.
Abstract (German)
Bergbau und Erzgewinnung erzeugen ungeheure Mengen an Abraum (eine Mischung aus Wasser, Grundgestein, Prozessabwässern, die nach dem Metallaufschluss verbleiben). Unglücklicherweise geschieht es immer wieder, dass Bergbau Schlämme in die Vorfluter gelangen, sich in den Auen absetzen oft auch auf fruchtbaren landwirtschaftlichen Flächen. Derartige Unfälle werden aus aller Welt immer wieder gemeldet mit nicht vorhersehbaren Folgen für die Umwelt. Schlämme sulfidischer Metalle haben ein hohes Potenzial für Bodenversauerung und hohe Konzentrationen pflanzenverfügbarer Schwermetalle. Das sind die größten Probleme bei der Restaurierung ehemaliger Bergbaugebiete. Auf der anderen Seite bieten durch Bergbau und dessen Abfälle verwüstete Gebiete die Möglichkeit ökologische Prinzipien zu entdecken, die unter ?normalen? Bedingungen nicht so offensichtlich erscheinen. Das Verständnis für die primäre Sukzession der Vegetation ist besonders wichtig für die Restaurations-Ökologie, die zunehmend als Alternative gegenüber rein technischen Wiederherstellungsmaßnahmen für degradierte Bergbaustandorte zu sehen ist.
Diese Arbeit behandelt vornehmlich zwei für die Restaurierung von Auenflächen, die mit Bergbauschlämmen bedeckt wurden, wichtige Feststellungen, die bisher kaum geklärt wurden: erstens, das Langzeitverhalten der kontaminierenden Substanzen auf Bodenqualität und Getreide-Produktion unter Feldbedingungen. Zweitens, den Entwicklungsprozess spontaner Vegetation auf Offenland unter extremen Bodenbedingungen und Umweltbedingungen die beachtlich von den sehr gut bekannten Mitteleuropas abweichen.
Diese Untersuchung wurde auf einem außergewöhnlichen Standort durchgeführt, der sich durch langzeitliche und großflächige Auen-Deposition von sulfidischen Kupfer-Schlämmen (Cu) über Alluvionen in Ost-Serbien auszeichnet. Gründliche Untersuchungen der spontanen Vegetation (Arten-Gemeinschaften) und Getreide (Abundanz-Dominanz der Arten; Biomasse pro m2 und Blatt-Mineral-Analysen), Analyse der Kontamination der Rhizosphäre (je 31 physikalische und chemische Parameter) von 297 Aufnahme-Standorten in den belasteten Flussauen (Aufnahmen erfolgten nach dem Erscheinungsbild der Vegetation). Die Datenanalyse erfolgte Gradienten-basiert mit verschieden multivariaten statistischen Methoden (Ordination: NMS, PCA, CCA; Klassifikation: Agglomerative Clusterbildung; Gruppen Vergleiche: MRPP, ISA; Habitat Modellierung: NPMR; und Regressions-Analysen).
Die Ergebnisse zeitigten außergewöhnlich deutliche Strukturen der Vegetation die hoch korreliert mit den gemessenen Bodendaten waren; der regelmäßige Wechsel der Vegetation sowie der Bodenunterschiede zeigte sich entlang hin und herwechselnder Transekte im Bezug zum Gerinne des Flusses. Die eindeutigen Gradienten, die in diesem ?Freilandlabor? ermittelt wurden, erbrachten Erkenntnisse zu neuen ökologischen Mustern, die bisher in der Literatur nicht beschrieben wurden:
1. Starke Phosphor-Unterversorgung, nicht aufhebbar durch Düngung, wurde als Hauptbegrenzungsfaktor für die Getreideproduktion unter diesem vielfältigen abiotischen Stress verursacht durch die Kupfer-Schlämme ermittelt. Andere plausible Boden-Stressoren (niedriger pH, stark erhöhte Konzentrationen pflanzenverfügbarem Cu und Al, Mangel an N und B; P Mangelinduzierter erhöhter As Aufnahme; Konkurrenz unter den hemikryptophytischen Kräutern) verblieben in einer Art ?black-box?.
2. Häufiges Pflügen beschleunigt den Austausch hoch pflanzenverfügbarem Kupfers durch Nährstoffarmut (in erster Linie P und Mikronährstoffe) und exzessiv viel austauschbarem Aluminium. Außerdem verbessert sich die landwirtschaftliche Qualität der Böden angedeutet durch die Getreideerträge nicht auch wenn das Kupfer bis auf das Hintergrundniveau ausgewaschen wird. Die Umweltkonsequenzen intensiver Landnutzung sind drastisch und erhöhen die Verletzbarkeit der Böden bei weiteren Umweltkatastrophen. Auf der anderen Seite hat ein Typ spontaner Pionierwälder zu beachtlicher Verlangsamung der oxidativen Verwitterung der Schlammablagerungen geführt und so über die Phytostabilisation zur Verhinderung der weiteren Kupfer-Auswaschung geführt.
3. Obwohl die Charakteristik der Unkrautgemeinschaften sich entlang des Belastungsgradienten deutlich verändert ist die Pflanzeneigenschaft eine P-Blatt-Homöostasis herbeizuführen der Schlüssel für die beobachteten Vegetationsstrukturen. Neue Gemeinschaften ungewöhnlicher Artenkombinationen zeigten eine Gruppe funktionaler Anpassungen, die die Blatt N:P Homöostasis und damit das ununterbrochene Überleben der krautigen Vegetation im Bodengradienten ermöglichte.
4. Das dargestellte konzeptionelle Modell beschreibt den Prozess der Musterbildung in der Vegetationsregeneration auf dem Brachland unter extremen Umwelteinflüssen. In diesem Prozess hat die Flora der xerothermen Umgebungsvegetation auf Kalkböden so gut wie keine Auswirkungen. Im Gegenteil: Die primäre Sukzession basiert auf einem neuen Typ Primärvegetation, die nicht nur neue Artenkombinationen beinhaltet sondern auch veränderte Schlüsselrollen der Arten in der betroffenen Gegend, darüber hinaus überleben die Arten nicht außerhalb der belasteten Areale. Damit wird erstmalig gezeigt, dass belastungsinduzierter Nährstoffmangel sich stärker Auswirkt als es die Wirkung sowohl der Umgebungsvegetation als auch der Grundwassergradient für die Primäre Sukzession ist.
Schließlich zeigt diese Untersuchung, dass starker Nährstoffmangel, der oft auf von Metall belasteten Standorten außer acht gelassen wird, sogar die Wirkung der Kupfer-Toxizität übertreffen kann. Es ist höchst unwahrscheinlich, dass unter den gegebenen Bedingungen eine Reetablierung der Auenvegetation (oder entsprechender Vegetationstypen) oder der früheren Landnutzung stattfinden kann. Verwitterung der erheblichen Rückstände von Sulfiden und weiterhin die Versauerung und Cu-Auswaschung sind die Haupt-Umweltrisiken; Pflügen (oder irgendeine mechanische Bodenstörung mit vergleichbarem Effekt) dieser weiten degradierten Landschaft sollte vermieden werden. Die Aufrechterhaltung des natürlichen Wasserregimes, das ursprünglich ? bizarrer weise ? die großflächige Degradation der Aue bewirkt hat, ist von großer Bedeutung für die momentane spontane Sukzession und dieses bedarf weiterer Grundlagenforschung.
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Faculty of Agricultural Sciences
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Institute of Landscape and Plant Ecology
Examination date
2013-10-14
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English
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Classification (DDC)
500 Science