Wstęp

Program monitoringu lasów w 2015 roku

I.

Monitoring lasów na stałych powierzchniach obserwacyjnych I rzędu

1.

Ocena poziomu uszkodzenia monitorowanych gatunków drzew

2.

Ocena symptomów i przyczyn uszkodzeń drzew

3.

Wpływ warunków pogodowych na zdrowotność drzewostanów

4.

Defoliacja drzew przy różnej dostępności wody glebowej

5.

Zmiany składu gatunkowego w drzewostanach w dziesięcioleciu 2007-2016

II.

Badania na stałych powierzchniach obserwacyjnych monitoringu intensywnego (SPO MI)

6.

Dynamika parametrów meteorologicznych na SPO MI

7.

Poziom koncentracji NO₂ i SO₂ w powietrzu

8.

Opady podkoronowe oraz roztwory glebowe
Anna Kowalska

      Opady podkoronowe

      Opady podkoronowe różnią się od opadów atmosferycznych zarówno pod względem ilości, jak i składu chemicznego. Ich badanie dostarcza istotnych informacji o obiegu pierwiastków w środowisku leśnym.

      Średnia przewodność elektrolityczna właściwa, będąca pośrednio miarą ogólnej zawartości jonów w wodach, wynosiła na SPO MI
w 2016 r. od 22,3 do 51,6 mS·cm^-1·rok^-1, przyjmując miesięcznie wartości od 13,3 do 210 mS·cm^-1. W opadach w niemal wszystkich przypadkach wartości przewodności były wyższe niż w opadach docierających do koron. Wartości przewodności były zależne od ilości opadów w badanym okresie. Zanieczyszczenia dostarczane z wodą opadową i spłukiwane oraz wymywane z liści były w okresach niskich opadów obecne w próbkach w dużych stężeniach, zaś przy wysokich opadach występował tzw. efekt rozcieńczenia. Wysoka przewodność średnio w ciągu roku wystąpiła w próbkach opadów w nadleśnictwach: Zawadzkie, Krotoszyn, Suwałki i Łąck (odpowiednio 51,6, 48,6, 47,2
i 38,9 mS·cm^-1·rok^-1). Stosunkowo niską przewodność opadów (od 26,8 do 28,9 mS·cm^-1·rok^-1) notowano w opadach w Birczy, Strzałowie
i Piwnicznej, zaś najniższą miały opady w Szklarskiej Porębie (22,0 mS·cm^-1·okres badań^-1). W pozostałych drzewostanach (w Gdańsku, Białowieży, Kruczu i Chojnowie) przewodność opadów kształtowała się w zakresie od 30,2 do 33,2 mS·cm^-1·rok^-1.

      Roczny depozyt podkoronowy wyliczono jako sumę depozycji azotu całkowitego (N_tot), jonów wodorowych, chlorków, siarczanów (VI), jonów wapnia, sodu, potasu, magnezu, żelaza, glinu, manganu i metali ciężkich.

      Depozyt podkoronowy przekroczył 70 kg ha^-1 rok^-1 na powierzchniach świerkowych w Suwałkach (79,6 kg ha^-1 rok^-1) i w Szklarskiej Porębie (74,9 kg ha^-1 rok^-1) oraz w drzewostanie dębowym w Krotoszynie (72,1 kg ha^-1 rok^-1) i bukowym w Gdańsku. (79 kg ha^-1 rok^-1; suma depozycji z opadów podkoronowych i spływu po pniu). W Kruczu (So) w ciągu jedenastu miesięcy z opadami zdeponowane zostało 39,1 kg ha^-1 badanych substancji, a rocznie w Łącku (Db) i Strzałowie (So) odpowiednio 45,1 i 47,8 kg ha^-1 rok^-1. W Piwnicznej (Św), Chojnowie (So), Białowieży (So), Birczy (Bk) i Zawadzkiem (So) depozyt wyniósł od 52,5 kg ha^-1 rok^-1 do 66,5 kg ha^-1 rok^-1.

      W opadach podkoronowych występowało więcej istotnych różnic pomiędzy SPO MI, niż w opadach na otwartej przestrzeni. Istotne różnice wykryto dla wszystkich głównych składników opadów (H⁺, Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, NH₄⁺, Ca, Mg, Mn, Fe, Al i RWO), poza K.

      Depozyt pierwiastków śladowych i metali ciężkich: żelaza, manganu, glinu, cynku, miedzi, kadmu i ołowiu wynosił od 0,75 do 1,64 kg·ha^-1·rok^-1, co odpowiadało od 1,4% do 3,6% całkowitej depozycji podokapowej. Udział samych metali ciężkich (Zn, Cu, Pb, i Cd) stanowił w sumie rocznego depozytu od 0,4% do 0,8%. Na poszczególnych powierzchniach depozyt metali ciężkich wyniósł od 0,22 do 0,59 kg·ha^-1·rok^-1, z czego 78-86% stanowił cynk.

      Właściwości kwasowo-zasadowe wód opadowych. Obniżone pH, tj. pH niższe niż 5,0 występowało na przestrzeni roku w 20% miesięcznych próbek opadów zebranych na SPO MI. Opady o pH poniżej 5,0 przeważały w okresie zimowym (styczeń, luty, marzec
i grudzień).

      Odczyn opadów był zbliżony lub nieco mniej kwaśny niż średnio w roku 2014, lecz zachowane zostały różnice w pH opadów między badanymi drzewostanami. Wyższe pH występowało w opadach pod okapem drzewostanów liściastych niż iglastych (por. Kowalska i in., 2016a).

      Pojemność zobojętniania kwasów (ANC), obliczona jako różnica stężeń kationów mocnych zasad (Ca, Mg, Na, K) i anionów mocnych kwasów (SO₄^2-, NO₃^-, Cl^-) w opadach, mierzona w μeq·dm^-3, jest wskaźnikiem pozwalającym ocenić, czy w wodach występuje nadmiar wolnych mocnych kwasów (ANC<0), czy zasad (ANC>0). Interpretacja wartości osiąganych przez ten wskaźnik jest więc podobna, jak
w przypadku zasadowości.

      W porównaniu z wodami opadowymi udział opadów podkoronowych z ujemnymi wartościami ANC występował rzadziej (w 34% przypadków) – Rys. 24. Ujemne wartości ANC, związane z przewagą jonów wolnych kwasów, występowały przeważnie w okresie zimowym, co można przypisać zarówno wzmożonym emisjom zanieczyszczeń w związku z sezonem grzewczym, jak i zmniejszonej aktywności biologicznej drzew i mniejszej wymianie jonowej niż w okresie wegetacyjnym. Na wszystkich powierzchniach obserwacyjnych ANC półrocza zimowego było niższe niż w półroczu letnim (Rys. 23).

      Dodatnią średnią roczną wartość ANC (przewagę wolnych zasad) w opadach podkoronowych odnotowano w świerczynach:
w Suwałkach i Piwnicznej (149 i 51,7 μeq·dm^-3·rok^-1), w obu drzewostanach dębowych: w Krotoszynie i Łącku (98,3 i 65,8 μeq·dm^-3·rok^-1), w bukowych: w Gdańsku i Birczy (38,9 i 49,5 μeq dm^-3 rok^-1) oraz w czterech z pięciu sosnowych: w Białowieży, Strzałowie, Chojnowie
i Kruczu (111,0, 94,7, 31,0 i 20,4 μeq dm^-3 rok^-1). W drzewostanach: świerkowym w Sudetach (Szklarska Poręba) oraz sosnowym na obszarze Śląska (Zawadzkie) w opadach występowała przewaga jonów wolnych kwasów (ANC wynosiło odpowiednio: -61,5 i -5,0 μeq dm^-3 rok^-1).

      Jony o zakwaszającym oddziaływaniu na środowisko (SO₄^2-, NO₃^-, NH₄⁺, Cl^-) stanowiły od 41% do 64%, a w Strzałowie i w Białowieży zaledwie 38%-39% rocznego molowego depozytu (sumy azotu całkowitego, chlorków, siarczanów (VI), kationów zasadowych, żelaza, glinu, manganu i metali ciężkich, wyrażonej w mol_c·ha^-1) (Rys. 25). Najwyższy udział jonów o charakterze zakwaszającym stwierdzono
w Zawadzkiem (64%), niewiele mniejszy w Szklarskiej Porębie (57%) i Kruczu (50%). W Chojnowie, Gdańsku, Krotoszynie, Łącku, Birczy, Piwnicznej i Suwałkach wynosił od 49% do 41%.

      W grupie powierzchni, gdzie depozyt molowy jonów zasadowych (Ca²⁺, K⁺, Mg²⁺ i Na⁺) przewyższał depozyt jonów zakwaszających, znalazły się, podobnie jak w latach ubiegłych, nadleśnictwa Białowieża, Strzałowo i Suwałki (Rys. 25).

      Spływy po pniu

      Depozycja składników z opadami w drzewostanach byłaby znacząco niedoszacowana, gdyby pominięto jedną ze ścieżek dopływu wód opadowych do gleb leśnych: wody spływające po pniach drzew. W monitoringu lasów ta frakcja wód opadowych jest badana jedynie w drzewostanach bukowych, gdyż architektura koron buka oraz struktura kory w większym stopniu sprzyjają odprowadzaniu opadu po pniach, niż u innych gatunków. Spływ po pniu stanowi wobec tego w buczynach istotną formę transportu wody, substancji pokarmowych oraz zanieczyszczeń zawartych w opadach, modyfikując warunki glebowe w strefach wokół pni (Chang i Matzner, 2000).

      Pobór próbek spływu po pniu prowadzono w nadleśnictwach Gdańsk i Bircza w okresie bezmroźnym. Szacuje się, że ilość spływu po pniu przekroczyła w badanym okresie 67 mm w Gdańsku i 53 mm w Birczy. W miesięcznych okresach badań spływ po pniach stanowił od 1% do 21% opadu bezpośredniego (na otwartej przestrzeni) w Gdańsku oraz od 1% do 23% w Birczy, co koresponduje z wartościami przytaczanymi w literaturze (Chang i Matzner, 2000, Johnson i Lehmann, 2006).

      Średnia dla okresu badań wskazuje, że spływ po pniu w Birczy charakteryzował się nieco wyższym pH i ANC oraz niższymi stężeniami większości składników w porównaniu z Gdańskiem. Na obu powierzchniach średnie roczne pH i pojemność zobojętniania kwasów (ANC) osiągały wyższe wartości niż w opadach podkoronowych.

      Depozyt składników wniesiony ze spływem po pniu wyniósł w okresie badań 16,9 kg ha^-1 w Gdańsku oraz 6,86 kg ha^-1 w Birczy. Stanowiło to 27% depozytu podkoronowego w Gdańsku i 13% w Birczy. Woda opadowa spływając po pniach, w większym stopniu niż przepływając przez warstwę koron, wzbogaca się w K⁺ i związki organiczne, co w odniesieniu do K⁺ potwierdzają wyniki innych badań (Chang i Matzner, 2000). Mimo że suma opadu odprowadzonego po pniach stanowiła średnio zaledwie 8-10% opadu podkoronowego, depozyt jonów potasu stanowił aż 37% depozycji tego składnika w wodach podkoronowych w Gdańsku i 16% w Birczy, a depozyt rozpuszczonego węgla organicznego aż 49% depozycji podokapowej RWO w Gdańsku i 28% w Birczy.

      W składzie chemicznym spływu po pniu zauważalny był wpływ aerozoli morskich w Gdańsku: średnie stężenia jonów sodowych, chlorkowych, Ca i Mg były większe niż w Birczy.

      Roztwory glebowe

      Roztwory glebowe stanowią drogę transportu składników odżywczych i substancji toksycznych między fazą stałą gleby a korzeniami roślin. Ich skład chemiczny jest więc źródłem informacji istotnych dla oceny wpływu zanieczyszczeń powietrza oraz innych czynników stresowych na ekosystemy leśne (Nieminen, 2011).

      W 2016 r. średnie pH w badanych roztworach glebowych pobranych z SPO MI wynosiło od 4,20 do 6,60 na głębokości 25 cm oraz od 4,52 do 7,10 na głębokości 50 cm. W porównaniu z rokiem poprzednim, poza kilkoma wyjątkami, nie odnotowano zmian większych niż ±0,2 jednostki pH.

      Najbardziej kwaśne roztwory występowały w drzewostanach sosnowych w Kruczu, Chojnowie i Zawadzkiem z pH 4,2-4,3 na głębokości 25 cm i 4,5-4,7 na głębokości 50 cm. W świerczynach w Szklarskiej Porębie i Piwnicznej, w drzewostanie dębowym w Łącku, bukowym
w Gdańsku i sosnowym w Białowieży pH roztworów glebowych na obu głębokościach mieściło się w zakresie 4,4-4,8. W dąbrowie
w Krotoszynie pH na głębokości 50 cm wynosiło 6,2, a w płytszym poziomie – tylko 4,3. W Strzałowie (sosna), Birczy (buk) i w Suwałkach (świerk) było wyższe niż 6,0, osiągając na głębokości 50 cm średnie wartości w zakresie 7,0-7,1. Z reguły w górnej części profilu glebowego występowało nieznaczne zakwaszenie roztworów w stosunku do głębszych poziomów. W Krotoszynie i Strzałowie różnica między pH na głębokości 25 cm i 50 cm była stosunkowo wysoka i wynosiła odpowiednio 1,8 i 0,8 jednostki pH.

      Powierzchnie monitoringu intensywnego różniły się pod względem sumy jonów w roztworach glebowych. Wysokie stężenia jonów wystąpiły na powierzchniach i na głębokościach, na których występowało mniejsze zakwaszenie (Białowieża, Suwałki, Strzałowo, Krotoszyn i Bircza), wynosiły około 1000-3200 μmol_c·dm^-3. Niskie stężenia jonów występowały w świerczynach górskich (Szklarska Poręba i Piwniczna, w buczynie nadmorskiej w Gdańsku (około 300-700 μmol_c·dm^-3). W drzewostanach sosnowych w Chojnowie, Zawadzkiem i Kruczu, gdzie pH roztworów glebowych było niższe niż na innych powierzchniach, oraz w dąbrowie w Łącku stężenia jonów w roztworach przyjmowały wartości pośrednie: od około 700 do 1200 μmol_c·dm^-3 (Rys. 26).

      W składzie roztworów glebowych znaczący udział miały kationy o charakterze zasadowym: Ca, Mg i K, które stanowiły na głębokości 50 cm 71%-75% sumy jonów w Strzałowie i Birczy oraz 49% w Suwałkach i 39% w Krotoszynie. W płytszej części profilu udział wynosił 61-69% w Birczy i Suwałkach, 51% w Strzałowie i 24% w Krotoszynie. W Białowieży udział na 25 cm głębokości wynosił 27%, a na 50 cm – 31%. Na powierzchni bukowej w Gdańsku i świerkowej w Szklarskiej Porębie udział kationów o charakterze zasadowym w sumie jonów był niski
i mieścił się w zakresie 9%-11%. W drzewostanach sosnowych w Kruczu, Chojnowie i Zawadzkiem udział tych jonów mieścił się w granicach 12%-16%, a w dąbrowie w Łącku i świerczynie w Piwnicznej był nieco wyższy i wynosił odpowiednio 24% i 20%. W porównaniu z rokiem poprzednim, udział jonów o charakterze zasadowym nie uległ dużym zmianom na SPO MI.

      Stosunek molowy jonów zasadowych (Ca, Mg i K) do glinu (BC/Al) jest stosowany jako wskaźnik stopnia zagrożenia gleby przez czynniki zakwaszające. Przyjmuje się, że przy wartościach (Ca+Mg+K)/Al ≥ 1 korzenie drzew są chronione przed skutkami zakwaszania gleb. Wskaźnik ten był również stosowany jako podstawa wyznaczania ładunku krytycznego kwasowej depozycji dla gleb leśnych (np. Semenov
i in., 2001, Akselsson i in., 2004).

      Stosunek molowy jonów zasadowych (Ca, Mg i K) do glinu przyjął znacznie niższe od jedności wartości (0,3-0,7) w roztworach glebowych na obu głębokościach w nadleśnictwach: Szklarska Poręba (świerk), Chojnów (sosna), Krucz (sosna), Zawadzkie (sosna)
i Gdańsk (buk). W Piwnicznej (świerk) mieścił się w granicach 0,7-0,9. W Łącku (dąb) wynosił 0,7 na głębokości 25 cm i wzrastał do 1,5
w głębszym poziomie gleby. W Białowieży (sosna) BC/Al wynosił 1,0 na głębokości 25 cm i wzrastał do 2,0 w głębszym poziomie gleby. Na pozostałych powierzchniach: w Krotoszynie (dąb), Strzałowie (sosna), Birczy (buk) i Suwałkach (świerk) – przekraczał, niekiedy znacznie, przyjętą wartość krytyczną, wskazując na brak zagrożenia korzeni ze strony toksycznych form glinu. Obecność azotanów w perkolatach glebowych z reguły stanowi wskaźnik tzw. wysycenia ekosystemu azotem, czyli sytuacji, gdy podaż azotu przekracza zapotrzebowanie roślin i mikroorganizmów (np. Aber i in., 1989, Gundersen i Rasmussen, 1995, Kristensen i in. 2004).

      W okresie badań jony NO₃^- występowały w roztworach glebowych poniżej głównej strefy korzeniowej roślin, na głębokości 50 cm,
w Białowieży w stężeniu od 1,6 do 4,9 mg N dm^-3 (od kwietnia do października), w Kruczu – w stężeniu od 0,5 do 0,6 mg N dm^-3 (w maju i wrześniu). W Suwałkach obserwowano stężenie od 1,5 do nawet 13 mg N dm^-3, przy czym w najwyższym stężeniu jony te pojawiły się
w październiku. W Strzałowie i Piwnicznej jony azotanowe były obecne przez cały okres pobierania próbek w stężeniu odpowiednio 0,3-3,3 mg N dm^-3 i 0,2-1,2 mg N dm^-3. Jony azotanowe pojawiały się również w dąbrowach w Łącku (0,4-1,3 mg N dm^-3 w październiku
i listopadzie) oraz w Krotoszynie (0,3-4,0 mg N dm^-3), częściej i w wyższych stężeniach niż w latach poprzednich.

      W Suwałkach obecność azotanów można wiązać z uszkodzeniem drzewostanu i powolnym rozpadem, związanym z obecnością kornika
i chorobami grzybowymi, w wyniku czego część powierzchni badawczej została pozbawiona drzew. W Strzałowie również obserwuje się miejscami wzmożone wypadanie drzew uszkodzonych pierwotnie przez choroby grzybowe. Obecność podwyższonych stężeń azotanów
w roztworach glebowych w świerczynie w Piwnicznej może być zjawiskiem alarmującym, gdyż notowano przypadki wykrywania podwyższonych stężeń NO₃^- w roztworach glebowych, nawet zanim objawy uszkodzeń drzewostanu stały się zauważalne.

      Podobnie jak w latach poprzednich, wysoki depozyt podkoronowy odnotowano na powierzchniach świerkowych w nadleśnictwach: Suwałki (79,6 kg·ha^-1·rok^-1), Szklarska Poręba (74,9 kg·ha^-1·rok^-1), w drzewostanie dębowym w Krotoszynie (72,1 kg·ha^-1·rok^-1) oraz drzewostanie bukowym w Gdańsku (79,0 kg·ha^-1·rok^-1).

      Depozyt pierwiastków śladowych i metali ciężkich: żelaza, manganu, glinu, cynku, miedzi, kadmu i ołowiu wynosił od 0,75 do 1,64 kg·ha^-1·rok^-1, co odpowiadało od 1,4% do 3,6% całkowitej rocznej depozycji podokapowej. Udział samych metali ciężkich (Zn, Cu, Pb, i Cd) stanowił w sumie rocznego depozytu od 0,4% do 0,8%.

      Obniżone pH, tj. niższe niż 5,0 występowało na przestrzeni roku w 20% miesięcznych próbek opadów na SPO MI. Obniżone pH opadów przeważało w okresie zimowym (styczeń, luty, marzec i grudzień).

      Na większości SPO MI odczyn roztworów glebowych nie przekraczał 5 na głębokości 25 i 50 cm. Średnie pH badanych roztworów glebowych wynosiło od 4,20 do 6,60 na głębokości 25 cm oraz od 4,52 do 7,10 na głębokości 50 cm.

      Stosunek molowy jonów zasadowych (Ca, Mg i K) do glinu (BC/Al) przyjął wartości znacznie niższe od jedności (0,3-0,7) w roztworach glebowych na obu głębokościach w drzewostanach sosnowych w nadleśnictwach: Chojnów, Krucz i Zawadzkie, w drzewostanie świerkowym w Nadleśnictwie Szklarska Poręba oraz w drzewostanie bukowym w Nadleśnictwie Gdańsk

      Wartość BC/AL < 1 cechowała roztwory glebowe na głębokości 25 i 50 cm SPO MI w Gdańsku, Kruczu, Chojnowie, Zawadzkiem, Szklarskiej Porębie i Piwnicznej.

9.

Zanieczyszczenie powietrza oraz ocena zagrożenia zakwaszeniem i eutrofizacją terenów leśnych w Polsce na podstawie wyników badań na SPO MI

Literatura