Wstęp

Program monitoringu lasów w 2017 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.

Susze na terenie Polski w latach 2010-2017 i ich wpływ na defoliację

II.

Badania na stałych powierzchniach obserwacyjnych monitoringu intensywnego (SPO MI)

5.

Wielkość depozytu wnoszonego z opadami atmosferycznymi

6.

Poziom koncentracji NO₂ i SO₂ w powietrzu

7.

Opady podkoronowe oraz roztwory glebowe
Anna Kowalska

      Opady podkoronowe

      Substancje transportowane przez opady atmosferyczne są dostarczane do dna lasu w formie opadów podkoronowych (ryc. 18). Dodatkowo do gleby trafia pewna pula pierwiastków, których źródłem są procesy interakcji opadów z koronami drzew. 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 (ryc. 22).

      Średnia przewodność elektrolityczna właściwa, będąca pośrednio miarą ogólnej zawartości jonów w wodach, wynosiła na SPO MI w 2017 r. od 20,6 do 56,2 mS·cm^-1·rok^-1, przyjmując miesięcznie wartości od 13,5 do 223 mS·cm^-1. W opadach podkoronowych 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: Krotoszyn, Suwałki i Zawadzkie (odpowiednio 63,2, 44,9 i 43,9 mS·cm^-1·rok^-1). W drzewostanach w Chojnowie, Łącku, Piwnicznej i Białowieży przewodność opadów przyjmowała wartości od 31,3 do 39,8 mS·cm^-1·rok^-1. Stosunkowo niską przewodność (od 26,9 do 28,1 mS·cm^-1·rok^-1) notowano w opadach w Kruczu, Gdańsku, Strzałowie i Birczy, zaś najniższą – miały opady w Szklarskiej Porębie (20,6 mS·cm^-1·okres badań^-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.

      W 2017 r. do gleby wpłynął ładunek substancji od 1,5 do 3,3 razy większy niż z opadem na otwartej przestrzeni. Stosunkowo niskie wzbogacenie pod okapem miało miejsce w drzewostanach bukowych w Białowieży, Szklarskiej Porębie, Kruczu, Gdańsku i Chojnowie (1,5-1,9-krotne), natomiast opady podkoronowe były szczególnie wzbogacone w stosunku do opadów bezpośrednich (2,6-3,3-krotnie) w drzewostanie dębowym w Krotoszynie, w świerczynach w Piwnicznej i Suwałkach oraz w drzewostanie sosnowym w Zawadzkiem. Depozyt podkoronowy mieścił się w zakresie od 49,3 do 103,7 kg ha^-1 rok^-1.

      Depozyt podkoronowy był szczególnie wysoki w drzewostanie dębowym w Krotoszynie (103,7 kg ha^-1 rok^-1), na powierzchni świerkowej w Suwałkach (87,4 kg ha^-1 rok^-1) i bukowej w Gdańsku (76,3 kg ha^-1 rok^-1; suma depozycji z opadów podkoronowych i spływu po pniu). W Kruczu (So) i Strzałowie (So) z opadami zdeponowana została najmniejsza ilość składników (odpowiednio 49,3 i 49,5 kg ha^-1 rok^-1), a na pozostałych powierzchniach depozyt wyniósł od 55,0 kg ha^-1 rok^-1 do 65,2 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⁺, Mg, Na, Mn, Fe, Al i RWO), poza Ca, K i N_tot.

      Gdańsk i Szklarska Poręba wyróżniały się spośród kilku SPO MI pod względem depozycji jonów pochodzenia morskiego (Na i Cl^-). W Białowieży depozycja N-NO₃^- była istotnie niższa niż na powierzchniach południowej Polski (Bircza, Szklarska Poręba, Zawadzkie). Opady podkoronowe w Strzałowie różniły się od opadów w Krotoszynie, Zawadzkiem, Chojnowie i Szklarskiej Porębie mniejszą depozycją S-SO₄^2-. W opadach w drzewostanach bukowych w Gdańsku i Birczy występowały istotnie mniejsze depozyty rozpuszczonego węgla organicznego (RWO) niż w drzewostanie sosnowym w Białowieży. Test wykazał istotne zróżnicowanie opadów pod względem pojemności zobojętnienia kwasów (ANC), jednak porównania dwustronne nie wskazały par powierzchni istotnie różniących się pod względem ANC opadów podkoronowych.

      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 w ciągu roku w 24% miesięcznych próbek opadów zebranych na SPO MI. Opady o pH poniżej 5,0 przeważały w okresie zimowym, a szczególnie w lutym (na dziesięciu SPO MI), w grudniu i styczniu (na siedmiu SPO MI) oraz w marcu (na trzech SPO MI). Jedynie w Suwałkach nie notowano miesięcznych opadów o pH niższym niż 5,2, tam też wystąpiło najwyższe spośród SPO MI średnie roczne pH (5,9).

      Najniższe średnie roczne pH odnotowano w Szklarskiej Porębie (pH 5,1). W Piwnicznej, Zawadzkiem, Chojnowie i Kruczu średnie roczne pH również było niskie (od 5,2, do 5,3), czego przyczyną były głównie kwaśne opady półrocza zimowego. Na pozostałych powierzchniach pH wynosiło od 5,4 do 5,6 (w Birczy, Białowieży, Gdańsku, Strzałowie, Łącku i Krotoszynie). Najwyższym pH opadów w ciągu roku wyróżniały się Suwałki (pH 5,8). Odczyn opadów w Łącku, Chojnowie i Kruczu był o 2 do 3 jednostek pH mniej kwaśny niż średnio w roku 2016. Na pozostałych powierzchniach pH opadów w 2017 roku było zbliżone do pH z roku 2016 lub nieco niższe.  Pod okapem drzewostanów liściastych obserwowano tendencję do występowania wyższego pH opadów niż w drzewostanach iglastych (por. Kowalska i in. 2016). Wyjątkiem są drzewostany sosnowy w Strzałowie i świerkowy w Suwałkach. W Strzałowie na odczyn opadów ma wpływ, oprócz sosny występującej w piętrze okapowym, bogaty podszyt bukowy i leszczynowy, a w Suwałkach liczne krzewy bzu czarnego i jarzębu pod okapem świerka. Domieszka liściasta może tłumaczyć stosunkowo wysokie pH opadów docierających do gleby. Ponadto oba drzewostany zlokalizowane są na stosunkowo żyznych glebach o dużym wysyceniu zasadami i wysokim pH w całym profilu lub przynajmniej w jego części spągowej.

      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). Inaczej mówiąc, ANC charakteryzuje zdolność wody do zobojętniania kwasów.

      W porównaniu z wodami opadowymi udział opadów podkoronowych z ujemnymi wartościami ANC występował rzadziej (w 35% przypadków) – ryc. 26. 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. 27).

      Dodatnią średnią roczną wartość ANC (przewagę wolnych zasad) w opadach podkoronowych odnotowano w świerczynach: w Suwałkach i Piwnicznej (143 i 38,2 μeq·dm^-3·rok^-1), w obu drzewostanach dębowych: w Krotoszynie i Łącku (175,0 i 62,3 μeq·dm^-3·rok^-1), w obu drzewostanach bukowych: w Gdańsku i Birczy (23,8 i 22,9 μeq dm^-3 rok^-1) oraz w czterech z pięciu drzewostanów sosnowych: w Białowieży, Strzałowie, Kruczu i Chojnowie (odpowiednio: 127,0, 69,0, 31,3 i 31,0 μeq dm^-3 rok^-1). W drzewostanach: sosnowym na obszarze Śląska (w Zawadzkiem) oraz w świerkowym w Sudetach (w Szklarskiej Porębie) w opadach występowała przewaga jonów wolnych kwasów (ANC wynosiło odpowiednio: -40,2 i -0,3 μeq dm^-3 rok^-1).

      Jony o zakwaszającym oddziaływaniu na środowisko (SO₄^2-, NO₃^-, NH₄⁺, Cl^-) stanowiły od 41% do 66% rocznego molowego depozytu (sumy azotu całkowitego, chlorków, siarczanów (VI), kationów zasadowych, żelaza, glinu, manganu i metali ciężkich, wyrażonej w mol_c ha^-1). Najwyższy udział jonów o charakterze zakwaszającym stwierdzono w Zawadzkiem (66%), udział przekraczający połowę całkowitej depozycji podokapowej zarejestrowano w Szklarskiej Porębie (54%), Chojnowie (53%), Birczy, Kruczu i Gdańsku (po 52%) oraz w Łącku (51%). W Piwnicznej, Krotoszynie, Strzałowie, Białowieży i Suwałkach wynosił od 50% do 41% (ryc. 28).

      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 (ryc. 28).

      Spływ 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 (ryc. 18). 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 okresie badań 105 mm w Gdańsku i 56 mm w Birczy. W miesięcznych okresach badań spływ po pniach stanowił od 8% do 16% opadu bezpośredniego (na otwartej przestrzeni) w Gdańsku oraz od 5% do 14% w Birczy, co odpowiada wartościom przytaczanym w literaturze (Chang i Matzner 2000, Johnson i Lehmann 2006).

       W składzie chemicznym spływu po pniu zauważalny był wpływ aerozoli morskich w Gdańsku: średnie stężenia jonów sodowych, chlorkowych, Ca, Mg i K były większe niż w Birczy. Ponadto spływ po pniu w Birczy charakteryzował się średnio w okresie badań nieco niższym pH i ANC 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 11,2 kg ha^-1 w Gdańsku oraz 4,8 kg ha^-1 w Birczy. Stanowiło to 17% depozytu podkoronowego w Gdańsku i 10% 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 14% opadu podkoronowego w Gdańsku i 9% w Birczy, depozyt jonów potasu stanowił aż 25% depozycji tego składnika w wodach podkoronowych w Gdańsku i 13% w Birczy, a depozyt rozpuszczonego węgla organicznego aż 42% depozycji podokapowej RWO w Gdańsku i 21% w Birczy.

      Depozyt podkoronowy mieścił się w zakresie od 49,3 do 103,7 kg ha^-1 rok^-1. Szczególnie wysoki był w drzewostanie dębowym w Krotoszynie (103,7 kg ha^-1 rok^-1), na powierzchniach świerkowej w Suwałkach (87,4 kg ha^-1 rok^-1) i bukowej w Gdańsku (76,3 kg ha^-1 rok^-1; suma depozycji z opadów podkoronowych i spływu po pniu).

      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 w ciągu roku w 24% miesięcznych próbek opadów podkoronowych. Obniżone pH opadów przeważało w okresie zimowym (w styczniu, lutym, marcu i w grudniu).

      W porównaniu z wodami opadowymi udział opadów podkoronowych z ujemnymi wartościami ANC występował rzadziej (w 35% przypadków).

      Depozyt składników wniesiony ze spływem po pniu wyniósł w okresie badań: w Gdańsku – 11,2 kg ha^-1 (17% depozytu podkoronowego) oraz w Birczy – 4,8 kg ha^-1 (10% depozytu podkoronowego).

      Roztwory glebowe

       Roztwory glebowe stanowią drogę transportu składników odżywczych i substancji toksycznych między fazą stałą gleby a korzeniami roślin (rys. 18). Ich skład chemiczny jest więc źródłem informacji istotnych dla oceny wpływu zanieczyszczeń powietrza oraz innych czynników stresowych na ekosystemy leśne (Nieminen 2011).

      W 2017 r. średnie pH w badanych roztworach glebowych pobranych z SPO MI wynosiło od 4,13 do 6,85 na głębokości 25 cm oraz od 4,41 do 7,42 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 Zawadzkiem z pH 4,2 na głębokości 25 cm i 4,4 na głębokości 50 cm, a także w Kruczu i Chojnowie (pH od 4,4 do 4,6). 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 4,5-4,8. W dąbrowie w Krotoszynie pH na głębokości 50 cm wynosiło 6,1, lecz w płytszym poziomie było równe tylko 4,1. W Strzałowie (sosna), Birczy (buk) i w Suwałkach (świerk) pH osiągało na głębokości 50 cm średnie wartości w zakresie 6,7-7,4. Z reguły w górnej części profilu glebowego występowało nieznaczne zakwaszenie roztworów w stosunku do głębszych poziomów. W Krotoszynie, Strzałowie i Birczy różnica między pH na głębokości 25 cm i 50 cm była stosunkowo wysoka i wynosiła odpowiednio 2,0, 0,7 i 0,6 jednostki pH.

      W składzie roztworów glebowych znaczący udział miały kationy o charakterze zasadowym: Ca, Mg i K. Wysoki ich udział występował na powierzchniach w Birczy, Strzałowie i Suwałkach, wynosił odpowiednio: 78%, 73% i 55% na głębokości 50 cm oraz 68%, 52% i 73% w płytszej części profilu (na głębokości 25 cm) (ryc. 29). Niższy ich udział występował na powierzchniach w Białowieży i Krotoszynie: 23% i 21% na głębokości 25 cm oraz 32% i 38% na głębokości 50 cm. W dąbrowie w Łącku i świerczynie w Piwnicznej mieścił się w zakresie od 19% do 21%, a w drzewostanach sosnowych w Kruczu, Chojnowie i Zawadzkiem – w zakresie od 11% do 15%. Szczególnie niski udział kationów o charakterze zasadowym (10-11%) w sumie jonów oznaczono na powierzchniach: bukowej w Gdańsku i świerkowej w Szklarskiej Porębie.

      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 0,6 do 5,9 mg N dm^-3 od kwietnia do grudnia. W Suwałkach obserwowano stężenie od 0,6 do nawet 11 mg N dm³, przy czym w najwyższym stężeniu jony te pojawiły się w październiku. W Strzałowie jony azotanowe były obecne szczególnie w początkowych i końcowych miesiącach okresu pobierania próbek w stężeniu od 0,3 do 0,7 mg N dm^-3, a w Piwnicznej w całym okresie w zakresie stężeń 0,2-0,5 mg N dm^-3. Jony azotanowe pojawiały się również w dąbrowach w Łącku (0,4 mg N dm^-3 w marcu i kwietniu) oraz w całym okresie pobierania próbek w Krotoszynie (1,2-24 mg N dm^-3), 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. Wykonywane są tam dalsze cięcia sanitarne, ostatnio zimą 2017/2018. W Łącku, Strzałowie i Piwnicznej także obserwuje się miejscami wzmożone wypadanie drzew uszkodzonych pierwotnie przez choroby grzybowe, w Piwnicznej również przez kornika. W Krotoszynie w drzewostanie przeprowadzono w 2017 roku cięcia sanitarne, czego następstwem może być wzmożone uwalnianie N-NO₃^- do roztworów glebowych wskutek przyspieszonej mineralizacji materii organicznej.

      Zjawiska zamierania drzewostanów znajdują odzwierciedlenie w chemizmie roztworów glebowych, w których pojawiają się podwyższone poziomy azotanów (V). Przyspieszone tempo mineralizacji materii organicznej i wzmożona nitryfikacja towarzyszące degradacji siedliska, przy jednocześnie wysokim ładunku azotu dopływającego z opadami, skutkują uwolnieniem azotanów do roztworu glebowego i wymywaniem poza profil gleby (Rasmussen 1998).

       Obecność jonów amonowych w roztworach glebowych w Krotoszynie i Suwałkach może świadczyć zarówno o nadmiernym dopływie azotu z depozycją atmosferyczną, jak i o wysokim tempie mineralizacji materii organicznej, będącym następstwem np. odsłonięcia gleby wskutek obumarcia drzew lub przeprowadzonych cięć sanitarnych. Innym czynnikiem stymulującym pojawianie się NH₄⁺ w fazie wodnej gleby jest spowolnienie tempa nitryfikacji (por. Gundersen i in. 1998) przy niskim pH gleby i szerokim stosunku węgla do azotu w warstwie organicznej, czyli w warunkach charakterystycznych dla gleb SPO MI w Zawadzkiem, gdzie NH₄⁺ również były obecne w roztworach glebowych w wykrywalnych ilościach. Formy azotu, które są zazwyczaj mocno związane w kompleksie sorpcyjnym, pojawiają się w fazie wodnej gleby, powiększając pulę azotu podatnego na wymywanie.

      Średnie pH badanych roztworów glebowych wynosiło od 4,13 do 6,85 na głębokości 25 cm oraz od 4,41 do 7,42 na głębokości 50 cm.

      Stosunek molowy jonów zasadowych (Ca, Mg i K) do glinu (BC/Al) przyjął wartości znacznie niższe od jedności (od 0,3 do 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.

Literatura