Monitoring Lasów w Polsce - Stan zdrowotny lasów Polski w roku 2018.

Substancje transportowane przez opady atmosferyczne są dostarczane do dna lasu w formie opadów podkoronowych (ryc. 27). Dodatkowo trafia do gleby 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.

Średnia przewodność elektrolityczna właściwa będąca pośrednio miarą ogólnej zawartości jonów w wodach wynosiła na SPO MI w 2018 r. od 13,3 do 291 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. W okresach niskich opadów zanieczyszczenia dostarczane z wodą opadową i spłukiwane oraz wymywane z liści były obecne w próbkach w dużych stężeniach, zaś wysokim opadom towarzyszył tzw. efekt rozcieńczenia. Najniższą przewodność miały średnio w roku opady w Szklarskiej Porębie (28,1 mS cm^-1 rok^-1) przy opadach podkoronowych przekraczających 800 mm rocznie, zaś najwyższą w Krotoszynie (64,1mS cm^-1 rok^-1), gdzie wielkość opadów była o ponad połowę niższa pod okapem (około 400 mm rocznie) niż w Szklarskiej Porębie.

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 2018 r. do gleby wpłynął ładunek substancji od 1,6 do 3,2 razy większy niż z opadem na otwartej przestrzeni. Stosunkowo niskie wzbogacenie pod okapem miało miejsce w drzewostanach bukowych w Gdańsku i Birczy (odpowiednio 1,6- i 2-krotnie) oraz sosnowych w Kruczu i Chojnowie (odpowiednio 1,7- i 1,9-krotnie). Szczególnie wzbogacone w stosunku do opadów bezpośrednich (2,6–3,2-krotnie) były opady podkoronowe w drzewostanach dębowych w Krotoszynie i Łącku, w świerczynach w Piwnicznej i Suwałkach oraz w drzewostanach sosnowych w Zawadzkiem, Białowieży i Strzałowie.

Depozyt podkoronowy mieścił się w zakresie od 38,8 do 71,4 kg ha^-1 rok^-1. Był wysoki w drzewostanie dębowym w Krotoszynie (71,4 kg ha^-1 rok^-1) oraz na powierzchniach świerkowych w Suwałkach (67,2 kg ha^-1 rok^-1) i Szklarskiej Porębie (61,7 kg ha^-1 rok^-1), natomiast niski – na powierzchniach sosnowych w Kruczu, Białowieży i Strzałowie (odpowiednio: 38,8, 42,9 i 45,1 kg ha^-1 rok^-1). Na pozostałych powierzchniach depozyt wyniósł od 45,5 kg ha^-1rok^-1 do 58,1 kg ha^-1 rok^-1.

W opadach podkoronowych występowało więcej istotnych różnic pomiędzy badanymi powierzchniami niż w opadach na otwartej przestrzeni. Różnice dotyczyły z reguły innych składników, niż w opadach na otwartej przestrzeni, uwidaczniając wpływ koron na skład depozycji. Istotne różnice wykryto dla składników zakwaszających i eutrofizujących (NO₃^-, SO₄^2-, NH₄⁺) między powierzchniami północno-wschodniej Polski i południowej Polski. Opady w Strzałowie i Białowieży różniły się od opadów w Birczy i Szklarskiej Porębie mniejszą depozycją S-SO₄^2-. W Białowieży i Łącku depozycja N-NO₃^- była istotnie niższa niż na powierzchniach południowej Polski: w Birczy, Szklarskiej Porębie i Zawadzkiem. W opadach w drzewostanach bukowych w Gdańsku i Birczy występowały istotnie mniejsze depozyty rozpuszczonego węgla organicznego (RWO) niż w drzewostanie sosnowym w Białowieży i świerkowym w Szklarskiej Porębie. Wykazano istotne zróżnicowanie opadów podokapowych pod względem pojemności zobojętnienia kwasów (ANC): niska pojemność występowała w Szklarskiej Porębie, Zawadzkiem i w Kruczu i istotnie różniła się od wysokiej pojemności ANC w opadach w Białowieży, Suwałkach i Łącku. Z kolei w opadach w Piwnicznej depozycja ANC była istotnie większa niż w Szklarskiej Porębie.

Właściwości kwasowo-zasadowe wód opadowych. Obniżone pH, tj. niższe niż 5,0, występowało w ciągu roku w 25% miesięcznych próbek opadów. Opady o pH poniżej 5,0 sporadycznie występowały w półroczu letnim, natomiast przeważały w okresie zimowym. Średnie roczne pH poniżej 5 odnotowano w Birczy i Szklarskiej Porębie, a niewiele wyższe: 5,0–5,1 w Gdańsku, Kruczu i Zawadzkiem oraz 5,2–5,5 w Piwnicznej, Krotoszynie, Chojnowie, Strzałowie, Białowieży i Łącku.

W 2018 r. odczyn opadów był mniej kwaśny niż 2017 r. jedynie w Suwałkach (o 0,2 jednostki pH), natomiast bardziej kwaśny – w Gdańsku, Birczy, Krotoszynie, Kruczu i Zawadzkiem (o 0,5 do 0,3 jednostki pH). Na pozostałych powierzchniach pH opadów w 2018 r. było zbliżone do pH z 2017 r.

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 oraz w porównaniu do lat 2016 i 2017, udział opadów podkoronowych z ujemnymi wartościami ANC występował częściej, bo w 48% przypadków. 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, z wyjątkiem Szklarskiej Poręby, gdzie przyjmowało zbliżone, ujemne wartości w obu półroczach (ryc. 33).

Rys. 33 . Pojemność zobojętniania kwasów (ANC) [μeq·dm^-3] w opadach podkoronowych na SPO MI w 2018 r. Średnie dla okresu zimowego (miesiące I-IV, XI i XII) i letniego (V-X)

Dodatnią średnią roczną wartość ANC (przewagę wolnych zasad) w opadach podkoronowych odnotowano w obu drzewostanach dębowych: w Krotoszynie i Łącku (92,2 i 199,0 μeq dm^-3 rok^-1), w obu drzewostanach bukowych: w Gdańsku i Birczy (21,0 i 19,4 μeq dm^-3 rok^-1), w świerczynach: w Suwałkach i Piwnicznej (129,0 i 33,5 μeq dm^-3 rok^-1) oraz w trzech z pięciu drzewostanów sosnowych: Białowieży, Strzałowie i Chojnowie (odpowiednio: 156,0, 60,2 i 27,1 μeq dm^-3 rok^-1). W drzewostanach sosnowych: w Zawadzkiem i w Kruczu oraz w drzewostanie świerkowym w Szklarskiej Porębie w opadach występowała przewaga jonów wolnych kwasów, ANC wynosiło odpowiednio: -52,5, -16,6 i -28,3 μeq dm^-3 rok^-1.

Rys. 34 . Ładunek jonów [kmol_c·ha^-1] oraz stosunek depozytu jonów kwasotwórczych do zasadowych w opadach podkoronowych na SPO MI w 2018 roku

Jony o zakwaszającym oddziaływaniu na środowisko (SO₄^2-, NO₃^-, NH₄⁺, Cl^-) stanowiły od 40% do 64% rocznego molowego depozytu (sumy azotu mineralnego, chlorków, siarczanów (VI), kationów zasadowych, żelaza, glinu, manganu i metali ciężkich, wyrażonej w mol_c ha^-1). Najwyższy udział jonów o charakterze zakwaszającym stwierdzono, podobnie jak w poprzednich latach, w Zawadzkiem (64%), udział przekraczający połowę całkowitej depozycji podokapowej zarejestrowano w Kruczu (62%), Szklarskiej Porębie (61%), Chojnowie (57%), Krotoszynie (54%), Birczy, Piwnicznej i Gdańsku (po 51%). W Strzałowie, Łącku, Suwałkach i Białowieży wynosił od 48% do 40%, tam też depozyt molowy jonów o charakterze zasadowym (Ca²⁺, K⁺, Mg²⁺ i Na⁺) przewyższał depozyt jonów zakwaszających (ryc. 34).

Depozyt podkoronowy mieścił się w zakresie od 38,8 kg ha^-1 rok^-1 do 71,4 kg ha^-1 rok^-1. Był wysoki w drzewostanie dębowym w Krotoszynie (71,4 kg ha^-1 rok^-1) oraz na powierzchniach świerkowych w Suwałkach (67,2 kg ha^-1 rok^-1) i Szklarskiej Porębie (61,7 kg ha^-1 rok^-1), natomiast niski – na powierzchniach sosnowych w Kruczu, Białowieży i Strzałowie (odpowiednio: 38,8, 42,9 i 45,1 kg ha^-1 rok^-1).

Obniżone pH, tj. niższe niż 5,0, występowało w ciągu roku w 25% miesięcznych próbek opadów, sporadycznie występowało w opadach półrocza letniego, natomiast przeważało w okresie zimowym.

11.2. Spływ po pniu w drzewostanach bukowych

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, typ i ułożenie liści oraz struktura kory w większym stopniu sprzyjają odprowadzaniu opadu po pniach, niż u innych gatunków. Spływ po pniu stanowi w buczynach istotną formę transportu wody, substancji pokarmowych oraz zanieczyszczeń zawartych w opadach, modyfikując warunki glebowe w strefach wokół pni (Chang i Matzner 2000).

Szacuje się, że ilość spływu po pniu przekroczyła w okresie badań 29 mm w Nadleśnictwie Gdańsk i 32 mm w Nadleśnictwie Bircza. W miesięcznych okresach badań spływ po pniach stanowił od 1% do 26% opadu bezpośredniego (na otwartej przestrzeni) w Gdańsku oraz od 2% do 9% 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 chlorkowych, Na, siarczanów (VI), Ca, Mg i K były większe niż w Birczy. Spływ po pniu w Birczy charakteryzował się 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 3,2 kg ha^-1 w Gdańsku oraz 4,3 kg ha^-1 w Birczy. Stanowiło to 7% depozytu podkoronowego w Gdańsku i 9% w Birczy. Woda opadowa, spływając po pniach w większym stopniu niż przepływając przez warstwę koron, wzbogaca się w związki organiczne (Van Stan i Stubbins 2018). Pomimo, że suma opadu odprowadzonego po pniach stanowiła średnio zaledwie 7% opadu podkoronowego w Gdańsku i 5% w Birczy, depozyt rozpuszczonego węgla organicznego wynosił aż 27% depozycji podokapowej RWO w Gdańsku i 24% w Birczy.

11.3. 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 2018 roku wskutek niskich opadów na większości powierzchni nie było możliwe pobieranie wystarczającej ilości próbek do badań. Na każdej powierzchni, z wyjątkiem Krucza, występowały miesiące, gdy woda glebowa nie była dostępna. W skrajnym przypadku w Birczy wodę na głębokości 50 cm pobrano w niewielkiej ilości jedynie w lipcu, a w pozostałych miesiącach nie uzyskano żadnej próbki. W Gdańsku i Krotoszynie brak wody glebowej do badań z obu głębokości rozpoczął się od czerwca–sierpnia i trwał do listopada. Najczęściej między kwietniem a listopadem z powodu małej objętości na większości obszaru badań, poza terenami górskimi (Szklarska Poręba i Piwniczna), ograniczano liczbę próbek: łączono próbki do badań, uzyskując po jednej próbce z każdej głębokości lub nie wykonywano pełnego zestawu analiz chemicznych.

W 2018 r. średnie pH w badanych roztworach glebowych wynosiło od 3,99 do 7,07 na głębokości 25 cm oraz od 4,54 do 8,09 na głębokości 50 cm. Zmiany większe niż ± 0,2 jednostki pH w porównaniu z rokiem poprzednim wystąpiły jedynie w kilku przypadkach i mogły być spowodowane niewystarczającą dostępnością wody glebowej. Taka sytuacja mogła mieć miejsce w Birczy, gdzie szczególnie duże wahania pH (o 0,7 jednostki) stwierdzono na obu głębokościach w porównaniu do roku 2017 oraz w Krotoszynie i Strzałowie, gdzie zanotowano wzrost pH o 0,3 jednostki na 50 cm głębokości. W Suwałkach pH wzrosło o 0,6 jednostki na 25 cm głębokości.

Najbardziej kwaśne roztwory występowały w drzewostanach sosnowych w Zawadzkiem, 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 4,4–4,8. W dąbrowie w Krotoszynie, mimo że pH na głębokości 50 cm wynosiło 6,4, w płytszym poziomie było równe tylko 4,0. W Strzałowie w drzewostanie sosnowym, w Birczy w drzewostanie bukowym i w Suwałkach w świerczynie pH osiągało średnie wartości w zakresie 6,1–8,1. Z reguły w górnej części profilu glebowego występowało nieznaczne zakwaszenie roztworów w stosunku do głębszych poziomów. W Krotoszynie, Birczy i Strzałowie różnica między pH na głębokości 25 i 50 cm była szczególnie wysoka i wynosiła odpowiednio 2,4, 1,9 i 1,2 jednostki pH.

Rys. 35 . Suma stężeń jonów [μmol_c dm^-3] w roztworach glebowych na głębokości 25 i 50 cm (oznaczenie z lewej strony pionowej osi wykresu) na SPO MI w 2018 roku

Na kilku powierzchniach w składzie roztworów glebowych znaczący udział miały kationy o charakterze zasadowym (Ca, Mg i K), na głębokości 50 cm stanowiły 78% sumy jonów w Strzałowie oraz 57% Suwałkach, w płytszej części profilu wynosiły: 74% sumy jonów w Birczy, 63% w Suwałkach i 59% w Strzałowie (ryc. 35). Udział kationów o charakterze zasadowym w sumie jonów był niski (20–25%) na powierzchni świerkowej w Szklarskiej Porębie i w drzewostanach sosnowych w Chojnowie, Zawadzkiem i Kruczu. W drzewostanie sosnowym w Białowieży, w dąbrowie w Łącku, w buczynie w Gdańsku i świerczynie w Piwnicznej był nieco wyższy i wynosił od 29% do 35%.

Przyjmuje się, że przy wartościach stosunku molowego jonów zasadowych (Ca, Mg i K) do glinu (BC/Al.) ≥ 1 korzenie drzew są chronione przed skutkami zakwaszania gleb. Wskaźnik ten przyjął znacznie niższe od jedności wartości, mieszczące się w zakresie od 0,3 do 0,7 w roztworach glebowych na obu głębokościach w nadleśnictwach: Szklarska Poręba, Chojnów, Krucz, Zawadzkie i Gdańsk. W Piwnicznej mieścił się w granicach 0,6–0,9, w Łącku wynosił 0,8 na głębokości 25 cm i wzrastał do 1,4 w głębszym poziomie gleby. W Białowieży BC/Al wynosił 0,8 w roztworach glebowych na głębokości 25 cm i wzrastał do 1,8 w głębszym poziomie gleby. Również w Krotoszynie znacząco wzrastał w głąb profilu (do 38). Na pozostałych powierzchniach (w Strzałowie, Birczy i w Suwałkach) przekraczał, niekiedy znacznie, przyjętą wartość krytyczną, wskazując na brak zagrożenia korzeni ze strony toksycznych form glinu.

Obecność azotanów w roztworach 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). Przyjmuje się, że obecność mineralnych form azotu w roztworach glebowych na 50 cm głębokości może wskazywać na nadmierną dostawę azotu i ryzyko wymywania azotu z tych gleb.

Jony NO₃^- występowały w roztworach glebowych poniżej głównej strefy korzeniowej roślin na głębokości 50 cm w Białowieży od kwietnia do listopada (w stężeniu od 0,7 do 8,9 mg N dm^-3). W Suwałkach zarejestrowano stężenie od 1,8 do nawet 12,5 mg N dm^-3, przy czym w wysokim stężeniu (powyżej 7 mg N dm^-3)jony te pojawiały się miedzy majem a lipcem. W Krotoszynie były obecne w stężeniu od 7 do 14 mg N dm^-3, w Strzałowie – w stężeniu około 1 mg N dm^-3 oraz w Kruczu – w miesiącach letnich w stężeniu 0,2–0,5. mg N dm^-3. W Suwałkach obecność azotanów można wiązać z uszkodzeniem drzewostanu i powolnym rozpadem, związanym z obecnością kornika i chorobami grzybowymi, w Strzałowie – z wypadaniem drzew uszkodzonych pierwotnie przez choroby grzybowe, w Krotoszynie – z przeprowadzonymi w 2017 r. cięciami sanitarnymi, czego następstwem może być wzmożone uwalnianie N-NO₃^- do roztworów glebowych, w Białowieży – z obecnością opieńki oraz z występującymi w ostatnich latach wiatrowałami, co może wskazywać na gorszą kondycję drzew, punktowe odsłonięcie gleby sprzyjające przyspieszonej mineralizacji i uwalnianiu azotanów do roztworów glebowych.

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).

Średnie pH w badanych roztworach glebowych wynosiło od 3,99 do 7,07 na głębokości 25 cm oraz od 4,54 do 8,09 na głębokości 50 cm. Najbardziej kwaśne roztwory występowały w drzewostanach sosnowych w Zawadzkiem, Kruczu i Chojnowie (pH od 4,4 do 4,6).

Literatura

STRONA GŁÓWNA : RAPORT 2018 : RAPORTY