|
10.
|
Opady podkoronowe oraz roztwory glebowe na terenach leśnych na SPO MI
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 2014 r. od 25,2 do 57,6 S·cm-1·rok-1, z wahaniami miesięcznymi między 12,4 a 254 S·cm-1. W opadach podkoronowych w 96% przypadków 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 Suwałki, Krotoszyn, Gdańsk, Łąck i Zawadzkie (odpowiednio 57,6, 57,2, 48,1, 47,1 i 46,6 WS·cm-1·rok-1). Stosunkowo niską przewodność (28,6 S·cm-1·rok-1) notowano w Szklarskiej Porębie, zaś najniższą – miały opady w Piwnicznej (25,2 S·cm-1·rok-1). W pozostałych drzewostanach przewodność opadów kształtowała się w zakresie od 36,3 S·cm-1·rok-1 do 38,1 S·cm-1·rok-1.
Największy
roczny depozyt podkoronowy
odnotowano, podobnie jak w latach ubiegłych, na powierzchni świerkowej w Nadleśnictwie Szklarska Poręba (77,3 kg·ha-1·rok-1). W Krotoszynie i Suwałkach depozyt wyniósł odpowiednio: 76,2 i 66,3 kg·ha-1·rok-1. W Piwnicznej, Łącku, Birczy i Gdańsku (suma depozycji z opadów podkoronowych i spływu po pniu) oraz Zawadzkiem (10 miesięcy) depozyt mieścił się w granicach 50,3-55,7 kg·ha-1·rok-1. Stosunkowo niski depozyt odnotowano w drzewostanach sosnowych w Strzałowie, Kruczu, Białowieży i Chojnowie (od 40,0 do 47,1 kg·ha-1·rok-1). Większa część depozycji (od 51% do 67%) przypadała na miesiące letnie, co w dużym stopniu wiąże się z większymi opadami, występującymi w półroczu letnim.
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-, SO42-, NH4+, Ca, Mg, Mn, Al i RWO), poza K.
Szklarska Poręba wyróżnia się spośród kilku SPO MI pod względem depozycji szeregu jonów, w tym także jonów o charakterze zakwaszającym tj. SO42- i NO3- i jonów H+. Liczne różnice między Szklarską Porębą a innymi SPO MI wynikają w głównej mierze ze znacznie większej depozycji całkowitej w tej lokalizacji.
W drzewostanach bukowych w Gdańsku i Birczy występowały istotnie mniejsze depozyty rozpuszczonego węgla organicznego (RWO), niż w drzewostanach sosnowych w Białowieży, Kruczu, Chojnowie i Zawadzkiem. Zanotowane różnice znajdują potwierdzenie w literaturze (Le Mellec i in.,2010)
Depozyt pierwiastków śladowych i metali ciężkich
: żelaza, manganu, glinu, cynku, miedzi, kadmu i ołowiu wynosił od 0,48 do 2,02 kg·ha-1·rok-1, co odpowiadało od 1,0% do 3,8% całkowitej rocznej depozycji podokapowej. Najwyższy udział omawianych metali w depozycie ogólnym stwierdzono w Łącku, przy czym w depozycie metali aż 79% udziału miał Mn. Mangan jest łatwo wymywany z koron drzew i jego stężenia w opadach podkoronowych mogą wielokrotnie przewyższać stężenia w opadach atmosferycznych (Kowalska et Janek, 2009).
Udział samych metali ciężkich (Zn, Cu, Pb, i Cd) stanowił w sumie rocznego depozytu od 0,3% do 0,6%. Na poszczególnych powierzchniach depozyt metali ciężkich wyniósł od 0,15 do 0,50 kg·ha-1·rok-1, z czego 79%-91% stanowił cynk.
Właściwości kwasowo-zasadowe wód opadowych
. W ciągu roku na SPO MI w 28% miesięcznych próbek opadów występowało obniżone pH (poniżej 5,0) i przeważnie odnosi się to do próbek zebranych zimą. Styczeń, luty i grudzień charakteryzowały się niskim pH i stosunkowo niewielkim zróżnicowaniem odczynu opadów pomiędzy powierzchniami. W styczniu i lutym wartości pH mieściły się w granicach 3,9-5,3, a w grudniu w granicach 4,5-6,0. W sezonie letnim pH miesięcznych opadów mieściło się w zakresie 4,7-7,1.
Najniższe średnie roczne pH wystąpiło w Szklarskiej Porębie (4,8). W Chojnowie, Kruczu i Piwnicznej również było niskie (odpowiednio: 5,0, 5,1 i 5,1), czego przyczyną były głównie kwaśne opady półrocza zimowego. Stosunkowo wysokie pH miały średnie roczne opady w Suwałkach (6,0). Na pozostałych powierzchniach (Łąck, Zawadzkie, Gdańsk, Bircza, Białowieża, Strzałowo i Krotoszyn) pH wynosiło od 5,2 do 5,4.
Zasadowość opadów oraz pojemność zobojętniania kwasów (ANC) są cechami, które charakteryzują zdolność wody do zobojętniania kwasów. W wodach podkoronowych najwyższą zasadowość w opadach miesięcznych notowano w Suwałkach (223 μeq·dm-3·rok-1). Podobnie jak w poprzednich latach najniższą zasadowością średnio w roku charakteryzowały się opady podkoronowe w Szklarskiej Porębie (6,0 μeq·dm-3·rok-1).
Pojemność zobojętniania kwasów (ANC), obliczona jako różnica stężeń kationów mocnych zasad (Ca, Mg, Na, K) i anionów mocnych kwasów (SO42-, 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).
 |
|
Rys. 24
.
Pojemność zobojętniania kwasów (ANC) [μeq·dm-3] w opadach podkoronowych na SPO MI w 2014 r. Średnie dla okresu zimowego (miesiące I-IV i XI-XII) i letniego (V-X) *- dane od stycznia do października
|
W porównaniu z wodami opadowymi oraz w porównaniu do ubiegłych lat, udział opadów podkoronowych z ujemnymi wartościami ANC występował rzadziej (w 36% 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 (Rys. 24).
Dodatnią średnią roczną wartość ANC (przewagę wolnych zasad) w opadach podkorono-wych odnotowano w świerczyn-ach w Suwałkach i Piwnicznej (138 i 19,2 μeq·dm-3·rok-1), w obydwu drzewostanach dębowych w Krotoszynie (74,7) i Łącku (62,1) oraz w dwóch sosnowych: Białowieży (121) i Strzałowie (63,8). W obydwu drzewostanach bukowych: w Gdańsku i Birczy średnia roczna wartość ANC była bliska zera. W drzewostanach: świerkowym w Szklarskiej Porębie oraz sosnowych w Polsce centralnej i południowej (Chojnów, Krucz i Zawadzkie) w opadach występowała przewaga jonów wolnych kwasów (ANC było równe odpowiednio: -45,2, -9,7, -24,6 i -51,9 μeq·dm-3·rok-1). - Rys. 25.
 |
|
Rys. 25
.
Średnia roczna pojemność zobojętniania kwasów (ANC) [μeq·dm-3] w opadach na otwartej przestrzeni (OP) i podkoronowych (PK) na SPO MI w 2014 r. * - dane od stycznia do października
|
W Zawadzkiem i Szklarskiej Porębie opady po przejściu przez korony miały większy nadmiar jonów wolnych kwasów (niższe ANC), niż opady docierające do drzewostanu. Na pozostałych powierzchniach wpływ okapu w różnych gatunkowo drzewostanach zaznaczył się w podniesieniu wartości ANC średnio w roku w opadach podkoronowych, w stosunku do opadów docierających do koron. W skali miesięcznej notowano przypadki obniżenia ANC opadów w koronach, dotyczyły one większości powierzchni, zwłaszcza iglastych: sosnowych (Zawadzkie, Chojnów, Krucz) i świerkowych (Szklarska Poręba, Suwałki), miały miejsce niemal wyłącznie w okresie zimowym.
Jony o zakwaszającym oddziaływaniu na środowisko (SO42-, NO3-, NH4+, Cl-) stanowiły od 42% do 59%, a w Białowieży zaledwie 33%, rocznego molowego depozytu (sumy azotu całkowitego, chlorków, siarczanów (VI), kationów zasadowych, żelaza, glinu, manganu i metali ciężkich, wyrażonej w molc·ha-1). Udział ten jest zbliżony do obserwowanego w roku 2013. Najwyższy udział takich jonów stwierdzono w drzewostanie w Zawadzkiem (59%). W Chojnowie, Kruczu, Birczy i Gdańsku wynosił co najmniej 50%.
 |
|
Rys. 26
.
Ładunek jonów [kmolc·ha-1] oraz stosunek depozytu jonów kwasotwórczych do zasadowych w opadach podkoronowych na SPO MI w 2014 r. * - dane od stycznia do października
|
W grupie powierzchni, gdzie depozyt molowy jonów zasadowych (Ca2+, K+, Mg2+ i Na+) przewyższał depozyt jonów zakwaszających znalazły się, podobnie jak w 2013 r., Nadleśnictwa Białowieża, Strzałowo i Suwałki (Rys. 26).
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. 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 w buczynach istotną formę transportu wody, substancji pokarmowych oraz zanieczyszczeń zawartych w opadach (Chang i Matzner, 2000).
Badania spływu po pniu prowadzono w nadleśnictwach Gdańsk i Bircza w okresie bezmroźnym. Szacuje się, że ilość spływu po pniu przekroczyła w badanym okresie 32 mm w Gdańsku i 55 mm w Birczy i stanowiło od 4% do 28% sumy opadu bezpośredniego (na otwartej przestrzeni) w Gdańsku oraz od 4% do 11% w Birczy, co koresponduje z wartościa-mi przytaczanymi w literaturze (Chang et Matzner, 2000, Johnson et Lehmann, 2006).
Spływ po pniu w Birczy, przy niższym pH, zasadowości roztworów i ANC w porównaniu z Gdańskiem, charakteryzował się również niższymi stężeniami większości składników, z wyjątkiem SO42- i NO3-. 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 badanym okresie 5,37 kg·ha-1 w Gdańsku i 4,94 kg·ha-1 w Birczy, w obu przypadkach stanowiło to 10% depozytu podkoronowego. 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). 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. Skład chemiczny roztworów glebowych jest więc źródłem informacji istotnych dla oceny wpływu zanieczyszczeń powietrza oraz innych czynników stresowych na ekosystemy leśne (Nieminen, 2011).
W 2014 r. średnie pH w badanych roztworach glebowych pobranych z SPO MI wynosiło od 4,14 do 6,19 na głębokości 25 cm oraz od 4,49 do 6,77 na głębokości 50 cm. Najbardziej kwaśne roztwory występowały w drzewostanie sosnowym w Kruczu z pH 4,1 na głębokości 25 cm i 4,5 na głębokości 50 cm. W Strzałowie (sosna), Birczy (buk) i w Suwałkach (świerk) było wyższe niż 5,5, osiągając na głębokości 50 cm w Birczy i Strzałowie maksymalne średnie wartości odpowiednio 6,7 i 6,8. Z reguły w górnej części profilu glebowego występowało nieznaczne zakwaszenie roztworów w stosunku do głębszych poziomów, z wyjątkiem Gdańska, gdzie pH przyjmowało zbliżone wartości na obu głębokościach. W Strzałowie i Krotoszynie różnica między pH na głębokości 25 i 50 cm była stosunkowo wysoka i wynosiła odpowiednio 1,2 i 1,6 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) i wynosiły około 1030-4650 μmolc·dm-3. Niskie stężenia jonów występowały w świerczynach górskich (Szklarska Poręba i Piwniczna), w buczynie nadmorskiej w Gdańsku i dąbrowie w Łącku (około 290-660 μmolc·dm-3). W drzewostanach sosnowych w Chojnowie, Zawadzkiem i Kruczu, gdzie pH roztworów glebowych było niższe niż na innych powierzchniach, stężenia jonów w roztworach przyjmowały wartości pośrednie: od około 670 do 1130 μmolc·dm-3.
W składzie roztworów glebowych znaczący udział miały kationy o charakterze zasadowym: Ca, Mg i K. W Strzałowie i Birczy stanowiły one na głębokości 50 cm 71-76% sumy jonów oraz w Suwałkach i Krotoszynie - 50% i 39%. W płytszej części profilu udział wynosił 54-63% w Suwałkach i Birczy, 48% w Strzałowie i 25% w Krotoszynie (Rys. 27). W Białowieży udział wynosił: na 50 cm głębokości – 33%, a na 25 cm – 26%. W Kruczu, Chojnowie i Zawadzkiem wynosił od 11% do 17%, w Łącku i Piwnicznej – od 20% do 26%. Najniższy udział kationów o charakterze zasadowym w sumie jonów odnotowano na powierzchniach w Gdańsku i w Szklarskiej Porębie, mieścił się w zakresie 9-11%.
 |
|
Rys. 27
.
Suma stężeń jonów [μmolc·dm-3] w roztworach glebowych na głębokości 25 i 50 cm (oznaczenie z lewej strony pionowej osi wykresu) na SPO MI w 2014 r.
|
Stosunek molowy jonów zasadowych (Ca, Mg i K) do glinu (BC/Al) w roztworach glebowych stosowany jest jako wskaźnik stop-nia zagrożenia gleby przez czynniki zakwaszające. Przyjmuje się, że przy wartościach (Ca+Mg+K):Al ≥ 1 korzenie drzew są chronione przed skutkami zakwaszania gleb.
Wskaźnik BC/Al przyjął znacznie niższe od jedności wartości (0,3-0,7) na obu głębokościach w Nadl.: Szklarska Poręba (świerk), Chojnów, Krucz i Zawadzkie (sosna) oraz Gdańsk (buk). W Piwnicznej (świerk) mieścił się w granicach 0,6-0,9. W Łącku (dąb) wynosił 0,5 na głębokości 25 cm i wzrastał do 1,3 w głębszym poziomie gleby. W Białowieży BC/Al wynosił 1,0 na głębokości 25 cm i wzrastał do 3,3 na głębokości 50 cm. Na pozostałych powierzchniach (Krotoszyn (dąb), Strzałowo (sosna), Bircza (buk) i Suwałki (świerk) przekraczał - niekiedy znacznie - przyjętą wartość krytyczną.
W okresie badań jony NO3- występowały w roztworach glebowych poniżej głównej strefy korzeniowej roślin, na głębokości 50 cm, w Białowieży w stężeniu od 4,3 do 5,8 mg N·dm-3 (od kwietnia do lipca), w Kruczu w stężeniu od 0,4 do 3,7 mg N·dm-3 (w czerwcu i lipcu). W Suwałkach obserwowano stężenie od 0,3 do nawet 5,3 mg N·dm-3, przy czym najwyższa wartość pojawiła się w marcu a stężenie spadało w kolejnych miesiącach. W niewielkich stężeniach jony azotanowe pojawiały się w Piwnicznej (0,3 mg N·dm-3 w kwietniu, czerwcu i sierpniu), w Łącku (0,2 mg N·dm-3 w sierpniu) i Szklarskiej Porębie (0,25 mg N·dm-3 w kwietniu).
Na SPO MI, gdzie pomiary obejmowały równy okres na otwartej przestrzeni i pod okapem (z wyjątkiem Suwałk), do gleby w opadach podkoronowych wpłynął ładunek substancji około 3 razy większy niż z opadem na otwartej przestrzeni.
Największy depozyt podkoronowy [kg·ha-1·rok-1] odnotowano na powierzchni świerkowej w Nadl. Szklarska Poręba (77,3), wysoki w Krotoszynie (76,2) i Suwałkach (66,3), niski – w Strzałowie, Kruczu, Białowieży i Chojnowie (od 40,0 do 47,1).
Udział metali ciężkich (Zn, Cu, Pb, Cd) stanowił w sumie rocznego depozytu 0,3% do 0,6%. Na poszczególnych powierzchniach wyniósł od 0,15 do 0,50 kg·ha-1·rok-1, z czego 79%-91% stanowił cynk.
W 28% prób opadów średnia miesięczna wartość pH nie przekraczała 5,0, takie wartości przeważały w okresie zimowym. W sezonie letnim wartości tego parametru mieściły się w granicach 4,7-7,1.
Średnie pH badanych roztworów glebowych wynosiło od 4,14 do 6,19 na głębokości 25 cm oraz od 4,49 do 6,77 na głębokości 50 cm.
Wysokie stężenia jonów w roztworach glebowych (1030-4650 μmolc·dm-3) wystąpiły na powierzchniach o mniejszym zakwaszeniu, (Białowieża, Suwałki, Strzałowo, Krotoszyn i Bircza).
Stosunek molowy jonów zasadowych (Ca, Mg i K) do glinu przyjął znacznie niższe od 1,0 wartości (w zakresie od 0,3 do 0,7) w roztworach glebowych na obu głębokościach w Szklarskiej Porębie, Chojnowie, Kruczu i Zawadzkiem oraz w Gdańsku.
|
