Ekosystemy leśne jako filtry biologiczne
Dopływ azotu z atmosfery do ekosystemu leśnego
Korzystne z punktu widzenia czystości powietrza działanie filtrujące ekosystemów leśnych powoduje ich zwiększoną eutrofizację. Zatrzymywanie przez drzewa 1 runo aerozoli w ilości 233,3 kg/ha w sezonie wegetacyjnym powoduje między innymi dodatkowy dopływ 17,9 kg azotu. O tą ilość należy więc zwiększyć dopływ azotu, który ma miejsce w postaci kwaśnych deszczów i w pyle nieorganicznym (depozycja mokra i sucha).
Znaczenie d1a ekosystemu leśnego
Przyjmuje się, że w ekosystemach w miarę zrównoważonych pula biogenó wprowadzana do układu glebowego z opadem ściółki jest odzyskiwana przez roślinność w procesach mineralizacji ściółki - z tak zwanego obiegu wewnętrznego. Istnienie obiegu wewnętrznego powoduje, że zapotrzebowanie lasu na dodatkowy dopływ pierwiastków spoza biocenozy (z atmosfery 1ub skały macierzystej gleby) jest stosunkowo niewielkie. Jak wynika z przedstawionych tu przeciętnych wartości, dopływ azotu z atmosfery wraz z deszczem, pyłem i aerozolami nieorganicznymi na terenie uprzemysłowionym ROW, znacznie przewyższa przeciętne zapotrzebowanie nie pokrywane z obiegu wewnętrznego i stanowi jednocześnie znaczny procent całkowitego zapotrzebowania ekosystemu.
Eutrofizacja
Na tej podstawie można mówić o silnej eutrofizacji ekosystemów leśnych, w szczególności ekosystemów lasów iglastych na terenach uprzemysłowionych - tym bardziej, że dopływ pierwiastków z atmosfery był obliczony na sezon wegetacyjny, a zapotrzebowanie na rok. Obserwowana większa wrażliwość ekosystemów iglastych na duże dopływy pierwiastków z atmosfery wynika z tego, że przekracza one znacznie ich zapotrzebowanie. Jednocześnie są to zbiorowiska przystosowane do funkcjonowania w warunkach niedoboru pierwiastków. Roślinność lasów iglastych rozwinęła liczne adaptacje służące maksymalnemu pobieraniu biogenów i ograniczeniu ich strat - co znacznie zmniejszyło elastyczność tych ekosystemów.
Z punktu widzenia gospodarki pierwiastkami w ekosystemie leśnym istotny jest fakt, że w dojściu aerozolowym dominują rozpuszczalne formy biogenów, a więc łatwo przyswajalne dla roślin.
Bilans pierwiastków
W przypadku ROW stwierdzono, że wysoki dopływ pierwiastków z atmosfery był stosunkowo harmonijny. Dużemu dojściu azotu towarzyszył także wysoki dopływ innych pierwiastków. Nie zawsze jednak tak się dzieje. Na przykład na Mazurach stwierdzono wysoki dopływ azotu, niemal wyłącznie w formie amonowej, rzędu 22,5 kg/ha w sezonie wegetacyjnym i zaledwie przeciętny dopływ innych pierwiastków. Absorpcja jonu NH4+ w koronach rzędu 17,7 kg/ha w sezonie wegetacyjnym zwiększała znacznie tempo wymiany innych pierwiastków (Na, K i Zn), co z kolei podnosiło ryzyko ich strat z ekosystemu.
Konsekwencje zanieczyszczenia ekosystemów leśnych
związkami starki
Wysokie stężenia, punktowe źródła zanieczyszczeń
Wysokie stężenia i depozycje prowadzą wprost do zamierania drzew i drzewostanów.
Najwcześniejsze doniesienia z ziem polskich dotyczące szkód przemysłowych wyrządzanych przez dymy fabryczne w lasach okolic Katowic i Mysłowic pochodzą z końca XIX wieku.
Obecnie coraz częściej stawia się pod znakiem zapytania zjawisko globalnego, masowego zamierania lasów, którego powodem miałyby być zanieczyszczenia przemysłowe atmosfery, w tym głównie związkami siarki. Nie zmienia to faktu, że w wielu konkretnych przypadkach można stwierdzić bardzo wyraźny związek między przemysłowym zanieczyszczeniem powietrza i szkodami w lasach, w skali lokalnej. Szkody w lasach powodowane nadmierną emisją związków siarki stały się w Europie Środkowej powszechne, odkąd rozpoczęła się industrializacja tych terenów.
Szkody takie nadal mają miejsce, szczególnie we wschodnich fragmentach tego rejonu, np. na granicy między Niemcami i Czechami i w kilku innych punktowych źródłach. W latach 50-tych w dolinie Eger i w rejonie Bitterfeid rozwinął się przemysł energetyczny bazujący na spalaniu węgla brunatnego, i jest on do dzisiaj głównym źródłem SO2. Po obu stronach granicy niemiecko-czeskiej, a także w górach Harzu i Fichtel, na obszarze wielu tysięcy km2 występują szkody w lasach. Jednakże, warto podkreślić, że zamieranie lasów iglastych ma miejsce przede wszystkim w wyższych położeniach górskich (powyżej 900m n.p.m.), gdzie na niszczący efekt działania wysokich stężeń SO2 (100-140 μg m3), nakłada się działanie silnych wiatrów i niskich temperatur. Dla porównania, średnie koncentracje SO2 na półwyspie Koła, w Rosji, wokół elektrowni Pechenganickel, gdzie stwierdzono liczne szkody i zamieranie lasów, przekraczają zimą 500 μg m3).
Uszkodzone i zamierające drzewa w Republice Czeskiej i na terenach sąsiednich wykazują objawy uszkodzenia typowe dla skutków działania SO2, poczynając od redukcji przyrostu pierśnicy, mającej miejsce od pierwszych chwil działania elektrowni. Takie "klasyczne" szkody spowodowane działaniem nadmiernych stężeń związków siarki nie powinny być jednak interpretowane jako przejaw globalnego "zamierania lasów", czy też objaw "szkód leśnych nowego rodzaju" (novel type of forest damage).
Rola SO2 jako głównej przyczyny zamierania lasu zaczyna się tam, gdzie jego stężenie przekracza 120 μg/m3 powietrza, tak jak to jest przykładowo w Erzgebirge.
Niskie stężenia, zanieczyszczenia wielkopowierzchniowe:
zakwaszenie gleb (Puchalski 1 Prusinkiewicz 1990)
Zakwaszający wpływ imisji przemysłowych na gleby wiąże się głównie z działaniem dwutlenku siarki 1 kwasu siarkowego. Drugorzędną, lecz stale rosnącą rolę w zakwaszaniu gleb imisjami odgrywają tlenki azotu i kwas azotowy.
Łączne działanie naturalnych kwasów produkowanych w ekosystemach leśnych i silnych kwasów przenikających do gleb z imisjami przemysłowymi powoduje łańcuch reakcji, których nasilenie rośnie w miarę kumulowania się w glebie polutantów. Wśród najważniejszych ogniw tego łańcucha można wymienić:
1) przyspieszone przełamywanie kolejnych barier buforowych i szybkie obniżanie się wartości pH najpierw w powierzchniowej strefie gleby, a następnie w coraz głębszych poziomach; w rezultacie silne zakwaszenie obejmuje stopniowo cały profil gleby, która w ten sposób zatraca pierwotne zróżnicowanie odczynu, charakterystyczne dla nieskażonych gleb leśnych;
2) energiczne wietrzenie podatnych na rozkład minerałów glebowych i wypłukiwanie rozpuszczalnych produktów rozkładu poza zasięg gromadnego występowania korzeni drzew; przyspieszone wietrzenie minerałów może przejściowo powodować efektu dodatnie, poprawiając chwilowo stan zaopatrzenia drzew w łatwo dostępne składniki odżywcze, długofalowe efekty są jednak zawsze ujemne;
3) niekorzystne zmiany biologicznej aktywności gleby (mikroflory i fauny) prowadzące do znacznego spowolnienia procesów humifikacji i mineralizacji opadu leśnego i do tworzenia się złogów kwaśnej próchnicy nadkładowej typu dys-mor;
4) zaburzenia w rozroście i funkcjach fizjologicznych korzeni drzew, przy czym wrażliwość poszczególnych gatunków drzew na niskie wartości pH oraz wysokie stężenia jonów glinu i metali ciężkich nie jest jednakowa;
5) wzrost podatności drzew z osłabionymi systemami korzeniowymi na wiatrowały;
6) zaburzenia w pobieraniu wody i mineralnym odżywianiu drzew (głodowanie), zachwianie korzystnych proporcji między pobieranymi składnikami, ogólne osłabienie funkcji życiowych
Wpływ na roślinność dna lasu - eutrofizacja
Przeprowadzono do tej pory stosunkowo niewiele badań nad wpływem zanieczyszczeń powietrza na roślinność dna lasu, ale te, które są znane (Francja, Holandia, Szwecja, Niemcy, Szwajcaria) wskazują jednoznacznie na wzrost eutrofizacji, której wyrazem są zmiany frekwencji i składu gatunkowego roślinności na korzyść gatunków nitrofilnych (Galeopsis tetrachit, Rubus idaeus, Aegopodium podagraria, Chamaenerion angustifolium).
Dobrym przykładem tego zjawiska mogą być wyniki badań Sokołowskiego w Puszczy Augustowskiej. Sugeruje uwzględnianie tego zjawiska w planowaniu hodowlanym. W doborze gatunkowym uwzględniać gatunki bardziej wymagające (głównie liściaste)
Wpływ na siedliska - Rogów i Białowieża
Wzrost udziału siedlisk lasowych kosztem borowych. Czy tylko urządzanie lasu i nowe operaty glebowo-siedliskowe?
Wpływ związków azotowych na ekosystemy leśne - problem wielkości dawki
Rysunek przedstawiający zależność między zawartością azotu w igłach sosen (miara stopnia zanieczyszczenia środowiska związkami azotowymi) a wielkością przyrostu i stabilnością drzewostanów sosnowych.
Zanieczyszczenia powietrza azotem a susza
Interesującą próbą rozwiązania wielu sprzeczności, jakie występują w aktualnej dyskusji na temat zamierania lasów jest hipoteza wysunięta przez Hansa Mohra z Instytutu Badań Konsekwencji Rozwoju Techniki w Stuttgarcie. Koncepcja Nohra bierze za punkt wyjścia największą sprzeczność, jaka pojawia się we współczesnej dyskusji o stanie lasów: z jednej strony las stwarza wrażenie silnie osłabionego i chorego, a z drugiej strony wykazuje też jednak objawy zwiększonego wigoru. Od początku obserwacji zjawiska zamierania lasów obserwuje się inną prawidłowość - mianowicie, pomiary dendrometryczne wskazują, że drzewa przyrastają szybciej. Jak pogodzić fakt przyśpieszonego wzrostu drzew z obrazami szkód w postaci prześwietlonych koron?
W przeszłości, głównym czynnikiem limitującym wzrost drzew na wielu siedliskach była ilość azotu w formie zmineralizowanej, dostępnej dla roślin. Przy zdobywaniu nowych terenów pod uprawę wykorzystywano z reguły najżyźniejsze siedliska, pozostawiając las tam, gdzie uprawa rolnicza byłaby nieopłacalna, czyli na glebach ubogich w azot. W ostatnich latach jednakże opad atmosferyczny związków zawierających azot wzrósł bardzo mocno. Źródłem tych związków są procesy spalania, w szczególności w ruchu samochodowym, ale także i rolnictwo. Lasy środkowoeuropejskie są w stanie pobrać rocznie z i hektara przeciętnie od 5 do 12 kg azotu. Ta wielkość jest jednak w wielu wypadkach przekraczana 1 to wielokrotnie. W Badenii-Wuertembergii opad azotu wynosi od 8.5 do 50 kg/ha rocznie, w Szwajcarii od 20 do 60 kg/ha.
Jakie są skutki tego zjawiska? Każdy rolnik wie, że zastosowanie dodatkowej dawki azotu krótko przed dojrzewaniem truskawek lub jabłek powoduje istotne zwiększenie plonu. Dokładnie tak samo reagują drzewa w lesie: przyśpieszają swój wzrost w reakcji na zwiększoną ilość azotu, po długich okresach, w czasie których ilość tego pierwiastka była niewystarczająca. Jednocześnie jednak otwierają się nożyce fizjologiczno-żywieniowe. Chodzi o to, że dodatkowy wzrost zwiększa zapotrzebowanie na inne składniki mineralne, takie jak potas, wapń, magnez, mangan, oraz - na wodę. Z gleby zostają pobrane te rezerwy wody, które normalnie powinny służyć drzewom w czasach periodycznie powtarzających się okresów suszy. Według Mohra, przebieg i obraz procesu zamierania jodeł wskazują na suszę jako najbardziej prawdopodobną przyczynę pogorszonego stanu zdrowotnego. Tak więc przeazotowame oraz wynikający stąd okresowy deficyt zaopatrzenia w wodę byłyby głównymi czynnikami stresowymi. W niektórych rejonach dochodzi do tego jeszcze niedostatek magnezu, w innych - potasu.
Mówiąc po prostu: przekarmiony las cierpi na pragnienie. Przed śmiercią z pragnienia broni się zgodnie z zasadami ekonomii, przestawiając się na oszczędniejszą produkcję. Drzewa zatrzymują tylko tyle liści i igieł, ile przeciążony system korzeniowy jest w stanie zaopatrzyć w wodę. Dzięki regulacji hormonalnej są to dokładnie te igły, których wydajność fotosyntetyczna jest największa, podczas gdy słabsze igły i liście są tracone. Wyjaśnia to także, dlaczego utrata igliwia nie zawsze prowadzi do redukcji wzrostu. Przy zmniejszonym, i bardziej produktywnym aparacie asymilacyjnym osiągane są nawet większe przyrosty. W przypadku drzewostanów świerkowych w Badenii-Wuertembergii oraz w Bawarii, mimo 50 i 60% utraty igliwia nie zauważono objawów zmniejszenia przyrostów. Podobne obserwacje poczyniono także w Finlandii.
Przedawkowanie azotem może mieć także inne skutki. Mianowicie przekarmione drzewa nie kończą w odpowiednim momencie sezonu wegetacyjnego i to prowadzi do szkód od wczesnych przymrozków.
Także ozon może wzmacniać efekt stresu spowodowanego nadmierną ilością azotu. Z dotychczasowych badań prowadzonych w warunkach otwartych komór wynika wprawdzie, że aktualne wielkości stężeń ozonu nie wpływają na fotosyntezę i gospodarkę pierwiastkami.
Typy uszkodzeń drzew przez zanieczyszczenia przemysłowe
Zanieczyszczenia w postaci pyłów i gazów mogą oddziaływać na drzewa:
• bezpośrednio,
• poprzez kwaśne opady atmosferyczne,
• poprzez skażenie gleby.
Możemy wyróżnić:
• ostre uszkodzenia organów wegetatywnych, prowadzące do szybkiegozamierania drzew,
• uszkodzenia chroniczne i niewidoczne, powodujące wolniejsze tempo zamierania drzew.
Klasyfikacja gatunków pod względem wytrzymałości na
zanieczyszczenia
SO2 i gatunki iglaste: jodła, świerk, sosna, modrzew. Niektóre gatunki drzew liściastych są dość tolerancyjne na zanieczyszczenia powietrza. Do najbardziej odpornych można by zaliczyć jawor, olszę czarną, brzozę brodawkowatą, osikę, dąb szypułkowy, dąb czerwony i robinię.
3
1