Elżbieta Malzahn* BIOMONITORING ŚRODOWISKA LEŚNEGO PUSZCZY BIAŁOWIESKIEJ BIO-MONITORING OF THE FOREST ENVIRONMENT OF THE BIAŁOWIEŻA PRIMEVAL FOREST

Transkrypt

1 Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 40, 2009 r. Elżbieta Malzahn* BIOMONITORING ŚRODOWISKA LEŚNEGO PUSZCZY BIAŁOWIESKIEJ BIO-MONITORING OF THE FOREST ENVIRONMENT OF THE BIAŁOWIEŻA PRIMEVAL FOREST Słowa kluczowe: Puszcza Białowieska, monitoring biologiczny, bioindykator, metale ciężkie. Key words: Białowieża Primeval Forest, bio-monitoring, bioindicator, heavy metals. The paper contains results of monitoring research carried out in the whole of the Białowieża Primeval Forest, the last fragment of the natural lowland-forest of Europe. The level, direction of changes and spatial distribution of the content of heavy metals (Fe, Mn, Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Cd) in plant bioindicator the moss Pleurozium schreberi were studied. The level of the forest-environmental pollution was typical of the areas of low pollution in the country and other states of Europe. The heavy metals contents in the moss did not exceed the values tolerable for plants. While the cumulation of pollution in bioindicator was significantly decreasing in the late 80s, in the years the upward tendencies were noticed. The relation between air pollution deposition changes and bioindicators chemism were found. The paper presents the prognosis for the Białowieża Primeval Forest and the threat to its forest environment caused by air pollution and climate changes. 1. WPROWADZENIE Przyroda północno-wschodniej Polski stanowi bogactwo narodowe, a dla całej Europy dziedzictwo przyrodnicze. Obszar ten stanowi środkowo-europejską ostoję różnorodności biologicznej na wszystkich poziomach jej organizacji: * Dr hab. Elżbieta Malzahn, prof. nadzw. Zakład Lasów Naturalnych Instytutu Badawczego Leśnictwa w Białowieży; Zamiejscowy Wydział Zarządzania Środowiskiem Politechniki Białostockiej w Hajnówce, ul. Park Dyrekcyjny 6, Białowieża; tel.: ; emalzahn@las.ibl.bialowieza.pl 439

2 Elżbieta Malzahn krajobrazowym, ekosystemowym, gatunkowym, genetycznym. Znajdują się tu największe w Polsce i nieliczne już w Europie obszary z roślinnością naturalną, w tym ze zbiorowiskami pochodzenia pierwotnego. Jednym z nich jest Puszcza Białowieska, ostatni fragment naturalnego lasu niżowego Europy. Lasy znajdują się nieustannie pod wpływem efektów zmian globalnych, głównie zmian klimatu i zanieczyszczeń powietrza. Działają na nie z różną intensywnością czynniki stresogenne, które są ze sobą w różnym stopniu skorelowane, a dynamika ich zmian na ogół nie ma charakterystyki liniowej. Oprócz czynników klimatycznych za najbardziej groźne dla europejskich lasów są uznawane: w Europie wschodniej eutrofizacja powodowana przez nadmiar azotu, w Europie centralnej dwutlenek siarki i zakwaszenie gleb powodowane przez zbyt wysoką depozycję siarki i azotu, w Europie południowej ozon [De Vries i in. 2000]. W sposób obiektywny można ocenić warunki środowiska metodami biologicznymi. W badaniach zanieczyszczenia środowiska leśnego w Polsce i Europie wykorzystuje się głównie pospolity gatunek mchu rokietnik pospolity Pleurozium schreberi [m.in. Grodzińska i in i 2003, Suchara i in. 2007]. Wyniki badań monitoringowych metodą bioindykacyjną mogą służyć poznawaniu reakcji naturalnego środowiska leśnego na wzrastające działanie czynników abiotycznych. Monitoring biologiczny stanu środowiska leśnego jest prowadzony w Puszczy Białowieskiej przez Zakład Lasów Naturalnych Instytutu Badawczego Leśnictwa w Białowieży od roku 1988 [Malzahn 1999]. 2. METODYKA BADAŃ Mech rokietnik pospolity Pleurozium schrebri, zbierano jesienią każdego roku na 25 powierzchniach bioindykacyjnych (rys. 2). Próbki mchu po oczyszczeniu suszono, rozdrobniono i mineralizowano na mokro w mieszaninie stężonych kwasów azotowego (V) (HNO 3 ) i chlorowego (VII) (HClO 4 ), zmieszanych w stosunku 4:1. Zawartość 8 metali ciężkich (Fe, Mn, Zn, Cu, Cr, Ni, Pb i Cd) oznaczano metodą emisyjnej spektrometrii atomowej (ICP AOES). Wszystkie analizy chemiczne wykonano w laboratoriach Pracowni Chemii Środowiska Leśnego Zakładu Siedliskoznawstwa IBL w Sękocinie. Do oceny rozkładu przestrzennego kumulacji metali przez mech na obszarze Puszczy obliczano sumaryczny indeks zawartości metali ciężkich S j [Godzik 1991]) według wzoru: 440

3 Biomonitoring środowiska leśnego Puszczy Białowieskiej S x ij - x i S j = Σ y ij ; y ij = i =1 x i gdzie: S j indeks zawartości metali ciężkich, x ij stężenie i-tego pierwiastka w danym bioindykatorze na j-tej powierzchni, x i średnia zawartość i-tego pierwiastka na wszystkich powierzchniach. 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ W mchu rokietniku pospolitym Pleurozium schreberi w Puszczy Białowieskiej w latach średnie zawartości metali ciężkich mieściły się w granicach zawartości normalnych we wszystkich latach badań, na żadnej powierzchni nie przekraczając wartości uznawanych za toksyczne, pomimo stosunkowo dużej zmienności zawartości poszczególnych metali od 27% (Cu) do 54% (Cr), tworząc następujący szereg malejący: Fe > Mn > Zn > Cr > Pb > Ni > Cu > Cd (tab. 1). Tabela 1. Zawartość metali ciężkich (ppm = mg kg -1 ) w mchu Pleurozium schreberi w Puszczy Białowieskiej, w Polsce i krajach grupy Wyszehradzkiej według danych literaturowych Table 1. Heavy metals contents (ppm = mg kg -1 ) in moss Pleurozium schreberi in the Białowieża Primeval Forest, Poland and the Visegrad countries according to literature references Obiekt Rok Fe Mn Zn Cr Pb Ni Cu Cd Puszcza Białowieska Puszcza Białowieska Min ,7 9,89 7,57 6,82 5,40 0,357 średnia ,0 9,90 7,57 6,80 5,40 0,357 Max ,0 34,00 20,25 21,00 11,00 0,920 Min ,4. 2,3. 1,5 0,200 średnia ,8. 9,4. 4,4 0,390 Max , ,4 1,000 Min ,2 4,2 0,53 3,5 0,050 Polska średnia ,8 17,3 1,72 10,7 0,540 Max , , ,290 Polska Min ,0. 6,43 4,6 12,0 0,440 środkowo-wschodnia 1997 średnia ,0. 20,28 35,1 20,0 0,640 3 Max ,0. 26,21 97,2 33,0 0,880 Min ,4 0,37 3,94 0,72 4,53 0,228 Polska północno-wschodnia 2000 średnia ,4 0,75 6,4 1,34 6,59 0,317 4 Max ,5 1,52 13,3 2,07 9,1 0,420 Min ,4 0,34 3,94 0,72 4,53 0,216 Polska średnia ,6 1,18 13,90 1,62 10,70 0,684 Max ,0 10,54 65,60 2,89 39,60 7,167 Kraje grupy Wyszehradzkiej (V4) Min ,4 0,30 1, ,69 0,090 średnia ,0 3,11 13,70 2,68 8,63 0,486 Max ,0 42,70 104,00 23,4 70,00 7,167 Źródła: 1 Malzahn 1999; 2 Dećkowska i in. 2008; 3 Mikos-Bielak, Tujaka 1999; 4 Suchara i in

4 Elżbieta Malzahn Maksymalne zawartości metali ciężkich w próbkach mchu stwierdzono w 1994 r. (Fe, Cr, Ni i Cd), w 2002 r. (Mn) oraz w latach (Zn, Cu i Pb). Podobnie największe średnie zawartości metali ciężkich w mchu występowały w większości metali w 1994 r. Pięć metali wykazywało istotne liniowe trendy malejące zawartości Fe, Cr, Ni, Pb i Cd, jeden metal Cu trend rosnący i dwa (Mn, Zn) nie zmieniały istotnie zawartości w mchu (rys. 1). Bardzo wyraźny obraz zmienności zawartości metali ciężkich w mchu przedstawił sumaryczny indeks zawartości metali Sj. Oscylował on w granicach wartości średnich (-0,5 do +0,5) tylko w pięciu latach, cztery lata charakteryzował wysoki indeks dodatni: 1994 r. (4,07), 1995 r. (0,85), 1997 r. (1,28), 2002 r. (0,59) oraz sześć lat wysoki indeks ujemny: 2000 r. (-0,81), 2001 r. (-1,32), 2004 r. (-1,09), 2005 r. (-0,78), 2007 r. (-1,61) i 2008 r. (-1,47). Taka zmienność Sj wykazała istotny liniowy trend obniżania się poziomu kumulacji metali w mchu w latach ppm Zn, Cr, Ni, Cu, Pb, Cd*10, Fe:10, 80 Fe** Mn Zn Fe Zn Mn Pb *** Cr * Ni * 14 8 Cr Pb Ni 2 8 Cu ** Cd *** Rys. 1. Trendy zmian zawartości metali ciężkich (ppm) w mchu Pleurozium schreberi w Puszczy Białowieskiej w latach Trend liniowy istotny przy P<.05 *, P<.01 **, P<.001 *** Fig. 1. Trend of changes in heavy metal contents (ppm) in moss Pleurozium schreberi in the Białowieża Primeval Forest in the years Linear trend significant for P<.05 *, P<.01 **, P<.001 *** 442

5 Biomonitoring środowiska leśnego Puszczy Białowieskiej Rozkład przestrzenny zawartości poszczególnych metali ciężkich w mchu Pleurozium schreberi na obszarze Puszczy Białowieskiej był bardzo zróżnicowany. Powierzchnią o największej zawartości metali w mchu według indeksu Sj jest jedna z powierzchni zlokalizowanych w silniej obciążonej, zachodniej części Puszczy Białowieskiej Puszczy Ladzkiej, a najmniejszą powierzchnia na obszarze obrębu ochronnego Orłówka w Białowieskim Parku Narodowym (rys. 2). Rys. 2. Rozkład przestrzenny indeksu zawartości metali ciężkich (Sj) w mchu Pleurozium schreberi na obszarze Puszczy Białowieskiej w latach Fig. 2. Spatial distribution of heavy metals contents index (Sj) in moss Pleurozium schreberi in the Białowieża Primeval Forest in the years

6 Elżbieta Malzahn Porównano poziom zawartości metali w mchu z wybranymi kilkoma danymi literaturowymi (tab. 1). Na podstawie analiz zawartości metali w mchu zebranym w pierwszej połowie lat 90-tych cały obszar Puszczy Białowieskiej spełniał kryteria obszarów uznanych jako strefy A relatywnie czyste [Grodzińska i in. 1999]. W stosunku do średnich zawartości metali ciężkich dla Polski w 1995 r., mchy w Puszczy Białowieskiej kumulowały mniej Fe, Zn, Cu, Pb i Cd, natomiast więcej Cr i Ni. Mech w Puszczy zawierał zdecydowanie mniej metali niż w Polsce środkowo-wschodniej w 1997 r. Wyniki międzynarodowych badań w krajach grupy Wyszehradzkiej (V4) (Polska, Słowacja, Węgry i Republika Czeska) w 2000 r. wskazywały podobny do poziomu w Puszczy poziom kumulacji metali przez mech w północno-wschodniej Polsce, niższy natomiast od wartości średnich dla Polski i krajów grupy Wyszehradzkiej, z wyjątkiem Cr i Ni, których kumulacja jest istotnie większa [Suchara i in. 2007]. Jednak w porównaniu z kumulacją metali przez mech na najmniej skażonych obszarach Europy, np. w Norwegii, gdzie w 1995 r. mech zawierał 170 ppm Fe; 26 ppm Zn; 2,4 ppm Cu; 2,3 ppm Pb i 0,19 ppm Cd [Berg, Steinnes 1997], w Puszczy Białowieskiej w latach było kumulowane ponad dwukrotnie więcej metali ciężkich. Zanieczyszczenie tego regionu Europy jest dobrym punktem odniesienia, ponieważ w ostatnim dwudziestoleciu ulegało tylko niewielkim zmianom. Należy przy tym pamiętać, że potencjalne skażenie środowiska przez poszczególne metale nie oznacza ich szkodliwości dla organizmów. Porównanie toksyczności analizowanych metali dla roślin i zwierząt wskazuje, że najmniej niebezpieczne dla środowiska przyrodniczego jest Fe, a najbardziej: Cd i Pb. Na poziom kumulacji metali ciężkich przez środowisko przyrodnicze mają wpływ warunki klimatyczne Puszczy, które mogą być analizowane na podstawie pomiarów ze stacji IM- GiW w Białowieży (52 o 42 N, 23 o 51 E, wysokość 163 m n.p.m.). Diagram klimatyczny ostatnich 15 lat różnił się niższą sumą opadów atmosferycznych i wyższą średnią temperaturą roczną niż w diagramie z lat (rys. 3) [Olszewski 1986]. Powodowało to coraz wcześniejsze odpływy wody, co jest jednym z warunków meteorologicznych mogących niekorzystnie wpływać na warunki wodne Puszczy oraz na stan i stabilność siedlisk puszczańskich, zwłaszcza hydrogenicznych [Pierzgalski i in. 2002]. Specyficznym zagrożeniem dla środowiska przyrodniczego są zanieczyszczenia powietrza. Podczas monitorowania dwóch najgroźniejszych dla środowiska leśnego zanieczyszczeń: związków siarki i azotu, od 1986 r. jest rejestrowana stopniowa poprawa jakości powietrza w Puszczy Białowieskiej, głównie z przyczyny istotnych trendów malejących depozycji całkowitej (suchej i mokrej) siarki [Malzahn 1999; 2004], która w ostatnich 15 latach wynosiła średnio w roku 11 kg S/ha, ale w roku 2008 już tylko 5 kg S/ha. Średnie obciążenie Puszczy siarką od 2002 r. nie przekraczało wartości krytycznej dla lasów północno-wschodniej Europy (5 10 kg S/ha rok) [Manninen i in. 1997]. Roczna natomiast depozycja całkowita azotu utrzymywała się na podobnym poziomie i nie wykazywała istotnego trendu zmian w latach wynosiła śred- 444

7 Biomonitoring środowiska leśnego Puszczy Białowieskiej nio w roku 11 kg N/ha i tyle samo wynosiła w 2008 r., w tym 76% stanowiła depozycja mokra. Średnie obciążenie Puszczy Białowieskiej azotem od lat zdecydowanie przekracza wartość krytyczną dla lasów zbliżonych do naturalnych 2 5 kg N/ha rok [Grodzińska, Szarek 1995]. Ryc. 3. Porównanie diagramów klimatycznych Białowieży z lat [Olszewski 1986] i : o C średnia miesięczna temperatura; mm średnia miesięczna suma opadów Fig. 3. Comparison between climate-diagrams in Białowieża in the years [Olszewski 1986] and : o C mean monthly temperature; mm mean monthly precipitation 4. PODSUMOWANIE Wyniki badań monitoringowych zanieczyszczenia środowiska leśnego Puszczy Białowieskiej w latach metodą bioindykacyjną z zastosowaniem mchu rokietnika pospolitego Pleurozium schreberi wykazały zmniejszenie kumulacji metali ciężkich w bioindykatorze, co świadczy o istotnie zmniejszającym się poziomie zanieczyszczenia środowiska leśnego. W 2008 r. Puszczę Białowieską można było zaliczyć do strefy obszarów relatywnie czystych, chociaż silniej obciążona zachodnia i północna granica Puszczy wskazuje na możliwe wpływy lokalnych źródeł emisji zanieczyszczeń powietrza. Zarejestrowano jednocześnie poprawę jakości powietrza na całym obszarze województwa podlaskiego, na co miały wpływ sukcesywne wymiany tradycyjnych dużych kotłowni węglowych na nowocześniejsze instalacje olejowe lub gazowe, realizowane po roku 2000 we wszystkich miejscowościach przylegających do Puszczy Białowieskiej. Zanotowano natomiast niekorzystny trend zwiększania się ilości zanieczyszczeń powietrza, głównie 445

8 Elżbieta Malzahn związków azotu, pochodzących z dynamicznie rozwijającej się bazy turystycznej (transport, hotele, kwatery). Dlatego depozycja azotu może być uznawana za jeden z czynników powodujących obserwowaną w ostatnich 40 latach eutrofizację siedlisk w Puszczy. Należy też wziąć pod uwagę, że depozycja zanieczyszczeń powietrza na obszarach oddalonych od silnych źródeł emisji uwarunkowana jest głównie zmiennością warunków meteorologicznych. Przedstawione zmiany czynników klimatycznych i antropogenicznych będą powodowały w następnych latach przyspieszenie procesu wysuszania, zakwaszenia i eutrofizacji siedlisk leśnych. Reasumując, można stwierdzić, że zagrożenie środowiska przyrodniczego w rejonie Puszczy Białowieskiej nie zmniejsza się, zmieniają się tylko proporcje udziału różnych czynników zagrażających środowisku przyrodniczemu i wynikających z nich zanieczyszczeń tego środowiska. PIŚMIENNICTWO Berg T., Steinnes E Use of mosses (Hylocomium splendens and Pleurozium schreberi) as biomonitors of heavy metal deposition: from relative to absolute deposition values. Environ. Pollut. 98, 1: Dećkowska A., Pierścieniak M., GWorek B., Maciaszek D Wybrane gatunki roślin jako wskaźniki zmian w środowisku. Ochrona środowiska i Zasobów Naturalnych 37: De Vries W., Klapp J.M., Erisman J.W Effects of environmental stress on forest crown condition in Europe. Part I: Hypotheses and approach to the study. Water, Air. Godzik B Zanieczyszczenie mchów Gorczańskiego Parku Narodowego metalami ciężkimi. Ochr. Przyr. 49, 1: Grodzińska K., Szarek G., Godzik B., Braniewski S., Chrzanowska E Mapping air pollution in Poland by measuring heavy metal concentration in mosses. W: Climate and Atmospheric Deposition Studies in Forests. (eds: J.Solon, E.Roo- Zielińska, A. Bytnerowicz). Conference Papers IGSO PAS 19, Warszawa: Grodzińska K., Frontasyeva M,. Szarek-Łukaszewska G., Klich M., Kucharska-Fabiś A., Gundorina S., Ostrovnaya T.M Trace element contamination in industrial regions of Poland studied by moss monitoring. Evironmental and Assessment 87: Grodzińska K., Szarek, G Skażenie środowiska Polski na tle Europy. Wiad. Bot. 39, (1/2): Malzahn E Ocena zagrożeń i zanieczyszczenia środowiska leśnego Puszczy Białowieskiej. Prace Inst. Bad. Leśn. 885: Malzahn E Kwaśne deszcze w Puszczy Białowieskiej jako kryterium zagrożenia środowiska leśnego. Prace Inst. Bad. Leśn. 4, 906:

9 Biomonitoring środowiska leśnego Puszczy Białowieskiej Malzahn E Kierunek zmian poziomu zanieczyszczeń powietrza i czynników klimatycznych w Puszczy Białowieskiej. Leśne Prace Badawcze 1: Manninen S., Huttunen S., Kontio M Accumulation of sulphur in and on Scots pine needles in the subarctic. Water, Air Soil Pollut. 95: Mikos-Bielak M., Tujaka A Akumulacja metali ciężkich w glebach i roślinach z przygranicznego pasa środkowowschodniej Polski. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych 18: Olszewski J. L Rola ekosystemów leśnych w modyfikacji klimatu lokalnego Puszczy Białowieskiej. Prace habilitacyjne. Wyd. Ossolineum, Wrocław: Pierzgalski E., Boczoń A., Tyszka J Zmienność opadów i położenia wód gruntowych w Białowieskim Parku Narodowym, Kosmos 51, 4: Suchara I., Florek M., Godzik B., Mankovska B., Rabnecz G., Sucharowa J., Tuba Z., Kapusta P Mapping of main sources of pollutants and their transport In the Visegrad Space. Part I. Eight toxic metals. Expert group on bio-monitoring the atmospheric deposition loads in the Visegrad countries. Pruhonice, KLEMO Zvolen: