REAKCJA BORÓW SOSNOWYCH NA KWAŚNE OP ADY I. GLEBA I APARAT ASYMILACYJNY DRZEW

Transkrypt

1 PRACE INSTYTUTU BADAWCZEGO LEŚNICTWA, Seria A 2001/1 Nr 912 Józef ZWOLIŃSKI Instytut Badawczy Le ś nictwa Zakład Gospodarki Leśnej Rejonów Przemysłowych ul. Św. Huberta 35, Katowice c-mail: zwolinsj@ibles.waw.pl REAKCJA BORÓW SOSNOWYCH NA KWAŚNE OP ADY I. GLEBA I APARAT ASYMILACYJNY DRZEW RESPONSE OF PINE FORESTS TO ACID DEPOSITlON I. THE SOIL AND ASSIMILATION APPARATUS OF TREES Abstract: Soi! cheryfistry, soi! microbial activity, and nutritional status o[scots pine stands locateą at difjerent distances [rom pol/ution sources (a coal-jired power plant and er nilrogen works) were investigated. Based on threshold (critical) values [ąr parameters relaled to acid-induced ejjects on soi! and needle chemistry, ;n index o[ [orest degradation (WDL) was constructed. lts values were [oundio be correlated with soi! microbial variabies, implying that it may be a good indication o[ deterioration o[ [orest sile caused by acid deposition. Key words: Pin [orests, podzols, acidification parameters, nutrient imbalance, soi! microorganisms. Prac. Inst. Bad. Leś., A, 2001,1(912):

2 1. WSTĘP Kwaśne opady powstają w wyniku uwalniania S02 i NO x w czasie spalania paliw kopalnych, a następnie ich utlenienia i hydratacji w powietrzu atmosferycznym. W krajach, gdzie prowadzi się intensywną hodowlę bydła (np. Holandia, Dania), istotnym prekursorem kwaśnych opadów jest ponadto NH 3. Do najważniejszych emitorów tlenków siarki i azotu należą elektrownie i elektrociepłownie, zakłady przemysłowe, kotłownie przyzakładowe i komunalne. Duży udział w emisji tlenków azotu ma także transport drogowy oraz ciągniki i maszyny rolnicze. Od kilkudziesięciu lat notuje się systematyczny wzrost zakwaszenia siedlisk leśnych w zachodniej Europie i Skandynawii (GLATZEL i in. 1985; GUSTAFSSON i in ; STEINNES i in. 1993; SVERDRUP i in. 1995; DE VRIES i in. 1995), a wynikające z tego zakłócenie bilansu pokarmowego w glebie i roślinach uważa się za poważne zagrożenie dla normalnego funkcjonowania lasów (ULRICH 1985; SVERDRUP, WARFVINGE 1993). Badania ostatnich lat wydają się ponadto potwierdzać hipotezę NIHLGARDA (1985) sugerującą poważny udział związków azotu w degradacji lasów w Europie. Konsekwencją nadmiernej depozycji azotu może być bowiem intensywniejszy przyrost drzew (KAUPPI i in. 1992; ERIKSSON, JOHANSSON 1993; PERSSON, MAJDI 1995), co pociąga za sobą zwiększone zapotrzebowanie na inne składniki pokarmowe. Po pewnym czasie, szczególnie na uboższych siedliskach, powoduje to niedobór, z wyjątkiem azotu, podstawowych składników odżywczych (KA TZENSTEINER i in. 1992; HOUDIJK, ROELOFS 1993). Eutrofizacja siedlisk azotem prowadzi także do translokacji produkcji biomasy z korzeni do części nadziemnych drzew (spadek wartości stosunku masy korzeni do masy części nadziemnych), mogącej być przyczyną większej wrażliwości drzewostmów na naturalne stresy środowiskowe, jak susze czy mrozy (BOBBINK i in. 1992; PERSSON 1990; MATZNER, MURACH 1995). Brak udokumentowanego pełnego rozpoznania pozwala jedynie przypuszczać, że zakwaszenie gleb leśnych w Polsce było dotychczas znacznie słabsze aniżeli w zachodniej Europie z powodu neutralizacji "kwaśnych" gazów (S02, NO x ) przez. alkaliczne związki zawarte w pyłach, emitowanych w ogromnych ilościach. W ostatnim dwudziestoleciu emisja pyłów w Polsce była bowiem ponad trzykrotnie wyższa niż w najbardziej uprzemysłowionych krajach Europy zachodniej (RFN, Francja, Włochy, W. Brytania), przy zbliżonym poziomie emisji S02 i NO x (EMEP 1998; Ochrona Środowiska 1999). Obecnie nastąpiły w Polsce zmiany składu emitowanych zanieczyszczeń, polegające na istotnym zmniejszeniu ilości pyłów w stosunku do gazów. Jest to skutek zróżnicowanej efektywności stosowanych urządzeń ochrony powietrza w zatrzymywaniu i neutralizacji składników emisji: pyłów o ponad 90%, a tlenków siarki i azotu o odpowiednio 39 i 12% (Ochrona Środowiska 1999), co w konsekwencji może powodować intensywniejsze zakwaszanie gleb. Daje to podstawę do stwierdzenia, że pomimo systematycznego ograniczania emisji zanieczyszczeń przemysłowych, kwaśne opady stanowić będą nadal po-

3 Reakcja borów sosnowych na kwaśne opady. 1. Gleba i aparat asymilacyjny drzew 115 ważne zagrożenie dla lasów w Polsce, dominującej w Europie (nie licząc Rosji) w emisji S02 oraz znajdującej się w czołówce krajów emitujących tlenki azotu (EMEP 1998; Ochrona Środowiska 1999). Przypisywanie widocznych objawów uszkodzeń drzewostanów oddziaływaniu zanieczyszczeń przemysłowych budzi wątpliwości, ze względu na brak metod umożliwiających określenie związków przyczynowo-skutkowych. Nie pozwala na to stosowana obecnie w Europie, w tym także i w Polsce, metoda zalecana przez ICP-Forest (Forest International Cooperative Programme on Assessment and Monitoring of Air Pollution Effects on Forests), przyjmująca jako kryterium stopień przerzedzenia koron - symptomu, mogącego być efektem wpływu szeregu czynników abiotycznych i biotycznych (np. susza, silne wiatry, zanieczyszczenia przemysłowe, patogeny grzybowe, owady). Konieczne jest zatem opracowanie bardziej miarodajnej metody, opartej na wymiernych wskaźnikach, których wartości są istotnie zależne od stopnia przemysłowego zanieczyszczenia siedlisk leśnych i pozostają w relacji do produkcyjności drzewostanów.... Celem pracy była ocena ai'unków glebowych, stanu odżywienia drzew oraz rozwoju drzewostanów sosnowych na powierzchniach znajdujących się w różnych odległościach od emitorów tlenków siarki i azotu oraz wybór wskaźników umożliwiających określenie stopnia degradacji siedlisk spowodowanej kwaśnymi opadami. W pracy* przedstawiono wyniki analiz chemicznych gleb i aparatu asymilacyjnego drzew, badań mikrobiologicznych gleb oraz ocenę stopnia zakwaszenia siedlisk badanych powierzchni, wyrażonego wartością wskaźnika degradacji lasu. 2. OBIEKT i METODYKA BADAŃ Reakcję ekosysteltiu na kwaśne opady określono na podstawie badań gradientowych, prowadzonych na poyvierzchniach obejmujących lite drzewostany sosnowe (Pinus sylvestris L.), chanikteryzujących się zbliżonymi warunkami glebowosiedliskowymi i klimatycznymi, lecz różniących się stopniem przemysłowego zanieczyszczenia wynikającym z ich usytuowania (odległości i kierunku dominujących wiatrów) względem stacjonarnych źródeł emisji (tab. 1). Badania takie pozwalająprzyjąć, że ilość deponowanych związków siarki i azotu, determinująca stopień zakwaszenia siedlisk, jest podstawową przyczyną zróżnicowania badanych powierzchni pod względem właściwości chemicznych gleb i aparatu asymilacyjnego drzew oraz aktywności mikrobiologicznej gleb. * PracQ wykonano w ramach tematu BLP 973, sfinansowanego przez Dyrekcję Generalną Lasów Państwowych

4 Wykaz i charakterystyka powierzchni badawczych Specification ofthe experime!ltal plots Tabela l Table \ Pow. Nadleśnictwo Obręb Oddział (nr) Forest district Forest range Compartment Plot (No.) 1 Rudy Kuźnia 124 b 2 Raciborskie Raciborska 161 b a 4 Rybnik Paruszowiec l31 f 5 28j 6 75 b 7 29 c c a P b 12. Kędzierzyn. Kę lzierzyn '. 125.d l3 195 a a d c a g a b i d Wiek drzewostanów w 1998 (lata) Stand age in 1998 (years) , Położenie wzgłędem głównych źródeł emisji Position towards the main emission sources elektrownia oower olant zakłady azotowe nitrogen works odległość (km) kierunek odłegłość (km) kierunek distance (km) direction distance (km) direction 24,9 NW 10,5 S 18,0 " 14,7 " 249 " 10,5 " 4,4 NE 28,7 SE 6,4 N 24,3 " 4,4 N 24,9 " 6,8 N 23,7 " 3,5 SE 30,5 " 3,9 NE 29,2 " 2,6 SE 30,3 " 6 1 E 327 " 29,3 NW 2,4 NE 26,6 " 3,4 E 27,9 " 1,8 E 26,4 " 3,0 E 27,6 " 2,8 E 27,6 " 4,5 NE 28,5 " 1,7 E 27,3 " 3,5 E 27,0 " 4,5 E 28,8 " 6,3 NE 22,9 " 6,4 SE o -. S: -.

5 Reakcja borów sosnowych ha kwaśne opady. l. Gleba i aparat asymilacyjny drzew Charakterystyka terenu badań Powierzchnie badawcze, które znajdują się na terenie nadleśnictw Rudy Raci-. borskie, Rybnik i Kędzierzyn (woj. śląskie) narażone były na wieloletni wpływ zanieczyszczeń pochodzących ze zlokalizowanych w pobliżu emitorów, w tym szczególnie Zakładów Azotowych "Kędzierzyn" (od lat pięćdziesiątych) i Elektrowni "Rybnik" (od lat siedemdziesiątych), a poza tym z zakładów azotowych i elektrowni w Blachowni w pobliżu Kędzierzyna oraz napływających z dalszej odległości, od strony południowej i wschodniej, zanieczyszczeń emitowanych przez zakłady przemysłowe Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego i Rybnickiego Okręgu Węglowego. Klimat terenu badań charakteryzuje średnia roczna temperatura 7,8 oc, roczna suma opadów 510 mm i dominujące wiatry z kierunku zachodniego i południowo-zachodniego (dane IMiGW Katowice za lata ). Gleby badanych powierzchni należą do gleb bielicowych właściwych o budowie profilu O-A-Ees-Bhfe-C (pow. nr 1-11, 14, 15, 18, 21, 22) lub bielicowordzawych z układem poziomów O-AEes-BfeBv-C (pow. nr 12, 13, 16, 17, 19,20), wytworzonych z piasków pochodzenia wodnolodowcowego. Gleby te charakteryzują się próchnicą typu moder-mor i tworzą siedliska boru mieszanego świeżego Analizy chemiczne i mikrobiologiczne gleb Z poziomu organicznego (Oth) i górnego mineralnego (A lub AEes) każdej powierzchni pobrano w październiku 1999 r. mieszane próby glebowe (z 10 losowo wybranych punktów) za pomocą laski glebowej (o średnicy 5 cm), co pozwoliło na oznaczenie ich masy. Zawartość kationów zasadowych Ca 2 +, Mg 2 +, K+, Na+ oznaczono po ekstrakcji gleby In octanem amonu, a glinu wymiennego Ae+ po ekstrakcji In KCl- metodą absorpcji atomowej. Z sumy kationów zasadowych LBC i kwasowości wymiennej EA - oznaczonej po ekstrakcji gleby In KCl, obliczono pojemność wymienną gleb CEC oraz stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego zasadami BS. Odczyn gleby oznaczono metodą potencjometryczną w In KCl- stosunek gleby do roztworu (w/v) 1: 1 O (poziom Ofh) i l :2,5 (poziom A lub AEes), a zawartość węgla organicznego Corg. na analizatorze węgla SC 132 Leco. Analizy mikrobiologiczne przeprowadzano następnego dnia po pobraniu prób glebowych, według metod opisanych dokładnie wcześniej (ZWOLIŃsKI 1995), oznaczając: - intensywność oddychania gleb (!li CO 2 /g glebyh) na aparacie Warburga, - biomasę drobnoustrojów (Cbiom) metodą indukowanej substratem (glukozą) respiracji (ANDERS ON, DOMSCH 1978; BEARE i in. 1990), - iloraz metaboliczny drobnoustrojów (qc0 2 =!lg C-C0 2 /mg Cbiom. h) - z wyników intensywności oddychania gleb i wielkości biomasy drobnoustrojów (ANDERSON, DOMSCH 1986).

6 118 J Zwoliński 2.3. Analiza chemiczna aparatu asymilacyjnego sosny Z każdej powierzchni pobrano we wrześniu 1999 r. igły jednoroczne (ubiegłoroczne) z górnej części korony (2-3 okółek) z trzech wybranych losowo przeciętnych drzew. Po przemyciu igieł chlorofonnem, metodą opisaną wcześniej (ZWOLIŃSKI i in. 1998), wysuszeniu do stałej wagi w temp. 80 C i zmieleniu przeprowadzono oznaczenia: - zawartości metali alkalicznych (Ca, Mg, K, Na) i metali ciężkich (Zn, Pb, Cu, Cd) - metodą absorpcji atomowej, po uprzednim spopieleniu igieł (450 oc przez 24 h) i rozpuszczeniu popiołu w 10% HCl. - zawartości azotu metodą Kjeldahla na aparacie Biichi B-324, siarki na analizatorze siarki SC 132 Leco, a fosforu - metodą molibdenową (OSTROWSKA i in. 1991). 3. WYNIKI I DYSKUSJA 3.1. Wskaźniki zakwaszenia siedlisk Wpływ kwaśnych opadów na gleby borów sosnowych badano analizując poziomy organiczne (Oili) i górne poziomy mineralne (A, AEes). Mają one kluczowe znaczenie w odżywianiu i produkcyjności ekosystemu, tam bowiem zgromadzona jest większość substratów odżywczych oraz, w przypadku drzewostanów sosnowych rosnących na ubogich siedliskach, znajduje się większość (ponad 80%) drobnych korzni biorących udział w transporcie składników pokarmowych z gleby do rośliny (BRAEKKE 1996). Pozą tym, w poziomach tych następuje wyraźna reakcja na oddziaływanie czynników stresowych, przejawiająca się m. in. zmianami właściwości chemicznych i aktywności biologicznej.. Poziomy organiczne i mineralne gleb badanych powierzchni charakteryzują się:. a) niskim ph, w granicach od 3,00 do 3,64, b )słabym wysyceniem kompleksu sorpcyjnego kationami zasadowymi (BS), wynoszącym w większości przypadków <20% w poziomach organicznych i < 10% w poziomach mineralnych, c) dużym udziałem glinu w kompleksie sorpcyjnym (%Al w CEC), przekraczającym w wielu przypadkach 40% zarówno w poziomach organicznych jak i mineralnych, d) niską wartością stosunku sumy wymiennych kationów zasadowych (Z::BC) do glinu wymiennego (tab. 2). W odniesieniu do sugerowanych przez niektórych autorów (REUSS 1983; LYON, SHARPE 1999) wartości krytycznych dotyczących BS i Z::BCIAI+ 3, uzyskane wyniki świadczą o silnym zakwaszeniu badanych gleb, w czym znaczny udział, poza naturalnymi procesami kwasotwórczymi (wytwarzanie CO 2 w wyniku oddychania gleb oraz kwasów organicznych, pobór kationów zasadowych przez rośli-

7 Reakcja borów sosnowych na kwaśne opady. 1. Gleba i aparat asymilacyjny drzew 119 ny) może mieć nadmierna depozycja związków siarki i azotu. Przemawia za tym, notowana w igłach sosny wysoka zawartość siarki (>0,15%), przekraczająca po,nad dwukrotnie naturalny jej poziom, wynoszący około 0,06% (DMUCHOWSKI, BYTNEROWICZ 1995) oraz - w mniejszym stopniu - obserwowana na niektórych powierzchniach zawartość azotu w igłach wynosząca powyżej 1,8%, wskazująca na nadmiar tego pierwiastka (DE VRIES, HEIJ 1991; HOUDIJK, ROELOFS 1993) (tab. 3). Biorąc pod uwagę wymagania pokannowe sosny (INGESTAD 1962; BONNEAU 1988), przeprowadzone analizy wykazały słabe zaopatrzenie igieł w niektóre z pozostałych składników odżywczych, a mianowicie w magnez «600 mglkg) - na większości powierzchni w Nadl. Kędzierzyn oraz wapń «2000 mg/kg) - na kilku powierzchniach w nadleśnictwach Kędzierzyn i Rybnik. Stwierdzono jednocześnie stosunkowo niską zawartość metali ciężkich: Zn w granicach od 29 do 52 mg/kg, Pb - od 3 do 7 mg/kg, Cu - od 3 do 5 mg/kg, Cd - od 0,38 do 0,75 mg/kg (tab. 3). Ilości te wskazują na ograniczoną emisję wymienio- "- nych metali przez działające w pobliżu zakłady przemysłowe i nie powinny wpływać w sposób znaczący na rozwój ekosystemu (BALSBERG-PAHLSSON 1989; ZWOLIŃSKI 1995).. Stopień zagrożenia badanych powierzchni leśnych ze strony kwaśnych opadów oceniono na podstawie wartości wskaźnika degradacji lasu WDL. Do jego wyznaczenia wykorzystano wartości progowe (krytyczne) parametrów określających właściwości chemiczne gleb i aparatu asymilacyjnego drzew na siedliskach borowych (tab. 4), których przekroczenie, jak się powszechnie uważa, sygnalizuje nadmierne zakwaszenie siedlisk, mogące prowadzić do zakłócenia prawidłowego funkcjonowania ekosystemu. Wartości progowe dla lasów charakteryzujących się zbliżonymi do badanych powierzchni warunkami glebowo-siedliskowymi ustalono konfrontując uzyskane wyniki badań (tab. 2 i 3) z danymi publikowanymi w licznych doniesieniach na ten temat (cytowanymi poniżej). Przy ich ustalaniu uwzględniono zróżnicowaną zdolność gleb do buforowania napływających do nich kwaśnych kationów, stąd podane wartości progowe parametrów glebowych odnoszą się jedynie do gleb o ph zbliżonym do oznaczonego w glebach badanych, tj. obejmującym zakres działania buforu glinowego (ph 2,8--4,2). Zweryfikowano zatem podawane w literaturze wartości progowe dla BS, %AI+ 3 w CEC i LBC/AI+ 3 (MEIWES i in. 1986; LYON, SHARPE 1999), kierując się publikowanymi danymi dotyczącymi bie1icoziemnych gleb leśnych w Europie (UGGLA H., UGGLA Z. 1978; KATZENSTEINER i in. 1992; KUKKILA i in. 1994; KREUTZER 1995; LUKINA, NIKONOV 1995; NISSINEN 1995; THELIN i in. 1998; ZWOLIŃSKI, ORZEŁ 2000). Ponadto, zamiast w roztworze glebowym - jak zwykle podaje się w literaturze (MEIWES i in. 1986; SVERDRUP, WARFINGE 1993), przyjęto wartość progową dla LBC/ AI+ 3 w kompleksie sorpcyjnym, gdzie zawartość kationów, w tym AI 3 +, jest bardziej stabilna, niezależna np. od opadów atmosferycznych a pozostająca w równowadze z ich zawartością w roztworze glebowym (MEIWES i in. 1986; FALKENGREN-GRERUP i in. 1995).

8 Charakterystyka kompleksu sorpcyjnego gleb Characteristics of soil sorption properties Tabela 2 Table 2 ;...-o N O Pow. (nr) Poziom ph Kationy wymienne (męq/l00 g) Plot (No.) Horizon (KCl) Exchangeable cations (meqll 00 g) Na+ Ca++ M!!++ 1 Oth 3,05 0,04 0,35 3,14 0,42 A 3,00 0,01 0,05 0,34 0,04. 2 Oth 3,i3 0,04 0,37 5,98 0,79 AEes 3,38 0,01 0,08 0,38 0,06 3 Oth 3,l3 0,03 0,34 3,04 0,49 A 307 0, ,04 4 Oth 3,32 0,06 0,28 2,52 0,31. AEes 3,31 0,01 0,05 0,25 0,03 5 Oth 3,26 0,05 0,29 2,56 0,33 A 3,l3 0,01 0,04 0,40 0,04 6 Oth 3,38 0,05 0,40 2,55 0,36 AEes 3,43 0,01 0,05 0,24 0,03 7 Oth 3,29 0,05 0,35 2,00 0,34 '8 AEes 3,l3 0,01 0,04 0,43 0,05 Oth 3,46 0,06 0,35 1,58 0,29 AEes 3,45 0,01 0,05 0,19 0,03 9 Oth 3,31 0,05 0,31 2,62 0,26 AEes 3,37 0,01 0,06 0,19 0,04 10 Oth 3,60 0,06 0,28 1,49 0,24 AEes 3,46 0,01 0,04 0,22 0,03 11 Oth 3,40 0,07 0,37 2,83 0,33 AEes 3,33 0,01 0,05 0,34 0,04 A ,58 1,71 3,54 2,21 7,22 20O 5,96 1,64 7,86 1,87 7,30 1,61 7,91 1,89 7,64 1,75 7,41 2,36 6,67 1,61 8,35 2,16 IBC EA CEC (meqiloog) (meqlloog (meqiloog) ') 3,95 15,93 19,88 0,44 4,48 4,92 7,18 10,47 17,65 0,53 4,82 5,35 3,90 15,57 19, , ,17 14,37 17,54 0,34 4,30 4,64 3,23 16,14 19,37 0,49 3,96 4,45 3,36 16,00 19,36 0,33 3,72 4,05 2,74 16,93 19,67 0,53 4,00 4,53 2,28 15,01 17,29 0,28 3,89 4,17 3,24 16,39 19,63 0,30 5,22 5;52 2,07 15,12 17,19 0,30 4,03 4,33 3,60 18,56 22,16 0,44 4,94 5,38 BS (%) 19,87 8,94 40,68 9,91 20, ,07 7,32 16,68 11,01 17,36 5,82 13,93 11,70 13,19 6,71 16,51 5,43 16,51 6,93 16,24 8,18 %Ae+wCEC %AI 3 +in CEC 33,10 34,76 20,06 41,31 37, ,68 35,54 40,58 42,02 37,71 39,75 40,21 41,72 44,19 41,97 37,75 42,75 38,22 37,18 35,68 40,15 IBC/Ae+ 0,60 0,26 2,03 0,24 0, ,53 0,21 0,41 0,26 0,46 0,20 0,35 0,28 0,33 0,16 0,44 0,13 0,31 0,19 0,43 0,20 o ""- S: c"... ;>;--

9 12 Oth 3,27 0,05 0,27 1,44 0,34 8,33 A 3,30 0,01 0,06 0,13 0,04 3,26 13 Oth 3,29 0,06 0,33 4,33 0,66 8,27 A 3,46 0,01 0,08 0,27 0,06 3,83 14 Oili 3,45 0,05 0,26 1,25 0,29 7,52 AEes 3,64 0,01 0,03 0,11 0,03 2,07 15 Oth 3,24 0,06 0,3 1 1,64 0,29 7,01 AEes 3,28 0,02 0,07 0,23 0,05 3,79 16 Oth 3,21 0,05 0,39 1,84 0,49 8,12 A 3,33 0,01 0,11 0,28 0,07 3,57 17 Oth 3,42 0,05 0,33 2,79 0,38 7,99 A 3,28 0,01 0,09 0,22 0,05 3,29 18 Oth 3,31 0,04 0,30 2,75 0,52 8,37 AEes 3,39 0,01 0,08 0,43 0,08 3,68 19 Oth 3,27 0,05 0,34 2,91 0,42 8,18 A 3,19 0,01 0,09 0,60 0,06 2,93 20 Oth 3,29 0,05 0,32 2,64 0,57 7,97 A 3,35 0,01 0,05 0,26 0,03 2,13 21 Oth 3,30 0,06 0,29 2,53 0,87 7,82 AEes 3,09 0,02 0,09 0,28 0,07 2,89 22 Oth 3,16 0,05 0,3 1 3,60 0,52 7,56 AEes 3,15 0,01 0,05 0,28 0,04 1,94 Uwaga: grubą czcionką oznaczono wyniki przekraczające wartość progową Note: Vałues exceeded threshołd are indicated in bołd print "LBC - sum"a kationów zasadowych sum of base cations EA - kwasowość wymienna exchangeabłe acidity CEC - pojemność wymienna (cation exchange capacity) BS - wysycenie kompleksu sorpcyjnego zasadami (base saturatio,n) 2,10 16,20 0,24 5,99 5,38 15,10 0,42 6,77 1,85 14,70 0,18 4,48 2,30 15,67 0,37 7,20 2,77 16,83 0,47 6,88 3,55 17,71 0,37 5,97 3,61 16,53 0,60 6,81 3,72 15,27 0,76 5,33 3,58 16,79 0,35 4,81 3,75 15,18 0,46 4,73 4,48 16,81 0,38 4,52 / 18,3 0 11,48 6,23 3,85 20,48 26,27 7,19 5,84 16,55 11,18 4,66 3,86 17,97 12,80 7,57 4,89 19,60 14,13 7,35 6,39 21,26 16,70 6,34 5,84 20,14 17,92 7,41 8,10 18,99 19,59 6,09 12,48 20,37 16,59 5, 16 6,78 18,93 17,11 5,19 8,86 21,29 21,04 4,90 7,76 45,52 0,25 52,33 0,07 40,38 0,74 53,27 0,11 45,44 0,25 44,42 0,09 39,01 0,33 50,07 0,10 41,43 0,34 48,57 0,13 34,50 0,44 51,89 0,11 41,56 0,43 49,66 0,16 43,08 0,45 48,11 0,26 39,13 " 0,42 41,28 0,16 41,31 0,48 55,68 0,16 35,51 0,59 39,59 0,20 (\) " g- o, v, ;:s o () ;:s-. ;:s ' (\).g :-.. c::r {;... ą 1 " ą.... N...

10 Skład chemiczny jednorocznych igieł sosny Chemical composition of previous-year needles of Scots pine Tabela 3 TabJe 3 N -- N Nadleśnictwo Pow. (nr) Zawartość metali (m!!/k!! s.m.) Metal content (mg/kg d.w.) Forest district Plot (No.) Zn Pb Cu Cd Mg Ca K Na Rudy 1 43,8 5,0 3,4 0, Raciborskie 2 41,5 5,0 4,1 0, ,5 35 0, Rybnik 4 32,8 3, l 3,4 0, ,3 5,0 3,5 0, ,4 5,0 3,5 0, ,9 5,0 3,6 0, ,8 5,0 3,1 0, ,8 7,5 3,9 0, ,8 6,3 4,0 0, ,3 38 3,0 0, Kędzierzyn 12 36,5 5,0 3,9 0, ,1 3,8 3,8 0, ,3 3,8 3,0 0, ,5 5,0 4,0 0, ,0 5,6 4,4 0, ,0 5,0 4,8 0, ,0 6,3 4,4 0, ,8 5,0 4,8 0, ,8 5,0 3,5 0, ,1 5,6 4,0 0, ,3 5,0 3,9 0, P N (%) (%) 0,126 1,774 0,110 1,551 0,132 l 760 0,130 1,656 0,136 1,435 0,104 1,542 0,114 1,599 0,123 1,536 0, 126 1,850 0,140 1, ,419 0,091 1,971 0,120 1,809 0,112 1,815 0,108 1,792 0,125 1,977 0,118 1,878 0,097 1,775 0,131 1,812 0,120 1,612 0,126 1,621 0,130 1,699 S (%) 0,167 0, ,159 0,155 0,155 0,163 0,162 0,178 0, ,160 0,150 0,151 0,150 0,163 0,158 0,160 0,151 0,151 0,150 O, 155 c -S: -. Uwaga: grubą czcionką oznaczono wyniki przekraczające wartość progową Note: values exceeded threshołd are indicated in bołd print

11 Reakcja borów sosnowych na kwaśne opady. I. Gleba i aparat asymilacyjny drzew 123 Tabela 4 Table 4 Wartości progowe parametrów wykorzystane do oceny zagrożenia lasu przez kwaśne opady Threshold values of parameters used for assessment of the aeid deposition threat to forests Parametr Parameter BS %At 3 w CEC LBC/Ał + 3 poziom organiczny orllanie horizon <20 >40 <0,4 Gleba So i ł poziom mineralny minerał horizon <10 >40 <0,2 P (%) Ca (%) Mg (%) NIP NICa N/Mg KIP KICa SIC a S/Mg <0,1 <0,2 <0,06 > 12 >7 >30 >4 >2 >0,5 >3 BS - stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego kationami zasadowymi (%) base saturation (%) %Ał+ 3. w CEC - stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego glinem wymiennym % exchangeable Al in CEC L:BC/Ał+ 3 - stosunek zasad wymiennych do glinu wymiennego (w równoważnikach) sum ofbase cations to Al exchangeable ratio (eq/eq) parametrów ustalono korzystając z publikowanych danych dotyczących wymagań pokarmowych i proporcji pomiędzy składnikami od- żywczymi sosny (Pinus sylvestris) i świerka (picea abies) (INGESTAD 1962, 1979; BONNEAU 1988; VAN DUK, ROELOFS 1988; NffiLGARD 1989; ZOETIL i in. 1989; CAP E i in. 1990; HOTIL 1990; HOUDIJK, ROELOFS 1993; JOHANSSON 1995; LINDER 1995; SRA W, Me LEOD 1995; BRAEKKE 1996; ICP Forest 1996), uwzględniając zróżnicowane zapotrzebowanie na podstawowe składniki odżywcze (głównie Ca, Mg i P) obu powyższych gatunków drzew. Przekroczenie wartości progowych tych parametrów świadczy o zakłóceniu bilansu pokarmowego drzew. Odnosząc uzyskane wyniki analiz chemicznych gleb i aparatu asymilacyjnego sosny do wartości progowych wybranych parametrów (tab. 4), określono stopień zagrożenia badanych powierzchni leśnych ze strony kwaśnych opadów, wyznaczając wartości wskaźnika degradacji lasu WDL wg wzoru:

12 124 J Zwoliński WDL=- 1 (Pg _+_1 p. J 2 T g T; gdzie: Pg i Pi -liczba parametrów w glebie g i igłach sosny i z przekroczonymi wartościami progowymi, T g i T i -liczba parametrów testowanych w glebie g i igłach i. Przyjęto, że rozmiar zaistniałych niekorzystnych zmian określa liczba przekroczonych wartości progowych determinująca wartość WDL: od O - przy braku oznak wpływu kwaśnych opadów, tj. gdy żaden z parametrów nie przekracza wartości progowej (sytuacja odnosząca się do terenów znajdujących się poza zasięgiem oddziaływania zanieczyszczeń przemysłowych), do 1 - przy przekroczeniu waiiości progowych wszystkich testowanych parametrów. Badania kompleksu sorpcyjnego gleb (tab. 2) wykazały przekroczenie wartości progowych BS w poziomach organicznych - na prawie wszystkich, a w poziomach mineralnych - na większości powierzchni w nadleśnictwach Rybnik i Kędzierzyn. W nadleśnictwach tych notowano także przekroczenia wartości progowych dotyczących %AI w CEC i :LBC/AI+ 3, a mianowicie na kilku powierzchniach w Nadl. Rybnik oraz na większości w Nadl. Kędzierzyn. Powierzchnie w N adl. Rudy Raciborskie charakteryzuj ą się natomiast słabszym zakwaszeniem gleb; przekroczenie wartości progowej notowano głównie w przypadku BS w poziomach mineralnych. Na podstawie pararnetrów określających stan odżywienia drzew stwierdzono niedobór magnezu, szczególnie wyraźny w Nadl. Kędzierzyn, słabe zaopatrzenie w wapń niektórych powierzchni w nadleśnictwach Kędzierzyn i Rybnik oraz niską zaw 'artość fosforu na dwu powierzchniach w Nadl. Kędzierzyn (tab. 3). W ocenie stanu odżywienia drzew większe znaczenie diagnostyczne, niż zawartość poszczególnych makroskładników w aparacie asymilacyjnym, ma relacja pomiędzy nimi, ponieważ do optymalnego stanu niezbędne są wszystkie podstawowe składniki odżywcze w odpowiednich proporcjach. Ponadto, w odróżnieniu od składu ilościowego makroskładników, wykazującego dużą zmienność spowodowaną m. in. warunkami atmosferycznymi, właściwościami chemicznymi gleb, wiekiem igieł (EVERS 1986; RAUTIO 1995), wartości stosunków pomiędzy poszczególnymi składnikami pokarmowymi są stałe i niezależne od wpływu naturalnych czynników środowiskowych (LINDER 1995). Zakłócenie proporcji po-. między pierwiastkami notowano na wszystkich badanych powierzchniach (tab. 5), przede wszystkim w przypadkach stosunku azotu do fosforu, wapnia i magnezu, siarki do wapnia oraz w mniejszym stopniu stosunku potasu do fosforu i wapnia. Uzyskane wyniki dotyczące zawartości oraz proporcji między makro składnikarni W aparacie asymilacyjnym sosny wskazują na zakłócenie bilansu pokarmowego drzew, w czym istotny udział mają prawdopodobnie kwaśne opady. Za takim stwierdzeniem przemawia mechanizm ich oddziaływania na środowisko leśne,

13 Reakcja borów sosnowych na kwaśne opady. l. Gleba i aparat asymilacyjny drzew 125 Proporcje pomiędzy zawartością pierwiastków w jednorocznych igłach sosny Ratios between elements in previous year needles of Scots pine Tabela 5 Table 5 Pow. nr Nadleśnictwo Oddział N:P N:Ca N:Mg K:P Plot (No.) Forest district Compartment K:Ca S:Ca S:Mg l Rudy 124b 14,08 5,92 27,33 3,62 2 Raciborskie 161b 14,10 5,07 21,42 3, a 13,33 7,63 33,98 3,43 1,52 1,24 1,96 0,56 0,52 0,70 2,57 2,18 3,13 4 Rybnik 131f 12,74 6,94 34,94 3, j 10,55 12,39 19,50 2, b 14,83 6,77 26,31 3, c 14,03 5,69 23,07 3, c 12,44 12,34 32,00 2, a 14,68 8,60 26,24 3, p 11,95 7,89 26,02 2, b 12,03 15,21 19,96 2,77 1,73 3,41 1,69 1,33 2,61 1,99 1,95 3,51 0,67 1,34 0,68 0,58 1,30 0,83 0,80 1,70 3,35 2,11 2,65 2,35 3,38 2,52 2,63 2,24 12 Kędzierzyn 125d 21,66 13,17 45,21 4, a 15,08 18,14 40,84 2, a 16,21 11,88 44,16 2, d 16,59 8,70 35,49 3, c 15,82 8,23 30,35 3, a 15,92 8,36 47,07 3, g 18,30 7,04 33,49 4, a 13,83 6,46 30,61 3, b 13,43 7,60 34,08 3, i 12,87 7,38 21,30 3, d 13,07 9,74 28,27 3,87 2,73 3,23 1,94 1,76 1,98 1,98 1,57 1,54 2,15 2,01 2,88 1,07 1,50 0,99 0,73 0,68 0,61 0,63 0,54 0,71 0,68 0,89 3,67 3,39 3,67 2,97 2,48 3,96 3,01 2,55 3,19 1,97 2,58 Uwaga: grubą czcionką oznaczono wyniki przekraczające wartość progową Note: values exceeded threshold are indicated in bold print skutkujący wzmożonym wymywaniem kationów zasadowych z górnych poziomów gleb (FALKENREN-GRERUP i in. 1987; ROSEN i in. 1992) i aparatu asymilacyjnego drzew (SCHIER, JENSEN 1992; LOVET 1994) oraz uwalnianiem toksycznych jonów glinu, powodujących uszkodzenie korzeni i zanik mikoryz (BLASCHKE 1986; TAYLOR 1988), a w rezultacie zakłócenie transportu składników pokarmowych z gleby do rośliny (GODBOLD 1991). Ponadto, notowane przekroczenia wartości progowych analizowanych parametrów, określających stan odżywienia drzew, wynikają z nadmiernej depozycji związków azotu i siarki i będącego tego następstwem niedoboru magnezu, wapnia i fosforu. Na niewystarczające zaopatrzenie drzew w składniki pokarmowe wskazuje także stosunek potasu do wapnia i fosforu; w warunkach niedoboru niektórych makro składników zawartość potasu wzrasta, co wynika z jego istotnej roli w utrzymaniu równowagi jonowej oraz regulacji wielu procesów fizjologicznych w roślinie (CAPE i in. 1990; SLOVIK i in. 1996).

14 126 J Zwoliński Stopień degradacji lasu spowodowanej kwaśną depozycją Degree of [orest degradation caused by acid deposition Tabela 6 Table 6 Pow. (nr) Nadleśnictwo Oddział Plot (No.) Forest district Compartment 1 Rudy 124b 2 Raciborskie 16lb 3 124a 4 Rybnik 13lf 5 28j 6 75b 7 29c 8 l79c 9 l33a p 11 l56b 12 Kędzierzyn 125d a 14, 176a d 16 l74c a g 19 l72a b 21 90i d WDL - wskaźnik degradacji lasu index of forest degradation Liczba przekroczonych wartości progowych Number of values exceeded threshhold w glebie in soil w igłach in needles l l 5 WDL' 0,267 0, ,417 0,450 0,3 17 0,433 0,900 0,483 0, ,000 0,733 0,850 0,667 0,700 0,633 0,817 0,450 0,683 0,617 0,333 Liczbę parametrów, których wartości progowe zostały przekroczone w glebie i aparacie asymilacyjnym sosny, oraz obliczone na ich podstawie wartości yvskaźnika degradacji lasu WDL dla badanych powierzchni przedstawia tabela 6. Z danych tych wynika, że rozmiar.negatywnych skutków oddziaływania kwaśnych opadów na las jest wyraźnie związany z odległością od źródła emisji zanieczyszczeń gazowych oraz typem emitora. Zdecydowanie najbardziej zdegradowane są powierzchnie w Nad!. Kędzierzyn, charakteryzujące się największą liczbą przekroczonych wartości k.rytycznych, z wartością WDL kształtującą się w granicach od 0,333 do 1,000 (x -0,680), a w dalszej kolejności powierzch!lie w Nadleśnictwie Rybnik z wartościami WDL odpowiednió od 0,317 do 0,900 (x - 0,492). Niewielka liczba przekroczonych wartości krytycznych i stąd mała wartość WDL w zakresie 0,267-0,383 (x -0,306) wskazuje, że wpływ kwaśnych opadów na powierzchnie w Nadleśnictwie Rudy Raciborskie jest słabiej zaznaczony. Usytuowane są one bowiem w dalszej odległości od stacjonarnych źródeł emisji oraz poza kierunkiem dominujących wiatrów (tab. 1).

15 Reakcja borów sosnowych na kwaśne opady. I. Gleba i aparat asymilacyjny drzew Aktywność mikrobiologiczna gleb Negatywne oddziaływanie kwaśnych opadów na aktywność mikrobiologiczną gleb, na co wskazują wyniki licznych badań (prace przeglądowe: ALEXANDER 1980; FRANCIS 1986), ma istotny wpływ na funkcjonowanie lasu, ze względu na kluczową rolę drobnoustrojów glebowych w procesach mineralizacji oraz unieruchamiania i uwalniania składników pokarmowych, gwarantujących niezakłócony obieg pierwiastków w ekosystemie. Ocenę aktywności mikrobiologicznej gleb przeprowadzono na podstawie badań intensywności oddychania gleb (wydzielania CO 2 w warunkach laboratoryjnych) oraz oznaczenia biomasy (Cbiom) i ilorazu metabolicznego (qc0 2 ) drobnoustrojów. Z uwagi na zróżnicowaną zawartość substancji organicznej w glebach badanych powierzchni, mającej istotny wpływ na rozwój drobnoustrojów glebowych, uzyskane wyniki przeliczano na gram węgla organicznego (Corg). Pomiary oddychania gleb wykazały około dwukrotnie niższą intensywność tego procesu w poziomach mineralnych niż w organicznych. Znaczne także były różnice w ilości wydzielanego CO 2 przez całą badaną warstwę gleby, pomiędzy powierzchniami zlokalizowanymi w poszczególnych nadleśnictwach; średnie ważone wahały się w granicach od 23 do 43 /li CO 2 /g Corg. h (tab. 7). Negatywny wpływ zakwaszenia siedlisk na ten proces był natomiast słabo zaznaczony, co nie jest w pełni zgodne z doniesieniami niektórych autorów (PERSSON, WlREN 1989; SALONIUS 1990), sugerujących wyraźne zahamowanie procesu oddychania gleb w wyniku oddziaływania kwaśnych opadów. Przeprowadzona analiza korelacyjna wykazała bowiem, że intensywność oddychania gleb spada wraz ze wzrostem wartości WDL, lecz nie jest to zależność statystycznie istotna (tab. 8). Analizując wyniki oznaczeń biomasy drobnoustrojów stwierdzono, że jest ona, w przeliczeniu na g Corg., zbliżona w poziomach organicznych i mineralnych. Znaczne różnice notowano natomiast pomiędzy powierzchniami. Średnie ważone odnoszące się do całej badanej warstwy gleby były najwyższe w Nadl. Rudy Raciborskie i wahały się w granicach od 4,95 do 6,52 mg Cbiom/g Corg. (x mg Cbiom/ g Corg), niższe w Nadl. Rybnik - od 3,30 do 5,07 mg Cbiom/g Corg. (x mg Cbiom/g Corg) i naj niższe w Nadl. Kędzierzyn - od 2,57 do 5,61 Ing Cbiom/g Corg. (x mg Cbiom/g Corg) Bardziej wyraźne różnice pomiędzy powyższymi nadleśnictwanli dotyczą ogólnej biomasy drobnoustrojów w górnych poziomach gleb wyrażonej w kg Cbiom/ha, która wynosiła od 416 do 514 (X) w Nadl. Rudy Raciborskie, od 295 do 375 (X) w Nadl. Rybnik i od 125 do 313 (x) w Nadl. Kędzierzyn (tab. 7). Wielkość biomasy była istotnie ( statystycznie) zależna od stopnia zakwaszenia siedlisk, na co wskazują wartości współczynników korelacji dotyczące relacji Cbiom. - WDL (tab. 8). Uzyskane wyniki są zgodne z doniesieniami wielu autorów, wskazujących na spadek biomasy drobnoustrojów w glebach narażonych na oddziaływanie kwaśnych opadów (np. BEWLEY, PARKINSON 1986; VISSER, PARKINSON 1989). Wyniki pomiarów intensywności wydzielania CO 2 przez gleby oraz biomasy drobnoustrojów pozwoliły na oznaczenie ilorazu metabolicznego drobnoustrojów

16 Aktywność biologiczna gleb Soi l biological activity Tabela 7 Table 7 I--' N 00 Pow. (nr) Plot (No.) l 2 3 Nadleśnictwo Forest district Rudy Raciborskie 4 Rybnik WDL 0,267 0,267 0,383 0,417 0,450 0,317 0,433 0,900 0,483 0,433 0,500 Poziom Horizon Oddychanie gleb Soil respiration (111 CO 2 /g Corg.'h) a Oth 37,19 35,90 A 27,60 Oth 32,34 27,93 AEes 13,99 Oth 44,06 43,08 A Oth 40,29 36,82 AEes 26,38 Oth 39,94 36,29 A 22,52 Oth 36,04 32,77 AEes 18,74 Oth 42,64 35,83 AEes 15,32 Oth 34,22 30,44 AEes 19,97 Oth 45,76 41,69 AEes 31,93 Oth 42,93 40,26 AEes 29,98 Oth 33,29 29,95 AEes 16,35 b img/ c'ro ), Biomasa d. obnoustrojów Microbial biomass (Cbiom) a b a (kcr/ha) 4,84 4,95 351,29 415,76 5,69 64,47 5,19 4,98 360,45 455,05 4,31 94,60 6,40 6,52 421,06 514, ,92 5,04 231,29 315,69 4,40 84,40 4,51 4,54 242,37 308,82 4,66 66,45 4,70 4,66 263,91 322,86 4,50 58,95 5,47 4,82 319,23 374,60 2,86 55,37 3,59 3,47 183,70 240, 10 3,13 56,40 5,16 4,72 227,25 294,70 3,67 67,45 4,96 5,07 267,44 344,18 5,47 76,74 3,20 3,30 215,49 277,22 3,73 61,73 qc0 2 (Ilg C-C0 2 /mg Cbiom h) a b 4,12 3,91 2,60 3,34 2,96 1,74 3,69 3,55 2,87 4,40 3,96 2,62 4,75 4,30 2,59 4,12 3,76 2,23 4,18 3,85 2,87 5,12 4,68 3,42 4,76 4,73 4,67 4,65 4,30 2,94 5,58 4,94 2,35 o 5: -- -.

17 12 Kędzierzyn 1,000 Ofh 28,62 27,46 3,25 3,40 97, ,23 A 25,68 3,64 71, ,733 Ofh 28,85 23,29 2,66 2,57 74, ,4 1 A 15,89 2,45 51, ,850 Ofh 35,83 33,56 3,37 3,38 157,48 193, 12 AEes 23,31 3,45 35, ,667 Ofh 39,09 30,44 3,71 3,22 118,87 153,70 AEes 12,71 2,23 34, ,700 Ofh 41,3 4 33,69 3,72 3,37 132,54 180,2 1 A 18,47 2,66 47, ,633 Ofh 43,07 36,29 4,59 4,08 204,07 248,13 A 17,90 2,69 44, ;817. Ofh 39,3 5 36, 2ł 4,36. 4,11 203,26 257,97 AEes 27,40 3,40 54, ,450 Ofh 35,77 32,07 3,51 3,40 227,17 271,57 A 16,16 2,95 44,4 20 0,683 Ofh 31,77 29,97 3,95 3,80 205,64 259,29 A 25,11 3,32 53, ,617 Ofh 29,10 26,65 3,66 3,41 232,92 274,12 AEes 17,32 2,47 41, ,333 Ofh 40,15 37,36 5,82 5,61 278,20 312,88 AEes 20,73 4,33 34,68 WDL - wskaźnik degradacji lasu: (index offorest degradation): a - w poziomie, b - średnia ważona dla całej badanej wartswy (poziomy Ofb + A), L-zawartość w poziomach Ofb+A a - in horizon, b - weighted mean for whole investigated layer (horizons Oth+A), L - contents in horizons Oth+A 4,73 4,36 3,79 5,82 4,82 3A8 5,71 5,33 3,63 5, ,06 5,96 5,21 3,73 5,04 4,64 3,57 4,84 4,7 1 4,33 5,47 4,99 2,94 4,32 4,26 4,06 4,27 4,16 3,76 3,84 3,66 2,57. g- '" c, c t:l 1 t.,,.g t:l -} c;') t:l - t:l :ł <.;;:. -tv \O

18 130 J Zwoliński Tabela 8 Table 8 Zależność pomiędzy aktywnością biologiczną gleb y a wskaźnikiem degradacji lasu WDL x i wiekiem drzewostanu z Relationships between the soil biological activity y and the index of forest degradation WDL x and stand age z Y Oddychanie gleb soi l respiration (J.ll CO 2 /g Corg. h) Biomasa drobnoustrojów microbial biomass a) mg Cbiom/ g Corg. b) kg Cbiom./ha qcoz (J.lg C-C0 2 /mg Cbiom. h) Zależność istotna przy p: * <0,05 Significant atp: ** <0,01 *** <0,001 Ty.>: T yz -0,418 0,233 -o, 702'" 0,274 -O, 774'" 0, ", -0,138 Tyx.z Tyz.x 2 R y.xz -0,384 0,155-0,194-0,682'" 0, ", -O, 764'" 0, '", 0641", 0,017 0,422' (qc0 2 ). Odzwierciedla on specyficzne tempo respiracji biomasy, które związane jest z zapotrzebowaniem energetycznym drobnoustrojów w procesach biosyntezy. Wyższa wartość qc0 2 świadczy o mniejszej wydajności wzrostu, tzn. że większa ilo'ść węgla organicznego wykorzystywana jest w metabolizmie energetycznym (respiracji), a mniejsza wiązana w biomasie. Sytuacja taka ma miejsce w wyniku oddziaływania różnych czynników stresogennych, jak np. kwaśnych opadów (KILLHAM 1985; ANDERSON, DOMSCH 1993). Wartość qc0 2 związana jest także ż sukcesją drobnoustrojów zachodzącą w trakcie kolejnych stadiów rozkładu i mineralizacji substancji organicznej, a prowadzącą do tworzenia się zespołów charakteryzujących się coraz bardziej ekonomicznym metabolizmem (INSAM, bomsch 1988; INSAM, HASELWANDTER 1989). Stąd obliczone wartoici qc0 2 w poziomach mineralnych, kształtujące się w granicach od 1;74 do 4,67 (x - 3) 7) g,.. ' C-COi mg Cbiom. h, były wyrźnie niższe aniżeli w poziomach organicznych, gdzie wynosiły od 3,34 do 5,96 (x - 4,74) g C-C0 2 /mg Cbiom. h, na wszystkich badanych powierzchniach (tab. 7). Stwierdzone różnice pomiędzy nadleśnictwami dotyczące średnich wartości qc0 2 dla całej badanej warstwy gleby, które wynoszą 3,47,4,32 i 4,63 g C-C0 2 /mg Cbiom. h, odpowiednio dla nadleśnictw Rudy Raciborskie, Rybnik i Kędzierzyn, można z kolei uważać za wynik reakcji drobnoustrojów.na zróżnicowaną degradację gleb spowodowaną kwaśnymi opadami. W skazuj e na to stwierdzona istotna korelacj a pomiędzy wartością ilorazu metabolicznego drobnoustrojów a wartością WDL (tab. 8). Zakłócenie metabolizmu drobnoustrojów spowodowane pogorszeniem się warunków glebowych, a przejawiające się zwiększoną respiracją biomasy (wyższa wartość qc0 2 ), jest prawdopodobnie przyczyną notowanej słabej zależności pomiędzy intensywnością wydzielania CO 2 a stopniem zakwaszenia siedlisk. Biorąc również pod uwagę

19 Reakcja borów sosnowych nc! kwaśn e opady. 1. Gleba i aparat asymilacyjny drzew 131 dużą zmienność tego procesu w zależności od warunków atmosferycznych można stwierdzić " że wyniki pomiarów oddychania gleb niekoniecznie odzwierciedlają. rzeczywisty stan aktywności mikrobiologicznej, zwłaszcza w przypadku gleb narażonych na czynniki stresowe, co podają także autorzy niektórych doniesień (SANTRUCKOVA, STRASKRABA 1991; ZWOLIŃSKI 1996). Z pomiarów aktywności mikrobiologicznej gleb wynika także, że reakcja drobnoustrojów glebowych na zakwaszenie siedlisk była niezależna od wieku drzewostanów sosnowych, na, co wskazuje przeprowadzona analiza korelacyjna (tab. 8). Aktywność drobnoustrojów glebowychjest ściśle związana z warunkami glebowymi, w tym szczególnie właściwościami chemicznymi determinującymi przebieg procesów mikrobiologicznych - gwarantujących dostarczanie niezbędnych dla roślin składników pokarmowych. Aktywność mikrobiologiczna gleb uważana jest więc za miarodajny wskaźnik jakości gleb, a jej pomiary są często wykorzystywane do oceny żyżności gleb oraz ich reakcji na czym liki stresowe. Otrzymane wyniki oznaczeń mikrobiologicznych można zatem traktować jako odzwierciedlenie rozmiaru negatywnych zmian właściwości chemicznych gleb spowodowanych kwaśnymi opadami, a stwierdzona istotna korelacja pomiędzy biomasą i ilorazem metabolicznym drobnoustrojów a wartością WDL podkreśla przydatność zastosowanego wskaźnika do oceny stopnia degradacji siedlisk leśnych. 4. UWAGI KOŃCOWE I WNIOSKI Z uwagi na szeroki zasięg rozprzestrzeniania się emitowanych związków siarki i azotu, oddziaływaniem kwaśnych opadów objęty jest cały obszar Polski. Brak jest zatem możliwości wyboru porównywalnej powierzchni kontrolnej, d<? której można by odnieść uzyskane wyniki badań. Z tego powodu ocenę wpływu kwaśnych opadów na środowisko leśne przeprowadzono na podstawie badań gradientowych, prowadzonych na zbliżonych pod względem warunków glebowosiedliskowych i klimatycznych powierzchniach, zróżnicowanych natomiast stopniem przemysłowego skażenia, wynikającym z ich położenia (odległości i kierunku) względem głównych źródeł emisji. Rozmiar negatywnych zmian, zarówno właściwości chemici nych gleb jak składu chemicznego aparatu asymilacyjnego drzew, spowodowańych kwaśną depozycją określono na podstawie parametrów, których wartości progowe (krytyczne) ustalono korzystając z publikowanych danych oraz wyników uzyskanych w trakcie prowadzenia niniejszych badań. Można przyjąć, że brak przekroczeń ustalonych wartości progowych jest stanem, jakim charakteryzowałby się "normalnie" funkcjonujący ekosystem, pozostający poza zsięgiem oddziaływania kwaśnych opadów. Należy zaznaczyć, że proponowane wartości progowe odnoszą się do konkretnego typu siedliskowego lasu, stąd w inn'ych warunkach powinny być weryfikowane.

20 Zwolińsk i Z przeprowadzonych badań wynika, że wieloletnie oddziaływanie emitowanych zanieczyszczeń na lasy spowodowało silne zakwaszenie gleb, prowadzące do ubytku kationów zasadowych i wzrostu zawartości jonów glinu w ich górnych poziomach (organicznych i mineralnych) oraz zakłócenie bilansu pokruidowego drzew, na co wskazują wyniki dotyczące zawartości makroskładników i stosunków pomiędzy nimi w igłach sosny. Rozmiar tych niekorzystnych zmian, wyrażony wartością wskaźnika degradacji lasu WDL, jest szczególnie duży na powierzchniach znajdujących się w pobliżu źródeł emisji, zwłaszcza sąsiadujących z zakładami azotowymi (Nadl. Kędzierzyn), co potwierdzają także wyniki badań mikrobiologicznych gleb. Krótki okres badań, ograniczonych ponadto tylko do jednego typu siedliskowego lasu, nie daje podstaw do traktowania proponowanego w niniejszej pracy sposobu określania rozmiaru negatywnych zmian w środowisku leśnym jako ostatecznie opracowanej, uniwersalnej metody oceny stopnia degradacji lasu spowodowanej kwaśnymi opadami. Sprawą otwartą pozostaje właściwe ustalenie wartości progowych (krytycznych) parametrów określających stan zakwaszenia siedlisk. Konieczna jest zatem zarówno weryfikacja wartości przyjętych w niniejszej pracy jak i ich ustalenie dla gleb charakteryzujących się odi:niennymi właściwościami buforowymi - wymaga to dalszych badań prowadzonych w innych kompleksach leśnych. Poza tym, przedstawiona propozycja nie zamyka listy parametrów charakteryzujących się wyraźną reakcją na zakwaszanie siedlisk leśnych. Znaczną poprawę precyzji oceny mogłoby dać włączenie parametrów mikrobiologicznych. W tym celu konieczne byłoby jednak wyselekcjonowanie najbardziej przydatnych (czułych) wskaźników, oznaczanych wg standaryzowanych metod. Stwierdzona natomiast istotna zależność pomiędzy aktywnością mikrobiologiczną gleb a stopniem degradacji lasu, określonym wartością WDL, podkreśla przydatność proponowanej metody do oceny jakości siedlisk leśnych narażonych na oddziaływanie kwaśnych opadów. Wyniki przeprowadzonych badań pozwalają na przedstawienie następujących wniosków: l. Wyznaczanie wskaźnika degradacji lasu WDl;- w oparciu o wartości progowe (krytyczne) parametrów określających warunki glebowe oraz stan odżywienia drzew, umożliwia wymierną ocenę zagrożenia lasów przez kwaśne opady. 2. Ustalanie wartości progowych parametrów glebowych musi być przeprowadzone dla konkretnego typu gleby, tj. z uwzględniehiem j ej zdolności buforowej. 3. Dużą wartość przy ocenie stopnia degradacji gleb przez kwaśne opady mają badania mikrobiologiczne, np. biomasy i ilorazu metabolicznego drobnoustrojów; w tym kontekście, mało przydatne wydają się, powszechnie stosowane jako wskaźnik aktywności biologicznej, pomiary intensywności oddychania gleb. Praca została złożona 30 sierpnia 2000 r. i przyjęta przez Komitet Redakcyjny 20 stycznia 200 l r.

21 Reakcja borów sosnowych na kwaśne opady. I. Gleba i aparat asymilacyjny drzew 133 RESPONSE OF PINE FORESTS TO ACID DEPOSITlON. I. THE SOIL AND ASSIMILATION APPARATUS OF TREES Summary The effects of acid deposition on soi I chemistry, soil microbial activity and nutritionai status of trees were investigated. Twenty-two study piots were located in homogenous, year-old, Scots pine (Pinus sylvestris L.) stands on podzol soils at various distances (exposed to different pollution concentrations) from two main pollution sources of sulphur and nitrogen oxides in the studied area (Upper Silesia, southwestem Poland), i.e. a coal-fired powerpiant and nitrogen works (table 1). Results of chemical analyses of organic (Ofh) and uppermost mineral (A, AEes) soil horizons showed a strong acidification of examined sites. This was manifested as a distinct decreasing trend of exchangeable base cations and increasing concentration of exchangeable Al with decreasing distance from the emission sources (table 2). SimultaneollsIy, a deficiency of some major nutrients, mainly Mg (tabie 3), and disturbances in nutrient ratios in needies (table 5) were observed, suggesting the nutiient imbalance in the Scots pine trees.... As a response of soi I microorganisms to soii acidification a significant redllction in microbial biomass as well as an elevation of metabolic qllotient (qc0 2 ) were noted (tabie 7). The latter suggests the disturbance in microbial metabolism, i.e., increased diversion of carbon from biosynthesis to maintenance energy requirements. In contrast, a weak effect of acid deposition on soil respiration was found. Taking into account the literature data as web as obtained results, the threshold (critical) values of parameters related to acid-induced effects on soil chemistry and nutritional status of pine trees were chosen (tabie 4) to construct an index of forest degradation WDL. Its vaiue express the degree of forest deterioration due to acid deposition, defined as: where Pg and P; - number ofthresholds exceeded in soil g and in needles i, T g and T; - number oftested parameters in soil g and in needles i. WDL has a value between O to 1, where O denotes no threshold value exceeded and 1 denotes threshoid value exceeded of all tested parameters. Calculated WDL vaiues for examined sites (tabie 6) were found to be significantly correiated with microbial variabies (soii microbial biomass, metaboli c quotient [qc0 2 ]) (tabie 8) what imply that this index give an indication of site quality deterioration caused by acid deposition. However, to assess the usefulness of this index for estimating the magnitude of negative effects of acid deposition on forest environment further investigations are necessary. In addition, the WDL as defined above may be valid oni y for forests on podzols soils with aph range 2,8-4,2. For soils tharacterized by other buffer ranges, the verification ofthreshold (critical) values, especially for soil parameters, should be done.

22 134 J Zwoliński PIŚMIENNICTWO ALEXANDER M. 1980: Effects of acidity on micro-organisms and microbial processes in soil. W: Effects of acid precipitation on terrestrial ecosystems, T.C. Hutchinson, M. Havas eds., Plenum Press, London, ANDERSON 1.P.E., DOMSCH K.H. 1978: A physiological methqd for the quantitative measurement of microbial biomass in soi!. Soil Biol. Biochem., 10: ANDERSON T.H., DOMSCH K.H. 1986: Carbon assimilation and microbial activity in soil. Z. Pflanzenernahr. Bodenk., 149: ANDERSON T.H., DOMSCH K.H. 1993: The metabolic quotient for CO 2 (qc0 2 ) as specific activity param eter to assess the effects of environmental conditions, su ch as ph, on the microbial biomass offorest soils. Soil Bio!. Biochem., 25: BALSBERG-PAHLSSON A.M. 1989: Toxicity ofheavy metais (Zn, Cu, Cd, Pb) to vascular plants. A literature review. Water, Air, Soil Pollut., 47: BEARE M.H., NEELY c.l., COLEMAN D.C., HARGROVE W.L. 1990: A substrate-induced respiration (SIR) method for measurement offungal and bacterial biomass on plant residues. Soi I Biol. Biochem., 22: BEWLEY R.J.F., PARKINSON D. 1986: Monitoring the impact af acid deposition on the soil microflora, using glucose and vaniline decomposition. Water, Air, Soil Pollut., 27: BLASCHKE H. 1986: Einfluss von saurer Beregnung und Kalkung auf die Biomasse und Mykorrhizierung der Feinwurzeln von Fichten. Forstwiss. Central., 105: BOBBINK R., BOXMAN D., FREMSTAD E., HEIL G., HOUDIJK A., ROELOFS : Criticalloads for nitrogen eutrophication ofterrestrial and wetland ecosystems based upon changes in vegetation and fauna. W: Criticalloads for nitrogen - report from a workshop, P. Greenfeld and E. ThorneIOf(eds.), Lokeberg, Sweden, Nord 1992, Nordic COlUlcil ofministers, 41: BONNEAU M. 1988: Le diagnostic foliaire. Revue foresticre franyaise, Special issue Diagnostic en foręt, 40: BRAEKKE F.H. 1996: Needle analyses and graphic vector analyses ofnorway spruce and Scots pine stands. Trees, 11: CAPE J.N., FREER-SMITH P.H., PATERSON I.S., PARKINSON J.A., WOLFENDEN J. 1990: The nutriti'onal status of Picea abies (L.) Karst. across Europe, and implications for 'forest decline'. Trees, 4: DE VRIES W., HEIJ G.L. 1991: Criticalload and criticallevels for the environmental effects ofair pollution. W: Dutch priori ty programme on acidification, Q.H. Heij, T. Schneider eds., Rep. No 299"-09. National Institute of Public Health and Environmental Protection. Bithoven (Netherlands), DE VRIES W., LEETERS E.E.J.M., HENDRIKS C.M.A. 1995: Effects of acid deposition on Dutch forest ecosystems. Water, Air, Soil Pollut., 85: DMUCHOWSKI W., BYTNEROWICZ A. 1995: Monitoring environmental pollution in Poland by chemical analysis of Scots pine (Pinus sylvestris L.) needles. Environ. Pollut., 87: EMEP (Co-operative programme for monitoring and evaluation ofthe long range transmission of air pollutants in Europe) 1998: Transboundary acidifying air pollution in Europe. MSC-W Status Report Part l : Estimated dispersion of acidifying and eutrophying compounds.and comparison with observations. Langenbrtigge, Germany, s ERIKSSON H., JOHANSSON U : Yields ofnorway spruce (Picea abies (L.) Karst.) in two consecutive rotations in south-western Sweden. Plant and Soil, 154: EVERS F.H. 1986: Die Blatt- und Nadelanalyse ais Instrument der Bioindikation. Allg. Forstzeitung 1986, 6-9.