PRACE INSTYTUTU BADAWCZEGO l-eśnictw A, Seria A 2000/2 896 Stanisław NIEMTUR Instytut Badawczy Leśnictwa Zakład Gospodarki Leśnej Regionów Górskich ul. Fredry 39, 30-605 Kraków e-mail: zxniemtu@cyf-kr.edu.pl ZMIENNOŚĆ ph IGIEŁ SOSNY LIMBY (PINUS CEMBRA L.) I ŚWIERKA POSPOLITEGO [PICEA ABIES (L.) KARST.] THE ph VARIABILITY OF SWISS STONE PINE (PINUS CEMBRA L.) AND NORWAY SPRUCE [PICEA ABIES (L.) KARS1:.] NEEDLES Abstraet. The ph measurements ol Swiss stone pine and Norway spruce needles showed that quicker-than-normal loss ol needles by younger sets and ol law and the sets ph contributes to the acidification oliorest soi/s. The Swiss stone pine needles had lower acidification impact on soi! than the Norway spruce needles. That was due to the water extract higher ph values oj about 0,5 unit. The Swiss stone pine needle ph depends mostlyon the type ol soi! the tree grows on - the lime sous caused the needles to be more alkalirze. In the condi1ions ol mountain lorests the measurements ol the water extrclc'i ph values ol Norway spruce needles do not seem to be an adequate 'indictitór ól the degree ol air pollution. Key words: ph olneedles, stone pine (Pinus cembra L.), Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.), mountain lorests. Prac. Inst. Bad. Leś., A, 2000, 2(896): 23-31.
l.wstęp Aparat asymilacyjny drzew stanowi znaczną część biomasy produkowanej w procesie fotosyntezy, która w stosunkowo krótkim czasie, w przeciwieństwie do drewna, dociera do środowiska glebowego. Opadające w drzewostanie igły świerka stanowią ponad 80% opadu organicznego docierającego do gleby. Wielkość tego opadu w gómoreglowych drzewostanach świerkowych IV klasy wieku ocenia się na ok. 2~3 ton suchej masy na hektar powierzchni w ciągu roku, (NIEMTUR 1997). W drzewostanach starszych mogą to być wartości znacznie większe (MODRZYŃSKI 1998). W warunkach drzewostanów świerkowych' sztucznego pochodzenia, zwłaszcza na siedliskach żyznych, opadające igliwie świerkowe negatywnie wpływa na ksztahowanie się kwasowości gleb leśnych i przyczynia się do ich degradacji. Przy wyznaczaniu stref uszkodzeń drzewostanów przez imisje przemysłowe (TRAMPLER 1970) od wielu lat obserwuje się opadanie igieł z młodszych roczników zarówno w nizinnych drzewostanach sosnowych, jak też w górskich drzewostanach świerkowych i jodłowych. Liczba roczników igieł jest wykorzystywana w monitoringu biologicznym jako wskaźnik do oceny wpływu zanieczyszczeń atmosferycznych na lasy. Zmniejszanie się liczby roczników, czyli wcześniejsze opadanie igieł, lnoże oznaczać opadanie igieł o odmiennych właściwościach chemicznych, a tym samym odmiennym wpływie na środowisko glebowe. Celem wstępnych badań * z zakresu omawianej problematyki było określenie wartości ph kolejnych roczników igieł limby i świerka z wybranych stanowisk górskich, różniących się rodzajem podłoża i stopniem skażenia atmosfery. 2. METODYKA BADAŃ Gałęzie, z których pozyskano igły do analiz, zebrano ze środkowej części korony drzewa. W Tatrzańskim Parku Narodowym zbierano igły bezpośrednio z drzewa, aby uniknąć ścinania gałęzi. Do badań wybrano zróżnicowany lnateriał z odległych stanowisk: igły świerka pochodziły z Karkonoskiego i Bieszczadzkiego -o Parku Narodowego oraz z nadleśnictw Szklarska Poręba i Bielsko. Dla porównania ph igieł świerka i limby zebrano również dwa roczniki ('98, '99) igieł świerków ze stanowiska nad Morskim Okiem. Stanowiska, z których pozyskano igły limby w Tatrach, wybrano stosując kryteria edaficzne. Podłoże wapienne znajduje się tu na dwóch stanowiskach -Zameczki w Dolinie Białego oraz Tatry Bialskie, apodłoże granitowe występu- * Badania wykonano w ramach tematu nr 24161 O na zlecenie Komitetu Badań Naukowych.
Zmie nność ph igieł limby (Pinus cembra L.) i świerka [Picea abies (L) Karst} 25 je nad Morskim Okiem. Z kwarcytami związane jest stanowisko Dubrawiska na stokach Żółtej Turni, gdzie występuje edaficzna górna granica lasu. Granit i wapień są skałami odpornymi na wietrzenie mrozowe (mechaniczne), a mniej - odpornymi na wietrzenie chemiczne. Dodatkowo pokryte roślinnością leśną wietrzejąznacznie szybciej. Natomiast kwarcyty są odporne zarówno na wietrzenie mechaniczne jak i chemiczne (KLIMASZEWSKI 1966). Na każdym stanowisku pobrano materiał z trzech drzew do oddzielnych analiz. Rozdzielanie igieł na poszczególne roczniki oraz pomiar ph wykonywano bezpośrednio po przywiezieniu materiału do laboratorium Zakładu Gospodarki Leśnej Regionów Górskich IBL w Krakowie. Analizy materiału ze stanowisk Sudeckich wykonano w laboratorium Leśnego Banku Genów w Kostrzycy. Pomiar ph ekstraktów wodnych igieł wykonywano metodą opisaną w pracy NIEMTURA i CZUCHAJOWSKIEJ (1978) przy pomocy ph-metru HI 9025 firmy Hanna Instruments. Wszystkie pomiary wykonano w dwóch powtórz~niach ze względu na znikome różnice między powtórzeniami. Łącznie dla każdego rocznika igieł na danym stanowisku wykonano 6 pomiarów ph. Wyniki poddano analizie statystycznej prz)' pomocy, analizy wariancji (Statistica 5.1) 3. WYNIKI Najmniejsze wartości ph (3,62) miały ekstrakty wodne z igieł świerków z pierwszego rocznika (1999) ze Skrzycznego w Nadleśnictwie Bielsko. Podobne wartości ph (3,66) wykazywały igły pierwszego rocznika świerków z Sianek (Bieszczadzki PN). Jednak wartości ph igieł z kolejnych roczników (1998 -:- 1993) były najmniejsze dla świerków bieszczadzkich. Największe wartości ph wykazywały ekstrakty z igieł zebranych z krzywulców świerkowych na Łabskim Szczycie (Karkonoski PN). Różnice w wartościach ph między badanymi stanowiskaii?-i utrzymywały się w poszczególnych latach na podobnym poziomie (tab. 1). ph obumarłych igieł, zebranych ze ściółki, jest znacznie niższe w porównaniu z ostatnim żywym rocznikiem utrzymującym się na pędach.. Dla limby najmniejsze wartości ph stwierdzono na stanowisku z Dubrawisk, a największe dla stanowiska na Zameczkach i w Tatrach Bialskich. Różnice między stanowiskami są istotne statystycznie (tab. 3) dla najmłodszeg? rocznika ('99). Dla drugiego rocznika ('98) istotna statystycznie (p=0,0102) jest' różnica pomiędzy stanowiskami z podłoża wapiennego (Zameczki i Tatry Bialskie) i pozostałymi (Morskie Oko i Dubrawiska). Porównanie następnych roczników utrudnia różna liczba roczników igieł na wybranych stanowiskach. Najmniej roczników, tylko dwa, miały przeważnie limby ze stanowiska nad Morskim
26 S. Niemtur Świerk - ph igieł z różnych roczników ph.of different sets ofnorway spruce needles Tabela 1 Table 1 Miejsce zbioru Origin of needles Roczniki igieł świerka Sets of Norway spruce needles 0 * 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 Karkonoski PN Łabski Szczyt 3,81 4,45 4,57 4,68 4,70 4,79 4,45 Szklarska Poręba Roztoka 280b 3,73 4,24 4,33 4,54 4,52 4,53 4,66 4,77 4,74 Bieszczadzki PN Sianki 3,66 4,02 4,16 4,25 4,30 4,36 4,51 Bielsko Skrzyczne 3,62 4,22 4,44 4,62 *0 - igły obumarłe dead needles Limba z czterech stanowisk tatrzańskich - ph igieł z różnych roczników ph of different sets of Swiss stone pine needles of four Tatra Mountains locations Tabela 2 Table 2 Miejsce zbioru Nr drzewa Roczniki igielłimby Origin of needles Tree number Sets of Swiss stone pine needles O 1999 1998 1997 1996 Zameczki 1 4,34 4,70 5, 11 2 4,27 4,96 5,12 3 4,22 4,72 5,05 Tatry Bialskie l 4,20 4,87 5,02 5,14 2 4,20 4,77 5,02 5,18 3 4,24 4,86 5,01 5,26 Morskie Oko 1 4,16 4,74 2 4,12 4,53 3 4,17 4,69 Dubrawiska 1 4;07 4,63 4,84 5,04 2 4, 10 4,66 4,78 4,43 4,58 4,50 3 4, 10 4,68 4,78 4,99
Zmienność ph ig ie ł limby (Pinus cembra L.) i św ie rka [Picea abies (L) Karst] 27 Tabela 3 Table 3 Analiza wariancji dla ph igieł limby z rocznika ' 99 na czterech stanowiskach tatrzańskich - Results of the analysis of variance for the 1999 set of Swiss stane pine needles of four Tatra - Mountains locations Źródło wariancji SS df MS F P F Source of variance Pomiędzy grupami 0,0583 3 0,0194 15,0430 0,0012 4,0662 Between the groups W obrębie grup 0,0103 8 0,0013 Within the groups Razem 0,0686 11,Total Okiem. Tak, jak igły świerka, również obumarłe igły limby wykazują ni~sze wartości ph w porównaniu z igłami z ostatniego rocznika, tab. 1 i 2. Otrzymane wyniki wskazują na występowanie wyraźnych trendów w kształtowaniu się wartości ph igieł limby i świerka. Ekstrakty wodne z igieł młodszych w badanych próbach miały mniejsze wartości ph. Wr~z z wiekiem igieł w kolejnych starszych rocznikach wartości ph zwiększają się. Stwierdzona zależność dotyczy zarówno igieł limby jak i świerka ze wszystkich stanowisk, z których pobierano materiał do badań (tab. 1, 2, ryc. 1, 2). Zaznacza się wyraźna różnica między wartościami ph ekstraktów wodnych igieł świerka i limby pomimo występowania drzew w bezpośrednim sąsiedztwie, w tych samych warunkach siedliskowych. Dla igieł świerka wartości ph były zawsze niższe, a podobne. różnice utrzymywały się w kolejnych rocznikach (ryc. 1, 2). W Górach Izerskich wartości ph ekstraktów wodnych igieł limby i świerka wykazują identyczne zależności, tj. wyższe wartości ph dla limby i dla igieł kolejnych roczników. W porównaniu ze stanowiskami tatrzańskimi ph igieł limby z Gór Izerskicb jest zbliżone do stanowisk z Dubrawisk i Morskiego Oka. " 5,3 5,1 4,9 4,7 4,5 4,3 4,1 3,9 3,7 3,5 99 98 97 96 roczniki igieł s.ets of needles Ryc. 1. Porównan~e wartości średnich ph igieł limby i świerka z różnych roczników Fig. l. Comparison of the average ph values of Swiss stane pine (limba) and Norway spruce (świerk) needles of different sets
28 S. Niemtur 4,8 4,8 4,6 4,6 4,4 4,4 4,2 4,2 4 4 3,8 3,8 3,6 1 2 3 3,6 2 3 4,8 "'--ph--- Góry Izerskie 1El99 4,6 -l--_ 4,4 -l------1 4,2-1-- 4 3,8 3,6 +-. --'-"""" 1'198 P.c.1 OOOm npm P.a.1 OOOm npm P.a.900m npm Ryc. 2. Porównanie ph igieł limby (P.c.) i świerka (P.a.) z roczników '98 i '99 ze stanowisk nad Morskim Okiem (1,2, 3 - kolejne drzewa; O - igły obumarłe) i w Górach Izerskich Fig. Comparison of the ph values of Swiss stone pine (Pc) and Norway spruce (Pa) needles of 1998 and 1999 sets from Morskie Oko area (1, 2, 3 - trees, 0- dead needl es), and Izerskie MOlmtains locations (1000, 900 m npm -1000, 900 m above sea level) 4. DYSKUSJA Pomiar ph ekstraktów wodnych kory (GRODZIŃSKA 1971, LOTSCHERT, KaRM 1973) oraz igieł (GRILL, HARTEL 1972, SCROLZ 1974, KELLER I IN. 1976, NIEMTUR, CZUCHAJOWSKA 1978) wykorzystywany był głównie jako metoda pozwalająca w sposób pośredni określić stopień skażenia środowiska przez zanieczysżczenia atmosferyczne. Badano również zależności między odpornością określonych gatunków drzew lub taksonów wewnątrzgatunkowych na działanie imisji przemysłowych a zmianami ph organów asymilacyjnych. Dziś nie pisze się już o odporności, lecz o wrażliwości drzew na imisje przemysłowe i przede wszystkim dąży się do maksymalnego obniżenia poziomu emisji gazów i pyłów. Zwraca się też większą uwagę na kompleksowe antropogeniczne zmiany w ekosystemach leśnych, w tym na proces krążenia materii. W procesie tym ważną rolę odgrywa opad organów asymilacyjnych drzew, zarówno liściastych - związany z porami roku, jak też iglastych, związany z liczbą roczników igieł. Liczba roczników igieł jest również od dawna wykorzystywanym wskaźnikiem w ocenie stopnia uszkodzeń drzew przez imisje przemysłowe, ponieważ egzemplarze o zmniejszonej liczbie roczników należą do. bardziej uszkodzonych (TRAMPLER 1970). Jednak oddziaływanie zanieczyszczeń atmosferycznych nie jest jedyną przyczyną wcześniejszego opadania igieł. Nasilające się
Zmienność ph igieł limby (Pinus cembr.a L.) i świerka [Picea abies (L) Karst} 29 w ostatnich latach zmiany klimatu prowadzą do wzrostu temperatury i zmniejszania się ilości opadów (NIEMTUR 1999). Powoduje to osłabienie szczególnie wrażliwych górskich drzewostanów, przede wszystkim świerkowych, które zmniejszają ogólną powierzchnię transpiracji poprzez zrzucanie igieł z coraz młod~zych roczników. Zmniejszanie się liczby roczników,,czyli przyspieszone opadanie igieł, jest obserwowane w monitoringu biologicznym na znacznym obszarze lasów górskich (WAWRZONIAK 1998). Prowadzi to do redukcji powierzchni aparatu asyluilacyjnego drzew, zmniejszenia przyrostu, a w konsekwencji do zmniejszenia żywotności drzew, a tym samym do większej podatności na uszkodzenia przez szkodniki wtórne. Z przeprowadzonych badań wynika, że najmniejszą liczbą roczników charakteryzuje się limba ze stanowiska nad Morskim Okiem, gdzie stwierdzano przeważnie dwa roczniki igieł. Ustalenie przyczyn niskiej żywotności limb nad Morskim Okiem wymaga dalszych badań. N a limbach rosnących na Zameczkach występują trzy roczniki oraz po cztery na egzemplarzach z Dubrawisk i Tatr Bialskich. Nie stwierdzono więc zależności pomięd~ wartością ph igieł a liczbą roczników igieł. Bardziej prawdopodobna jest zależność ph igieł od podłoża na którym występuje ten gatunek, ponieważ na podłożu wapiennym (Zameczki, Tatry Bialskie) ph igieł limby było wyraźnie mniej kwaśne w ramach wszystkich roczników. Czy jest to cecha fenotypowa, czy też utrwalona genetycznie można będzie stwierdzić na podstawie rozpoczętych badań nad potomstwem limby pochodzącym z czterech omawianych stanowisk., Igły świerka pochodziły ze stanowisk o różnym stopniu skażeriią atmosfery, jednak okazało się, że igły świerków bieszczadzkich (Sianki) mają ph bardziej kwaśne niż świerków ze Skrzycznego, a najwyższe wartości (najmniej kwaśne) ph wykazują igły krzywulców z Labskiego Szczytu. Nie można więc pomiarów ph igieł świerka wykorzystywać do oceny stopnia skażenia atmosfery w warun- ' kac h lasów górskich, ponieważ cecha ta jest uzależniona od wielu różnych, czynników, których poznanie wymaga dalszych badań. 5. WNIOSKI 1. Przyspieszone z różnych przyczyn opadanie igieł lułodszych roczników oznacza opadanie igieł o niższych wartościach ph, co może przyczyniać się do dodatkowego zakwaszania gleb leśnych. "2. Wartość ph ekstraktów wodnych igieł limby jest większa o ok 0,5 jednostki w porównaniu z igłami świerka, dlatego opadające igły limby w mniej-: szym stopniu zakwaszają glebę w porównaniu ze świerkiem.
30 S. Niemtur 3. Wartość ph igieł limby zależnajest przede wszystkim od rodzaju podłoża, na którym gatunek ten występuje; limba z podłoża wapiennego wykazuje ph igieł bardziej zasadowe. 4. W warunkach lasów górskich pomiar wartości ph ekstraktów wodnych igieł świerka nie może być wskaźnikiem stopnia skażenia atmosfery. Praca została złożona 11 stycznia 2000 r. i przyjęta 3 lutego 2000 r. THE ph VARlABILITY OF SWISS STONE PINE (PINUS CEMBRA L.) AND NORWAY SPRUCE [PICEA ABIES (L.) KARST.] NEEDLES Summary " Needles ofswiss stone pine and Norway spruce from the Karkonosze Mountains NP and Szklarska Poręba forest district in the Western Sudety Mountains as well as from the Bieszczady Mountains NP and Bielsko forest district in the Eastern Beskidy Mountains were used in the study. Two sets (1998 and 1999) were collected in Morskie Oko area to compare the ph values of swiss stone pine needles and Norway spruce needles. The locations ofthe Swiss stone pine in the Tatra Mountains were selected on the edaphic criteria. On the two locations in the Tatra Mountains (Zameczki in the Biały Valley and the BialskieTatra Mountains) lime soils we re found while granite grounds on the other two (near the lake Morskie Oko). The Dubraviska position located on the slopes of the Zółta Turnia near the natural, upper forest border is characterized by the quartzite grounds. The performed ph measurements of Swiss stone pine and Norway spruce water extracts ofneedles showed that quicker-than-normalloss ofneedles younger sets and the sets oflow ph may contribute to the acidification of forest soils. The Swiss stone pine needles had lower acidification impact on soil than the Norway spruce ones: due to the water extract higher ph values of about 0,5 unit. The Swiss stone pine needle ph depends mostlyon the type of soił the tree grows on - the lime soils caused the needles to be more alkaline. In the conditions of mountain forests the ~easurements ofthe water extract ph vałues ofnorway spruce needles do not seem be an adequate indicator of the degree of the air pollution. Norway spruce needles from the regions of a high sulphur dioxide deposit (The Sudety Mountains, Beskid Śląski Mountains) were more alkaline than those from less polluted region of the Bieszczady Mountains. (trans!. P. L.) PIŚMIENNICTWO GRlLL D., HARTEL O. 1972: ZellphysioIogische und biochemische Untersuchungen on S02 begasten Fichtennadeln. Mitt. Forst. Bundes-Versuchsanst. Wien, 97, II: 367-386. GRODZIŃSKA K. 1971 : Acidification oftree bark as measure of air pollution in southern Poland. Bul. Acad. Pol. Sci. 150 II, 19: 89-95.
Zmiennośe ph igieł limby (Pinus cembra L.) i świerka [Picea abies (L) Karst} 31 K E LL ĘR T., SCHWAGER H., YEE-MEILER D. 1976: Der Nachweis winterlicher S02 Immissionen an. jungen Fichten'. Ein Vergleich dreier Methoden. Eur. J. For. Path. 6: 244-249. KLIMASZEWSKI M. 1966: Geomorfologia ogólna. PWN, 'Warszawa: 1-522... LOTSCHERT W., KÓHM H. 1. 1973: Measurements ofthe ph and sulphur contents oftree bark in areas suffering from atmospheric pollution. Oecologia Plantarum 8, 3: 199-209. MODRZYŃSKI1. 1998: Zarys ekologii świerka. W: Biologia świerka pospolitego. PAN Instytut Dendrologii, Wydawnictwo Naukowe, Poznań: 303-359. NIEMTUR S. 1997: Skażenie antropogeniczne górskich ekosystemów leśnych w Gorczańskim Parku Narodowym. Pr. Inst. Bad. Leś., Ser. A, 839: 1-120. NIEMTUR S. 1999: Karpackie lasy wyższych położeń w aspekcie zmian klimatycznych. W: Klimatyczne uwarunkowania życia lasu. Mat. konf. Zakopane 21-22 mąja 1999: 39-50. NIEMTUR S., Z. CZUCHAJOWSKA, 1978: Sezonowa zmienność ph i pojemności buforowej ekstraktów wodnych igieł trzech gatunków sosen narażonych na emisje huty cynku. Arch. Ochr. Środ., 1: 123-130 Sq-IOLZ F. 1974: Biochemische untersuchungen zur Resistenz von Waldbaumen gegen Fluor-Immissionen. IX Internationale Tagung liber die Luftverunreinigung und Forstwirtschaft, Marianske Lazne: 15-18. TRAMPLER T. 1970: Instrukcja szacowania szkód. Załącznik do Zarządzenia t43 Ministra Leśnictwa i Przemysłu Drzewnego. DZ.Urz. MLiPD Nr 16-20 z 1970 r. poz. 111. WAWRZONlAK 1. 1998: Stan uszkodzenia lasów w Polsce w 1997 roku na podstawie badań monitoringowych. PIOŚ, Biblioteka Monitoringu Środowiska, Warszawa: 3-158.