Uniwersytet Warszawski Wydział Biologii Łukasz Kozub Numer albumu: 218 391 Wpływ restytucji torfowiska niskiego metodą usuwania warstwy murszu na warunki siedliskowe, produktywność i bilans gazów cieplarnianych Autoreferat rozprawy doktorskiej w zakresie nauk biologicznych dyscyplinie ekologii wykonanej pod kierunkiem dr hab. Wiktora Kotowskiego w Zakładzie Ekologii Roślin i Ochrony Środowiska w Instytucie Botaniki Recenzenci: dr hab. Mariusz Lamentowicz prof. UAM Zakład Biogeografii i Paleoekologii, Instytut Geoekologii i Geoinformacji, Wydział Nauk Geograficznych i Geologicznych, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza dr hab. inż. Tomasz Okruszko prof. SGGW Zakład Hydrologii i Zasobów Wodnych, Katedra Inżynierii Wodnej, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego Warszawa, sierpień 2016
Naturalne, niezaburzone przez człowieka torfowiska, ze względu na przewagę produkcji pierwotnej nad procesami rozkładu, gromadzą węgiel oraz inne makroelementy w torfie. Dzięki temu zapewniają one człowiekowi niezwykle istotne usługi. Są to, jedne z największych globalnych magazynów węgla, a w skali zlewni stanowią ważne miejsce retencji pierwiastków biogennych. Równocześnie, typowe dla torfowisk stałe wysokie uwodnienie oraz wycofywanie z obiegu pierwiastków biogennych (azotu poprzez magazynowanie w torfie a fosforu również poprzez wiązanie go w kompleksy z kationami metali) wywołują w zbiorowisku roślinnym silne stresy anoksji oraz niskiej żyzności. Te czynniki stresowe ograniczają konkurencję o światło i zwiększają szanse przetrwana na torfowiskach gatunków roślin słabych konkurencyjnie, w szczególności tych związanych z siedliskami ubogimi w fosfor, które należą do szczególnie zagrożonych. Torfowiska należą dziś do ekosystemów najszybciej degradujących się za sprawą działalności człowieka. Silne przeobrażenia dotknęły przede wszystkim torfowisk niskich w strefie umiarkowanej. W wyniku przesuszenia powierzchniowe warstwy torfu, poddane oddziaływaniu tlenu atmosferycznego, ulegają mineralizacji. Z akumulatorów węgla atmosferycznego torfowiska zmieniają się w emitory, a z miejsc gromadzenia biogenów stają się ich źródłem powodującym eutrofizację wód powierzchniowych. Po osuszeniu, na skutek zaniku czynników stresowych, zbiorowiska roślinne ulegają dominacji silnie konkurencyjnych gatunków, które wypierają słabsze gatunki wyspecjalizowane. Degradacja większości torfowisk w krajach rozwiniętych oraz jej negatywne konsekwencje, zarówno dla przyrody, jak i dla człowieka, sprawiły, że rozpoczęto realizację projektów restytucji przyrodniczej zniszczonych torfowisk. Podstawową metodą stosowaną w tych zabiegach było początkowo podniesienie poziomu wody poprzez zablokowanie lub zasypanie rowów odwadniających. Metodę tą krytykowano z punktu widzenia jej wpływu na efekt cieplarniany, ze względu na okresowe znaczne zwiększanie emisji metanu. Co więcej, jej zastosowanie na silnie zdegradowanych torfowiskach prowadzi do uwolnienia znacznej ilości pierwiastków biogennych do wód powierzchniowych oraz do wzrostu produkcji pierwotnej w obrębie torfowiska, uniemożliwiając odtworzenie populacji rzadkich gatunków torfowiskowych. Aby rozwiązać powyższe problemy, a dodatkowo pozbyć się roślin charakterystycznych dla zdegradowanych torfowisk wraz z ich bankiem nasion, zastosowano do odtwarzania torfowisk niskich metodę usuwania wierzchniej warstwy gleby, wypróbowaną wcześniej w ekosystemach na glebach mineralnych. Skuteczność tej metody w odtwarzaniu zbiorowisk roślinnych typowych dla dobrze zachowanych torfowisk niskich została
potwierdzona przez kilka zespołów badawczych. Mimo to do dziś nie wiadomo, jak usuwanie zdegradowanej warstwy torfu wpływa na relatywną dostępność poszczególnych pierwiastków biogennych (azotu, fosforu i potasu), co może mieć duże znaczenie dla rozwoju fitocenoz. Co więcej, wiedza o wpływie tej metody na odtworzenie usług ekosystemowych torfowisk, takich wpływ na bilans gazów cieplarnianych czy obieg pierwiastków w zlewni, jest skąpa i oparta na pośrednim wnioskowaniu. Głównym celem niniejszej rozprawy doktorskiej była ocena skuteczności restytucji torfowiska niskiego metodą usuwania zdegradowanej warstwy gleby w zakresie jej wpływu na warunki wzrostu roślin oraz na przywrócenie usług ekosystemowych związanych z obiegiem pierwiastków oraz wpływem odtwarzanego torfowiska na efekt cieplarniany, a także porównanie tej metody z metodą powtórnego nawodnienia zdegradowanego torfowiska. Cel ten był realizowany poprzez: (1) badania geochemiczne, które miały za zadanie sprawdzić, jak metody restytucji torfowiska niskiego wpływają na obecność w roztworze glebowym pierwiastków biogennych (azotu, fosforu, potasu) oraz kationów metali (wapnia i żelaza) wpływających na przyswajalność ww. pierwiastków, (2) badania produkcji pierwotnej, zarówno z wykorzystaniem roślin spontanicznie występujących na obszarze badań, jak i fitometrów, (3) sprawdzenie, poprzez analizę składu chemicznego tkanek roślinnych, który z trzech podstawowych pierwiastków biogennych (azot, fosfor czy potas) stanowi czynnik minimum limitujący produkcję pierwotną na obszarach poddanych restytucji oraz (4) ocenę wpływu obydwu metod restytucji na efekt cieplarniany poprzez porównacie wielkości emisji metanu. Terenem badań było zlokalizowane w Dolinie Środkowej Wisły torfowisko Bagno Całowanie, stanowiące modelowy przykład genezy i rozwoju, ale także degradacji spowodowanej przez ingerencję człowieka, torfowiska niskiego nizinnej Europy Środkowej. W centralnej części tego torfowiska realizowany był w latach 2006-2010 przez stowarzyszenie Centrum Ochrony Mokradeł projekt restytucji przyrodniczej, obejmujący między innymi usunięcie warstwy zdegradowanego torfu na obszarze około 2 ha. Badania prowadziłem na tym obszarze i na zlokalizowanych wokół niego powierzchniach kontrolnych (obejmujących zdegradowane, przesuszone partie torfowiska), referencyjnych (refugia roślinności nawiązującej do mechowisk zlokalizowane w obszarach dawnego wydobycia torfu) oraz eksperymentalnych powierzchniach, na których imitowano restytucję metodą podniesienia poziomu wody na zdegradowanym torfowisku.
Wyniki uzyskane przeze mnie w trakcie badań wskazują, że metoda usuwania warstwy zdegradowanego torfu, w odróżnieniu od metody powtórnego nawodnienia zdegradowanego torfowiska, pozwala ograniczyć stężenia pierwiastków biogennych w roztworze glebowym oraz nie wywołuje (w porównaniu do obszarów kontrolnych) zwiększenia emisji metanu. Ze względu na problemy metodyczne związane z wykorzystaniem fitometrów nie udało mi się jednoznacznie odpowiedzieć na pytanie, jaki jest wpływ metody usuwania warstwy zdegradowanego torfu na produkcję pierwotną. Z drugiej strony okazało się, że zastosowanie tej metody nie doprowadziło do odtworzenia warunków siedliskowych charakteryzujących się zasobnością w kationy metali zbliżoną do ekosystemów referencyjnych. Ponadto, względna dostępność fosforu w stosunku do azotu nie została ograniczona na tyle silnie, by odtworzyć warunki, w których produkcja pierwotna byłaby limitowana niedoborem tego pierwiastka, co uważane jest za czynnik sprzyjający zagrożonym gatunkom roślin. Ponadto, gdy w analizie wpływu na efekt cieplarniany uwzględniłem także efekt mineralizacji usuniętej zdegradowanej warstwy torfu i przedostanie się zawartego w niej węgla do atmosfery, metoda usuwania warstwy zdegradowanej okazała się mniej korzystna dla klimatu niż metoda powtórnego nawodnienia osuszonego i zdegradowanego torfowiska. Pomimo wykazanych w pracy wad usuwania warstwy zdegradowanego torfu, ta metoda może zostać uznana za bardziej efektywną pod względem odtwarzania usług ekosystemowych oraz warunków występowania słabych konkurencyjnie gatunków roślin od powtórnego zatopienia w ogólnym porównaniu obydwu metod. Brak efektu eutrofizacji, a nawet ograniczenie stężeń azotanów i fosforanów, nie tylko sprzyjają odtworzeniu niskoproduktywnych ekosystemów torfowiskowych, ale dodatkowo szybko ograniczają ładunek azotu trafiający do zlewni, w której znajduje się torfowisko, nie zwiększając przy tym dopływu fosforu. Problem wpływu dwutlenku węgla z mineralizującego się, usuniętego zdegradowanego torfu, na efekt cieplarniany może zaś zostać rozwiązany, jeśli torf ten zostanie wykorzystany w rolnictwie, leśnictwie lub ogrodnictwie jako substytut torfu wydobytego z niezaburzonych hydrologicznie torfowisk. W ten sposób emisje gazów cieplarnianych wywołane przez działania restytucji zostaną skompensowane przez ograniczenie emisji na innym obszarze. Korzystając z wiedzy zdobytej w trakcie badań, a także z istniejącej literatury, opracowałem ponadto narzędzie (w formie klucza dychotomicznego), które ma za zadanie wspomóc proces decyzyjny towarzyszący wyborowi metod ochrony i restytucji przyrodniczej torfowisk niskich. Klucz ten opiera się na danych o charakterze przyrodniczym, jak i społeczno-ekonomicznym, i
może być wykorzystany przez praktyków planujących działania służące poprawie stanu środowiska na obszarach torfowisk niskich.