Funkcjonowanie wybranych geoekosystemów Polski
w świetle pomiarów monitoringowych w roku hydrologicznym 1999

Małgorzata Mazurek & Zbigniew Zwoliński
gmazurek@amu.edu.pl & zbzw@amu.edu.pl

 

Chemizm opadów atmosferycznych w roku hydrologicznym 1999

 

Transformacja opadów atmosferycznych w odpływ rzeczny związana jest z ciągłą zmianą parametrów fizykochemicznych wód biorących udział w zasilaniu koryta rzecznego. Skład jonowy wody opadowej ulega wstępnemu zróżnicowaniu wskutek kontaktu z szatą roślinną, a następnie podczas krążenia w glebie i podłożu mineralnym. W atmosferze występują składniki pochodzące z naturalnego obiegu biogeochemicznego w przyrodzie oraz z gospodarczej działalności człowieka. Związki te w zależności od swoich właściwości oraz warunków meteorologicznych ulegają rozproszeniu i transformacji podczas transportu atmosferycznego, a większość z nich często w znacznych odległościach od źródeł emisji, powraca na powierzchnię ziemi wraz z opadami lub wskutek pochłaniania zanieczyszczeń gazowych i aerozoli przez wody powierzchniowe, szatę roślinną i glebę. Największy udział w dostawie zanieczyszczeń z atmosfery do powierzchni ziemi w regionach położonych w znacznych odległościach od źródeł emisji ma depozycja mokra.

Chemizmu opadów atmosferycznych badany na Stacjach Bazowych ZMŚP potwierdza tendencje obserwowane dla jakości powietrza. Średnie roczne ważone wartości pH mierzone w Stacjach Bazowych wahały się w roku hydrologicznym 1999 od 4,6 do 6,01 jednostek, co kwalifikuje opady badane na Stacjach Bazowych w Szymbarku, Puszczy Boreckiej i Pożarach do grupy opadów o lekko obniżonym pH, natomiast normalne pH miały opady w Stacjach Bazowych w Wigrach i Koniczynce (Ryc. 10). W przypadku Koniczynki leżącej w sąsiedztwie Torunia, wysokie wartości pH są z pewnością efektem zobojętniającego wpływu zasadowych pyłów. Opady atmosferyczne w zlewni górnej Parsęty znalazły się w klasie wód o odczynie znacznie obniżonym (Ryc. 10). Stwierdzono stosunkowo niskie średnie miesięczne wartości pH w półroczu zimowym (Ryc. 11), co związane było z emisją zanieczyszczeń gazowych - związków siarki i azotu z lokalnych źródeł.

 

Średnia roczna przewodność elektrolityczna właściwa SEC oraz pH wód opadowych obserwowane w Stacjach Bazowych ZMŚP w roku hydrologicznym 1999

Ryc. 10. Średnia roczna przewodność elektrolityczna właściwa SEC oraz pH wód opadowych obserwowane w Stacjach Bazowych ZMŚP w roku hydrologicznym 1999

 

Średnie miesięczne wartości pH wód opadowych mierzone w Stacjach Bazowych ZMŚP w roku hydrologicznym 1999

Ryc. 11. Średnie miesięczne wartości pH wód opadowych mierzone w Stacjach Bazowych ZMŚP w roku hydrologicznym 1999

 

Ograniczana od lat osiemdziesiątych emisja dwutlenku siarki (Stan środowiska w Polsce 1998) nie daje poprawy odczynu ze względu na wyraźny wzrost w ostatnich latach udział tlenków azotu w zakwaszaniu opadów atmosferycznych. Obecność tlenków azotu w atmosferze odbija się na składzie wód opadowych, wywołując zakwaszenie i wzrost stężeń jonów azotanowych. Obserwacje takie potwierdza m.in. stosunek średnich ważonych stężeń (w eqdm-3) jonów azotanowych do siarczanowych w opadach atmosferycznych w Storkowie, który wzrósł od wartości 0,38 w roku 1995 do 0,80 w roku 1999. Utrzymujące się zakwaszenie opadów intensyfikuje ługowanie składników zasadowych z gleb, prowadzi do zakwaszania wód, a w efekcie do zmian w typach siedlisk i eliminacji gatunków o większych wymaganiach glebowych.

Średnie ważone przewodnictwo elektryczne właściwe SEC będące miarą zawartości substancji rozpuszczonych, dla opadów atmosferycznych w Stacjach Bazowych ZMŚP w roku hydrologicznym 1999 charakteryzowało się małymi zmianami w stosunku do roku poprzedniego i mieściły się w zakresie od 1,77 mSm-1 (Puszcza Borecka) do 5,9 mSm-1 (Pożary). Najniższe koncentracje zanieczyszczeń w wodzie opadowej wystąpiły w czerwcu - miesiącu o wysokich sumach opadów zanotowanych we wszystkich Stacjach Bazowych ZMŚP (Ryc. 12).

 

Średnie miesięczne wartości przewodności elektrolitycznej właściwej SEC wód opadowych mierzone w Stacjach Bazowych ZMŚP w roku hydrologicznym 1999

Ryc. 12. Średnie miesięczne wartości przewodności elektrolitycznej właściwej SEC wód opadowych mierzone w Stacjach Bazowych ZMŚP w roku hydrologicznym 1999

 

Chemizm wód opadowych kształtują różne źródła substancji rozpuszczonych: naturalne i sztuczne, które różnią się intensywność dostawy w zależności od położenia regionalnego Stacji Bazowych ZMŚP. Udział odmiennych źródeł dostawy składników rozpuszczonych do wód opadowych uwidacznia analiza skład jonowego wyrażonego w meqdm-3:

dla zlewni górnej Parsęty (Storkowo)

aniony: Cl (0,073) > SO4 (0,044) > NO3 (0,035) > PO4 (0,001)

kationy: NH4 (0,055) > H (0,031) > Ca (0,023) > Na (0,017) > Mg (0,07) > K (0,03)

dla zlewni Bystrzanki (Szymbark)

aniony: SO4(0,080)> NO3 (0,046)> Cl (0,012)> PO4 (0,004)

kationy: NH4 (0,069) > Ca (0,037) > Mg (0,020) >Na (0,008) > K (0,003)

Obszar zlewni górnej Parsęty, pomimo, że położony z dala od większych źródeł emisji, otrzymuje znaczną dostawę siarczanów z opadami atmosferycznymi. Lokalne zanieczyszczenia powietrza związane są z opalaniem gospodarstw domowych. Największym lokalnym źródłem emisji jest Szczecinek, miasto położone ok. 20 km na południowy wschód od Storkowa. Należy przypuszczać, że część dostawy SO4 jest wynikiem transgranicznego przemieszczania zanieczyszczeń powietrza. Storkowo znajduje się na obszarze, dla którego wartości stężeń siarczanów w aerozolu szacowane są od 2,5 do 3,0 mgm-3. Wysokie wartości siarki siarczanowej w wodach opadowych w zlewni Bystrzanki pochodzą z lokalnych źródeł zanieczyszczeń, ale nie można wykluczyć też występowania transgranicznych zanieczyszczeń ze Słowacji (Koszyce, Preszów). Wysokie stężenia jonów chlorkowych oraz sodowych w opadach w Storkowie w porównaniu z Szymbarkiem wskazują na udział aerozolu pochodzenia morskiego w opadach, a więc w znacznej mierze związki te mają charakter naturalny.

Zmienność wielkości opadów i ich charakteru w ciągu roku wnosi dodatkowy element do oceny ładunku zanieczyszczeń wprowadzonych do podłoża. Stężenia niektórych związków obniżają się w miarę trwania epizodu opadowego, a w związku z tym ładunek substancji chemicznych docierających do powierzchni ziemi zależy w dużym stopniu od częstotliwości opadów, a także od długości okresu bezopadowego. Notowana kwasowość wód atmosferycznych decyduje o znacznym ładunku jonów wodorowych wnoszonych corocznie do gleby wraz z opadami, np. w Puszczy Boreckiej jest to ok. 12 mgm-2, w Storkowie ok. 22 mgm-2. W Storkowie wzrosła znacząco depozycja jonów wodorowych, a jej wartość - 21,7 kgkm-2, przewyższa o 20% depozycję H+ z roku 1996 o podobnej sumie opadów.

W geoekosystemach leśnych opady atmosferyczne nie docierają bezpośrednio do podłoża, lecz przechodząc przez warstwę koron drzew i spływając po pniach drzew, podlegają transformacji fizycznej i chemicznej. W umiarkowanej strefie klimatycznej roślinność odgrywa istotną rolę w bilansie wodnym modyfikując obieg wody poprzez intercepcję, parowanie z powierzchni roślin i transpirację. Zróżnicowanie wielkości opadu docierającego do dna lasu znajduje swoje odbicie w dostawie związków chemicznych do gleby. Skład chemiczny wód opadowych w lesie ulega zmianie głównie pod wpływem procesów fizjologicznych roślin oraz rozpuszczania i spłukiwania z powierzchni gałęzi, kory, liści aerozoli i zanieczyszczeń gazowych pochłoniętych z atmosfery. Skład gatunkowy drzew, ich wiek i stan zdrowotny, wpływają także odmiennie na zmianę właściwości wody opadowej, nadając jej nowe cechy fizykochemiczne.

Geoekosystemy objęte badaniami w ramach ZMŚP, zajmują lasy reprezentowane przez różne gatunki drzew. W Wigrach monitoringiem opadu podokapowego i spływu po pniach objęte zostały sosny i świerki, a w Storkowie - sosny.

Fitocenoza sosnowa w zlewni górnej Parsęty nie zneutralizowała kwaśnego odczynu opadu atmosferycznego, wartość pH opadu podokapowego kształtowała się na poziomie 4,22 (Tab. 2), w przypadku spływu po pniach sosen wielkość ta wyniosła 3,40. W lesie sosnowo-świerkowym w Wigrach wody opadu podkoronowego i spływające po pniach drzew charakteryzowały się również niższym odczynem (Tab. 3). Dłuższy kontakt spływającej wody z szorstką korą pni sosny lub świerka powoduje jej znaczne wzbogacenie w kwasy organiczne i kwaśne aerozole pochodzące z suchego opadu, a w konsekwencji zakwaszenie. Ze wzrostem wieku drzew maleje też zdolność do neutralizacji odczynu wód opadowych, a dodatkowo właściwości te są mniejsze w lasach iglastych rosnących na glebach kwaśnych, tak jak w przypadku Storkowa.

 

Tabela 2 . Charakterystyka fizyczna i chemiczna opadu atmosferycznego, opadu podkoronowego i spływu po pniach drzew w Storkowie w roku hydrologicznym 1999

Parametr

Stężenie/Ładunek

Opad

atmosferyczny

Opad

podkoronowy

sosna

Spływ

po pniach

sosna

Roztwory glebowe

30 cm

p.p.t.

60 cm

p.p.t.

120 cm

p.p.t.

Odczyn

[-]

4,51

4,22

3,41

4,59

4,62

4,62

Przewodność

mS m-1

2,05

5,16

19,85

4,76

6,01

6,50

SO4

mg dm-3

2,11

8,87

27,09

10,96

18,06

20,08

SO4

g m-2

1466,70

4140,00

-

-

-

-

NO3

mg dm-3

2,18

3,21

4,61

0,81

0,14

0,37

NO3

g m-2

1511,70

1510,00

-

-

-

-

NH4

mg dm-3

0,99

2,40

6,12

1,67

0,67

0,53

NH4

g m-2

689,30

1130,00

-

-

-

--

Cl

mg dm-3

2,60

5,79

13,79

7,72

7,62

7,40

Cl

g m-2

1802,10

2730,00

-

-

-

-

Ca

mg dm-3

0,46

1,83

5,98

3,02

3,04

3,20

Ca

g m-2

317,90

860,00

-

-

-

-

PO4

mg dm-3

0,03

50,00

-

-

-

-

PO4

mg m-2

20,50

21,18

-

-

-

-

 

W przypadku poszczególnych jonów notowane stężenia zarówno w opadzie podokapowym jak i spływie po pniach drzew, znacząco przewyższają wartości notowane w opadzie na terenie otwartym. Wyjątek stanowi stężenie fosforu fosforanowego w wodach spływających po pniach sosen (Wigry). Koncentracja substancji rozpuszczonych w obu badanych fitocenozach była zdecydowanie niższa w opadzie podokapowym w stosunku do spływu po pniach drzew. Na uwagę zasługuje fakt znacznego udziału w wartości przewodności elektrolitycznej ładunku przenoszonego przez jony wodorowe, zwłaszcza w przypadku spływu po pniach drzew. Znaczący udział jonów wodorowych w opadzie pod drzewostanem iglastym ma istotne znaczenia dla intensyfikacji procesów zakwaszania środowiska glebowego, bowiem dopływ atmosferyczny jonów wodorowych stanowi podstawowe źródło protonów w ekosystemie. Porównując wartości badanych parametrów w wodzie opadowej zebranej pod okapem drzew w Wigrach (sosna, świerk) stwierdzono wyższe wartości stężeń jonów w opadzie pod świerkami. W grupie anionów w opadzie w lesie dominują jony siarczanowe i chlorkowe analogicznie jak w opadzie atmosferycznym na terenie otwartym. Zatężanie tych składników należy wiązać z wymywaniem składników z koron drzew i spłukiwaniem pyłów pochodzących z suchej depozycji czyli osadów pochodzących z zanieczyszczenia powietrza. Można założyć, że potas, mangan i magnez są głównie wymywane z listowia bądź igliwia, a pozostałe składniki pochodzą prawdopodobnie ze spłukiwania suchego osadu na drodze intercepcji. Potas będący pierwiastkiem litofilnym jest w niewielkich ilościach dostarczany do ekosystemów leśnych. Stężenie tego pierwiastka w opadzie podokapowym oraz spływie po pniach jest intensyfikowane przez reakcje jonowymienne z jonami wodoru i amoniaku pochodzącymi z wody opadowej.

 

Tabela 3. Charakterystyka fizyczna i chemiczna opadu atmosferycznego, opadu podkoronowego i spływu po pniach w Sobolewie w roku hydrologicznym 1999

Parametr

Stężenie/Ładunek

Opad

atmosferyczny

Opad podkoronowy

Spływy po pniach

sosna

świerk

sosna

świerk

Odczyn

[-]

5,30

4,85

4,17

3,26

3,41

Przewodność

mS m-1

3,40

6,92

11,04

25,81

35,30

S-SO4

mg dm-3

0,85

2,00

4,34

15,06

29,21

S-SO4

mg m-2

238,68

59,47

95,53

-

-

N-NO3

mg dm-3

0,75

2,26

2,85

3,53

3,15

N-NO3

mg m-2

319,23

63,04

59,08

-

-

N-NH4

mg dm-3

1,06

3,33

5,21

9,53

13,97

N-NH4

mg m-2

466,49

102,62

129,10

-

-

Cl

mg dm-3

1,05

3,54

6,23

14,76

19,99

Cl

mg m-2

463,37

103,99

129,33

-

-

Na

mg dm-3

0,42

1,21

1,47

3,70

5,11

Na

mg m-2

164,57

35,33

31,43

-

-

K

mg dm-3

0,30

1,76

5,29

3,25

14,04

K

mg m-2

140,19

53,54

105,47

-

-

Mg

mg dm-3

0,36

0,81

0,97

1,72

4,06

Mg

mg m-2

177,39

24,20

24,00

-

-

Ca

mg dm-3

1,15

2,98

4,49

9,22

19,81

Ca

mg m-2

494,80

88,94

93,40

-

-

P-PO4

mg dm-3

56,60

66,63

396,50

52,13

862,25

P-PO4

mg m-2

15870,00

1826,24

9418,70

-

-

 

W ciągu roku hydrologicznego 1999 odczyn opadów, stężenia i ładunki zanieczyszczeń na dnie lasu wykazywały zmienność czasową, nawiązując podobnie jak w składzie chemicznym powietrza i opadów atmosferycznych, do podwyższonej koncentracji związków siarki i azotu w okresie zimowym. W porównaniu z rokiem 1998 stężenia jonów w Wigrach i Storkowie były zbliżone. Wyraźnie potwierdziła się malejąca tendencja stężeń siarki siarczanowej, której średnia roczna wartość była prawie dwukrotnie mniejsza niż w roku poprzednim, również przy niskiej zawartości siarczanów w wodach opadowych.

Opady atmosferyczne wnoszące określoną ilość składników do obiegu biogeochemicznego, również przyspieszają migrację pierwiastków znajdujących się w zlewni, poprzez uruchamianie suchej depozycji z powierzchni roślin. Jakości wód dodatkowo ulega modyfikacji w zależności od składu gatunkowego drzewostanu, jego wieku i trofii siedliska. Z otrzymanych wartości ładunków substancji chemicznych wynika, że las iglasty odgrywa znaczącą rolę w obiegu związków sodu, potasu, chloru i siarki poprzez ich przekazywanie do gleby w formie roztworów z wodami opadu śródkoronowego. Kwaśne wody docierające do dna lasu na badanych powierzchniach w połączeniu z zakwaszającym oddziaływaniem ściółki lasu iglastego mogą mieć istotny wpływ na uwalnianie nadmiernych ilości fitotoksycznych jonów oraz w zależności od właściwości buforowych gleb sprzyjać zintensyfikowaniu procesów wietrzenia chemicznego i ługowania pokrywy glebowej.


Wprowadzenie

Warunki meteorologiczne w roku hydrologicznym 1999

Obieg wody w zlewniach reprezentatywnych ZMŚP w roku hydrologicznym 1999

Jakość powietrza w roku hydrologicznym 1999

Chemizm opadów atmosferycznych w roku hydrologicznym 1999

Gleby i chemizm roztworów glebowych w zlewniach reprezentatywnych

Chemizm wód gruntowych w zlewniach reprezentatywnych

Chemizm wód powierzchniowych w zlewniach reprezentatywnych

Realizacja innych programów monitoringowych

Wnioski końcowe

Literatura


Cytowanie: Mazurek, M., Zwoliński, Zb., 2000. Funkcjonowanie wybranych geoekosystemów Polski w świetle pomiarów monitoringowych w roku hydrologicznym 1999. [Online] http://main.amu.edu.pl/~zmsp/stan99/stan99.html, Instytut Badań Czwartorzędu i Geoekologii UAM, Poznań, [dd.mm.rrrr - data odwiedzenia strony]

e-mail: zmsp@amu.edu.pl, 30.11.2000