BIOAKUMULACJA SIARKI I WAPNIA W KORZE SOSNY
Transkrypt
BIOAKUMULACJA SIARKI I WAPNIA W KORZE SOSNY
Proceedings of ECOpole Vol. 1, No. 1/2 2007 Kazimierz SPOREK1 i Monika SPOREK1 BIOAKUMULACJA SIARKI I WAPNIA W KORZE SOSNY ZWYCZAJNEJ (Pinus sylvestris L.) W ZAŁĘCZAŃSKIM PARKU KRAJOBRAZOWYM BIOACUMULATION OF SULFUR AND CALCIUM IN SCOTS PINE (Pinus sylvestris L.) BARK IN THE ZAŁĘCZAŃSKI LANDSCAPE PARK Streszczenie: Cementownia wprowadza do środowiska substancje gazowe i pyłowe. Substancje te włączone do obiegu materii podlegają w środowisku licznym przemianom fizykochemicznym, zmieniając swoje właściwości. Szacowanie pogorszenia jakości środowiska leśnego w związku z działalnością sąsiadującego przemysłu cementowego polega na określeniu zasięgu opadu pyłu i jego ponadnormatywnej ilości oraz zmian jakościowych i ilościowych w badanym ekosystemie. Akumulacja alkaliów w korze odbywa się przy udziale opadów atmosferycznych, a w szczególności przy udziale opadów poziomych przy dużej wilgotności powietrza. Opad pyłu i koncentracja gazów mają zasadniczy wpływ na wartość obliczonego procentowego pogorszenia jakości środowiska leśnego przy uwzględnieniu odległości powierzchni leśnych od źródła emisji. Ona bowiem w sposób niewątpliwy determinuje ilość opadu i koncentrację gazów w postaci zasady: im dalsza odległość, tym mniejszy jest opad pyłu i koncentracja gazów. Ta jednoznaczna z pozoru zasada naruszana być może przez takie czynniki, jak: nasilenie, częstotliwość i kierunek wiatrów w okresie awarii urządzeń odpylających, powodując zrzut zanieczyszczeń przemysłowych w dalszej odległości od źródła emisji niżby wskazywały na to obliczenia. Zanieczyszczenia w środowisku leśnym, spowodowane sytuacjami awaryjnymi w zakładach przemysłowych w czasie anomalii pogodowych, są wykrywalne przez wykorzystanie do tego celu bioindykacyjnych właściwości kory sosny zwyczajnej. Oceniając stopień zanieczyszczeń środowiska leśnego pyłami alkalicznymi, stosujemy wskaźnik odczynu kory martwicowej oraz zawartości w niej siarki i wapnia. Słowa kluczowe: wskaźnik zanieczyszczeń, kora, siarka, wapń, sosna zwyczajna Zawartość w biomasie kory sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) siarki ogólnej i tlenku wapnia w obszarach ewidentnych zanieczyszczeń pyłowych i gazowych emitowanych z zakładów cementowo-wapienniczych i cementowni charakteryzuje się specyficznym rozkładem w ekosystemie leśnym. Korony drzew stanowią dużą powierzchnię zbiorczą (w wieku 35 lat liście korony pojedynczej sosny mogą stanowić powierzchnię około 100 m2), „wytrącając” z przepływających mas powietrza atmosferycznego znajdujące się tam zanieczyszczenia, przede wszystkim pyłowe. Osadzanie ziaren pyłowych na liściach, gałęziach, strzale (łodydze) zachodzi intensywniej przy dużej wilgotności powietrza atmosferycznego, zwłaszcza kiedy występuje mgła, a także nad ranem w obecności rosy. Kumulacja zanieczyszczeń pyłowych i gazowych w większych kompleksach leśnych odbywa się głównie na ścianach wystawowych, to jest na ich obrzeżach w strefach ekotonowych. Wnętrza kompleksów leśnych charakteryzują się równomiernym rozkładem zanieczyszczeń z wyjątkiem luk w drzewostanie na przykład w tych kompleksach leśnych, gdzie spotykamy gniazdowo-zrębowy sposób zagospodarowania lasu. 1 Zakład Ekologii i Ochrony Przyrody, Uniwersytet Opolski, ul. kard. B. Kominka 4, 45-035 Opole, tel. 077 401 60 40, e-mail: [email protected] 246 Kazimierz Sporek i Monika Sporek Cel pracy Celem pracy było określenie koncentracji siarki ogólnej i tlenku wapnia w biomasie kory sosny zwyczajnej w zależności od wysokości nad gruntem z której pobierano próbki z pnia drzew. Ustalenie przydatności uzyskanych wyników do oceny stopnia skażenia ekosystemów leśnych. Metody badań Dane doświadczalne zebrano według standardowej metody [1, 2] z borów wieluńskich (Nadleśnictwo Wieluń), obejmujących swym zasięgiem Załęczański Park Krajobrazowy. Łącznie pobrano 2525 próbek kory z 42 powierzchni doświadczalnych zlokalizowanych w monokulturach sosnowych. Ze ściętych drzew pobierano próbki kory z wysokości 1,5 m od gruntu, w odległości ½ między pierśnicą a nasadą korony, w nasadzie korony (najniższy okółek) i z jednorocznego pędu głównego (najwyższy okółek). Próbki kory suszono w temperaturze 65ºC w ciągu 3 godzin, a następnie rozdrabniano w moździerzu i zmielono je na pylisty proszek w młynku udarowym. Przed każdym rozdrabnianiem pojemnik młynka myto wodą destylowaną i suszono. Z każdej próbki odważano po 4 g sproszkowanej kory z dokładnością do 0,01 g. Analizy chemiczne przeprowadzono metodami przyjętymi i powszechnie obowiązującymi w analizie chemiczno-rolniczej. Przepisy analityczne zostały opracowane i adaptowane przez Instytut Upraw Nawożenia i Gleboznawstwa - Centralny Ośrodek Metodyczno-Naukowy dla Stacji Chemiczno-Rolniczych w Puławach. Zawartość wapnia oznaczono w roztworze uzyskanym po przeprowadzeniu mineralizacji „na mokro” z kwasem siarkowym i wodą utlenioną metodą fotometrii płomieniowej. Siarkę oznaczono wg metody Bardsleya-Lancastera w modyfikacji COMN-IUNG. Każda analiza została wykonana w dwóch powtórzeniach, a wynik końcowy jest średnią co najmniej dwóch pomiarów. Zależność między zmiennymi ilościowymi badano metodą analizy regresji i korelacji. Za pomocą tej metody można odpowiedzieć na pytanie, jakiej można oczekiwać średniej zmiany wartości [y] (koncentracja siarki i wapnia) wraz ze zmianą zmiennej niezależnej [x] odległość od szyi korzeniowej do wierzchołka drzewa. Zbiorami punktów są miejsca pobrania próbek kory na pniu drzewa, których wartości [y] siarka i wapń są wartościami koncentracji tych pierwiastków, zmieniających się wraz ze zmianą wartości [x] odległość od gruntu do wierzchołka drzewa. Kolejnymi analizowanymi zbiorami punktów są powierzchnie doświadczalne (stanowiska), gdzie wartość [y] siarka i wapń są wartościami koncentracji tych pierwiastków, zmieniających się wraz ze zmianą wartości [x], tj. położeniem względem źródła emisji (odległością). Prostą dopasowuje się do wartości koncentracji siarki i wapnia w poszczególnych punktach poboru kory, korzystając przy tym z metody najmniejszych kwadratów. Zakłada się, że prosta, która jest najlepiej dopasowana, można opisać równaniem: yi = a + bxi. Współczynnik a wskazuje, ile jednostek odcina prosta [y] (koncentracja siarki i wapnia w biomasie kory) na osi pionowej w tym punkcie, w którym xi = 0, jest największą wartością koncentracji siarki i wapnia w biomasie kory. Współczynnik „b” określa nachylenie prostej względem osi poziomej. Wartość b wskazuje, ile zmienia się (wzrasta lub maleje) przeciętna wartość zmiennej zależnej [y] (koncentracja siarki i wapnia w biomasie kory) wraz ze wzrostem zmiennej [x], tj. odległości od gruntu do wierzchołka drzewa o jednostkę. Bioakumulacja siarki i wapnia w korze sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) … 247 Wyniki badań Na podstawie uzyskanych wyników można określić poziom koncentracji siarki i wapnia w biomasie kory oraz ustalić zależności między siarką i wapniem, a także zależności między koncentracją tych pierwiastków a wysokością pobrania próbki nad gruntem (tab. 1). Analizując zawartość siarki i wapnia jako wskaźników regresji zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego, zauważamy, że największe koncentracje w poszyciu leśnym tych pierwiastków występują poniżej nasady korony drzewa, jednakże powyżej 2,5 m nad gruntem leśnym. Bardzo duże współczynniki: korelacji wielorakiej wynoszący 0,994, oraz determinacji, wynoszący 0,987, potwierdzają proporcjonalną współzależność ze składem chemicznym emisji przemysłowych w analizowanym obszarze leśnym. Wydaje się, że nie bez znaczenia jest dla uzyskanych tak dużych współczynników korelacji występowanie w tym obszarze szkodnika nękającego sosnę, korowca sosnowego Aradus cinnamomeus (Panz). Szkodnik ten występuje masowo w zasięgu emisji dymów przemysłowych, żerując pod korowiną w dolnej części strzały sosny, wysysając soki. Skutkiem takiego żerowania jest pękająca i odstająca tafelkowato korowina, tworząc znaczną powierzchnię zbiorczą dla emitowanych zanieczyszczeń. Stąd charakterystyczny rozkład siarki i wapnia w biomasie kory jako funkcja wysokości nad gruntem. Tabela 1 Analiza regresji i korelacji zawartości w biomasie kory sosny zwyczajnej siarki ogólnej i tlenku wapnia jako gradientu wysokości nad gruntem w ekosystemie leśnym Tablica regresji i korelacji stała a 1,382 współczyn. regresji b 13,157 współczyn. korelacji r 0,994 współczyn. determinacji 0,987 zawartość CaO [%] r2 y odchyl. standardowe yδn 0,199 odchyl. standardowe yδn-1 0,244 suma kwadratów Σy2 51,606 suma Σy 12,428 suma iloczynów Σxy 2,616 współczyn. zmienności v% 4,81 x 0,210 odchyl. standardowe xδn 0,015 odchyl. standardowe xδn-1 0,018 suma kwadratów Σx2 0,133 suma Σx 0,629 współczyn. zmienności v% 7,17 siarka ogólna [%] 4,143 Wyniki analiz kory zebranych z drzew modelowych na powierzchniach o różnej odległości od źródeł emisji mogą służyć do ilustracji zasięgu rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń. Z uzyskanych wyników można sądzić, że związek między zawartością siarki i wapnia w biomasie kory sosny zwyczajnej a odległością od gruntu do wierzchołka 248 Kazimierz Sporek i Monika Sporek korony drzewa oraz odległością od źródła emisji można opisać zależnością liniową, w której zawartość siarki i wapnia w biomasie kory jest funkcją odległości. Wnioski 1. 2. 3. Na podstawie otrzymanych wyników, przeprowadzonych porównań z wynikami innych autorów oraz analizy regresji można stwierdzić, że zaznacza się wyraźny wpływ zanieczyszczeń atmosfery na skład chemiczny kory sosny zwyczajnej w drzewostanach wieluńskich obejmujących Załęczański Park Krajobrazowy. Zanieczyszczenie związkami siarki i wapnia w ekosystemach leśnych może wpływać znacząco na stan flory i fauny we wczesnych etapach ontogenezy. Kora sosnowa może być dobrym materiałem do analiz chemicznych w celu oceny stopnia skażenia ekosystemów leśnych związkami siarki i wapnia. Literatura [1] [2] Czarnowski M.S.: Investigations of the potential productive capacity of forest sites as function of soil, climate, and ecological properties of tree species (A proposal of the standardizet method for the world-wide gathering action). Pr. Bot. XII, Acta Univ. Wratislav., Wrocław 1971, 134, 127-151. Sporek K.: Wpływ zanieczyszczeń powietrza na przyrost wysokości sosny pospolitej. PWN, Warszawa-Wrocław 1983. BIOACUMULATION OF SULFUR AND CALCIUM IN SCOTS PINE (Pinus sylvestris L.) BARK IN THE ZAŁĘCZAŃSKI LANDSCAPE PARK Summary: Cement works introduce dusts and gases to the environment. These substances included into the matter circulation undergo numerous physical and chemical transformations, which change their properties. Assessment of deterioration of the quality of forest habitats caused by the neighbourhood of cement industry comprises determination of the range of dust deposition and its amount above standards, and qualitative and quantitative changes in the ecosystem studied. Accumulation of alkaline substances in tree bark is connected with precipitation, in particular – with horizontal precipitation with high air humidity. Deposition of dust and concentration of gases have fundamental influence on the level of the calculated percent deterioration of the quality of the forest environment, considering the distance of these plantations from the source of emission. This distance undoubtedly determines the amount of deposition and concentration of gases, according to the rule that the greater the distance is, the lower dust deposition and gas concentration are. This seemingly explicit rule can be disturbed by such factors as the speed, frequency and direction of wind in the period of failure of dust collectors, which can cause deposition of pollution in larger distance from the source of emission, than it would result from calculations. Pollutions in the forest ecosystem, caused by situations of breakdown in industrial works during weather anomalies, are detectable by using bioindicative properties of the Scots Pine bark. Assessing the level of pollution of the forest ecosystem with alkaline dust, we apply the index of reaction of the necrotic bark and its content of sulphur and calcium. Keywords: indices of pollution, bark, sulphur, calcium, scots pine