MODEL ODDZIAŁYWANIA CZŁOWIEKA NA OBIEG SKŁADNIKÓW

B O C Z N I K I G L E B O Z N A W C Z E , T . X X X I , N R 3/4, W A R S Z A W A
1980
ALO JZY KO W ALKO W SKI
M O D EL O D D Z IA Ł Y W A N IA C Z Ł O W IE K A N A OBIEG S K Ł A D N IK Ó W
M IN E R A L N Y C H W E K O S Y S T E M IE L E Ś N Y M
Zakład G leboznawstwa i N aw ożenia Instytutu Badawczego Leśnictwa,
W arszaw a-Sękocin
Współczesna technika badania zjawisk przyrodniczych przy stoso­
waniu elektronicznych maszyn cyfrow ych stwarza potrzebę m etodycz­
nego porządkowania zbiorów cech wycenianych obiektów w logicznych
symulowanych systemach. Prócz zbiorów inform acji zebranych w odpo­
wiednich bankach informacji' [4] istotną rolę w analizie obiektów p rzy­
rody odgryw ają modele interpretacji zakodowanych cech ich w zajem ­
nych powiązań i dynamiki rozw ojow ej. Niniejsza praca przedstawia
model przepływ u składników mineralnych w elementarnym ekosyste­
mie leśnym znajdującym się pod w pływ em działalności gospodarczej
człowieka.
Z A Ł O Ż E N IA W S T Ę P N E
PrawidłoW e sterowanie bioprodukcją jest uzależnione od poznania
ilościowych i jakościowych cech obiegu składników w środowisku przy­
rodniczym, przede wszystkim od związanych z nim przepływ ów skład­
ników pokarmowych F (Flux) w systemie gleba-roślina.
Wiadomo, że każda gleba, tworząca elem entarny obszar glebow y
EOG, zajm uje określoną przestrzeń i ma swoje charakterystyczne cykle
obiegów składników mineralnych i organicznych [2, 3, 7]. W ew nątrz
elementarnego ekosystemu leśnego EEL obiegi te z natury zdążają do
zamkniętych cykli, a więc do stadium klimaksowego [1, 6, 7]. Są one
regulowane w ejściem IN (input) i wyjściem O U T (output) energii,
głównie w postaci składników mineralnych. Część tych składników jest
trwale wiązana w masie drewna 4 (rys. 1), korzeni 5, m artwego nad­
kładu organicznego 6 i mineralnej części gleb 7. O aktualnej bioprodukcji decyduje jednak potencjał składników mineralnych znajdują­
cych się w obiegu F, okresowo związanych w nie zdrewniałych częściach
nadziemnych roślin 1, w rozpuszczalnej części nadkładu organicznego 2
i w rozpuszczalnej części mineralnej gleby 3.
340
A. Kowalkowski
Koncepcja modelu obiegu składników m ineralnych w elem entarnym ekosystem ie
leśnym
Concept of a model of circulation of m ineral elements in a forest ecosystem
Elementarnym ekosystemem leśnym EEL nazywam y najmniejszą
możliwą do wydzielania przestrzeń zajmowaną przez podsystem gleba-roślina. Zazwyczaj EEL odpowiada EOG.
E L E M E N T Y M O D E LU O B IE G U
W podsystemie gleba-drzewostan składniki chemiczne skupiają się
w układzie aktualnie ruchomym (składniki 1 + 2 + 3) i aktualnie zw ią­
zanym (składniki 4 + 5 + 6 + 7). Ruchoma część przepływu decyduj r;
o aktualnej żyzności gleby i jej zdolności produkcyjnej.
W EJŚCIE
W leśnych ekosystemach znajdujących się pod presją człowieka istnie­
ją dwa typy wejść składników mineralnych: naturalne N IN i antropo­
geniczne A IN .
Geneza gleb i informatyka
341
Naturalne wejście N IN1 do powierzchni gleb y następuje głównie
z atm osfery za pośrednictwem wody (deszcz, śnieg, rosa), naturalnego
pyłu (eoliczny, wulkaniczny, kosmiczny) i adsorpcji gazów, a także
procesów biochemicznych w roślinie.
Emitowane do atm osfery gazów e i stałe su'bstancje związane z aktyw ­
nością człowieka powodują zmiany ilościowe i jakościowe w NIN1
do A IN 1. W ejście bezpośrednie składników mineralnych z atm osfery
składa się więc z:
NIN1 lub AIN 1.
Oba te wejścia, w przypadku filtra cji wód opadowych przez warstwę
roślinności leśnej, są dodatkowo wzbogacane w zmywane z powierzchni
liści i igieł oraz z kory składniki pochodzące z em isji (Z), a także w skład­
niki w ym yw ane z nadziemnych organów roślin (E). Na wejście składni­
ków mineralnych z wodami atm osferycznym i przenikającym i przez ko­
rony drzewostanu składają się zatem:
N IN1 + E lub A IN 1 E + Z
W okresach bezdeszczowych na powierzchniowej warstwie gleby na­
stępuje bezpośrednio akumulacja gazowych i stałych składników em isji
antropogenicznej AIN 2.
W ejścia NIN1, A IN 1 i A IN 2 działają w zasadzie stale. Zawarte
w nich składniki ulegają jednak w czasie ilościowym i jakościowym
zmianom. Ostatnio wzrasta natężenie A1N1 i AIN 2. Ich składniki po­
chodzące z em isji zarówno pod względem jakościowym, jak i co do stę­
żeń nie są ustabilizowane. Pow oduje to wzrastające zachwianie równo­
w agi procesów w glebach i pogarszanie warunków bytowania roślin.
Odrębnego potraktowania wymaga wejście związane z nawożeniem
lasu AIN 3. Mimo że jest to zabieg w ykonyw any sporadycznie, jego skut­
ki mają istotny w p ływ na aktualną żyzność gleb i ich zdolność produ­
kowania biomasy, a także na biologiczną stabilnoćś EEL. Do zespołu
cech charakterystycznych A IN 3 należą: dawki i form y nawozów oraz
term iny i technika ich wprowadzania do środowiska leśnego.
Stosunkowo słabsze jest uzupełnianie wewnątrz gleby składników mi­
neralnych pochodzących z procesów chemicznych i biochemicznych N IN 2
craz z podsiąkających wód gruntowych N IN 3G i dopływających wód
stokowych NIN3g. W ody gruntowe mają istotny w p ływ bezpośredni na
uzupełnienie wewnątrzglebowe, o ile lustro ich znajduje się pow yżej
2 m. P rzy głębszym występowaniu nie uwzględnia się tego wejścia.
PRZEPŁYW
W otwartym EEL środowiskami przepływu składników mineralnych
są zintegrowane ze sobą drzewostany i gleba. Powierzchnia gleby tw orzy
tu jedną z płaszczyzn, w której istnieje możliwość pomiaru przepływu.
Heterogeniczne składniki tego przepływu o ilościowo i jakościowo róż­
nych cechach są zlokalizowane w przestrzeni glebow ej i nadglebowej
342
A. Kowalkowski
zajmowanej przez drzewostan. Proces przepływu realizuje się w atmo­
sferze nadglebowej, wewnątrz rośliny i w przestrzeni glebow ej w ukła­
dzie wzajem nych funkcjonalnych powiązań.
W nadglebowej przestrzeni wewnątrz drzewostanu, uzależnionej od
jego wieku i wzrostu, ilość i jakość przepływających składników do
nierozpuszczalnej części nadkładu F16 jest ograniczona opadem ściółki.
Wielkość tego opadu zależy od pory roku i klimatu. Składniki mine­
ralne ruchome wraz z wodami opadowymi F12 docierają bezpośrednio
do gleby przez korony i za pośrednictwem pni drzew.
W warunkach naturalnych w masie F12 znajdują się głównie roz­
tw ory i zawiesiny składników mineralnych wzbogacających część roz­
puszczalną nadkładu organicznego 2 oraz jego część nierozpuszczalną 6
wskutek biochemicznego uwsteczniania F26. W środowisku antropoge­
nicznym F12 jest sumą wszystkich wejść:
3
A IN i
i —1
0 zmiennych i nieregularnych składnikach wejść antropogenicznych.
Natomiast w opadającej ściółce F16 większość składników znajduje
się w form ie związanej. Ich uruchamianie i przepływ F62 do fazy roz­
puszczalnej 2 jest m ożliw y głównie dzięki aktywności organizmów gle ­
bowych. W ymiana fizykochemiczna i chemiczna w naturalnych warun­
kach odgrywa w F62 mniejszą rolę, może natomiast być intensywna
w przypadku działania A I N I lub AIN 2, a szczególnie AIN 3. W p rzy­
padku nie nasyconej próchnicy w nadkładzie nierozpuszczalnym 6 część
przepływu F12 z fazy rozpuszczalnej 2 może być wiązana za pomocą
przepływu F26 do nierozpuszczalnej części nadkładu organicznego 6.
Podobnie w części mineralnej rozpuszczalnej 3 przebiegają chemicz­
ne reakcje wym iany z nadkładem organicznym 2 w przepływach F23
1 F32. Natomiast nierozpuszczalna część gleby 7 może być wzbogacana
potokiem F37 lub zubożana potokiem F73 oraz biologicznie pobierana
— potok F35.
W obrębie rośliny pobieranie korzeniowe F25 i F35, jego częściowy
przepływ F54 do części nadziemnej i wiązanie w drewnie 4 oraz prze­
pływ F41 kształtują obieg składników nadglebowych 1. Należą do nich
składniki mineralne zawarte w liściach, igliwiu, owocach i innych orga­
nach roślinnych, które powstają corocznie i w postaci opadu przecho­
dzą w fazie rozpuszczalnej 2 i nierozpuszczalnej 6 do nadkładu orga­
nicznego.
Przepływ wew nętrzny Fw N, powodowany wym ywaniem z koron
w naturalnych warunkach, opisuje równanie:
F12 —NIN1 + £
F w N = F 4 1 -F 1 6 .
W środowiskach leśnych, znajdujących się pod presją antropogenicz­
ną, przepływ wew nętrzny F w A jest bezpośrednio i pośrednio wzboga­
Geneza gleb i informatyka
343
cany przepływ am i F12 i F16 w'skutek działania wejść A I N ł, A IN 2
i A IN 3. M niej korzystne jest zubożanie przepływ u wewnętrznego przez
zwiększenie przepływu F I 6 i akumulacji części nierozpuszczalnej nad­
kładu organicznego 6, z jednocześnie stosunkowo zm niejszonym i prze­
pływ am i F62 i F12. W takich warunkach powstaje antropogeniczny
przepływ wewnętrzny:
3
F w A = F 4 1 + 2 A I N i —F16.
i= l
Pobranie przez korzenie P5 = F35 + F25 w naturalnym środowisku,
będące sumą przepływu wewnętrznego Fw N , opadu ściółki F16 i rocz­
nej akumulacji w masie drewna nadziemnej i podziemnej F54-F41
może być silnie m odyfikowane wejściam i antropogenicznymi. Sprecy­
zowany przez U l r i c h a i in. [8] wskaźnik pobrania korzeniowego
P5 = F w N + F12 + F54
występuje więc we współczesnych ekosystemach leśnych w rzadkich
przypadkach.
W Y J Ś C IE
W naturalnych warunkach otw arty system gleba-drzewostan dąży
do uzyskania stanu równowagi w obiegu składników mineralnych. Jej
zachowanie jest m ożliwe, o ile w systemie otw artym w ytw orzyła się
ścisła współzależność m iędzy szybkością przebiegających procesów a do­
pływ em substancji i energii [1]. W glebach naszego środowiska geogra­
ficznego przebiega naturalny proces eluwialny NOUT1 odpływu w głęb­
nego i NOUT2 odpływu powierzchniowego. W artości obu odpływów na­
turalnych są zazwyczaj zrównoważone w danym środowisku geogra­
ficznym .
W antropogenicznym środowisku jednak wzrastają ubytki składni­
ków mineralnych, związane przede wszystkim z eksploatacją drewna
i kory AO U T1, karpiny AO U T2 oraz ściółki, owoców, żyw icy itp. użyt­
ków ubocznych AO UT3. W przypadku działania AO U T1 i AO U T2 prze­
pływ w ew nętrzny ulega znacznemu zubożeniu:
3
2
Fw A = F41+ 2 A I N i- F 1 6 - 2 AO U Ti
i= l
i= l
a wartości F w A mogą być ujemne. W skazuje to na nieodwracalność
ubytku składników mineralnych znajdujących się w obiegu.
Stale wzrastające zubażanie eksploatowanych ekosystemów leśnych
ze składników mineralnych podważa możliwość rozpatrywania ich bi-
A. Kowalkowski
344
lansu z punktu widzenia prawa zachowania masy, proponowanego przez
U l r i c h a i in. [8]:
NIN1 + NIN2 + P5 —F12 —F16 —AV = 0
gdzie A V = zm ia n a zapasu w drzewostanie.
Praw o to może być stosowane wyłącznie w naturalnych ekosyste­
mach. Niem niej i w naturalnym środowisku bilans ten jest rzadko
zrównoważony.
W yjście AOUT3, mimo sporadycznego działania, w pływ a bezpośred­
nio na wielkość przepływ ów F12 i F16. Dzięki jego działaniu całkowita
wielkość przepływu wewnętrznego F w A ulega zmniejszeniu o wartość
AOUT3.
W warunkach AO U T3 zmniejsza się także w przepływ ie F16 masa
resztek organicznych akumulujących się na powierzchni gleby 6 , ca
można wyrazić równaniem:
AF16 = F41 + A IN 2 - F12 - AO U T3
Stała i nasilająca się eksploatacja drewna, w ostatnich latach rów ­
nież igliwia, kory i karpiny, powoduje bezpowrotne usuwanie z obiegu
znacznych ilości składników mineralnych. W lesie naturalnym uzupeł­
niałyby one zapasy glebowe w okresie 40-50 lat [7]. Wzbogaceniu uległa­
by faza rozpuszczalna w nadkładzie organicznym 2 i w glebie mineralnej
3 . B yłyb y również utrzymane na naturalnym poziomie przepływ y F25
i F35. W e współczesnych warunkach należy zatem przyjąć, że bilans
mineralnych składników jest dynamicznie niezrównoważony i okresowo
ujemny.
W zagospodarowanych ekosystemach leśnych bilans ten przedstawia
się następująco:
N IN 1 + A IN 1 + P5 —F12— F16 —A V = < 0
gdzie:
3
< 0 = 2 AO U Ti,
i= l
a wielkość ДУ kształtuje się głównie pod w pływ em A O U T.
W yjścia A O U T I i AO U T2 występują skokowo i mają charakter ka­
tastrof ekologicznych. Z reguły powodują one krótko- lub długookre­
sowe załamania obiegu składników mineralnych. Na przykład po w y ­
cięciu drzewostanu nasilają się jednostronne procesy rozkładu resztek
roślinnych i próchnicy w odsłoniętym poziomie butwinowym i próchnicy
w mineralnej glebie. Zwiększają się wskutek tego wprawdzie przepływ y
F62 i F73, prawie całkowicie jednak zanikają przepływ y F12 i F16.
Efektem tego nie jest zwiększenie przepływu F25 i F35, lecz przepływ u
Geneza gleb i informatyka
345
F73 i F62 oraz wyjścia NOUT1 i NOUT2. Są to oczywiście zmiany zw ią­
zane z działalnością człowieka.
Nowa pokrywa roślinna znajduje się w fazie adaptacji do now ego
środowiska, a przepływ y F54, F12 i F I 6 zbliżają się do zera. O d 3-4 roku
istnienia uprawy leśnej wejście A IN 3 w tej sytuacji odgrywa istotną
polepszającą rolę w bilansie składników mineralnych.
P O D S U M O W A N IE
Gospodarka składnikami mineralnym i w ekosystemie leśnym zależy
od ich zasobów w glebie, atmosferze oraz żyw ej i m artwej substancji
organicznej.
Ubytek obiegających zasobów mineralnych gleby przez eksploatację
lasu lub przez ich związanie w akumulującej się substancji organicznej
powoduje zawsze znaczne zmniejszenie plonu.
Straty naturalne z EEL są częściowo uzupełniane przez asymilację
i wykorzystanie rezerw wewnętrznych i dopływów z zewnątrz. Natu­
ralne wyrównanie zachwianego bilansu w okresie gospodarczym przy
nadmiernej eksploatacji jest bardzo trudne. Równom ierne plony są
osiągalne jedyn ie pod warunkiem, że dopływ składników pokarm owych
do EEL będzie co najmniej tak samo wysoki, jak ich ubytek.
L IT E R A T U R A
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
)[7]
[8]
Bertalanffy
L. von: Biophysik des Fliessgleichgewichts. Braunschweig
1953.
Kowalkowski
A.: Badania nad m odelem dynam iki procesów gleb ow ych
w ekosystemach. Ref. Sym pozjum IB L -P T G , Sękocin 1978.
К owalkowski
A.: Założenia projektow e podsystemu inform atycznego
K A L -B IG L E B . P T G , W arszaw a 1977.
K o w a l i ń s k i S., T r u s z k o w s k a R., K o w a l k o w s k i A., O s t r ó w s k i J.: Bank in form acji o środowisku glebow ym B IG L E B (założenia ogólne)Rocz. glebozn. 30, 1979, 1, 73-84.
K r a p f e n b a u e r R.: Der forstliche Standort und dessen B elastbarkeit.
A llgem ein e Forstzeitung 88, 1977, 332-335.
K u r k i n K . A.: N iektóre problem y m etodologiczne badania biogeocenoz i k ra­
jobrazów . P roblem y m etodologii badań systemowych, W N T , W arszaw a 1973,.
212-226.
M o l c h a n o v A. A.: P rod u ctivity of pine forests in the procudin pine forest
M oscov district. B iological productivity of Forest, M oscov 1974, 78-140.
U l r i c h B., M a y e r R., К h a m z a P. K., S e e к a m p G., F a s s b e r i d e r W.
W .: Input output und interner Umsatz von chemischen Elementen bei einem
Buchen-und einen Fichtenbestand. Verh. d. Ges. f. Ökologie, G öttingen 1976„
17-28.
346
A. Kowalkowski
A. К О В А Л Ь К О В С К И
М О Д Е Л Ь В О ЗД Е Й С ТВ И Я Ч Е Л О В Е К А Н А Ц И Р К У Л Я Ц И Ю
М И Н Е Р А Л Ь Н Ы Х Э Л Е М Е Н ТО В В ЛЕ С Н О Й Э К О С И С ТЕ М Е
Отделение почвоведения и удобрения, Н аучно-исследовательский
институт лесоводства, Варшава-Сенкоцин
Ре з юме
Всякая почва в элементарном почвенном ареале (Э П А ) имеет свойствен­
ный ей уровень и интенсивность циркуляции минеральны х элементов. В естетвенных условиях подсистемы почва-древостой эта циркуляция приближ ается
к замкнутой. Регули р ует её естественный вход N IN , проток F и естественный
вы ход N O U T минеральны х элементов. Человеческая хозяйственная д ея тель­
ность нарушает равновесие входа A IN , протока A F и выхода A O U T приводя
к тому, что циркуляция является постоянно открытой. Такие нарушения цир­
куляци и элементов могут быть регулированы такж е и путем внесения мине­
р альн ы х удобрений.
A. K O W A LK O W S K I
M O D E L OF T H E “H U M A N A C T I V I T Y E F F E C T O N C IR C U L A T IO N
OF M IN E R A L E L E M E N T S IN A F O R E S T E C O SYSTE M
Department of Soil Science and Fertilization,
Forestry Research Institute, W arszaw a-Sękocin
Summa r y
Each soil in the elem entary soil area (E S A ) has a definite le v e l and circulation
in ten sity of m ineral elements. Under nautral conditions in the soil-treestand sub­
system the circulation approaches to closed one. It is regulated by a natural
input N IN , flo w F and natural output N O U T of m ineral elements. The human
a ctivity led to a disturbance of the equilibrium of the input A IN , of flo w
A F and o f the output A O U T , m aking the circulation perm anently open. The
circulation disturbances o f m ineral elements can be regulated, among others, by
m ineral fertilization.
D o c. dr hab. A l o j z y Kowal ko wsk i
Ins t y t ut Bad awczy Leśnictwa
w Sąkoclnle
4)5-550 Raszyn