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