A L O J Z Y K O W A L K O W S K I
M O D E L 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 leboznaw stw a i N aw ożenia Instytutu Badawczego Leśnictw a, 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 inform acji' [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 m ineralnych w elem entarnym ekosyste mie leśnym znajdującym się pod w p ływ 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 p rzy rodniczym, przede wszystkim od związanych z nim przepływ ów skład ników pokarmowych F (Flu x) w systemie gleba-roślina.
W iadomo, że każda gleba, tworząca elem entarny obszar glebow y EOG, zajm uje określoną przestrzeń i ma sw oje charakterystyczne cykle obiegów składników m ineralnych i organicznych [2, 3, 7]. W ew nątrz elementarnego ekosystemu leśnego E EL obiegi te z natury zdążają do zamkniętych cykli, a więc do stadium klimaksowego [1, 6, 7]. Są one regulowane w ejściem IN (input) i w yjściem O U T (output) energii, głów nie 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 biopro- dukcji 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
Koncepcja modelu obiegu składników m ineralnych w elem entarnym ekosystem ie leśnym
Concept of a model of circulation o f 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 przepływ u decyduj r; o aktualnej żyzności gleby i jej zdolności produkcyjnej.
W EJŚC IE
W leśnych ekosystemach znajdujących się pod presją człowieka istnie ją dwa typy wejść składników mineralnych: naturalne N IN i antropo geniczne A IN .
Naturalne wejście N IN 1 do powierzchni g le b 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 ak tyw nością człowieka powodują zmiany ilościowe i jakościowe w NIN1 do A I N 1. W ejście bezpośrednie składników m ineralnych z atm osfery składa się więc z:
N IN 1 lub AIN 1.
Oba te wejścia, w przypadku filtra c ji wód opadowych przez warstwę roślinności leśnej, są dodatkowo wzbogacane w zm ywane z powierzchni liści i ig ie ł oraz z kory składniki pochodzące z em isji (Z), a także w skład niki w ym yw ane z nadziemnych organów roślin (E). Na w ejście składni ków m ineralnych z wodam i atm osferycznym i przenikającym i przez ko rony drzewostanu składają się zatem:
N IN 1 + E lub A I N 1 E + Z
W okresach bezdeszczowych na powierzchniowej warstwie gleby na stępuje bezpośrednio akumulacja gazowych i stałych składników em isji antropogenicznej A IN 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 A IN 2. Ich składniki po chodzące z em isji zarówno pod w zględem 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 wym aga wejście związane z nawożeniem lasu A IN 3. Mimo że jest to zabieg w ykon yw an y 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 3 G i dopływających wód stokowych NIN3g. W ody gruntowe mają istotny w p ływ bezpośredni na uzupełnienie wewnątrzglebowe, o ile lustro ich znajduje się p ow yżej
2 m. P rz y głębszym występowaniu nie uwzględnia się tego wejścia. P R Z E P Ł Y W
W otw artym EEL środowiskami przepływ u 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 przepływ u o ilościowo i jakościowo róż nych cechach są zlokalizowane w przestrzeni glebow ej i nadglebowej
zajm owanej przez drzewostan. Proces przepływ u realizuje się w atmo sferze nadglebowej, w ewnątrz 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 przepływ ających 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 F12 —NIN1 + £ 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 g le bowych. W ym iana fizykochem iczna i chemiczna w naturalnych warun kach odgrywa w F62 mniejszą rolę, może natomiast być intensywna w przypadku działania A I N I lub A IN 2, a szczególnie A IN 3. W p rzy padku nie nasyconej próchnicy w nadkładzie nierozpuszczalnym 6 część przepływu F12 z fazy rozpuszczalnej 2 może być wiązana za pomocą przepływ u F26 do nierozpuszczalnej części nadkładu organicznego 6.
Podobnie w części m ineralnej rozpuszczalnej 3 przebiegają chemicz ne reakcje w ym iany z nadkładem organicznym 2 w przepływach F23 1 F32. Natomiast nierozpuszczalna część gleb y 7 może być wzbogacana potokiem F37 lub zubożana potokiem F73 oraz biologicznie pobierana — potok F35.
W obrębie rośliny pobieranie korzeniow e 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.
P rzep ływ w ew nętrzny Fw N , powodowany wym yw aniem z koron w naturalnych warunkach, opisuje równanie:
F w N = F 4 1 -F 1 6 .
W środowiskach leśnych, znajdujących się pod presją antropogenicz ną, przepływ w ew nętrzny F w A jest bezpośrednio i pośrednio wzboga
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 przepływ u 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 w ew nętrzny:
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 przepływ u wew nętrznego 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 zow any przez U l r i c h a i in. [8] wskaźnik pobrania korzeniow ego
P5 = F w N + F12 + F54
w ystępuje 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 y tw o rzyła się ścisła współzależność m iędzy szybkością przebiegających procesów a do p ływ 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 odpływ ów 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 U T3. W przypadku działania AO U T1 i AO U T2 prze p ływ w ew n ętrzn y ulega znacznemu zubożeniu:
3 2
F w A = F 4 1 + 2 A I N i - F 1 6 - 2 A O U T i
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 m ineralnych podważa możliwość rozpatrywania ich
bi-lansu z punktu widzenia prawa zachowania masy, proponowanego przez U l r i c h a i in. [8]:
NIN1 + NIN 2 + 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 AO U T3, mimo sporadycznego działania, w p ływ 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 w yrazić równaniem:
AF16 = F41 + A IN 2 - F12 - AO U T3
Stała i nasilająca się eksploatacja drewna, w ostatnich latach rów nież igliw ia, 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 A O U Ti, i = l
a wielkość ДУ kształtuje się głównie pod w p ływ 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 poziom ie butw inow ym i próchnicy w mineralnej glebie. Zwiększają się wskutek tego w prawdzie p rzepływ y F62 i F73, prawie całkowicie jednak zanikają przepływ y F12 i F16. Efektem tego nie jest zwiększenie przepływ u F25 i F35, lecz przepływ u
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 m ineralnym i w ekosystemie leśnym zależy od ich zasobów w glebie, atmosferze oraz żyw ej i m artw ej substancji organicznej.
Ubytek obiegających zasobów mineralnych gleb y przez eksploatację lasu lub przez ich związanie w akumulującej się substancji organicznej pow oduje 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 p rzy nadmiernej eksploatacji jest bardzo trudne. Równom ierne plony są osiągalne jedyn ie pod warunkiem, że dopływ składników pokarm owych do E EL będzie co najmniej tak samo wysoki, jak ich ubytek.
L IT E R A T U R A
[1] B e r t a l a n f f y L. von: Biophysik des Fliessgleichgew ichts. Braunschw eig 1953.
[2] K o w a l k o w s k i A.: Badania nad m odelem dynam iki procesów gleb ow ych w ekosystemach. R ef. Sym pozjum IB L -P T G , Sękocin 1978.
[3] К o w a l k o w s k i A.: Założenia p rojek tow e podsystemu inform atycznego K A L -B IG L E B . P T G , W arszaw a 1977.
[4] 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.
[5] 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.
[6] K u r k i n K . A.: N iektóre problem y m etodologiczne badania biogeocenoz i k ra jobrazów . P rob lem y m etodologii badań system owych, W N T , W arszaw a 1973,. 212-226.
)[7] M o l c h a n o v A. A.: P ro d u ctivity of pine forests in the procudin pine forest M oscov district. B iological produ ctivity o f Forest, M oscov 1974, 78-140. [8] 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 Um satz von chemischen Elem enten bei einem Buchen-und einen Fichtenbestand. Verh. d. Ges. f. Ökologie, G öttingen 1976„ 17-28.
A. К О В А Л Ь К О В С К И М О Д Е Л Ь В О З Д 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 Т О В В Л Е С Н О Й Э К О С И С ТЕ М Е О тделение почвоведения и удобрения, Н аучно-исследовательский институт лесоводства, Варшава-Сенкоцин Р е з ю м е Всякая почва в элементарном почвенном ареале (Э П А ) имеет свойствен ный ей уровень и интенсивность циркуляции м инеральны х элементов. В есте- твенных услови я х подсистемы почва-древостой эта циркуляция приближ ается к замкнутой. Р егули р ует её естественный вход N IN , проток F и естественный вы ход N O U T м инеральны х элементов. Человеческая хозяйственная д ея тель ность нарушает равновесие входа A IN , протока A F и вы хода A O U T приводя к тому, что циркуляция является постоянно открытой. Такие нарушения цир куляц и и элементов могут быть регулированы такж е и путем внесения мине р а льн ы х удобрений. A . K O W A L K O W S K I M O D E L O F 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 S Y S T E M
Departm ent of Soil Science and Fertilization, Forestry Research Institute, W arszaw a-Sękocin
S u m m a 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 o f m ineral elements. U nder 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 o f 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 elem ents 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
