5. Charakterystyka gleb leśnych

5.1. Stan gleb jesienią 1999

Na stałych powierzchniach obserwacyjnych II rzędu reprezentowanych jest 11 typów gleb, przy czym na 59% powierzchni występują gleby zaliczane do najuboższych, a więc bielice, gleby bielicowe oraz rdzawe. Spośród gleb uważanych za stosunkowo żyzne najliczniej reprezentowane są gleby brunatne właściwe oraz brunatne kwaśne (31,7% powierzchni) - Tab. 4. W większości zostały one wytworzone z utworów piaszczystych, a ich poziom brunatnienia z reguły nie spełnia kryteriów poziomu diagnostycznego cambic.

Uziarnienie (skład granulometryczny) gleb jest, obok zawartości węgla organicznego, głównym wskaźnikiem ich potencjalnej żyzności. Od zawartości części spławialnych, a zwłaszcza od zawartości iłu koloidalnego zależy między innymi zasobność gleb w takie składniki pokarmowe jak fosfor, potas, wapń, magnez, czy mikroelementy, a także pojemność wodna. Tymczasem poziomy akumulacyjne 58,8% gleb na SPO II rzędu wykazują uziarnienie piasku luźnego lub słabogliniastego, a zawartość iłu koloidalnego w 70,3% przypadków nie przekracza 5%, przy czym aż 29,1% poziomów akumulacyjnych zawiera niewykrywalne ilości tych cząstek - Tab. 5. Gleby piaszczyste, zawierające niewielkie ilości iłu koloidalnego, cierpią z reguły na niedostatek wody, są ubogie w składniki pokarmowe oraz charakteryzują się bardzo dużą wrażliwością na zmiany w środowisku. Tak więc ponad 2/3 gleb na SPO II rzędu zaliczyć należy do kategorii gleb o małych zdolnościach buforowych, nie tylko w stosunku do jonów wodorowych (odczyn), ale także w stosunku do innych komponentów kompleksu sorpcyjnego.

Całkowita zawartość fosforu, potasu, wapnia i magnezu była najwyższa w próchnicy nadkładowej i zmniejszała się stopniowo w miarę wzrostu głębokości. Wyjątek w tym względzie stanowiły gleby brunatne, w których wraz ze wzrostem głębokości obserwowano często zwiększanie się zawartości wapnia i magnezu.

Odczyn gleb na powierzchniach zmieniał się wraz z głębokością. Z reguły najbardziej kwaśna była próchnica nad-kładowa, natomiast wartość pH warstw mineralnych rosła wraz ze wzrostem głębokości. Odczyn próchnicy nadkłado-wej zależał od drzewostanu. W drzewo-stanach świerkowych wahał się od pH 2,77 do 4,06, średnia wartość odczynu pH wynosiła 3,20. Podobnym odczynem charakteryzowały się ektopróchnice gleb spod drzewostanów sosnowych (średnie pH wynosiło 3,22). Amplituda była tu znacznie większa: od pH 2,61 do 4,66. Odczyn próchnic nadkładowych gleb spod drzewostanów liściastych był znacznie wyższy i w drzewostanach bukowych wahał się od pH 3,14 do 5,09, a w drzewostanach dębowych od pH 3,38 do 5,47 średnie wartości pH dla próchnic nadkładowych gleb spod drzewostanów bukowych i dębowych wynosiły odpowiednio 3,91 i 4,03.

Jedną z ważniejszych cech gleb, mającą bezpośredni wpływ na ich żyzność są właściwości sorpcyjne, charakteryzowane takimi parametrami jak: zawartość zasadowych i kwasowych kationów wymiennych, kwasowość wymienna, pojemność sorpcyjna oraz stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego zasadami. Dzięki właściwościom sorpcyjnym gleby mają zdolność regulowania odczynu, magazynowania składników pokarmowych oraz neutralizacji substancji chemicznych szkodliwych dla organizmów żywych.

Łączna zawartość wymiennych form wapnia, magnezu, potasu i sodu zwana sumą zasad (Sz) w leżącej bezpośrednio pod ektopróchnicą warstwie mineralnej wahała się od 0,16 do 24,18 cmolc.kg-1. Najniższe ilości zasadowych kationów wymiennych w wierzchnich warstwach mineralnych stwierdzano w bielicach oraz w glebach bielicowych i rdzawych, a najwyższe w madzie rzecznej oraz w glebach brunatnych, brunatnych kwaśnych i płowych.

Glin jest, po tlenie i krzemie, najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w litosferze (7,45%). Zawartość wymiennego glinu w warstwie 0-5 cm analizowanych gleb wahała się od 0,27 do 10,93 cmolc.kg-1 i była ściśle skorelowana z kwasowością wymienną (r = 0,9735).

Pojemność sorpcyjna (T) warstwy mineralnej monitorowanych gleb, leżącej bezpośrednio pod próchnicą nadkładową, wahała się od ekstremalnie słabej (0,91 cmolc.kg-1) do bardzo silnej (24,70 cmolc.kg-1) i zależała do zawartości iłu koloidalnego oraz węgla organicznego. Pojemność sorpcyjna z reguły zmniejszała się wraz ze wzrostem głębokości pobrania próbki.

Stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego zasadami (V) stanowiący procentowy udział kationów zasadowych (Ca2+, K+, Mg2+, Na+) w całkowitej pojemności sorpcyjnej jest również ważną cechą żyzności gleby. Wartość V w warstwie 0-5 cm gleb wahała się od 6,76% do 97,9%. Przyjmuje się, że szczególnie narażone na szybkie zakwaszenie są gleby, których V jest mniejszy niż 25%. Tak niskim stopniem wysycenia kompleksu sorpcyjnego zasadami charakteryzowało się aż 63% badanych gleb.

Analizując poszczególne właściwości w ramach typów gleb reprezentowanych na SPO II rzędu można, podobnie jak w 1996 roku, uszeregować badane gleby leśne według ich żyzności (od gleby najmniej do najbardziej żyznej): bielice < gleby bielicowe = gleby rdzawe < gleby płowe < gleby brunatne kwaśne < gleby brunatne właściwe

5.2. Zmiany wybranych parametrów gleb w okresie: jesień 1995 lub 1996 - jesień 1999

Po zakończeniu drugiego cyklu pomiarów możliwe było dokonanie próby określenia zmian, jakie zaszły w monitorowanych glebach leśnych w ciągu ostatnich czterech lat. Do porównań wybrano takie parametry gleb jak: całkowita zawartość fosforu, potasu, wapnia, magnezu oraz cynku jako przedstawiciela mikroelementów, a także odczyn, zawartość wymiennych form wapnia, magnezu (przedstawiciele zasadowych kationów wymiennych), glinu (przedstawiciel kwasowych kationów wymiennych) oraz stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego zasadami. Wymienione parametry (cechy) można podzielić ze względu na ich podatność na zmiany na dwie grupy:

- stabilne cechy gleb, nie ulegające zmianom w ciągu jednego czy kilku sezonów wegetacyjnych,

- labilne cechy gleb, mogące ulec znaczącym zmianom w ciągu okresu czasu mierzonego jednym lub kilkoma sezonami wegetacyjnymi.

Ponieważ w obiegu składnika pokarmowego w ekosystemie biorą udział jedynie formy przyswajalne i aktywne, które stanowią z reguły co najwyżej kilka procent jego całkowitej zawartości w glebie, całkowita zawartość składników pokarmowych nie podlega znaczącym zmianom w stosunkowo krótkim okresie czasu i jest zaliczana do stabilnych cech gleby. Labilne cechy gleby to odczyn oraz właściwości sorpcyjne, charakteryzowane takimi parametrami jak: zawartość wymiennych form wapnia, magnezu, potasu, sodu, glinu, manganu, żelaza, kwasowość wymienna, pojemność sorpcyjna oraz stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego zasadami, mogące ulegać znaczącym zmianom w stosunkowo krótkim okresie czasu. Zmiany jednych parametrów gleby mogą pociągać za sobą zmiany innych. Jeżeli na przykład wzrost stężenia kwasotwórczych zanieczyszczeń powietrza spowoduje spadek pH gleby, to nastąpi również zmniejszenie się ilości ładunków ujemnych (zależnych od pH) na koloidach glebowych, a tym samym dojdzie do zmniejszenia się pojemności sorpcyjnej (aktualnej) tej gleby.

Zmiany, jakim wymienione wyżej parametry gleb uległy w ciągu ostatnich czterech lat (SPO w drzewostanach iglastych) lub trzech lat (SPO w drzewostanach liściastych), określano z następującego wzoru:

Ze względu na dużą heterogeniczność gleb oraz trudności metodyczne występujące w ich analityce przyjmuje się powszechnie, że odchylenie 20% od wartości rzeczywistej mieści się w granicach błędu. Zgodnie z tym, w niniejszym opracowaniu o zmianie mierzonych cech gleby mówi się wtedy, gdy zwiększenie/zmniejszenie wartości przekracza 20% wartości początkowej.

W okresie między pierwszym i obecnym cyklem analiz prób glebowych zawartość fosforu w glebach pod drzewostanami liściastymi nie uległa zmianie. W glebach pod drzewostanami świerkowymi zmiany w zawartości fosforu były również niewielkie. W większości próbek pobranych z różnych warstw gleb spod drzewostanów sosnowych zmiany mieściły się w granicach błędu ( +-20%), w pozostałych próbkach zaobserwowano jednak wyraźną tendencję wzrostu zawartości fosforu w ektopróchnicy oraz w wierzchnich warstwach mineralnych, podczas gdy spadek zawartości tego składnika, jeżeli miał miejsce, występował z reguły w głębszych warstwach mineralnych.

Zawartość całkowitych form makroelementów będących metalami (potasu, wapnia i magnezu) była wielkością stosunkowo stałą. Niezależnie od rodzaju drzewostanu ich zawartość w rozpatrywanym okresie nie uległa znaczącym zmianom.

Cynk jest przedstawicielem mikroelementów, a więc składników pokarmowych pobieranych przez rośliny w ilościach o 2-3 rzędy wielkości niższych niż składniki omówione wcześniej. Oznaczanie ilości tego pierwiastka obarczone jest znacznym błędem, z reguły przekraczającym 20%. Całkowita zawartość cynku w monitorowanych glebach leśnych zmieniła się o ponad 20% w ciągu czterech lat w 34% analizowanych próbek. Gdyby rozszerzyć pas błędu wynikającego z heterogeniczności gleb oraz z niedoskonałości technik pomiarowych do 33%, co wydaje się być wartością realną, okazałoby się, że w ciągu czterech lat dzielących kolejne pomiary, zmianie uległo tylko 18% analizowanych przypadków.

Odczyn gleby jest określany przez stosunek jonów wodorowych [H+] do jonów wodorotlenowych [OH-] występujących w zawiesinie glebowej. Odczyn gleb mierzony w zawiesinie gleby z roztworem CaCl2 w okresie między pierwszym i obecnym cyklem monitoringu zmienił się jedynie w 60 na 888 badanych próbek (7%). W 28 przypadkach zarejestrowano wzrost zakwaszenia, w 32 natomiast doszło do obniżenia kwasowości gleby. Zmiany odczynu gleb leśnych w ciągu ostatnich czterech lat miały charakter lokalny, a ich kierunek zależał od ilościowych i jakościowych zmian zanieczyszczeń powietrza.

Zmiany właściwości sorpcyjnych gleb w 1999 r. w stosunku do roku 1995 w zależności od typu gleby były następujące :

Bielice - Poziom próchnicy nadkładowej (O) oraz warstwa mineralna 0-5 cm (M05) charakteryzowały się wyraźnie zwiększoną - w stosunku do stanu zarejestrowanego cztery lata wcześniej - zawartością wymiennego wapnia i magnezu. Zaobserwowano także nieznaczny przyrost pojemności sorpcyjnej oraz stopnia wysycenia kompleksu sorpcyjnego zasadami w omawianych warstwach. W głębiej położonych warstwach mineralnych przyrost zawartości magnezu był nieco mniejszy, stwierdzono ponadto zmniejszanie się ilości wymiennego wapnia, co może świadczyć o przemieszczaniu tego składnika przez rośliny w górę profilu.

Gleby bielicowe (Rys. 6.) - We wszystkich warstwach mineralnych nastąpił przyrost zawartości wymiennego wapnia i magnezu. W dwóch warstwach górnych spowodowało to zwiększenie się stopnia wysycenia kompleksu sorpcyjnego zasadami. Z wyjątkiem warstwy 0-5 cm stwierdzono zwiększenie się pojemności sorpcyjnej gleb.

Gleby brunatne właściwe - W warstwie ektopróchnicy (O) oraz w warstwach mineralnych pobranych z głębokości 0-5 cm (M05), 5-10 cm (M51) oraz 10-20 cm (M12) zanotowano zwiększenie się zawartości wymiennych form Ca i Mg, wyraźny zwłaszcza w poziomie ektopróchnicy oraz w warstwach 5-10 i 10-20 cm. Próchnica nadkładowa oraz trzy górne warstwy mineralne charakteryzowały się nieznacznym wzrostem pojemności sorpcyjnej.

Gleby brunatne kwaśne (Rys. 7.) - Zanotowano wyraźny przyrost Ca, Mg oraz T (pojemność sorpcyjna) w ektopróchnicy. W warstwach mineralnych zanotowano jedynie niewielki wzrost pojemności sorpcyjnej poczynając od 5-10 cm i dalej w dół profilu.

Gleby płowe - Typ ten charakteryzował się również niewielkimi zmianami w porównaniu ze stanem zarejestrowanym cztery lata wcześniej. Zanotowano jedynie niewielki wzrost zawartości wymiennego Ca oraz pojemności sorpcyjnej w ektopróchnicy oraz w warstwie 0-5 cm, spadek stopnia wysycenia zasadami w warstwie 10-20 cm oraz niewielki wzrost wapnia w warstwie położonej najgłębiej.

Gleby rdzawe (Rys. 8.) są najliczniej reprezentowane na SPO II rzędu (45,3% udziału). W poziomie próchnicy nadkładowej tych gleb zanotowano zwiększenie się ilości wymiennych form Ca i Mg oraz pojemności sorpcyjnej. We wszystkich warstwach mineralnych gleb rdzawych nastąpił wyraźny przyrost zawartości wymiennego magnezu. W warstwach 10-20, 20-40 oraz 40-80 cm zanotowano wzrost pojemności sorpcyjnej.

Wnioskowanie o kierunkach zmian zachodzących w glebach leśnych na podstawie dwóch tylko cykli pomiarowych jest bardzo trudne. Stosunkowo prostym w interpretacji jest brak zmian zawartości tzw. całkowitych form potasu, wapnia i magnezu. Pierwiastki te występują w glebach głównie w stabilnych związkach mineralnych; tylko niewielki procent ich całkowitej zawartości bierze udział w krążeniu w ekosystemie. Pozostałe spośród omawianych parametrów, a więc całkowita zawartość fosforu, odczyn, zawartość zasadowych i kwasowych kationów wymiennych, czy też stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego zasadami są ściśle związane z przemianami związków organicznych w glebie. W 1999 roku zanotowano wyraźny przyrost zawartości węgla organicznego w próchnicach nadkładowych - zwłaszcza w drzewostanach iglastych - w stosunku do stanu sprzed czterech lat [21]. Wzrostowi zawartości węgla organicznego w glebie nie muszą towarzyszyć zmiany omawianych parametrów labilnych. Do zmian takich dochodzi dopiero na skutek procesów mineralizacji/humifikacji świeżej materii organicznej. W dalszym ciągu, w cyklu czteroletnim i we wszystkich warstwach objętych dotychczas pomiarami, należy monitorować takie cechy gleb jak zawartość węgla organicznego, azotu całkowitego (ogólnego), odczyn oraz zawartość wymiennych form kationów zasadowych i kwasowych. Czteroletni cykl pomiarów stabilnych cech gleby nie jest natomiast konieczny - proponuje się jego wydłużenie do lat dwunastu. Całkowita zawartość fosforu w części gleb uległa w omawianym okresie znaczącym zmianom, jednak ze względu na małe potrzeby pokarmowe drzew leśnych w stosunku do tego składnika z jednej strony oraz ze względu na wysoki koszt analiz chemicznych z drugiej strony, cykl pomiarów można w tym przypadku przedłużyć również do 12 lat.