Ozon w przygruntowej warstwie troposfery i jego wpływ na rośliny polskich parków narodowych.pdf

Tom 51, 2002

Numer 4 (257)

Strony 427–434

B ARBARA G ODZIK iK RYSTYNA G RODZIÑSKA

Zak³ad Ekologii

Instytut Botaniki im. W. Szafera PAN

Lubicz 46, 31-512 Kraków

e-mail: godzik@ib-pan.krakow.pl

grodzin@ib-pan.krakow.pl

OZON W PRZYGRUNTOWEJ WARSTWIE TROPOSFERY I JEGO WP£YW NA ROŒLINY

POLSKICH PARKÓW NARODOWYCH

WPROWADZENIE

W okresie powojennym, w pañstwach so-

cjalistycznych Europy Œrodkowej, wykorzy-

stywane by³y przestarza³e technologie prze-

mys³owe, w wyniku czego emisje szkodliwych

py³ów i gazów plasowa³y te kraje pod wzglê-

dem zanieczyszczenia œrodowiska na jednych

z czo³owych miejsc na œwiecie. W latach 70. i

80. XX w. zwracano g³ównie uwagê na

obci¹¿enie œrodowiska metalami ciê¿kimi i

siark¹ oraz œledzono wp³yw tych pierwiast-

ków na funkcjonowanie ekosystemów. W

ci¹gu ostatnich 10 lat, w wyniku recesji gospo-

darczej oraz przejœcia szeregu zak³adów prze-

mys³owych na nowe technologie, nast¹pi³a

znacz¹ca redukcja emisji py³ów i gazów, a

przy ni¿szej dostawie zwi¹zków zawie-

raj¹cych metale i siarkê, postêpowa³a popra-

wa jakoœci œrodowiska. Pomimo ograniczonej

emisji przemys³owych zanieczyszczeñ powie-

trza nadal obserwowany jest wysoki poziom

uszkodzeñ drzewostanów w krajach Europy

Œrodkowej. Jedn¹ z przyczyn tego stanu mo¿e

byæ wzrastaj¹cy poziom ozonu w przygrunto-

wej warstwie troposfery. Jego toksyczne od-

dzia³ywanie na roœlinnoœæ jest od dawna udo-

kumentowane (G UDERIAN 1985, K RUPA i

M ANNING 1988). Uszkodzenia drzewostanów

mog¹ byæ efektem synergistycznego od-

dzia³ywania kwaœnych zanieczyszczeñ powie-

trza (g³ównie SO 2 ,NO x ) i ozonu.

Ozon w dolnej warstwie atmosfery powsta-

je w niewielkich iloœciach wskutek wy³adowañ

atmosferycznych oraz w reakcjach fotoche-

micznych, w których bior¹ udzia³ tlenki azotu

pochodz¹ce z naturalnych Ÿróde³. Stê¿enia ozo-

nu w powietrzu, przy braku antropogenicz-

nych zanieczyszczeñ, wahaj¹ siê zwykle od 20

do 40, maksymalnie 80 gm -3 . W naszych szero-

koœciach geograficznych wy¿sze stê¿enia ozo-

nu przygruntowego pojawiaj¹ siê wraz ze zwiê-

kszon¹ insolacj¹ i zwi¹zanymi z tym wy¿szymi

temperaturami powietrza, tj. z koñcem kwiet-

nia i trwaj¹ z regu³y przez ca³e lato. Stê¿enia

ozonu maj¹ równie¿ charakterystyczny prze-

bieg w ci¹gu doby: w nocy, przy braku promie-

niowania s³onecznego niezbêdnego do jego

syntezy, s¹ niskie, natomiast najwy¿sze reje-

strowane s¹ z regu³y miêdzy godzin¹ 12 a 16.

Stê¿enia ozonu s¹ modyfikowane przez warun-

ki meteorologiczne (temperaturê, opady),

znacznie wzrastaj¹ wskutek nadmiaru tlenków

azotu i lotnych zwi¹zków organicznych po-

chodz¹cych ze Ÿróde³ antropogenicznych, któ-

re s¹ prekursorami do syntezy ozonu za-

chodz¹cej w wyniku z³o¿onych reakcji foto-

chemicznych. Niebagateln¹ rolê w emisjach

substratów do syntezy O 3 odgrywa transport

samochodowy. W Polsce liczba samochodów

osobowych wzros³a z 2,4 mln w 1980 r. do 10

mln w 2000 r. (G US 2001). Ozon jest tzw. wtór-

428

B ARBARA G ODZIK iK RYSTYNA G RODZIÑSKA

nym utleniaczem fotochemicznym, g³ównym

sk³adnikiem smogu letniego, w sk³ad którego

wchodz¹ tak¿e inne utleniacze: azotan nadtlen-

ku acetylu (PAN), azotan nadtlenku propiony-

lu (PPN), azotan nadtlenku benzoilu (PBN).

Ozon powsta³y w oœrodkach miejsko-prze-

mys³owych mo¿e byæ transportowany z masa-

mi powietrza na dalekie odleg³oœci.

POZIOM OZONU PRZYGRUNTOWEGO A ZAGRO¯ENIE ORGANIZMÓW ¯YWYCH

Zgodnie z norm¹ przyjêt¹ w Polsce od

2001r., maj¹c na wzglêdzie ochronê zdrowia

ludzi, œrednie 8-godzinne stê¿enie ozonu przy-

gruntowego nie mo¿e przekroczyæ 120 gm –3 .

Poziom dopuszczalny ozonu przygruntowego,

ze wzglêdu na ochronê roœlin, wynosi 24000

gm –3 h. Jest on wyra¿ony jako suma ró¿nic

pomiêdzy stê¿eniem œrednim godzinnym a

wartoœci¹ 80 gm –3 , obliczan¹ dla ka¿dej go-

dziny miêdzy 8 a 20, dla której stê¿enie jest wy-

¿sze ni¿ 80 gm –3 (Dziennik Ustaw 87/2001,

poz. 798). WskaŸnik ten obliczany jest dla okre-

su wegetacyjnego (od l maja do 31 lipca). Od

stycznia 2010 r. obowi¹zuj¹ca norma, ze wzglê-

du na ochronê roœlin, wynosiæ bêdzie 18000 g

m –3 h. Norma ta wynika ze wskaŸnika AOT40,

który oznacza, ¿e stê¿enie ozonu wyra¿one

jako kumulacyjna dawka, w której zlicza siê

wszystkie stê¿enia wy¿sze ni¿ 40 ppb (czêœci

na bilion, l ppb = l,96 gm –3 ) w okresie sezonu

wegetacyjnego (kwiecieñ–wrzesieñ) nie mo¿e

przekraczaæ 10 ppm (czêœci na milion)

(S TANNERS iB ORDEAU 1995). Jeszcze inny

wskaŸnik okreœla, ¿e œrednie stê¿enie ozonu

wy¿sze ni¿ 60 w ci¹gu okresu wegetacyjnego

powoduje widoczne uszkodzenia roœlinnoœci

(F UHRER i wspó³aut. 1997).

Ozon, dostaj¹c siê przez otwarte w ci¹gu

dnia szparki po³o¿one po spodniej czêœci w liœ-

ciach roœlin, uszkadza b³ony komórkowe i inne

wewnêtrzne struktury, jak chloroplasty i mito-

chondria. Dyfunduj¹c miêdzy komórkami miê-

kiszu g¹bczastego (po³o¿onymi bezpoœrednio

wokó³ i nad szparkami) dociera do miêkiszu

palisadowego (który znajduje siê bli¿ej

wierzchniej powierzchni liœcia), powoduj¹c

jego uszkodzenia (Ryc. 1). Ozon zak³óca zatem

procesy fotosyntezy, a tak¿e oddychania. W wy-

niku tych zmian, przy krótkotrwa³ych, lecz wy-

sokich stê¿eniach ozonu (> 50 gm –3 )na

wierzchniej stronie liœci, miêdzy nerwami, w

miejscach obumarcia komórek, pojawiaj¹ siê

nekrozy. Pocz¹tkowo s¹ to bia³e, metalicznie

po³yskuj¹ce plamki, z czasem ciemniej¹ce. Ich

wielkoœæ jest zwi¹zana z liczb¹ obumar³ych ko-

mórek. Inny zwi¹zek, który jest tak¿e obecny w

smogu fotochemicznym — PAN (azotan nad-

tlenku acetylu), powoduje uszkodzenia komó-

rek po³o¿onych w bezpoœrednim otoczeniu

szparek, po³o¿onych po spodniej stronie liœcia

(Ryc. 1). Po obumarciu tych komórek po-

Ryc. 1. Przekrój blaszki liœciowej – uszkodzenia

komórek miêkiszu palisadowego spowodowane

przez ozon (O 3 ) i miêkiszu g¹bczastego wokó³

szparek w wyniku oddzia³ywania azotanu nad-

tlenku acetylu (PAN).

wstaj¹ce nekrozy widoczne s¹ po spodniej

stronie liœcia. W zale¿noœci od po³o¿enia ne-

kroz (górna lub dolna powierzchnia liœcia) mo-

¿na zatem okreœliæ zwi¹zek, który by³ przy-

czyn¹ ich powstania. Przy d³ugotrwa³ych, choæ

niskich stê¿eniach ozonu liœcie staj¹ siê

¿ó³tawe lub br¹zowe w wyniku zaburzenia pro-

cesów fotosyntezy i wczeœniej opadaj¹. Za-

chwianie procesów ¿yciowych roœlin (fotosyn-

teza, oddychanie) mo¿e spowodowaæ zwiêk-

szon¹ wra¿liwoœæ roœlin na choroby i szkodni-

ki, jak równie¿ zmniejszenie wysokoœci plo-

nów, tak roœlin uprawnych, jak i dziko

rosn¹cych.

Stê¿enie ozonu przygruntowego w wyso-

koœci 50 ppb ( 100 gm –3 ) powoduje u ludzi

bóle g³owy, przy stê¿eniach 60 ppb ( 120 g

m –3 ) podra¿nienie oczu, kaszel i dusznoœci u

Ozon w przygruntowej warstwie troposfery i jego wp³yw na roœliny polskich parków narodowych 429

osób wra¿liwych i chorych na astmê, a przy stê-

¿eniach powy¿ej 100 ppb ( 200 gm –3 ) bóle

klatki piersiowej, podra¿nienie œluzówki, swê-

dzenie oczu, choroby dróg oddechowych

(nosa, gard³a, p³uc). Szczególnie nara¿one na

szkodliwy wp³yw ozonu przygruntowego s¹

dzieci i s³absze, starsze osoby. Z tego wzglêdu

przy wysokich stê¿eniach tego gazu w powie-

trzu nie powinny one przebywaæ poza po-

mieszczeniami.

Ozon troposferyczny ma równie¿ swój

udzia³ w tzw. globalnych zmianach klimatycz-

nych. Jest jednym z gazów szklarniowych. I

choæ w tych przemianach pe³ni mniejsz¹ rolê,

gdy¿ efekt szklarniowy powoduje g³ównie

para wodna zawarta atmosferze, to jednak

du¿y wp³yw na wzrost globalnej temperatury

maj¹ gazy pochodzenia antropogenicznego,

jak dwutlenek wêgla, metan, podtlenek azotu i

ozon. W stosunku do wyników badañ prowa-

dzonych w drugiej po³owie XIX w., od

pocz¹tku lat 70. przybywa w troposferze œred-

nio 0,5–1,0% ogólnej iloœci ozonu (O BRÊBSKA -

S TARKEL iS TARKEL 1991).

METODY POMIARU OZONU PRZYGRUNTOWEGO

Stê¿enie ozonu przygruntowego okreœla

siê metod¹ pasywn¹ i ci¹g³¹. Metoda pasywna

polega na ekspozycji w terenie, w dwutygo-

dniowych lub miesiêcznych odcinkach czaso-

wych od pocz¹tku maja do koñca wrzeœnia,

próbników (Ogawa & Co, Pompano Beach, FL,

USA) (Ryc. 2) zawieraj¹cych filtry nas¹czone

zwi¹zkami azotynowymi, które w obecnoœci

ozonu w powietrzu tworz¹ zwi¹zki azotano-

we. Ich stê¿enie okreœla siê metod¹ chromato-

grafii jonowej (Dionex-100) i przelicza na-

stêpnie na stê¿enie ozonu. Stosuj¹c t¹ metodê

pomiaru otrzymujemy œrednie stê¿enie dla

okresu ekspozycji próbników w terenie. Po-

miar ci¹g³y, wymagaj¹cy dostêpu do energii

elektrycznej, jest zapisem stê¿eñ ozonu doko-

nywanym przy pomocy miernika (UV O 3 -The-

rmo Environmental Model 49C). Pomiar

ci¹g³y pokazuje, jakie s¹ przebiegi stê¿eñ ozo-

nu w ci¹gu godziny, doby, czy miesi¹ca. Do-

wiadujemy siê z niego, kiedy wyst¹pi³y i jak

d³ugo siê utrzymywa³y wartoœci maksymalne,

jak i minimalne. Pomiar ci¹g³y jest równie¿ ko-

nieczny do kalibracji wyników uzyskanych z

pomiarów pasywnych.

Ryc. 2. Próbniki pasywne do pomiaru ozonu

(OGAWA & Co., Pompano Beach, FL, USA).

BADANIA OZONU PRZYGRUNTOWEGO W POLSCE

Jeœli pomin¹æ badania wykonane w dru-

giej po³owie XIX w. (D EGÓRSKA i wspó³aut.

1996), wspó³czesne pomiary ozonu przy-

gruntowego wykonywane s¹ od niedawna

(pocz¹tek lat 90.). Zapocz¹tkowano je w Kra-

kowie i rejonie dawnego województwa kra-

kowskiego (B YTNEROWICZ i wspó³aut. 1993;

G ODZIK 1997a, b, 1998a, 2000; T URZAÑSKI i

P AULI -W ILGA 1999), a nastêpnie przeniesio-

no je poza tereny miejskie i podmiejskie oraz

do obszarów chronionych — wybranych par-

ków narodowych (B YTNEROWICZ i wspó³aut.

1998, 2002; G ODZIK 1998b, 2000). Badania te

s¹ prowadzone w ramach programów miê-

dzynarodowych sponsorowanych przez US

Forest Service i II Fundusz im. Marii Sk³odow-

skiej-Curie.

430

B ARBARA G ODZIK iK RYSTYNA G RODZIÑSKA

STÊ¯ENIA OZONU PRZYGRUNTOWEGO W PARKACH NARODOWYCH

NIZINNE I GÓRSKIE PARKI NARODOWE W

POLSCE (SEZON WEGETACYJNY 1996)

packich parkach narodowych po³o¿onych w

Polsce (Babiogórskim, Tatrzañskim, Pieniñ-

skim, Magurskim i Bieszczadzkim), gdzie po-

miary prowadzono w latach 1996–1999, stê¿e-

nia ozonu by³y równie¿ zró¿nicowane

(G ODZIK 1998b, 2000; B YTNEROWICZ i

wspó³aut. 2002) (Ryc. 4). Zró¿nicowanie to

Stê¿enia ozonu przygruntowego mierzono

w czterech parkach narodowych po³o¿onych

na transekcie poprowadzonym z po³udniowe-

go zachodu (park Karkonoski) i po³udnia

(park Babiogórski), poprzez centrum (park

Kampinoski), ku pó³nocno-wschodnim obsza-

rom naszego kraju (park Bia³owieski). Okaza³o

siê, ¿e œrednie stê¿enia ozonu za okres od 1

czerwca do 30 wrzeœnia wyraŸnie mala³y

wzd³u¿ tego transektu. Najwy¿sze stê¿enia ozo-

nu wystêpowa³y w parkach górskich (Karko-

noski — 48 gm -3 ; Babiogórski — 46 gm -3 ), nie-

co ni¿sze w nizinnym parku Kampinoskim (40

gm -3 ) i dwukrotnie ni¿sze, w stosunku do par-

ku Karkonoskiego, w parku Bia³owieskim (25

gm -3 ). Taki rozk³ad przestrzenny stê¿eñ ozo-

nu jest zgodny ze stopniem uszkodzenia drze-

wostanów (W AWRZONIAK i wspó³aut. 1996,

2000; E LVINGSON 1998).

Ryc. 4. Œrednie dla sezonów wegetacyjnych

(1997–1999) stê¿enia ozonu (±SD) w górskich

parkach narodowych

by³o zwi¹zane g³ównie z po³o¿eniem stano-

wisk (wysokoœæ nad poziomem morza, relief

terenu). Wysokie stê¿enia ozonu w Bieszczadz-

kim Parku Narodowym odleg³ym od oœrodków

miejsko-przemys³owych, by³y spowodowane

obecnoœci¹ w dolnej warstwie troposfery tlen-

ków azotu i lotnych zwi¹zków organicznych

pochodz¹cych z wypalarni wêgla drzewnego,

których ponad 200 jest zlokalizowanych na

ca³ym obszarze Bieszczad.

PARKI NARODOWE W KARPATACH (REPUBLIKA

CZECH, S£OWACJA, POLSKA, UKRAINA,

RUMUNIA; SEZONY WEGETACYJNE 1996–1999)

Stê¿enia ozonu przygruntowego by³y mie-

rzone metod¹ pasywn¹, w trzech kolejnych se-

zonach wegetacyjnych (1997–1999), w 26 sta-

nowiskach leœnych rozmieszczonych w ca³ym

³uku Karpat (Ryc. 3). W dwóch stanowiskach

by³ dokonywany równie¿ pomiar ci¹g³y ozonu.

Œrednie stê¿enia ozonu za okres wegetacyjny

waha³y siê od 40 do ponad 100 gm -3

(B YTNEROWICZ i wspó³aut. 1998, 2002). Stê¿e-

nia dwutygodniowe by³y najwy¿sze (> 100 g

m -3 ) w Karpatach Zachodnich; w Karpatach

Wschodnich i Po³udniowych by³y ni¿sze, ale

przekracza³y na ogó³ 80 gm -3 (Ryc. 3). W kar-

TATRZAÑSKI PARK NARODOWY (POLSKA — TPN,

S£OWACJA — TANAP; SEZONY WEGETACYJNE

1998–2000)

Stê¿enia ozonu przygruntowego, mierzone

równie¿ metod¹ pasywn¹, w 18 stanowiskach

rozmieszczonych w polskiej i s³owackiej czêœci

Tatr wykazywa³y du¿e zró¿nicowanie w zale-

Ryc. 3. Œrednie dla sezonu wege-

tacyjnego (maj–wrzesieñ 1998)

stê¿enia ozonu w Karpatach.

Ozon w przygruntowej warstwie troposfery i jego wp³yw na roœliny polskich parków narodowych 431

¿noœci od warunków lokalnych (wysokoœæ nad

poziomem morza, temperatura, opady, itp.)

oraz od okresu pomiaru (miesi¹c, rok). Œrednie

stê¿enia ozonu za okres wegetacyjny (1 maj —

30 wrzesieñ) w latach 1998–2000 wynosi³y od

64 do 122 gm -3 (Tabela 1). Najwy¿sze stê¿enia

ozonu stwierdzono w polskiej czêœci Tatr na

tych pomiarów najwy¿sze stê¿enia godzinne w

poszczególnych miesi¹cach waha³y siê od 160

do 200 gm -3 , a œrednie miesiêczne stê¿enia

osi¹ga³y wartoœæ 100 gm -3 . Krzywe przebiegu

dobowych stê¿eñ ozonu by³y odmienne dla

obu stacji. Na Równi Krupowej minimalne stê-

¿enia wystêpuj¹ce w nocy by³y czêsto bliskie

Tabela 1. Stê¿enia ozonu przygruntowego ( gm –3 ) w Tatrach polskich i s³owackich oraz na

Guba³ówce.

A — zakresy stê¿eñ dla dwutygodniowych okresów ekspozycji próbników pasywnych,B—wartoœci œrednie dla

sezonów wegetacyjnych.

Stanowisko

Wysokoœæ

1998

1999

2000

mn.p.m.

Guba³ówka

1120

43–106

63–122

78–116

Dolina Chocho³owska

1340

78–118

100

56–107

59–123

Dolina Koœcieliska

1050

59–88

53–102

41–120

Sarnia Ska³a

1370

83–116

78–118

61–200

109

Ma³a Krokiew

1360

80–123

101

63–118

59–157

101

Morskie Oko

1410

80–103

61–100

60–121

G³odówka

1080

67–107

58–97

52–106

Biela Skala

870

76–113

66–104

61–127

Rohacska Dolina

1370

79–127

100

72–108

69–126

Podbanske

1240

75–121

48–119

72–125

Strbske Pleso I

1350

75–125

104

46–124

68–138

105

Strbske Pleso II

1560

–

74–131

68–132

106

Vysne Hagy I

1160

58–89

54–92

41–99

Vysne Hagy II

1480

–

77–114

60–129

101

Skalnate Pleso

1770

98–127

112

74–140

102

85–138

112

Start

1230

85–190

121

85–157

122

39–192

122

Stara Lesna

810

47–83

50–87

31–90

Javorina

1170

–

49–100

60–133

Ma³ej Krokwi i Sarniej Skale, a tak¿e na przy-

leg³ej do Tatr Guba³ówce. Wszystkie te stano-

wiska usytuowane by³y na szczytach, w miej-

scach dobrze nas³onecznionych i przewietrza-

nych. W Tatrach s³owackich maksymalne war-

toœci wystêpowa³y te¿ na najwy¿ej po³o¿onych

stanowiskach (Tabela 1). Najni¿sze stê¿enia

ozonu rejestrowano natomiast w ni¿ej

po³o¿onych, mniej wystawionych na dzia³anie

promieni s³onecznych i os³oniêtych od

nap³ywu zanieczyszczeñ dolinach. W dwóch

stanowiskach (Guba³ówka, Równia Krupo-

wa-Zakopane) stê¿enia ozonu przygruntowe-

go okreœlano równie¿ metod¹ ci¹g³¹. Wed³ug

zeru, podczas gdy na Guba³ówce z regu³y nie

spada³y poni¿ej 40 gm -3 (Ryc. 5). Jest to

zwi¹zane z rozk³adem ozonu w ci¹gu nocy

wskutek reakcji z tlenkiem azotu, którego stê-

¿enie w mieœcie jest zwykle wy¿sze ni¿ w stano-

wiskach pozamiejskich.

TATRY WYSOKIE — OBIEKT WIELOSTRONNYCH

BADAÑ PRZYRODNIKÓW POLSKICH I

S£OWACKICH

Badania poziomu ozonu przygruntowego,

a tak¿e dwutlenku siarki (SO 2 ) i dwutlenku azo-

tu (NO 2 ), koncentruj¹ siê obecnie w Tatrach

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: