Chemical Denudation in a Geoecosystem in Acid Immision Conditions / Denudacja Chemiczna W Geoekosystemie W Warunkach Kwaśnej Imisji

• Authors: Rafał Kozłowski , Marek Jóźwiak
• Languages of publication: EN

Abstracts

EN

There is an analysis of the physico-chemical properties and the chemical composition of precipitation in a forest geoecosystem in acid immision conditions. The data used in the analysis was collected between 2000 and 2010. In that period, a drop in the immision scale of S-SO2 in the atmospheric air had been observed, which consequently was one of the reasons for a drop in the precipitation acidity. The conclusion was that rainwater, after penetrating treetops and trunks, undergoes a significant transformation whose intensity depends on species composition of the forest stand. Statistically relevant differences were found in coniferous stands, in which a substantial drop in pH was noted, in addition to an increase in the load of components accumulated in the soil in relation to atmospheric precipitation. The calculated indicators of the eco-chemical state of waters (Ma%) have revealed that throughfall waters in coniferous stands and fir and beech stemflow contain significant amounts of aluminium, manganese, iron and hydrogen ions in the sum of cations. Also the indicator of acid-neutralizing capacity (ANCaq) shows that these waters are more enriched with sulfate, nitrate and chloride ions than bulk precipitation. The recorded variation eventuates from processes related to dry and humid deposition, as well as ion-exchange processes occurring within the stand. The obtained results point to an intensification of chemical denudation within the trunks, triggering disadvantageous changes in both biotic and abiotic part of the ecosystem. The effects of the increased inflow of souring agents to the soil through stemflow are significant acidification of the top mineral soil horizon and an increase in the hydrolytic acidity.

PL

Dokonano analizy właściwości fizyczno-chemicznych i składu chemicznego opadów atmosferycznych w ekosystemie leśnym w warunkach kwaśnej imisji. Dane przyjęte do analizy objęły lata 2000-2010. W ww. okresie stwierdzono spadek wielkości imisji S-SO2 w powietrzu atmosferycznym, co w konsekwencji było jedną z przyczyn spadku kwasowości opadów atmosferycznych. Stwierdzono, że wody opadowe po przejściu przez strefę koron i pni drzew ulegają znaczącej transformacji, której intensywność zależy od składu gatunkowego drzewostanu. Istotnie statystyczne różnice stwierdzono w przypadku drzewostanu iglastego, w którym odnotowano znaczący spadek wielkości pH oraz wzrost ładunku składników deponowanych do gleb w odniesieniu do opadu atmosferycznego. Obliczone wskaźniki ekochemicznego stanu wód (Ma [%]) wykazały, że zwłaszcza wody opadu podkoronowego w drzewostanie iglastym oraz spływające po pniach jodeł i buków zawierają znaczne ilości jonów glinu, manganu, żelaza oraz wodoru w całkowitej sumie kationów. Również wskaźnik pojemności zobojętniania kwasów (ANCaq) wskazuje, że wody te są znacznie bardziej wzbogacone w jony siarczanowe, azotanowe i chlorkowe niż opad bezpośredni. Stwierdzona zmienność wynika z procesów związanych z suchą i wilgotną depozycją oraz procesami jonowymiennymi zachodzącymi w obrębie drzewostanu. Uzyskane wyniki wskazują na znaczne obciążenie tych wód składnikami zakwaszającymi, które doprowadzają do intensyfikacji denudacji chemicznej w obrębie pni drzew, wywołując niekorzystne zmiany zarówno w odniesieniu do biotycznej, jak i abiotycznej części ekosystemu. Efektem wzmożonego dopływu substancji zakwaszających do gleb z wodami spływającymi po pniach jest znaczące zakwaszenie wierzchniego mineralnego poziomu gleb oraz wzrost kwasowości hydrolitycznej.

Keywords

EN

precipitation; throughfall; stemflow; soil acidification

PL

opad atmosferyczny; opad podkoronowy; spływ po pniach; zakwaszenie gleb

• Publisher: De Gruyter Open
• Journal: Ecological Chemistry and Engineering S
• Year: 2013
• Volume: 20
• Issue: 1
• Pages: 41-54

Dates

published

1 - 03 - 2013

online

23 - 02 - 2013

Contributors

author

Rafał Kozłowski

• Department of Environment Protection and Modelling, The Jan Kochanowski University, ul. Świętokrzyska 15G, 25-406 Kielce, Poland

author

Marek Jóźwiak

• Department of Environment Protection and Modelling, The Jan Kochanowski University, ul. Świętokrzyska 15G, 25-406 Kielce, Poland

References

• [1] Kostrzewski A, Zwolinski Z. The share of mechanical and chemical denudation in the modern system of geomorphologic upper Parseta (West Pomerania). Prace Geogr. IG i PZ PAN;1991:1-159.
• [2] Grodzinska K, Laskowski R. Environmental Assessment and Biogeochemistry of a Moderately Polluted Ratanica Catchment (Southern Poland). Warszawa: Biblioteka Monitoringu Srodowiska; 1996:1-139.
• [3] Jozwiak M. Functioning of the selected geoecosystem in the Holy Cross Mts. under acid immision (Central Poland). Przegl Geolog. 2001;49(9):775-779.
• [4] Kozlowski R, Jozwiak M, Jozwiak MA, Rabajczyk A. Chemism of atmospheric precipitation as a consequence of air pollution: the case of Poland’s Holy Cross Mountains. Polish J of Environ Stud. 2011;20(4):919-924.
• [5] Lorz C, Kowalkowski A, Jozwiak M, Kozlowski R, Schneider B. The recovery of acidified stream waters - A comparative case study from the Western Ore Mts. (Erzgebirge) and the Holy Cross Mts. (Swietokrzyskie Mts.). Hercynia N.F. 2005;38:41-58 (in German).
• [6] Polkowska Z, Astel A, Walna B, Malek S, Medrzycka K, Gorecki T, Siepak J, Namiesnik J. Atmos Environ. 2005;39:837-855. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2004.10.026.[Crossref]
• [7] Augustin S, Bolte A, Holzhausen M, Wolff B. Europ J Forest Res. 2005;124:289-300. DOI: 10.1007/s10342-005-0095-1.[Crossref]
• [8] Jozwiak M, Kozlowski R. Deposition of selected metals in the Świętokrzyskie Mountains and their influence on changes of soil pH. Ecol Chem Eng A. 2008;15(11):1239-1256.
• [9] Polkowska Z, Blas M, Sobik M, Klimaszewska K, Malek S, Namiesnik J. Various forms of atmospheric precipitaion and deposits as a measure of environmental pollution in different geographic regions of Poland - Part II - Dew. Ecol Chem Eng S. 2008;15(4): 529-560.
• [10] Wang MC, Liu CP, Sheu BH. J Hydrol. 2004;289:275-285. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2003.11.026.[Crossref]
• [11] Driscoll CT, Lawrence GB, Bulger AJ, Bulter TJ, Cronan CS, Eagar C, Lambert KF, Likens GE, Stoddard JL, Weathers KC. BioScience. 2001;51(3):180-198. DOI: 10.1641/0006-3568(2001)051[0180:ADITNU]2.0.CO;2.[Crossref]
• [12] Broz E, Kapuscinski R. Protected and endangered species of vascular plants Swietokrzyski National Park and draft of Świętokrzyskie Landscape Parks Mountains. Rocznik Swietokrzyski. 1990;17:107-133.
• [13] Kostrzewski A, Kruszyk R, Kolander R. Integrated Monitoring of Environment. The principles of organization, the measuring system, the selected test methods. 2006; http://www.staff.amu.edu.pl/ ~zmsp/dok.html (in Polish).
• [14] Reuss JO, Johnson DW. Acid deposition and the acidification of soils and water. Ecol Stud. 1986;59:1-120.
• [15] Cronan CS, Grigal DF. Use of calcium/aluminium ratios as indicators of stress in forest ecosystems. J Environ Qual. 1995;24(2):209-226.[Crossref]
• [16] Kernan MR, Helliwell RC. Sci of the Total Environ. 2001;265(1-3):39-49. DOI: 10.1016/S0048-9697(00)00648-3.[Crossref]
• [17] Bi SP, An SQ, Liu F. Environ Inter. 2001;26(5-6):327-333. DOI: 10.1016/S0160-4120(01)00008-3.[Crossref]
• [18] Eshelman KN, Davies TD, Tranter M, Wigington PJ. A two-component mixing model for predicting regional episodic acidification of surface waters during spring snowmelt periods. Water Resour Res. 1995;31:1011-1021.[Crossref]
• [19] Ulrich B. Z.Pflanzenern Bdkunde.1988;151(3):171-176.DOI: 10.1002/jpln.19881510304.[Crossref]
• [20] Moldan B, Cerny J. Biogeochemistry of Small Catchments. A Tool for Environmental Research. Chichester-New York-Brisbane-Toronto-Singapur: Viley Sons; 1994:1-322.
• [21] ENVIRONMENT 2010.Regional and Environmental Surveys Division. Warszawa: CSO; 2011:1-609.
• [22] Smith RI, Fowler D, Bull KR. In: Acid Rain Research: Do We Have Enough Answers? Heij GJ, Erisman JW, editors, Amsterdam: Elsevier; 1995:175-186.
• [23] Smith RI, Fowler D. Uncertainty in estimation of wet deposition sulphur. Water, Air, and Soil Pollut: Focus. 2001;1:341-354.
• [24] Huang DY, Xu YG, Peng P, Zhang HH, Lan JB. Environ Pollut. 2009;157(1): 35-41. DOI: 10.1016/j.envpol.2008.08.001.[Crossref]
• [25] Jansen W, Block A, Knaack J. Acid rain. History, generation, results. Aura. 1988;4:18-19.
• [26] Kowalkowski A, Jozwiak M, Kozlowski R. Investigation method of the rain water influence on forest soil properties. Regional Monit Srodow Przyrod. 2002;3:45-52.
• [27] Kozlowski R. Determining the role of fog deposits as conditioners of throughfall volume. Monit Srodow Przyrod. 2009;9:65-72 (in Polish).
• [28] Johnson DW, Lindberg SE. Atmospheric Deposition and Forest Nutrient Cycling. Ecol Stud. New York: Springer-Verlag; 1992;91.
• [29] Jozwiak M, Kozlowski R. Transformation of precipitation in chosen geoecosystems in the Swietokrzyskie Mountains. Regional Monit Srodow Przyrod. 2004; 5:199-217.
• [29] Szarek-Lukaszewska G. Input of chemical elements to the forest ecosystem on the Carpathian Foothills (S Poland). Polish J Ecol. 1999;47(2):191-213.
• [30] Stevens CJ, Dise NB, Gowing DJ. Environ Pollut. 2009;157(1): 313-319. DOI: 10.1016/j.envpol.2008.06.033.[Crossref]
• [31] Kozlowski R, Adwent E. Spatial variability of selected physic-chemical soil properties in the central part of the Świętokrzyskie (Holy Cross) Mountains. Monit Srodow Przyrod. 2011;12:93-101
• [32] Haase D, Neumaister H. Stoffdynamik in waldbestandenen Auenökosystemen. Erfassung und Bewertung: Leipziger Geowissenschaften; 1999;11:9-17.
• [33] Matschonat G, Falkengren-Grerup U. Recovery pf soil pH, cation - exchange capacity and the saturation of exchange sites from stemflow - inducted soil acidification in three Swedish beech (Fagus sylvaitca L.) forests. Scand. J Forest Res. 2000;15(1): 39-48.

Identifiers

DOI

10.2478/eces-2013-0003