Badanie zależności pomiędzy glebową materią organiczną a dynamiką infiltracji i retencji wody w glebach leśnych w kontekście globalnych zmian klimatu i składu gatunkowego drzewostanu
Type
Project
Date Issued
2022
Author
Discipline
forestry
forestry
Abstract (PL)
Liczne badania naukowe wskazują na postępujące zmiany klimatu, które powodują coraz częściej obserwowane i przedłużające się okresy bezopadowe, wywołujące zjawisko suszy. Zmiany te wpływają na funkcjonowanie ekosystemów leśnych, a umiejętność przewidywania reakcji roślin na czynniki klimatyczne i środowiskowe ma kluczowe znaczenie w planowaniu przez leśników składu gatunkowego drzewostanu i zachowaniu trwałości lasów. Wzajemne oddziaływania pomiędzy lasem, a zasobami wodnymi są bardzo silne, a pogłębienie wiedzy na temat potencjalnych konsekwencji zmian klimatycznych na relację las-woda może pomóc w opracowaniu koncepcji zarządzania zasobami wodnymi i leśnymi w sposób zrównoważony, w ramach możliwych scenariuszy przyszłych zmian klimatycznych. Aby jednak lepiej zrozumieć relacje las -woda i przeciwdziałać niekorzystnym skutkom zmian klimatu na obszarach leśnych, ważna jest nie tylko wiedza na temat wpływu zmian klimatu na lasy, ale także wiedza na temat wpływu lasów na ewentualne pogłębianie lub łagodzenie tych zmian i ich skutków. W tym kontekście istotne jest poznanie wpływu składu gatunkowego drzewostanu na obieg wody w ekosystemach leśnych, a także w jaki sposób wpływ ten może być modulowany przez przedłużające się okresy bezopadowe (suszę). Gatunek drzew może wpływać na właściwości gleby poprzez różną ilość i jakość dostarczanej materii organicznej w wyniku opadu ściółki (liści, gałęzi, nasion, szyszek) oraz obumierających korzeni. Materia organiczna akumulowana jest głównie w górnej części profilu glebowego (w poziomach organicznych i próchnicznych gleb leśnych) i charakteryzuje się różnym tempem rozkładu. Poszczególne gatunki drzew odmiennie wpływają na ilość i jakość glebowej materii organicznej, a tym samym na właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne poziomów organicznych i próchnicznych gleb. Głównym celem naszego projektu jest przeprowadzenie kompleksowych badań terenowych i laboratoryjnych nad wpływem składu gatunkowego drzewostanu na: 1) ilość i jakość glebowej materii organicznej, właściwości fizyczne i chemiczne poziomów organicznych i próchnicznych gleb leśnych, 2) ilość wody docierającej do powierzchni gleby w postaci opadu podokapowego i spływu wody po pniach rożnych gatunków drzew, 3) dynamikę infiltracji i retencji wody w poziomach organicznych i próchnicznych gleb leśnych.
Cechy nadziemnych części drzew (np. kształt liści, struktura kory drzew) mogą wpływać na ilość wody opadowej, która dociera do powierzchni gleby w czasie opadu deszczu. Poziomy organiczne i próchniczne są pierwszymi poziomami gleby, które przechwytują opad deszczu przenikający przez korony drzew (opad podokapowy) lub spływający po ich pniach, a właściwości tych poziomów często decydują ile przechwyconej wody zostanie odparowane do atmosfery, zatrzymane w glebie (retencja) lub przeniknie w głąb profilu glebowego (infiltracja). Spodziewamy się, że właściwości retencyjne i infiltracyjne poziomów organicznych i próchnicznych są silnie związane ze składem gatunkowym drzewostanu. Poznanie w pierwszej kolejności wpływu gatunku drzew na właściwości retencyjne i infiltracyjne poziomów organicznych i próchnicznych gleb umożliwi nam w dalszym etapie badań ocenę wpływu przedłużających się okresów bezopadowych (suszy) na te właściwości. Spodziewamy się, że poziomy organiczne i próchniczne stają się mniej lub bardziej hydrofobowe w zależności od składu gatunkowego drzewostanu i długości okresu bezopadowego. Hydrofobowość tych poziomów może powodować obniżenie retencji i infilitracji wody, a tym samym pogłębiać niekorzystne skutki wywołane suszą w ekosystemach leśnych. Nasze badania obejmą cztery gatunki iglaste (sosna zwyczajna, jodła pospolita, modrzew europejski, daglezja zielona) i sześć gatunków liściastych (dąb szypułkowy, dąb czerwony, buk zwyczajny, klon zwyczajny, klon jawor, lipa drobnolistna).
Cechy nadziemnych części drzew (np. kształt liści, struktura kory drzew) mogą wpływać na ilość wody opadowej, która dociera do powierzchni gleby w czasie opadu deszczu. Poziomy organiczne i próchniczne są pierwszymi poziomami gleby, które przechwytują opad deszczu przenikający przez korony drzew (opad podokapowy) lub spływający po ich pniach, a właściwości tych poziomów często decydują ile przechwyconej wody zostanie odparowane do atmosfery, zatrzymane w glebie (retencja) lub przeniknie w głąb profilu glebowego (infiltracja). Spodziewamy się, że właściwości retencyjne i infiltracyjne poziomów organicznych i próchnicznych są silnie związane ze składem gatunkowym drzewostanu. Poznanie w pierwszej kolejności wpływu gatunku drzew na właściwości retencyjne i infiltracyjne poziomów organicznych i próchnicznych gleb umożliwi nam w dalszym etapie badań ocenę wpływu przedłużających się okresów bezopadowych (suszy) na te właściwości. Spodziewamy się, że poziomy organiczne i próchniczne stają się mniej lub bardziej hydrofobowe w zależności od składu gatunkowego drzewostanu i długości okresu bezopadowego. Hydrofobowość tych poziomów może powodować obniżenie retencji i infilitracji wody, a tym samym pogłębiać niekorzystne skutki wywołane suszą w ekosystemach leśnych. Nasze badania obejmą cztery gatunki iglaste (sosna zwyczajna, jodła pospolita, modrzew europejski, daglezja zielona) i sześć gatunków liściastych (dąb szypułkowy, dąb czerwony, buk zwyczajny, klon zwyczajny, klon jawor, lipa drobnolistna).
Abstract (EN)
Numerous studies indicate progressing climate change, leading to increasingly often observed and prolonged no-rain periods causing drought. These changes affect the functioning of forest ecosystems
consequently, the ability to predict plant responses to climatic and environmental factors is of key importance for foresters when planning species composition of stands and ensuring forest sustainability. Interactions between the forest and water resources are very strong, for this reason broadening our knowledge on potential consequences of climate change on the forest-water relations may aid in the development of concepts for sustainable management of water and forest resources within feasible scenarios of future climate change. In order to gain insight into forest-water relations and mitigate adverse consequences of climate change in forest areas it is crucial to have knowledge on the effect of climate change on forests, as well as knowledge on the effect of forests on potential acceleration or mitigation of climate change and its effects. In this context it is essential to determine the effect of species composition of the stand on the water cycle in forest ecosystems, as well as the manner, in which this impact may be modulated by prolonged no-rain periods (drought). Tree species may influence soil properties through varying amounts and quality of organic matter supplied through litterfall (leaves, branches, seeds, cones) and decaying roots. The organic matter is accumulated mainly in the top layer of the soil profile (in the organic and humus horizons of forest soils) and it is characterized by different decomposition rates. Individual tree species exhibit a different effect on the amount and quality of soil organic matter, and thus the physical, chemical and biological properties of the organic and humus horizons of soils. The main aim of our project is to conduct comprehensive field studies and laboratory analyses on the effect of species composition of the stand on: 1) the amount and quality of soil organic matter as well as the physical and chemical properties of the organic and humus horizons of forest soils, 2) the amount of water reaching the soil surface in the form of throughfall and stemflow, and 3) dynamics of infiltration and water retention in the organic and humus horizons of forest soils.
Characteristics of aboveground tree parts (e.g. leaf shape, bark structure) may influence the amount of water, which reaches soil surface during rainfall. Organic and humus horizons are the first soil horizons, which intercept rainfall penetrating through the canopy (throughfall) or flowing down the tree stems, and the properties of these soil horizons frequently determine the amount of intercepted water which is evaporated to the atmosphere, retained in the soil (retention) or penetrates within the soil profile (infiltration). We expect that the retention and infiltration properties of the organic and humus horizons are strongly related with the species composition of the stand. The determination of the effect of tree species on retention and infiltration properties of the organic and humus horizons of soils in the first part of this study will facilitate the assessment of the effect of prolonged no-rain periods (drought) on these properties in the next stage of the study. It is also expected that during drought the organic and humus horizons become more or less hydrophobic depending on the species composition of the stand and the duration of the no-rain period. Hydrophobicity of these horizons may lead to a reduction in water retention and infiltration, and thus this may lead to increasingly adverse consequences of the drought in forest areas. Our investigations cover four coniferous species (Scots pine, silver fir, European larch and Douglas fir) and six deciduous species (English oak, red oak, European beech, Norway maple, sycamore and small-leaved lime).
Characteristics of aboveground tree parts (e.g. leaf shape, bark structure) may influence the amount of water, which reaches soil surface during rainfall. Organic and humus horizons are the first soil horizons, which intercept rainfall penetrating through the canopy (throughfall) or flowing down the tree stems, and the properties of these soil horizons frequently determine the amount of intercepted water which is evaporated to the atmosphere, retained in the soil (retention) or penetrates within the soil profile (infiltration). We expect that the retention and infiltration properties of the organic and humus horizons are strongly related with the species composition of the stand. The determination of the effect of tree species on retention and infiltration properties of the organic and humus horizons of soils in the first part of this study will facilitate the assessment of the effect of prolonged no-rain periods (drought) on these properties in the next stage of the study. It is also expected that during drought the organic and humus horizons become more or less hydrophobic depending on the species composition of the stand and the duration of the no-rain period. Hydrophobicity of these horizons may lead to a reduction in water retention and infiltration, and thus this may lead to increasingly adverse consequences of the drought in forest areas. Our investigations cover four coniferous species (Scots pine, silver fir, European larch and Douglas fir) and six deciduous species (English oak, red oak, European beech, Norway maple, sycamore and small-leaved lime).