Dr inż. Monika Puchlik, adiunkt w Katedrze Hodowli i Użytkowania Lasu, prowadzi badania naukowe w Puszczy Białowieskiej, które skupiają się na analizie wpływu suszy hydrologicznej na naturalne ekosystemy leśno-rzeczne. Unikalny charakter zlewni rzeki Łutowni, wyróżniającej się niską antropopresją czyli ogółem planowych i przypadkowych działań człowieka, które wpływają na środowisko przyrodnicze, najczęściej prowadząc do jego przekształcenia lub degradacji, umożliwia szczegółowe śledzenie obiegu biogenów, takich jak związki azotu i fosforu.
W ramach projektu regularnie pobierane będą próbki wód, a także prowadzone pomiary hydrologiczne z użyciem piezometrów, co pozwala ocenić sezonową dynamikę transportu substancji. Dr Puchlik szczególną uwagę zwraca na rolę mokradeł jako naturalnych stref buforowych ograniczających odpływ pierwiastków do wód powierzchniowych. Otrzymane rezultaty pilotażowe pozwolą określić odporność lasów na zmiany klimatu oraz posłużą jako podstawa do aplikowania o fundusze na bardziej rozbudowane projekty w konkursach NCN.
Dlaczego Puszcza Białowieska oraz zlewnia rzeki Łutowni są uznawane za unikalne laboratorium naturalne?
Dr inż. Monika Puchlik: Puszcza Białowieska jest jednym z najlepiej zachowanych kompleksów leśnych Europy. Jej wysoki stopień naturalności oraz ograniczona antropopresja stwarzają wyjątkowe warunki do badania procesów hydrologicznych i biogeochemicznych, które zachodzą w ekosystemach leśnych przy niewielkim wpływie działalności człowieka. Szczególnie interesująca jest zlewnia rzeki Łutowni, w której występują zróżnicowane siedliska leśne oraz obszary bagienne i mokradłowe. Umożliwia to analizę zależności między uwilgotnieniem siedlisk, poziomem wód gruntowych i przepływami rzecznymi a retencją oraz transportem biogenów, przede wszystkim związków azotu i fosforu. Obszar ten może również dostarczyć danych referencyjnych, pozwalających lepiej zrozumieć naturalne funkcjonowanie zlewni leśnych i ocenić, jak reagują one na narastającą suszę hydrologiczną.
Jak niska antropopresja w tym regionie sprzyja badaniom procesów hydrologicznych i biogeochemicznych?
Ograniczona antropopresja pozwala badać procesy zachodzące w ekosystemie leśno-rzecznym przy mniejszym wpływie bezpośrednich przekształceń związanych z działalnością człowieka. Dzięki temu można lepiej rozpoznać znaczenie czynników naturalnych, takich jak opady, temperatura powietrza, poziom wód gruntowych czy sezonowe zmiany przepływu rzeki. Jest to szczególnie ważne w badaniach obiegu biogenów. Stężenia i transport związków azotu oraz fosforu zależą nie tylko od ich dostępności w środowisku, ale również od warunków hydrologicznych, właściwości siedlisk i procesów zachodzących w glebie oraz wodzie. Badania w Puszczy Białowieskiej umożliwią zatem określenie, w jakim stopniu naturalne ekosystemy leśne zatrzymują biogeny, a w jakich warunkach mogą zwiększać ich uwalnianie do wód powierzchniowych.
Czym badane naturalne systemy leśno-rzeczne różnią się od wcześniej analizowanych zlewni przekształconych antropogenicznie?
Dotychczasowe badania, koncentrowały się przede wszystkim na zlewniach przekształconych przez człowieka. W takich obszarach funkcjonowanie obiegu wody i biogenów może być modyfikowane przez różne formy zagospodarowania terenu i ingerencji w środowisko. Badane przeze mnie naturalne systemy charakteryzują się natomiast wysokim stopniem naturalności i ograniczoną antropopresją. Pozwala to skupić się na zależnościach między suszą hydrologiczną, funkcjonowaniem siedlisk leśnych, retencją wody oraz transportem związków azotu i fosforu.
Najważniejsza różnica polega na tym, że badania mają dostarczyć wiedzy o reakcji naturalnych zlewni leśnych na zmiany klimatu, bez utożsamiania obserwowanych procesów z wpływem działalności człowieka. Wypełnią tym samym istotną lukę badawczą i dostarczą danych referencyjnych dla obszarów o niewielkiej antropopresji.
Jakie przejawy zmian klimatycznych oraz suszy meteorologicznej i hydrologicznej dotykają północno-wschodnią Polskę?
W północno-wschodniej Polsce obserwuje się zmiany reżimu hydrologicznego związane ze wzrostem częstotliwości i intensywności suszy meteorologicznej oraz hydrologicznej. Jednym z ważnych problemów jest nierównomierna dostępność wody i pogłębiający się deficyt wilgoci w środowisku. Szczególnie istotne przejawy tych zmian: obniżanie poziomu wód gruntowych, okresowy zanik małych cieków oraz osuszanie mokradeł. Zjawiska te mogą występować również na obszarach o dużym udziale lasów, pokazując, że sama obecność ekosystemów leśnych nie eliminuje ryzyka suszy. Z punktu widzenia planowanych badań kluczowe jest ustalenie, jak zmiany dostępności wody wpływają na funkcjonowanie naturalnych zlewni leśnych oraz na procesy regulujące obieg pierwiastków biogennych.
W jaki sposób obniżanie poziomu wód gruntowych, zanikanie małych cieków i osuszanie mokradeł wpływają na ekosystemy leśne?
Zmiany te mogą zaburzać funkcjonowanie ekosystemów leśnych, ponieważ woda warunkuje wiele procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych zachodzących w glebie oraz w całej zlewni. Obniżenie poziomu wód gruntowych i osuszanie mokradeł zmieniają warunki uwilgotnienia siedlisk, co może wpływać na tempo rozkładu materii organicznej, przemiany związków azotu i fosforu oraz zdolność środowiska do zatrzymywania tych substancji. Z kolei zmniejszenie przepływu lub okresowy zanik małych cieków może zmieniać warunki transportu rozpuszczonych związków i materii organicznej w kierunku rzeki. W konsekwencji może dochodzić do osłabienia funkcji buforowej niektórych siedlisk. Skala i kierunek tych zmian zależą jednak od lokalnych warunków hydrologicznych oraz właściwości poszczególnych typów siedlisk, dlatego wymagają bezpośredniego zbadania.
Czy susza hydrologiczna powoduje zwiększone uwalnianie związków azotu i fosforu z lasów do wód powierzchniowych?
To jedno z głównych pytań badawczych projektu. Jest to hipoteza, którą należy zweryfikować na podstawie pomiarów terenowych i analiz laboratoryjnych. Podczas suszy obniżają się poziomy wód gruntowych i mogą zmniejszać się przepływy rzeczne. Zmieniają się wówczas warunki zachodzenia procesów biogeochemicznych w glebach i mokradłach, co może wpływać zarówno na uwalnianie biogenów, jak i na ich zatrzymywanie oraz transport do cieków. Dlatego w projekcie zostaną zbadane zależności między warunkami hydrologicznymi a stężeniami i ładunkami związków azotu oraz fosforu w wodach powierzchniowych. Pozwoli to ustalić, czy i w jakich warunkach susza osłabia funkcję buforową naturalnych ekosystemów leśnych.
Jaką rolę w obiegu wody oraz pierwiastków biogennych pełnią naturalne ekosystemy leśne?
Naturalne ekosystemy leśne odgrywają istotną rolę w regulowaniu obiegu wody i pierwiastków biogennych w środowisku. Uczestniczą w retencji wody, a także w zatrzymywaniu, sorpcji i przekształcaniu związków azotu oraz fosforu. Dzięki tym procesom lasy mogą ograniczać odpływ substancji biogennych do wód powierzchniowych, wpływając na funkcjonowanie całej zlewni. Szczególne znaczenie ma przy tym współdziałanie różnych typów siedlisk leśnych, w tym terenów podmokłych. W warunkach zmian klimatu i narastającej suszy hydrologicznej istotne staje się ustalenie, czy naturalne ekosystemy zachowują zdolność do regulowania obiegu wody i biogenów, czy też zmieniające się warunki hydrologiczne osłabiają te funkcje.
Dlaczego siedliska bagienne i mokradła leśne działają jako naturalne strefy buforowe ograniczające odpływ biogenów?
Siedliska bagienne i mokradła leśne pełnią funkcję naturalnych stref buforowych, ponieważ uczestniczą w zatrzymywaniu i przekształcaniu substancji biogennych, ograniczając ich odpływ do cieków powierzchniowych. Ich znaczenie wynika z powiązania procesów hydrologicznych i biogeochemicznych. Warunki wodne oraz właściwości podłoża wpływają na to, czy związki azotu i fosforu pozostają zatrzymywane w środowisku, ulegają przekształceniom, czy też są transportowane wraz z wodą. Ważnym zagadnieniem jest jednak to, czy funkcja buforowa mokradeł utrzymuje się podczas suszy. Osuszanie siedlisk i obniżanie poziomu wód gruntowych mogą zmieniać warunki zachodzenia procesów biogeochemicznych. Badania w zlewni Łutowni pozwolą sprawdzić, czy mokradła wykazują większą zdolność do retencji biogenów niż pozostałe typy siedlisk leśnych oraz w jakim stopniu ograniczają ich odpływ do rzeki.
Jak zmienność warunków hydrometeorologicznych wpływa na sezonową dynamikę transportu biogenów w zlewni rzeki Łutowni?
Transport biogenów w zlewni zależy od zmieniających się warunków hydrologicznych
i meteorologicznych, w tym poziomu wód gruntowych, przepływu rzecznego, temperatury powietrza oraz sumy opadów. Pora roku i związane z nią zmiany warunków środowiskowych mogą wpływać na stężenia związków azotu i fosforu, ich przemiany w siedliskach leśnych oraz ilość substancji transportowanych do rzeki. Szczególnie istotne jest porównanie okresów o różnym uwilgotnieniu, w tym okresów obniżonych przepływów. W projekcie przewidziano sezonowy pobór próbek wiosną, latem, jesienią i zimą. Wyniki zostaną zestawione z pomiarami hydrologicznymi i meteorologicznymi. Dzięki temu możliwe będzie określenie, jak zmienność tych czynników wiąże się z sezonową dynamiką transportu biogenów oraz czy poszczególne typy siedlisk odmiennie reagują na suszę.
Jakie cele naukowe przyświecają działaniu realizowanemu w ramach grantu MINIATUTRA?
Głównym celem działania naukowego jest określenie wpływu suszy hydrologicznej na retencję
i transport biogenów w naturalnej zlewni leśnej rzeki Łutowni oraz identyfikacja czynników środowiskowych regulujących te procesy. Badania koncentrują się na trzech głównych zagadnieniach:
- ustaleniu, czy obniżenie poziomu wód gruntowych i przepływów rzecznych podczas suszy wiąże się ze zwiększonym uwalnianiem związków azotu i fosforu do wód powierzchniowych;
- określeniu znaczenia siedlisk bagiennych i mokradeł leśnych w retencji biogenów
i ograniczaniu ich odpływu; - rozpoznaniu wpływu zmienności warunków hydrometeorologicznych na sezonową dynamikę transportu biogenów w zlewni.
Badania mają charakter pilotażowy. Ich zadaniem jest nie tylko dostarczenie nowych danych
o funkcjonowaniu naturalnych ekosystemów leśnych, ale również sprawdzenie założeń metodologicznych i przygotowanie podstaw do realizacji szerszego projektu badawczego.
Na czym polega pobór próbek wód w 10–12 punktach pomiarowo-kontrolnych oraz jakie zaawansowane analizy laboratoryjne (m.in. pH, przewodność, TOC, TN, fosfor, azotany) są wykonywane?
Badania terenowe będą prowadzone w 10–12 punktach pomiarowo-kontrolnych rozmieszczonych wzdłuż rzeki Łutowni oraz w obrębie zróżnicowanych typów siedlisk leśnych. Próbki wód powierzchniowych będą pobierane sezonowo, czyli wiosną, latem, jesienią i zimą. Takie podejście umożliwi porównanie właściwości wód między różnymi lokalizacjami i porami roku, a także ocenę zależności między warunkami środowiskowymi a stężeniami badanych substancji. Zakres analiz laboratoryjnych obejmuje: pH wody, przewodność elektrolityczną, związki węgla, związki azotu, chemiczne zapotrzebowanie na tlen, fosfor ogólny. W zależności od oznaczanego parametru zostaną zastosowane odpowiednie metody analityczne: potencjometryczna, konduktometryczna, spektrometria w zakresie podczerwieni IR oraz metody spektrofotometryczne. Istotnym elementem procedury będzie również zapewnienie jakości wyników. Tak zaplanowane analizy pozwolą scharakteryzować właściwości fizykochemiczne wód i określić zmienność stężeń badanych związków w różnych warunkach środowiskowych.
W jaki sposób prowadzone są równoległe pomiary hydrologiczne i meteorologiczne, w tym z wykorzystaniem piezometrów?
Pomiary hydrologiczne i meteorologiczne będą prowadzone równolegle z poborem próbek wody, aby umożliwić interpretację wyników hydrochemicznych w kontekście aktualnych warunków środowiskowych. Zakres pomiarów obejmuje:
- poziom wód gruntowych – monitorowany z wykorzystaniem piezometrów;
- temperaturę powietrza – pozwalającą scharakteryzować warunki termiczne podczas badań;
- sumę opadów – umożliwiającą ocenę warunków zasilania zlewni wodą.
Dane te zostaną zestawione z wynikami analiz laboratoryjnych oraz informacjami dotyczącymi przepływu rzecznego. Następnie przeprowadzona zostanie analiza statystyczna obejmująca porównanie punktów pomiarowych i sezonowych kampanii badawczych oraz ocenę zależności stężeń i ładunków biogenów od przepływu, poziomu wód, temperatury i opadów. Zastosowanie takiego podejścia pozwoli lepiej rozpoznać zależności między suszą hydrologiczną a procesami retencji i transportu biogenów. Jednocześnie umożliwi wskazanie czynników środowiskowych, które mogą mieć największe znaczenie dla funkcjonowania badanej zlewni.
W jaki sposób wyniki badań pilotażowych pozwolą ocenić odporność ekosystemów leśnych na zmiany klimatu?
Wyniki badań pilotażowych dostarczą danych pozwalających lepiej zrozumieć, jak naturalne ekosystemy leśne reagują na obniżanie poziomu wód gruntowych, zmniejszenie przepływów rzecznych i sezonowe zmiany dostępności wody. Szczególnie ważna będzie ocena, czy w warunkach suszy siedliska leśne zachowują zdolność do zatrzymywania biogenów, czy też zmieniające się warunki sprzyjają ich uwalnianiu i transportowi do wód powierzchniowych. Porównanie mokradeł, siedlisk bagiennych i pozostałych typów siedlisk leśnych pozwoli określić, czy ich funkcje buforowe różnią się w zależności od warunków hydrologicznych. Uzyskane dane będą podstawą do weryfikacji odporności ekosystemów leśnych na skutki zmian klimatu w ramach przyszłego projektu badawczego. Pozwolą również wskazać procesy wymagające dalszych, długoterminowych obserwacji. Należy przy tym podkreślić, że badania pilotażowe dostarczą przede wszystkim podstaw do oceny tej odporności, a nie jej ostatecznego i kompleksowego rozstrzygnięcia.
Dlaczego pozyskane dane są kluczowe dla ograniczenia ryzyka badawczego i przygotowania konkurencyjnego wniosku w konkursach NCN, takich jak OPUS lub SONATA?
Badania pilotażowe są ważnym etapem przygotowania większego projektu naukowego (OPUS czy SONATA NCN), ponieważ pozwalają zweryfikować założenia badawcze przed rozpoczęciem długoterminowych i bardziej rozbudowanych prac. W przypadku zlewni Łutowni pozyskane dane umożliwią rozpoznanie lokalnych warunków hydrologicznych i hydrochemicznych, ocenę zmienności stężeń związków azotu, fosforu i materii organicznej oraz wybór reprezentatywnych punktów pomiarowo-kontrolnych. Pozwolą również oszacować zmienność badanych parametrów i doprecyzować zakres analiz. Ma to bezpośrednie znaczenie dla ograniczenia ryzyka badawczego. Wyniki umożliwią sprawdzenie, czy przyjęta metodyka pozwala uchwycić zależności między warunkami hydrometeorologicznymi a transportem biogenów, oraz pomogą sformułować i ukierunkować hipotezy badawcze.
(jd)