Ozon troposferyczny w Poznaniu i okolicach
Ozon jest gazem nietrwałym, działającym silnie utleniająco, o charakterystycznym „świeżym” zapachu. Występuje w górnych warstwach stratosfery, gdzie stanowi ochronę przed szkodliwym promieniowaniem UV. Przy powierzchni Ziemi jego obecność jest jednak niepożądana. W troposferze powstaje głównie w wyniku oddziaływania promieniowania UV z zanieczyszczeniami przemysłowymi i z silników spalinowych.
Ozon troposferyczny uważany jest obecnie za jedno z ważniejszych zanieczyszczeń powietrza, wchodzi w skład tzw. smogu fotochemicznego, może powodować kłopoty zdrowotne u dzieci i ludzi starszych, a także uszkadzać rośliny. Liczne badania wykazały negatywny wpływ ozonu przyziemnego na wzrost, rozwój i plonowanie roślin.
Metody bioindykacyjne są wykorzystywane do oceny stopnia zanieczyszczenia powietrza. Są one stosunkowo niedrogie i proste w obsłudze w porównaniu z automatycznymi miernikami. Dla ozonu troposferycznego najlepiej poznaną rośliną bioindykacyjną jest tytoń szlachetny. Wiele międzynarodowych programów biomonitoringu stosowało odmiany wrażliwą i odporną tytoniu szlachetnego. W Polsce szeroko zakrojone badania z wykorzystaniem tego bioindykatora realizowano dotychczas jedynie na południu. Rośliny bioindykacyjne pozwalają stwierdzić również, jaki jest wpływ zanieczyszczeń na organizmy żywe. Większość doświadczeń nad wpływem ozonu na reakcję roślin wykonywana była w warunkach kontrolowanej atmosfery. Stąd potrzeba prowadzenia badań w naturalnych warunkach z wykorzystaniem roślin bioindykacyjnych, u których wcześniej wykazano już wrażliwość lub odporność na obecność ozonu troposferycznego.
Rozpoznać ozon
W latach 2002-2004 na terenie województwa wielkopolskiego prowadzono badania wpływu ozonu troposferycznego na wybrane rośliny. Celem doświadczenia było określenie możliwości wykorzystania roślin testowych dla oceny obecności ozonu troposferycznego w warunkach środkowozachodniej Polski i wpływu ozonu przyziemnego na rośliny testowe. Wyniki badań bioindykacyjnych na stanowiskach badawczych porównano z danymi dotyczącymi zanieczyszczeń powietrza, uzyskanymi w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska. Wykorzystano również parametry meteorologiczne z badań stacji meteorologicznej Katedry Warzywnictwa Akademii Rolniczej w Poznaniu oraz poznańskiego oddziału Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej.
Badania bioindykacyjne prowadzone były z wykorzystaniem roślin testowych – tytoniu szlachetnego i koniczyny białej. Tytoń szlachetny (Nicotiana tabacum L.) był główną rośliną wskaźnikową. Do badań wykorzystano odmianę wrażliwą (Bel W3) oraz odmianę odporną na obecność ozonu troposferycznego (Bel B). Rośliny tytoniu uprawiano i eksponowano zgodnie ze standardową niemiecką metodyką VDI 39571, stosowaną w programie biomonitoringu w miastach europejskich w latach 1999-20022.
Dodatkową rośliną testową w 2004 r. była koniczyna biała (Trifolium repens L.), umieszczona na jednym pozamiejskim stanowisku badawczym (w Tarnowie Podgórnym). Schemat doświadczalny do uprawy i ekspozycji koniczyny był zgodny ze standardową metodyką stosowaną w projekcie ICP Vegetation, działającym w ramach Konwencji Genewskiej dotyczącej przenoszenia zanieczyszczeń powietrza na duże odległości3. Do badań bioindykacyjnych wykorzystano wrażliwy i odporny biotyp koniczyny białej.
Rośliny tytoniu eksponowano w specjalnych pojemnikach chroniących przed zbyt gwałtownym ochłodzeniem ziemi w donicach (fot. 1). Na każdym stanowisku badawczym znajdowało się pięć roślin odmiany wrażliwej (Bel W3) oraz jedna roślina odmiany odpornej (Bel B). Rośliny na stanowiskach badawczych eksponowane były w seriach dwutygodniowych. Po ekspozycji materiał roślinny poddawano obserwacjom i analizom laboratoryjnym. Rośliny tytoniu odmiany wrażliwej (Bel W3) reagują na obecność ozonu troposferycznego w postaci widocznych nekrotycznych uszkodzeń po obu stronach blaszki liściowej (fot. 2), podczas gdy rośliny odmiany odpornej nie wykazują żadnej widocznej reakcji.
Rośliny bioindykacyjne w 2002 r. rozmieszczone były w dziewięciu miejscach na terenie Poznania oraz na dwóch stanowiskach pozamiejskich – w Kórniku i Buku. Od 2003 r. ustawiono dwa dodatkowe stanowiska – miejskie w Poznaniu, a pozamiejskie w Tarnowie Podgórnym (rys. 1). Liczba stanowisk badawczych i ich lokalizacja została przyjęta zgodnie z metodyką stosowaną w biomonitoringu europejskim dla uzyskania pełnej reprezentatywności zróżnicowania warunków środowiskowych na obszarze aglomeracji miejskiej i w warunkach pozamiejskich.
Rys. 1. Lokalizacja stanowisk badawczych na terenie Poznania
Objaśnienia: 1 – Sołacz, 2 – osiedle Rataje, 3 – Naramowice, 4 – osiedle Warszawskie, 5 – Krzesiny, 6 – Stare Miasto, 7 – Świerczewo, 8 – Grunwald, 9 – Rondo Kaponiera, 10 – Strzeszyn, 11 – Kórnik, 12 – Buk, 13 – Tarnowo Podgórne
W 2004 r. eksperyment rozszerzono, stosując sadzonki koniczyny białej wysadzone na jednym stanowisku pozamiejskim do donic zapewniających takie same warunki jak dla tytoniu. Rośliny (biotyp wrażliwy i odporny) wystawiano na stanowisko ekspozycyjne nr 13 i co 28 dni pobierano materiał do badań.
Przeprowadzone trzyletnie badania bioindykacyjne z wykorzystaniem roślin tytoniu szlachetnego wykazały obecność ozonu troposferycznego na terenie Poznania i na stanowiskach badawczych zlokalizowanych poza aglomeracją miejską. Widoczne uszkodzenia blaszki liściowej wystąpiły tylko u odmiany wrażliwej, co świadczy o ich ozonowym pochodzeniu. Stężenie ozonu w okresie wegetacyjnym w latach 2002-2004 było na poziomie średnim i niskim. Analiza czasowa stopnia uszkodzenia liści tytoniu wykazała, że największe wartości wystąpiły w 2002 r., natomiast w 2003 i 2004 r. były one znacznie mniejsze. Ocena wartości stężeń (dane z pomiarów WIOŚ) ozonu troposferycznego, wyrażona w wielkości AOT 40, potwierdziła znacznie większe wartości w 2002 r.
Stopień uszkodzenia liści pozwala na określenie poziomu stężenia ozonu w otaczającym powietrzu. Interpretację wyników ułatwia przedstawienie w pięciostopniowej skali Indeksu Uszkodzenia Liścia (Leaf Injury Index LII), opracowanej przez koordynatorów projektu Eurobionet2, bądź 11-stopniowej skali zaproponowanej przez Horsfalla i Cowlinga4. Rozkład stopnia uszkodzenia liści tytoniu w ciągu sezonu wegetacyjnego trzech lat badań wykazał wysokie wartości w drugiej połowie czerwca. Podwyższone wartości obserwowano aż do połowy sierpnia, z niewielkimi szczytami wartości w połowie lipca i sierpnia. Stwierdzono również, że wcześniejsza ekspozycja od połowy maja nie wykazała zagrożenia ozonem.
Uzyskane rezultaty były zbliżone do wyników z badań bioindykacyjnych prowadzonych w latach 90. w Krakowie i okolicach, gdzie również najwyższe wartości uszkodzeń stwierdzono w terminach czerwcowych, a wyższy ich poziom utrzymywał się do połowy sierpnia5, 6. Wysokie stężenia obserwowano także w czerwcu i lipcu na terenach górskich parków narodowych Polski7.
Porównując wyniki uzyskane z terenu aglomeracji poznańskiej i okolic z wynikami wspomnianego już projektu ICP Vegetation, można stwierdzić, że czasowy rozkład uszkodzeń roślin wrażliwych na ozon zbliżony był do rezultatów uzyskiwanych w krajach środkowej i zachodniej Europy, takich jak Niemcy, Belgia, Dania czy Holandia, co związane jest z podobnymi warunkami klimatycznymi8, 9. Przez cały sezon letni można spodziewać się dużych uszkodzeń roślin bioindykacyjnych na terenie południowo-zachodniej Europy, natomiast w krajach północnej i środkowej Europy większe uszkodzenia występują okresowo10.
Analizując zróżnicowanie przestrzenne stopnia uszkodzenia liści tytoniu na terenie Poznania i na stanowiskach pozamiejskich, widać, że największe uszkodzenia wystąpiły na stanowiskach pozamiejskich (szczególnie na stanowisku zlokalizowanym w Kórniku). Nieco mniejsze uszkodzenia wystąpiły na liściach roślin umieszczonych w punktach peryferyjnych, natomiast najmniejsze uszkodzenia ujawniły się w centrum miasta – na Rondzie Kaponiera. Sytuacja taka spotykana była w wielu miastach Europy oraz na terenie Krakowa i okolic5, 11, 12. Związane jest to z odmiennym sposobem powstawania i innym rozkładem przestrzennym tego zanieczyszczenia. Maksymalne stężenia ozonu występują po stronie zawietrznej, w pewnym oddaleniu od miejsc emisji prekursorów ozonu. Rejonami narażonymi na najwyższe stężenia ozonu będą zatem obszary na zawietrznej stronie miasta, znajdujące się w takiej odległości, że czas wędrówki mas powietrza znad obszaru o dużej emisji tlenków azotu i węglowodorów jest dostatecznie długi, by w wyniku reakcji fotochemicznych doszło do wzrostu stężeń13.
Z porównania otrzymanych rezultatów z wynikami uzyskanymi w trakcie projektu Eurobionet, prowadzonego w miastach europejskich, wynika, że średni stopień uszkodzenia liści tytoniu z okresu trzech lat był niższy od wszystkich uzyskanych wyników w Europie. Na podstawie średnich wartości uszkodzeń z poszczególnych lat badawczych można stwierdzić, że w 2002 r., kiedy uszkodzenia były największe, poziom ozonu w Poznaniu był zbliżony do poziomu w takich miastach jak Düsseldorf czy Edynburg12.
Ozon a pogoda
Ponieważ powstawanie ozonu troposferycznego (a co za tym idzie – uszkodzeń na roślinach wrażliwych) powiązane jest ściśle z warunkami meteorologicznymi, dokonano porównania stężenia tego zanieczyszczenia oraz stopnia uszkodzenia liści tytoniu z wybranymi parametrami meteorologicznymi.
Jednym z parametrów jest temperatura. Stwierdzono wyraźną dodatnią zależność od temperatury otoczenia, chociaż przez niektórych badaczy nie jest ona uważana za parametr silnie związany z ozonem troposferycznym. Uważają oni, że wysokie stężenia ozonu niekoniecznie występują w obecności wysokiej temperatury14, 15. W latach 2002-2004 zaobserwowano spadek średniej oraz maksymalnej wartości dobowej temperatury oraz wzrost średniej i maksymalnej dobowej wartości promieniowania całkowitego (tabela). Przeprowadzono również analizę wielkości promieniowania i temperatury w poszczególnych seriach ekspozycyjnych w latach 2002 i 2004, na podstawie której stwierdzono, że w większości wypadków wysoka temperatura związana była z dużym promieniowaniem.
Średnie, maksymalne i minimalne wartości dobowe parametrów meteorologicznych w latach ekspozycyjnych
Dokonano również analizy zależności badanych parametrów meteorologicznych i stężenia ozonu troposferycznego, dwutlenku azotu i pyłu zawieszonego. Na tej podstawie stwierdzono dodatnią zależność pomiędzy badanymi parametrami meteorologicznymi i stężeniem ozonu troposferycznego w latach 2002 i 2004.
Promieniowanie całkowite uznano za kolejny parametr ściśle związany z tworzeniem ozonu troposferycznego14. W przypadku przeprowadzonego doświadczenia bezpośredni wpływ promieniowania był ograniczony poprzez zastosowanie siatki cieniującej, która powodowała, że na każdym stanowisku liście były zacienione w ten sam sposób. W 2002 r., kiedy wystąpiły najwyższe stężenia ozonu troposferycznego i uszkodzenia liści tytoniu, stwierdzono wysoką i dodatnią wartość współczynnika korelacji promieniowania ze stopniem uszkodzenia, natomiast w 2004 r., kiedy obserwowano niskie stężenia i małe uszkodzenia, wartość współczynnika korelacji była niska i nieistotna statystycznie.
Wpływ prędkości wiatru na zwiększenie pobierania przez rośliny zanieczyszczeń powietrza udokumentowano już w latach 70. w warunkach kontrolnych oraz potwierdzono w późniejszych pracach14, 16. Badania przeprowadzone na terenie Poznania i okolic częściowo potwierdziły tę teorię, gdyż dodatnią zależność stopnia uszkodzenia liści i prędkości wiatru obserwowano w latach 2002 i 2004, natomiast z badań z 2003 r. brakuje jednoznacznego wniosku. Zauważyć jednak należy, że maksymalne prędkości wiatru w 2003 r. były dwukrotnie wyższe niż w latach 2002 i 2004 (tabela). Stąd też stwierdzić można, że dodatnia zależność stopnia uszkodzenia liści z prędkością wiatru jest prawdziwa w przypadku, kiedy prędkości wiatru nie są zbyt wysokie. Interpretacja wpływu kierunków wiatru na powstawanie uszkodzeń liści tytoniu na poszczególnych stanowiskach miejskich może być obarczona błędem interpretacyjnym w związku z lokalnymi zawirowaniami powietrza na terenie miasta17. Ponadto ozon troposferyczny jest zanieczyszczeniem wtórnym, co niesie za sobą kolejne problemy w interpretacji wyników. W okresie trzyletnich badań stwierdzono, że przeważającym kierunkiem wiatru był zachodni, a największe uszkodzenia wystąpiły na stanowiskach zlokalizowanych na peryferiach miasta, m.in. na zachodzie, południowym zachodzie oraz północy.
Największe średnie i maksymalne dobowe prędkości wiatru obserwowano w 2003 i 2004 r. Analiza zależności prędkości wiatru i stężeń zanieczyszczeń powietrza wykazała dodatnią wartość współczynnika korelacji dla prędkości wiatru i stężenia ozonu troposferycznego w 2004 r. Badając zależność wielkości uszkodzenia liści i prędkości wiatru, zaobserwowano dodatnią wartość współczynnika korelacji w 2002 i 2004 r. Analizując kierunki wiatrów, zaobserwowano, że w 2002 r. najczęściej występowały wiatry z kierunku zachodniego i północno-wschodniego (odpowiednio 16,7% i 16%). Największe średnie wartości uszkodzenia blaszki liściowej na terenie Poznania w 2002 r. wystąpiły na zachodzie, południowym zachodzie i północy miasta, co w porównaniu z przeważającymi kierunkami wiatrów sugerować może transgraniczny charakter ozonu troposferycznego. W 2003 r. przeważał wiatr z zachodu oraz północnego-zachodu. Największe średnie wartości uszkodzenia blaszki liściowej wystąpiły po zachodniej stronie miasta, co w porównaniu z przeważającymi kierunkami wiatrów sugerować może, podobnie jak w 2002 r., transgraniczne pochodzenie ozonu (rys. 2). Analiza przeważających kierunków wiatru w 2004 r. wykazała, że wiały one również głównie z kierunku zachodniego (22,6%) i północno-zachodniego (16,6%). W 2004 r. wielkości uszkodzenia liści były mniejsze w porównaniu z poprzednimi sezonami ekspozycyjnymi, stąd też interpretacja zależności z kierunkami wiatrów może być obarczona dużym błędem.
Rys. 2. Średni stopień uszkodzenia liści tytoniu oraz kierunki wiatrów w sezonach badawczych 2002, 2003, 2004
Ogółem we wszystkich trzech sezonach badawczych zauważono, że najczęściej wiał wiatr z kierunku zachodniego (20%) i południowo-zachodniego (17%). Ponadto stwierdzono, że największe uszkodzenia na stanowiskach miejskich występowały na peryferiach miasta, w szczególności na południu, tj. na stanowisku 5 – Krzesiny, 7 – Świerczewo i 8 – Grunwald oraz na północy miasta na stanowisku 3 – Naramowice. W centrum miasta oraz przy głównych drogach uszkodzenia były mniejsze. Z porównania wielkości uszkodzenia liści z głównymi kierunkami wiatru w badanych trzech sezonach wegetacyjnych wynika, że większe uszkodzenia występowały po zachodniej stronie miasta.
Rys. 3. Średnie wartości uszkodzenia liści tytoniu oraz kierunki wiatru w latach 2002-2004
Eksperyment na stanowisku w Tarnowie Podgórnym z koniczyną białą, również uznawaną za dobry bioindykator, wykazał jej przydatność do oceny zagrożenia ozonem. Podobnie jak w przypadku tytoniu stwierdzono zależność stopnia uszkodzenia roślin i obecności ozonu troposferycznego, wykazano również dodatnią zależność pomiędzy zawartością suchej masy w liściach koniczyny a stopniem uszkodzenia liści odmiany wrażliwej.
Najgorzej poza miastem
Na podstawie badań bioindykacyjnych wykonanych w latach 2002-2004 stwierdzono obecność ozonu troposferycznego na terenie Poznania i okolic na poziomie szkodliwym dla roślin. Największe uszkodzenia, a co za tym idzie, stężenia ozonu wystąpiły w sezonie wegetacyjnym w 2002 r., co było zbieżne z największymi stężeniami ozonu na stacji pomiarowej zlokalizowanej na Rondzie Kaponiera.
Analiza przestrzennego i czasowego zróżnicowania stopnia uszkodzenia liści tytoniu odmiany Bel W3 pod wpływem ozonu wykazała, że największe uszkodzenia wystąpiły na stanowiskach pozamiejskich, nieco mniejsze na stanowiskach peryferyjnych miasta, a najmniejsze w centrum miasta. Najwyższy poziom ozonu występował w czerwcu, a podwyższony utrzymywał się do połowy sierpnia, przy czym termin maksymalnych uszkodzeń uzależniony był od warunków meteorologicznych. Zdecydowanie mniejsze uszkodzenia występowały we wrześniu.
Stwierdzono zależność stopnia uszkodzenia liści z innymi parametrami środowiskowymi, takimi jak temperatura, promieniowanie całkowite czy prędkość i kierunek wiatru. Temperatura i promieniowanie były dodatnio skorelowane ze stopniem uszkodzenia.
Stopień uszkodzenia liści koniczyny białej odmiany wrażliwej był związany ze stężeniem ozonu troposferycznego. Wykazano również zwiększenie zawartości suchej masy w liściach tej rośliny jako wewnętrzną reakcję na obecność ozonu.
Źródła
dr inż. Klaudia Borowiak
prof. dr hab. Janina Zbierska
Katedra Ekologii i Ochrony Środowiska AR Poznań
Danuta Jankowiak – Krysiak
Wydział Monitoringu WIOŚ Poznań.
Ozon troposferyczny uważany jest obecnie za jedno z ważniejszych zanieczyszczeń powietrza, wchodzi w skład tzw. smogu fotochemicznego, może powodować kłopoty zdrowotne u dzieci i ludzi starszych, a także uszkadzać rośliny. Liczne badania wykazały negatywny wpływ ozonu przyziemnego na wzrost, rozwój i plonowanie roślin.
Fot. 1. Rośliny tytoniu eksponowano w specjalnych pojemnikach.
Metody bioindykacyjne są wykorzystywane do oceny stopnia zanieczyszczenia powietrza. Są one stosunkowo niedrogie i proste w obsłudze w porównaniu z automatycznymi miernikami. Dla ozonu troposferycznego najlepiej poznaną rośliną bioindykacyjną jest tytoń szlachetny. Wiele międzynarodowych programów biomonitoringu stosowało odmiany wrażliwą i odporną tytoniu szlachetnego. W Polsce szeroko zakrojone badania z wykorzystaniem tego bioindykatora realizowano dotychczas jedynie na południu. Rośliny bioindykacyjne pozwalają stwierdzić również, jaki jest wpływ zanieczyszczeń na organizmy żywe. Większość doświadczeń nad wpływem ozonu na reakcję roślin wykonywana była w warunkach kontrolowanej atmosfery. Stąd potrzeba prowadzenia badań w naturalnych warunkach z wykorzystaniem roślin bioindykacyjnych, u których wcześniej wykazano już wrażliwość lub odporność na obecność ozonu troposferycznego.
Rozpoznać ozon
W latach 2002-2004 na terenie województwa wielkopolskiego prowadzono badania wpływu ozonu troposferycznego na wybrane rośliny. Celem doświadczenia było określenie możliwości wykorzystania roślin testowych dla oceny obecności ozonu troposferycznego w warunkach środkowozachodniej Polski i wpływu ozonu przyziemnego na rośliny testowe. Wyniki badań bioindykacyjnych na stanowiskach badawczych porównano z danymi dotyczącymi zanieczyszczeń powietrza, uzyskanymi w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska. Wykorzystano również parametry meteorologiczne z badań stacji meteorologicznej Katedry Warzywnictwa Akademii Rolniczej w Poznaniu oraz poznańskiego oddziału Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej.
Badania bioindykacyjne prowadzone były z wykorzystaniem roślin testowych – tytoniu szlachetnego i koniczyny białej. Tytoń szlachetny (Nicotiana tabacum L.) był główną rośliną wskaźnikową. Do badań wykorzystano odmianę wrażliwą (Bel W3) oraz odmianę odporną na obecność ozonu troposferycznego (Bel B). Rośliny tytoniu uprawiano i eksponowano zgodnie ze standardową niemiecką metodyką VDI 39571, stosowaną w programie biomonitoringu w miastach europejskich w latach 1999-20022.
Rośliny tytoniu odmiany wrażliwej reagują na obecność ozonu troposferycznego w postaci widocznych nekrotycznych uszkodzeń liści.
Dodatkową rośliną testową w 2004 r. była koniczyna biała (Trifolium repens L.), umieszczona na jednym pozamiejskim stanowisku badawczym (w Tarnowie Podgórnym). Schemat doświadczalny do uprawy i ekspozycji koniczyny był zgodny ze standardową metodyką stosowaną w projekcie ICP Vegetation, działającym w ramach Konwencji Genewskiej dotyczącej przenoszenia zanieczyszczeń powietrza na duże odległości3. Do badań bioindykacyjnych wykorzystano wrażliwy i odporny biotyp koniczyny białej.
Rośliny tytoniu eksponowano w specjalnych pojemnikach chroniących przed zbyt gwałtownym ochłodzeniem ziemi w donicach (fot. 1). Na każdym stanowisku badawczym znajdowało się pięć roślin odmiany wrażliwej (Bel W3) oraz jedna roślina odmiany odpornej (Bel B). Rośliny na stanowiskach badawczych eksponowane były w seriach dwutygodniowych. Po ekspozycji materiał roślinny poddawano obserwacjom i analizom laboratoryjnym. Rośliny tytoniu odmiany wrażliwej (Bel W3) reagują na obecność ozonu troposferycznego w postaci widocznych nekrotycznych uszkodzeń po obu stronach blaszki liściowej (fot. 2), podczas gdy rośliny odmiany odpornej nie wykazują żadnej widocznej reakcji.
Rośliny bioindykacyjne w 2002 r. rozmieszczone były w dziewięciu miejscach na terenie Poznania oraz na dwóch stanowiskach pozamiejskich – w Kórniku i Buku. Od 2003 r. ustawiono dwa dodatkowe stanowiska – miejskie w Poznaniu, a pozamiejskie w Tarnowie Podgórnym (rys. 1). Liczba stanowisk badawczych i ich lokalizacja została przyjęta zgodnie z metodyką stosowaną w biomonitoringu europejskim dla uzyskania pełnej reprezentatywności zróżnicowania warunków środowiskowych na obszarze aglomeracji miejskiej i w warunkach pozamiejskich.
Rys. 1. Lokalizacja stanowisk badawczych na terenie Poznania
Objaśnienia: 1 – Sołacz, 2 – osiedle Rataje, 3 – Naramowice, 4 – osiedle Warszawskie, 5 – Krzesiny, 6 – Stare Miasto, 7 – Świerczewo, 8 – Grunwald, 9 – Rondo Kaponiera, 10 – Strzeszyn, 11 – Kórnik, 12 – Buk, 13 – Tarnowo Podgórne
W 2004 r. eksperyment rozszerzono, stosując sadzonki koniczyny białej wysadzone na jednym stanowisku pozamiejskim do donic zapewniających takie same warunki jak dla tytoniu. Rośliny (biotyp wrażliwy i odporny) wystawiano na stanowisko ekspozycyjne nr 13 i co 28 dni pobierano materiał do badań.
Przeprowadzone trzyletnie badania bioindykacyjne z wykorzystaniem roślin tytoniu szlachetnego wykazały obecność ozonu troposferycznego na terenie Poznania i na stanowiskach badawczych zlokalizowanych poza aglomeracją miejską. Widoczne uszkodzenia blaszki liściowej wystąpiły tylko u odmiany wrażliwej, co świadczy o ich ozonowym pochodzeniu. Stężenie ozonu w okresie wegetacyjnym w latach 2002-2004 było na poziomie średnim i niskim. Analiza czasowa stopnia uszkodzenia liści tytoniu wykazała, że największe wartości wystąpiły w 2002 r., natomiast w 2003 i 2004 r. były one znacznie mniejsze. Ocena wartości stężeń (dane z pomiarów WIOŚ) ozonu troposferycznego, wyrażona w wielkości AOT 40, potwierdziła znacznie większe wartości w 2002 r.
Stopień uszkodzenia liści pozwala na określenie poziomu stężenia ozonu w otaczającym powietrzu. Interpretację wyników ułatwia przedstawienie w pięciostopniowej skali Indeksu Uszkodzenia Liścia (Leaf Injury Index LII), opracowanej przez koordynatorów projektu Eurobionet2, bądź 11-stopniowej skali zaproponowanej przez Horsfalla i Cowlinga4. Rozkład stopnia uszkodzenia liści tytoniu w ciągu sezonu wegetacyjnego trzech lat badań wykazał wysokie wartości w drugiej połowie czerwca. Podwyższone wartości obserwowano aż do połowy sierpnia, z niewielkimi szczytami wartości w połowie lipca i sierpnia. Stwierdzono również, że wcześniejsza ekspozycja od połowy maja nie wykazała zagrożenia ozonem.
Uzyskane rezultaty były zbliżone do wyników z badań bioindykacyjnych prowadzonych w latach 90. w Krakowie i okolicach, gdzie również najwyższe wartości uszkodzeń stwierdzono w terminach czerwcowych, a wyższy ich poziom utrzymywał się do połowy sierpnia5, 6. Wysokie stężenia obserwowano także w czerwcu i lipcu na terenach górskich parków narodowych Polski7.
Porównując wyniki uzyskane z terenu aglomeracji poznańskiej i okolic z wynikami wspomnianego już projektu ICP Vegetation, można stwierdzić, że czasowy rozkład uszkodzeń roślin wrażliwych na ozon zbliżony był do rezultatów uzyskiwanych w krajach środkowej i zachodniej Europy, takich jak Niemcy, Belgia, Dania czy Holandia, co związane jest z podobnymi warunkami klimatycznymi8, 9. Przez cały sezon letni można spodziewać się dużych uszkodzeń roślin bioindykacyjnych na terenie południowo-zachodniej Europy, natomiast w krajach północnej i środkowej Europy większe uszkodzenia występują okresowo10.
Analizując zróżnicowanie przestrzenne stopnia uszkodzenia liści tytoniu na terenie Poznania i na stanowiskach pozamiejskich, widać, że największe uszkodzenia wystąpiły na stanowiskach pozamiejskich (szczególnie na stanowisku zlokalizowanym w Kórniku). Nieco mniejsze uszkodzenia wystąpiły na liściach roślin umieszczonych w punktach peryferyjnych, natomiast najmniejsze uszkodzenia ujawniły się w centrum miasta – na Rondzie Kaponiera. Sytuacja taka spotykana była w wielu miastach Europy oraz na terenie Krakowa i okolic5, 11, 12. Związane jest to z odmiennym sposobem powstawania i innym rozkładem przestrzennym tego zanieczyszczenia. Maksymalne stężenia ozonu występują po stronie zawietrznej, w pewnym oddaleniu od miejsc emisji prekursorów ozonu. Rejonami narażonymi na najwyższe stężenia ozonu będą zatem obszary na zawietrznej stronie miasta, znajdujące się w takiej odległości, że czas wędrówki mas powietrza znad obszaru o dużej emisji tlenków azotu i węglowodorów jest dostatecznie długi, by w wyniku reakcji fotochemicznych doszło do wzrostu stężeń13.
Z porównania otrzymanych rezultatów z wynikami uzyskanymi w trakcie projektu Eurobionet, prowadzonego w miastach europejskich, wynika, że średni stopień uszkodzenia liści tytoniu z okresu trzech lat był niższy od wszystkich uzyskanych wyników w Europie. Na podstawie średnich wartości uszkodzeń z poszczególnych lat badawczych można stwierdzić, że w 2002 r., kiedy uszkodzenia były największe, poziom ozonu w Poznaniu był zbliżony do poziomu w takich miastach jak Düsseldorf czy Edynburg12.
Ozon a pogoda
Ponieważ powstawanie ozonu troposferycznego (a co za tym idzie – uszkodzeń na roślinach wrażliwych) powiązane jest ściśle z warunkami meteorologicznymi, dokonano porównania stężenia tego zanieczyszczenia oraz stopnia uszkodzenia liści tytoniu z wybranymi parametrami meteorologicznymi.
Jednym z parametrów jest temperatura. Stwierdzono wyraźną dodatnią zależność od temperatury otoczenia, chociaż przez niektórych badaczy nie jest ona uważana za parametr silnie związany z ozonem troposferycznym. Uważają oni, że wysokie stężenia ozonu niekoniecznie występują w obecności wysokiej temperatury14, 15. W latach 2002-2004 zaobserwowano spadek średniej oraz maksymalnej wartości dobowej temperatury oraz wzrost średniej i maksymalnej dobowej wartości promieniowania całkowitego (tabela). Przeprowadzono również analizę wielkości promieniowania i temperatury w poszczególnych seriach ekspozycyjnych w latach 2002 i 2004, na podstawie której stwierdzono, że w większości wypadków wysoka temperatura związana była z dużym promieniowaniem.
Średnie, maksymalne i minimalne wartości dobowe parametrów meteorologicznych w latach ekspozycyjnych
Rok | Wartość średnia | Wartość maksymalna | Wartość minimalna |
Temperatura [°C] | |||
2002 | 19,4 | 28,4 | 8,1 |
2003 | 18,8 | 28 | 10 |
2004 | 17,5 | 27,3 | 8,2 |
Promieniowanie [W/m2] | |||
2002 | 171 | 295 | 34 |
2004 | 175 | 320 | 19 |
Prędkość wiatru [m/s] | |||
2002 | 2,1 | 4,77 | 0,42 |
2003 | 2,62 | 8,1 | 0,6 |
2004 | 1,98 | 5,44 | 0,59 |
Dokonano również analizy zależności badanych parametrów meteorologicznych i stężenia ozonu troposferycznego, dwutlenku azotu i pyłu zawieszonego. Na tej podstawie stwierdzono dodatnią zależność pomiędzy badanymi parametrami meteorologicznymi i stężeniem ozonu troposferycznego w latach 2002 i 2004.
Promieniowanie całkowite uznano za kolejny parametr ściśle związany z tworzeniem ozonu troposferycznego14. W przypadku przeprowadzonego doświadczenia bezpośredni wpływ promieniowania był ograniczony poprzez zastosowanie siatki cieniującej, która powodowała, że na każdym stanowisku liście były zacienione w ten sam sposób. W 2002 r., kiedy wystąpiły najwyższe stężenia ozonu troposferycznego i uszkodzenia liści tytoniu, stwierdzono wysoką i dodatnią wartość współczynnika korelacji promieniowania ze stopniem uszkodzenia, natomiast w 2004 r., kiedy obserwowano niskie stężenia i małe uszkodzenia, wartość współczynnika korelacji była niska i nieistotna statystycznie.
Wpływ prędkości wiatru na zwiększenie pobierania przez rośliny zanieczyszczeń powietrza udokumentowano już w latach 70. w warunkach kontrolnych oraz potwierdzono w późniejszych pracach14, 16. Badania przeprowadzone na terenie Poznania i okolic częściowo potwierdziły tę teorię, gdyż dodatnią zależność stopnia uszkodzenia liści i prędkości wiatru obserwowano w latach 2002 i 2004, natomiast z badań z 2003 r. brakuje jednoznacznego wniosku. Zauważyć jednak należy, że maksymalne prędkości wiatru w 2003 r. były dwukrotnie wyższe niż w latach 2002 i 2004 (tabela). Stąd też stwierdzić można, że dodatnia zależność stopnia uszkodzenia liści z prędkością wiatru jest prawdziwa w przypadku, kiedy prędkości wiatru nie są zbyt wysokie. Interpretacja wpływu kierunków wiatru na powstawanie uszkodzeń liści tytoniu na poszczególnych stanowiskach miejskich może być obarczona błędem interpretacyjnym w związku z lokalnymi zawirowaniami powietrza na terenie miasta17. Ponadto ozon troposferyczny jest zanieczyszczeniem wtórnym, co niesie za sobą kolejne problemy w interpretacji wyników. W okresie trzyletnich badań stwierdzono, że przeważającym kierunkiem wiatru był zachodni, a największe uszkodzenia wystąpiły na stanowiskach zlokalizowanych na peryferiach miasta, m.in. na zachodzie, południowym zachodzie oraz północy.
Największe średnie i maksymalne dobowe prędkości wiatru obserwowano w 2003 i 2004 r. Analiza zależności prędkości wiatru i stężeń zanieczyszczeń powietrza wykazała dodatnią wartość współczynnika korelacji dla prędkości wiatru i stężenia ozonu troposferycznego w 2004 r. Badając zależność wielkości uszkodzenia liści i prędkości wiatru, zaobserwowano dodatnią wartość współczynnika korelacji w 2002 i 2004 r. Analizując kierunki wiatrów, zaobserwowano, że w 2002 r. najczęściej występowały wiatry z kierunku zachodniego i północno-wschodniego (odpowiednio 16,7% i 16%). Największe średnie wartości uszkodzenia blaszki liściowej na terenie Poznania w 2002 r. wystąpiły na zachodzie, południowym zachodzie i północy miasta, co w porównaniu z przeważającymi kierunkami wiatrów sugerować może transgraniczny charakter ozonu troposferycznego. W 2003 r. przeważał wiatr z zachodu oraz północnego-zachodu. Największe średnie wartości uszkodzenia blaszki liściowej wystąpiły po zachodniej stronie miasta, co w porównaniu z przeważającymi kierunkami wiatrów sugerować może, podobnie jak w 2002 r., transgraniczne pochodzenie ozonu (rys. 2). Analiza przeważających kierunków wiatru w 2004 r. wykazała, że wiały one również głównie z kierunku zachodniego (22,6%) i północno-zachodniego (16,6%). W 2004 r. wielkości uszkodzenia liści były mniejsze w porównaniu z poprzednimi sezonami ekspozycyjnymi, stąd też interpretacja zależności z kierunkami wiatrów może być obarczona dużym błędem.
Rys. 2. Średni stopień uszkodzenia liści tytoniu oraz kierunki wiatrów w sezonach badawczych 2002, 2003, 2004
Ogółem we wszystkich trzech sezonach badawczych zauważono, że najczęściej wiał wiatr z kierunku zachodniego (20%) i południowo-zachodniego (17%). Ponadto stwierdzono, że największe uszkodzenia na stanowiskach miejskich występowały na peryferiach miasta, w szczególności na południu, tj. na stanowisku 5 – Krzesiny, 7 – Świerczewo i 8 – Grunwald oraz na północy miasta na stanowisku 3 – Naramowice. W centrum miasta oraz przy głównych drogach uszkodzenia były mniejsze. Z porównania wielkości uszkodzenia liści z głównymi kierunkami wiatru w badanych trzech sezonach wegetacyjnych wynika, że większe uszkodzenia występowały po zachodniej stronie miasta.
Rys. 3. Średnie wartości uszkodzenia liści tytoniu oraz kierunki wiatru w latach 2002-2004
Eksperyment na stanowisku w Tarnowie Podgórnym z koniczyną białą, również uznawaną za dobry bioindykator, wykazał jej przydatność do oceny zagrożenia ozonem. Podobnie jak w przypadku tytoniu stwierdzono zależność stopnia uszkodzenia roślin i obecności ozonu troposferycznego, wykazano również dodatnią zależność pomiędzy zawartością suchej masy w liściach koniczyny a stopniem uszkodzenia liści odmiany wrażliwej.
Najgorzej poza miastem
Na podstawie badań bioindykacyjnych wykonanych w latach 2002-2004 stwierdzono obecność ozonu troposferycznego na terenie Poznania i okolic na poziomie szkodliwym dla roślin. Największe uszkodzenia, a co za tym idzie, stężenia ozonu wystąpiły w sezonie wegetacyjnym w 2002 r., co było zbieżne z największymi stężeniami ozonu na stacji pomiarowej zlokalizowanej na Rondzie Kaponiera.
Analiza przestrzennego i czasowego zróżnicowania stopnia uszkodzenia liści tytoniu odmiany Bel W3 pod wpływem ozonu wykazała, że największe uszkodzenia wystąpiły na stanowiskach pozamiejskich, nieco mniejsze na stanowiskach peryferyjnych miasta, a najmniejsze w centrum miasta. Najwyższy poziom ozonu występował w czerwcu, a podwyższony utrzymywał się do połowy sierpnia, przy czym termin maksymalnych uszkodzeń uzależniony był od warunków meteorologicznych. Zdecydowanie mniejsze uszkodzenia występowały we wrześniu.
Stwierdzono zależność stopnia uszkodzenia liści z innymi parametrami środowiskowymi, takimi jak temperatura, promieniowanie całkowite czy prędkość i kierunek wiatru. Temperatura i promieniowanie były dodatnio skorelowane ze stopniem uszkodzenia.
Stopień uszkodzenia liści koniczyny białej odmiany wrażliwej był związany ze stężeniem ozonu troposferycznego. Wykazano również zwiększenie zawartości suchej masy w liściach tej rośliny jako wewnętrzną reakcję na obecność ozonu.
Źródła
- VDI Verein Deutscher Ingenieure: Biologische Messverfahren zur Ermittlung und Beurteilung der Wirkung von Luftverunreinigungen auf Pflanzen (Bioindikation). Ermittlung und Beurteilung der phytotoxischen Wirkung von Ozon und andren Photooxidantien. Verfahren der standardisierten Tabak-Exposition. VDI-Guideline 3957 Part 6 (Draft). 2000.
- Klumpp A., Ansel W., Klumpp G., Pickl C.: European Network for the Assessment of Air Quality by the use of Bio-indicator Plants. Criteria for the selection of the bio-indicator stations. Instructions for cultivation, exposure, injury assessment and sampling of the bio-indicator species. Universität Hohenheim (Niemcy) 1999.
- ICP Vegetation: Experimental Protocol for the 2003 Season. International Cooperation Programme on effects of air pollution on natural vegetation and crops. Working group on effects. Centre of ecology and Hydrology. Bangor (Wielka Brytania) 2003.
- Horsfall J.G., Cowling E.B.: Pathometry: The measurement of plant disease [W:] How disease develops in populations. Plant Disease. Red. Horsfall J.G., Cowling E.B. Vol. II. Academic Press. Nowy Jork 1978.
- Godzik B.: Ozone concentrations in Kraków Province, Southern Poland. „Fragmenta Floristica et Geobotanica” 43(1)/1998.
- Godzik B.: The measurement of tropospheric ozone concentrations in southern Poland using the passive samplers and plant bioindicators. “Archives of Environ. Protection” 26(2)/2000.
- Godzik B.: Tropospheric ozone concentrations in mountain national parks in Poland and their effects on the plants. „Fragmenta Floristica et Geobotanica” 43(1)/1998.
- Buse A., Mills G., Harmens H., Büker P., Hayes F., Williams P., Emberson L., Cinderby S., Ashmore M., Holland M. and the participants of the ICP Vegetation: Air pollution and vegetation UNECE ICP Vegetation annual report 2002/2003. Centre for Ecology and Hydrology. Bangor (Wielka Brytania) 2003.
- Harmens H., Mills G., Hayes F., Williams P. and the participants of the ICP Vegetation: Air pollution and vegetation: UNECE ICP Vegetation annual report 2003/2004. Centre for Ecology and Hydrology. Bangor (Wielka Brytania) 2004.
- Klumpp A., Ansel W., Klumpp G.: Eurobionet – European Network for the assessment of air quality by the use of bioindicator plants. Final Report. Universität Hohenheim (Niemcy) 2004.
- Nali C., Ferretti M., Pellegrini M., Loreznini G.: Monitoring and biomonitoring of surface ozone in Florence, Italy. „Environmental Monitoring and Assessment” 69/2001.
- Klumpp A., Klumpp G., Ansel W.: Urban air quality in Europe – results of three years standardized biomonitoring studies [W:] Urban air pollution, bioindication and environmental awareness. Red.: Klumpp A., Klumpp G., Ansel W. Cuvillier Verlag. Göttingen (Niemcy) 2004.
- Mitosek i in.: Wskazówki do modernizacji monitoringu jakości powietrza pod kątem dostosowania systemu do wymagań przepisów Unii Europejskiej ze szczególnym uwzględnieniem dużych miast. Biblioteka Monitoringu Środowiska. Warszawa 2000.
- Barret L.A., Bunce N.J., Gillespie T.J.: Estimation of tropospheric ozone production using concentrations of hydrocarbons and NOx, and a comprehensive hydrocarbons reactivity parameter. „Journal of Photochemistry and Photobiology, A: Chemistry” 113/1998.
- Fiala J., Cernikovsky L., de Leeuw F., Kurfnest P.: Air pollution by ozone in Europe in summer 2003. Overview of exeedances of EC ozone threshold values during the summer season April-August 2003 and comparisons with previous years. EEA, Nordic Environment Marking. Kopenhaga (Dania) 2003.
- Ashenden T.W., Mansfield T.A.: Influence of wind speed on the sensitivity of ryegrass to SO2. „Journal of Experimental Botany” 28/1997.
- Berkowicz R., Sørensen N.N., Michelson J.A.: Modeling air pollution from traffic in urban areas [W:] Flow and Dispersion through groups of obstacles. Red. Perkins R.J, Belcher S.E. Clarendon Press. Oxford 1997.
dr inż. Klaudia Borowiak
prof. dr hab. Janina Zbierska
Katedra Ekologii i Ochrony Środowiska AR Poznań
Danuta Jankowiak – Krysiak
Wydział Monitoringu WIOŚ Poznań.
