Gospodarka wodna drzew w warunkach miejskich

W miastach istotnym czynnikiem, który wpływa na zmianę sposobu pobierania wody przez drzewa są niespotykane w ekosystemach naturalnych (np. w lasach) warunki środowiskowe. Poszczególne drzewa rosną często pojedynczo, bez sąsiedztwa, co wpływa na wytwarzanie się specyficznego mikroklimatu wokół drzewa. W otoczeniu izolowanych drzew zmniejsza się wilgotność względna, a tym samym wzrasta poziom transpiracji. Zazwyczaj przyjmuje się założenie, że podstawowymi czynnikami limitującymi pobieranie i transport wody są w miastach warunki atmosferyczne i pojemność wodna gleby. Niektórzy badacze sugerują, że warunki atmosferyczne mogą stanowić czynnik nawet dużo istotniejszy, niż zasobność podłoża w dostępna wodę.

W warunkach miejskich zdolność drzew do pobierania wody jest, więc ściśle uzależniona od ich lokalizacji, a do podstawowych parametrów uwzględniających te zależności należą:

  • Powierzchnia gołej ziemi
  • Powierzchnia warstwy przepuszczalnej
  • Powierzchnia warstwy nieprzepuszczalnej
  • Wysokość drzewa
  • Średnica pnia
  • Powierzchnia liści
  • Zasięg systemu korzeniowego
  • Głębokość systemu korzeniowego
  • Struktura głębszych warstw gleby

W glebach miejskich zbyt mała przestrzeń dla systemu korzeniowego jest uznawana za jeden z najważniejszych czynników limitujących wzrost drzew. Stanowi to podstawowy konflikt pomiędzy, naturalnymi, biologicznymi potrzebami drzew, które choć różnią się budową, to generalnie rozwijają system korzeniowy dość płytko, jednak o dość znacznym zasięgu w poziomie. Pobieranie wody jest, więc uzależnione w dużej mierze od wody opadowej, a w mniejszym stopniu od struktury gleby, która o ile jest odpowiednio ukształtowana, zapewnia również podsiąkanie wody z warstw głębszych. We wzorcowej strukturze gleby wskazane jest, aby dolna partia podłoża zbudowana była z utworów bardziej zwięzłych, mechanicznie spowalniających ucieczkę roztworu glebowego w głąb utworów podścielających. W dużej mierze dzięki zawartości najdrobniejszych jej cząstek – pyłowych i koloidalnych – ograniczona zostaje nadmierna porowatość frakcji piaszczystej. Powstałe dzięki temu przestrzenie glebowe o optymalnej średnicy umożliwiają dostawę wilgoci z warstw leżących niżej na zasadzie podsiąku kapilarnego.

Niemniej korzystne właściwości gleb wytworzonych ze skał bardziej zwięzłych mogą, w warunkach miejskich, wpływać niekorzystnie na procesy aeracji środowiska glebowego i w takiej sytuacji korzystny wpływ na rośliny mogą mieć często leżące w wierzchniej warstwie utwory zbudowane z frakcji luźniejszych – piaszczystych. W takich idealnych warunkach płytko zalegające korzenie drzew na bieżąco czerpią wodę z zasobów opadowych, jak również w razie ich niedostatku, także z wody zmagazynowanej w warstwach głębszych, o ile poprawna struktura zapewnia odpowiednie jej podsiąkanie do warstw płytszych tam, gdzie rozmieszczona jest główna masa korzeni drzew. W ten sposób drzewa wykorzystują wodę w dość bierny sposób i kiedy struktura gleby nie jest odpowiednia, nie są w stanie aktywnie jej poszukiwać w przypadku braku odpowiedniej ilości opadów rekompensujących wyparowywanie wody nie tylko przez liście, ale także z gleby jak i roślin rosnących wokół drzew (ewapotranspiracja). W przestrzeni niedostatecznej dla właściwego rozwoju korzeni, zbyt mała objętość podłoża nie gwarantuje odpowiedniej zasobności wodnej, przez co – pomijając okresowe zjawiska zalewania korzeni – drzewa cierpią z powodu braku wody przy bardzo ograniczonej możliwości jej pobierania z warstw głębszych.

Przyjmuje się, że w 99% ruch wody z gleby do korzeni i dalej przez pnie, konary i pędy do liści zależy od transpiracji. Tym samym ilość wody, jaką potrzebuje drzewo jest związana z jej dostępnością w glebie w ilości zapewniającej odzyskiwanie strat poniesionych głównie w procesie transpiracji, jak również w wyniku parowania z gleby. Liczne badania prowadzone nad określaniem potrzeb wodnych roślin w zakresie sztucznego nawadniania dowodzą jednak, że dla podtrzymania odpowiedniego wzrostu drzewa, pomijając drzewa nowo posadzone, których potrzeby wodne są zdecydowanie większe, potrzebują odnowienia około 50-60% z tego, co utraciły w wyniku ewapotranspiracji. Jeżeli podłoże jest odpowiednio wilgotne i jego objętość jest odpowiednio duża straty wody w wyniku transpiracji są na bieżąco rekompensowane. Tymczasem w przypadku, kiedy zarówno objętość jak i wilgotność podłoża są zbyt małe, drzewa w pierwszej kolejności zaczynają ograniczać transpirację, co objawia się zwijaniem, a z czasem także zasychaniem liści. W tym momencie korzystanie z rezerw wilgoci zgromadzonej w głębszych warstwach gleby jest bardzo ograniczona.

Potrzeby wodne drzew w warunkach miejskich

Większość, gdyż około 80-90% korzeni drzew rozwija się w górnej warstwie gleby, do głębokości 60 cm. Jak wynika z obserwacji, największy negatywny wpływ na wzrost i przeżycie drzew ma mała przepuszczalność górnej warstwy gleby o grubości 15 cm, co poza niedostatkiem tlenu ogranicza także przesiąkalność wody opadowej. W ubitej ziemi woda przesącza się wolno, i dodatkowo, pozostając w małych porach, stanowi barierę utrudniającą wymianę gazów pomiędzy glebą a atmosferą. Ponadto tam gdzie, gdzie małe doły na drzewa są otoczone nawierzchnią betonową, znaczna część wody opadowej spływa po nieprzepuszczalnej powierzchni lub bardzo szybko wyparowuje. W małych, ubitych ziemią dołach, woda w okresie deszczy utrzymuje się wokół systemu korzeniowego i zatykając pory w glebie może powodować gnicie korzeni. W okresie suszy korzenie nie są w stanie przenikać „twardej” ziemi w poszukiwaniu wody. Utrudnione jest również podlewanie, ponieważ brak odpowiedniej struktury gruzełkowatej uniemożliwia infiltrację wody w obręb rozmieszczenia korzeni włośnikowych. Infiltracja określa proces wsiąkania wody opadowej lub pochodzącej z powierzchniowego nawodnienia do wnętrza gleby. Szybkość wsiąkania zależy od fizycznych właściwości gleby i w dużej mierze jest determinowana jej porowatością, a co za tym idzie i stopniem ubicia.

Woda dostępna dla korzeni roślin w większości pochodzi przede wszystkim z opadów. W okresie wegetacyjnym ilość wody, która może być dostępna dla drzew w wyniku opadów zależy od: aktualnej ewapotranspiracji, długości trwania i intensywności opadów, struktury i wielkości drzew oraz struktury gleby zapewniającej przesiąkalność jak i gromadzenie wody opadowej. W miastach, gdzie profil glebowy jak również struktura gleby są bardzo mocno zróżnicowane, określanie pojemności wodnej gleb ustala się prawie wyłącznie na podstawie zapotrzebowania na wodę opadową (opad naturalny + nawadnianie).

W warunkach miejskich transpiracja odbywa się zarówno przez liście jak i przez glebę. Jest to tzw ewapotranspiracja. Poziom ewapotranspiracji jest uzależniony od fizjologii i struktury poszczególnych gatunków drzew, lokalizacji, warunków wodnych itd. Zdolność pobierania wody przez drzewa jest w dużej mierze ograniczona przez środowisko, w którym rośnie. Tym samym w zdecydowanej większości przypadków dostępne badania koncentrują się raczej nad pytaniem: ile wody potrzebuje drzewo rosnące w określonej lokalizacji?

Większość badań prowadzonych na potrzebami wodnymi drzew koncentruje się głównie na szacowaniu minimalnej ilości wody, która zapewnia roślinom podtrzymanie prawidłowego rozwoju. Skoro wiadomo, że ubytek wody następuje w wyniku ewapotranspiracji, to ubytek ten musi być zrekompensowany poprzez opad naturalny, a w razie jego niedostatku przez dodatkowe podlewanie. Ilość wody używanej do podlewania stanowi zazwyczaj określony procent dziennej transpiracji uzależniony od poziomu ewapotranspiracji, co wiąże się z wielkością drzewa, rodzajem powierzchni, obecnością trawnika lub innych roślin okrywowych wokół drzewa itd. Z ekonomicznego punktu widzenia jest to zagadnienie zdecydowanie ważniejsze niż próby określenia rzeczywistej ilości wody pobieranej przez drzewa. W większości przypadków przyjmuje się, bowiem, że potrzeby wodne drzew (poza nowo posadzonymi) muszą być zaspokajane w ilości 50-60% ewapotranspiracji wliczając w to opad naturalny jak również dodatkowe nawadnianie. W wielu opracowaniach przyjęło się pojęcie ewapotranspiracji miejskiej (ETL)

ETL = KL x ET0

gdzie,

ETL = ewapotranspiracja miejska

KL = współczynnik miejski

ET0 = ewapotranspiracja

Współczynnik miejski (KL) jest szacowany ze wzoru

KL = KS x KD x KMC

gdzie,

KS = współczynnik gatunku

KD = współczynnik gęstości

KMC = współczynnik mikroklimatyczny

Współczynnik gatunku (KS) nie jest wyznaczany jak w przypadku upraw polowych na podstawie rzeczywistych pomiarów, a jedynie za pomocą wieloletnich różnych obserwacji i przyjmuje wartości

bardzo niski – < 0,1

niski – 0,1 – 0,3

średni – 0,4 – 0,6

wysoki – 0,7 – 0,9

Tymczasem współczynnik gęstości(KD) jest szacowany w obszarze od 0,5 do 1,3 i w podobnej skali określane są warunki mikroklimatyczne (KMC) uwzględniające typ zabudowy, wysokość budynków itd. Wyżej przytoczony schemat szacowania potrzeb wodnych jest jednym z kilkudziesięciu metod określania potrzeb wodnych drzew i krzewów rosnących w miastach, które stosowane są na całym świecie i podkreśla trudność w jednoznacznym określaniu potrzeb wodnych drzew nawet, jeżeli dotyczy to wyłącznie ustalania ilości wymaganej dla podtrzymywania procesów życiowych drzew.

Większość drzew jest relatywnie mało wrażliwa na wilgotność gleby do momentu, aż ta zostanie wyczerpana. Przyjmuje się również, że reakcje drzew są większę w odniesieniu do wilgotności powietrza wpływającej zarówno na poziom transpiracji jak wilgotności gleby.

Badania nad ilościowym pobieraniem wody przez drzewa

Do niedawna zdolność pobierania wody przez drzewa w miastach opierała się w większości przypadków wyłącznie na podstawie szacowania opadów rocznych. Pierwsze badania wskazywały, że drzewo o wysokości 10,6 m i powierzchni liści 185,81 m2 jest w stanie tracić 265 l wody dziennie. Z kolei drzewo o średnicy 162,56 cm i średniej gęstości pnia traci dziennie 946 litrów. W warunkach Południowej Afryki zmierzono eksperymentalnie, że pojedyncze drzewo sosny Pinus patula o średnicy 20 cm, zużywa rocznie ok. 9849 l wody (1,34 l/ cm średnicy pnia/dziennie), gdy tymczasem inny okaz tego samego gatunku, o średnicy 25,6 zużywa odpowiednio 16067 l wody rocznie (1,7 l/cm średnicy pnia/dziennie). Podłoże pod drzewem przy swojej ograniczonej objętości powinno, więc zapewniać przynajmniej część wody utraconej w wyniku parowania.

Tymczasem typowy dół o objętości 122 cm x 122 cm x 91,5 cm, o strukturze ilastej i objętości 1359 m3, jest w stanie zgromadzić zaledwie 170,34 litra wody. Bardzo często taka objętość podłoża jest zbyt mała, aby zapewnić drzewom odpowiednią ilość dostępnej wody.

Więcej danych dotyczących ilości wody pobieranych przez drzewa stało się dostępnych dopiero od niedawna wraz z pojawieniem się metod badawczych umożliwiających w miarę precyzyjne sposoby ich szacowania

Badania nad transportem wody, a tym samym zdolnością drzew do pobierania określonej ilości wody z gleby są bardzo skomplikowane i wymagają porównywania analiz przeprowadzanych za pomocą różnych metod. W tym celu analizuje się wyniki uzyskiwane przy zastosowaniu lizymetru glebowego stosowanego do pobierania wód z gleby i służącego do bezpośrednich pomiarów wysokości wyparowanego słupa wody oraz wyników badań uzyskiwanych z wykorzystaniem transpirometrów, wentylowanych komór jak również określenia transportu wody poprzez zastosowanie radioizotopów, stabilnych izotopów, określenia bilansu cieplnego, pomiarów rozpraszania ciepła oraz badania impulsu cieplnego. Wszystkie te metody mają na celu określić zasoby wodne drzew poprzez mierzenie poziomu transpiracji, przewodnictwa wodnego drzew, transportu wody z jak również do drewna (bielu) oraz zdolność poszczególnych gatunków drzew do transportu wiązkami naczyniowymi, bądź cewkami.

Na podstawie dostępnych badań prowadzonych od roku 1972 można wykazać, że rozpiętość w zakresie pobierania wody przez drzewa waha się od 10 kg/dzień dla 32 letnich drzewa na plantacji dębu bezszypułkowego we wschodniej Francji do 1180 kg/dzień w przypadku gatunku Euperua purpurea rosnącego w nasłonecznionym miejscu lasu Amazońskiego. Spośród wszystkich tych badań 90% wyników wskazuje na rozpiętość w zakresie od 10 do 200 kg/dzień dla drzew o średniej wielkości 21 m.

Ponieważ transport wody jest silnie uzależniony od transpiracji wyniki w oczywisty sposób różnią się w zależności od wieku liści, nasłonecznienia, wilgotności itd.

Szacowanie zdolności drzewa do przewodzenia (pobierania) wody można wyrazić w przeliczeniu na jednostkę drewna lub jednostkę powierzchni liści, co może być później zastosowane do wyrażania ogólnego przewodzenia wody (Gt) od gleby poprzez korzenie do liści. Gt może być szacowane wieloma metodami, które w konkluzji uzależniają pobieranie i transportowanie wody od aktualnego poziomu transpiracji uzależnionej od warunków środowiskowych, jak również od zdolności całego drzewa do przewodzenia, gromadzenia i przekazywania wody do liści. Badania tzw. potencjału wodnego liści pozwalają na określenie zdolności komórek liścia do przewodzenia wody poprzez zwiększenie ciśnienia w liściach przy użyciu neutralnego gazu. W tym celu stosuje się specjalne komory ciśnieniowe. Metoda umożliwia określenie zdolność pobierania wody przez liście, bez konieczności badania innych czynników w tym zwięzłości gleby itd. Metoda ta jest zwykle stosowana do mniejszych drzew, a wyniki w przypadków drzew większych są następnie interpolowane.

W poniższej tabeli zestawiono wyniki uzyskane z różnych badań prowadzonych w celu określania pobierania wody przez drzewa. W części tabeli zestawiono wyniki uzyskane w trakcie badań wyłącznie drzew rosnących w warunkach miejskich


GatunekMetoda*Wysokość
drzewa (m)
Średnica
pnia (cm)
Powierzchnia
liści (m 2 )
Dzienne zużycie
wody (kg/dzień)
Dzienne zużycie
wody (l/1 cm/dzień)
Drzewa rosnące w różnych środowiskach
Betula albaTM---70-
Fagus sylvaticaTM3554-1372.5
Larix spTM20--71-
Picea abiesTM25--63-
Picea abiesTM1110-101
Picea abiesTM1519-492.57
Picea abiesTM---23-
Picea abiesTM25364471754.8
Picea abiesTM1715-664.4
Pinus concortaR/SI2025-251
Pinus concortaL/P-20 - 26-441,69 – 2,2
Drzewa miejskie
Acer campestre--22.4-64.62.88
Acer campestre--43-140.73.27
Fraxinus pensylvanica--15,3 ± 0,49-49.43,12 - 3,22
Fraxinus pensylvanica--13,5 ± 0,48-40.82,91 - 3,02
Fraxinus pensylvanica--17,4 ± 1,63-70.13,68 - 4,02
Fraxinus pensylvanica--38,6 ± 11,6-69,1 ± 25,81,79 – 1,89
Fraxinus pensylvanica--41,1 ± 2,0-92,5 ± 34,52,25 – 2,94
Gleditschia tricantos--45,2 ± 5,5-89,9 ± 23,61,98 – 2,23
Quercus rubra--42,9 ± 7,7-
Ulmus parvifolia--28,9 ± 2,5-67,7 ± 15,82,34 – 2,65
Ulmus pumila--50,8 ± 12,6-107,1 ± 38,12,1 – 2,3
Ulmus thomasii--44,4 ± 7,0-80,4 ± 28,61,81 – 2,12

*    TM – metoda bilansu cieplnego lub rozpraszania ciepła

R/SI – metoda radioaktywnych lub stabilnych izotopów

L/P – metoda z wykorzystaniem lizymetrów lub transpirometrów do wysokich drzew

Na podstawie dostępnych wyników można oszacować jedynie pewien rząd wielkości, jakie drzewo zużywa w ciągu jednego dnia, co zostało podsumowane w powyższej tabeli. Należy jednak pamiętać, że poszczególne wyniki są często obarczone błędem wynikającym z braku możliwości ustalenia wyłącznie na podstawie jednego wzorcowego badania faktycznej ilości wody zużywanej przez drzewo. W szczególności trudności te są dostrzegalne podczas badania drzew rosnących w miastach, gdzie warunki klimatyczne jak i mikroklimatyczne oraz duża zmienności glebowa bardzo silnie utrudniają prowadzenie obiektywnych badań metodycznych.

LITERATURA

  • Allen, S. T., Kirchner, J. W., Braun, S., Siegwolf, R. T. W., Goldsmith, G. R. 2018. Seasonal origins of soil water used by trees. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. Manuscript under review for journal Hydrol. Earth Syst. Sci. 1–23.
  • Bassuk, N. L. 1991. Specifying soil volumes to meet the water needs of mature urban street trees and trees in containers. Journal of Arboriculture. 17(6):141-149.
  • Chaney W.R. 1985. Anatomy and physiology releated to chemical movement in Trees, Presented at the annual conference of the International Society of Arboriculture in Milwaukee in August 1985. Artykuł obecnie niedostępny w internecie. Tekst u autora tego opracowania.
  • Clark, J. R., Kjelgren, R. 1989. Water As A Limiting Factor In The Developmend Of Urban Trees. Journal of Arboriculture 1 6(8), 203–208.
  • Czaplewska J., Kulikowska-Gulewska H. 1999. Wstęp do anatomii i morfologii roślin naczyniowych. Wydawnictwo Uniwersytetu Mikołaja Kopernika. Toruń. ISNB 83-231-1120-0
  • Hejnowicz Z. 2002. Anatomia i histogeneza roślin naczyniowych. Organy wegetatywne. PWN Warszawa. ISBN 83-01-13825-4
  • Jones, B. A. (2018). Urban Trees and Water Use in Arid Climates : Insights from an Integrated Bioeconomic-Health Model. Water Economics and Policy: 1–38.
  • Kreuzwieser, J., Gessler, A. 2010. Global climate change and tree nutrition : influence of water availability. Tree Physiology 30: 1221–1234.
  • Łukasiewicz S. 2012. Struktura fizyczna gruntu, zawartość substancji organicznej oraz skład chemiczny gleby w podłożach 21 stanowisk zieleni miejskiej na terenie Poznania. Część I. Struktura Fizyczna Gruntu. Badania Fizjogeograficzne. R II – Seria A – Geografia fizyczna (A62): 87-103.
  • Mccluney, K. E., George, T.,Frank, S. D. 2018. Water availability influences arthropod water demand, hydration and community composition on urban trees, 1–8.
  • Nisbet T. 2005. Water Use By Trees. Forestry Commision 231 Corstorphine Road Edinburgh EH12 7AT
  • Nouri, H., Beecham, S., Morad, A., Kazemi, F. 2013. Water requirements of urban landscape plants : A comparison of three factor-based approaches. Ecological Engineering, 57, 276–284.
  • Radersma, S., Ong, C. K., Coe, R. 2006. Water use of tree lines : importance of leaf area and micrometeorology in sub-humid Kenya. Agroforestry Systems, 66: 179–189.
  • Siewniak M. Pielęgnowanie drzew ozdobnych. Międzynarodowe Towarzystwo Uprawy i Ochrony Drzew. Skład komputerowy i druk: ZPP „Klucz-Druk”, 46-200 Kluczbork, ul. Zamkowa 8
  • Symes, P., Connellan, G. (2013). Water Management Strategies for Urban Trees in Dry Environments : Lessons for the Future, 39(3): 116–124.
  • Vico, G., Revelli, R., Porporato, A. (2013). Ecohydrology of street trees : design and irrigation requirements for sustainable water use.
  • William R. Chaney. Water and Chemical Movement Beneath the Bark. http://www.agriculture.purdue.edu/fnr/html/faculty/Chaney/BeneathBark.html

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *