Klimatske promjene i onečišćenje zraka dva su važna međusobno povezana uzročnika stresa koja utječu na bioraznolikost šuma i održivo gospodarenje šumama EU. Ovi uzročnici stresa mogu smanjiti produktivnost šuma i promijeniti rasprostranjenost vrsta drveća i jedinki. U nekim slučajevima šume se mogu oporaviti od poremećaja. U drugim slučajevima, mogu utjecati na rasprostranjenost vrsta  ili izumiranje (Sicard i sur., 2020.).

Jedna od najvažnijih prijetnji je troposferski ozon (O3), treći staklenički plin (nakon CO2 i CH4) i značajna fitotoksična onečišćujuća tvar koja najviše utječe na europske šume.

Unatoč znatnom smanjenju emisija prekursora u Europi i dokazima da su se prosječne ljetne koncentracije ujednačile ili neznatno smanjile od 2000., izloženost ozonu u mnogim ruralnim i udaljenim područjima i dalje je potencijalno štetna za šumsku vegetaciju (Schaub i sur., 2018., Vazquez i sur., 2024.). Trenutne razine O3 dovoljno su visoke (godišnja srednja vrijednost >40 ppb) da negativno utječu na drveće izazivajući npr. vidljive simptome na lišću, smanjujući sadržaj klorofila, ubrzavajući starenje lišća, smanjujući fotosintezu, rast i sekvestraciju ugljika (Sicard i sur., 2019.). U 2021. i 2022. sve države članice EU-a zabilježile su razine prizemnog ozona i dušikova dioksida iznad preporučenih razina Svjetske zdravstvene organizacije. Najviša razina prizemnog ozona zabilježena je na Mediteranu i u srednjoj Europi (MZOZT, 2024.). Koncentracije ozona premašile su 40 ppb na 37,3 % euroepanskih šumskih područja i bile su znatno veće u alpskoj i mediteranskoj regiji (Ferretti i sur., 2024.). U revidiranoj Direktivi EU o Nacionalnim gornjim granicama emisija (2016/2284/EU, nadalje NEC direktiva), cilj je smanjenje emisija onečišćujućih tvari u zraku za 30 % do 2030. u usporedbi s razinama iz 2005. (Moura i sur., 2022.). O3 je najštetniji onečišćivač zraka za šume, međutim, utjecaji na šume ne mogu se lako pratiti. Vidljiva oštećenja na lišću, izazvana ozonom smatraju se lako uočljivim, izravnim pokazateljem utjecaja ozona na vegetaciju (Ferretti el al, 2024). Obično je prvi jasan i nedvosmislen znak prisutnosti fitotoksičnih razina O3 i pouzdan je biomarker praćenja učinaka O3  onečišćenja u šumama prema preporuci EU ICP-Forests (International Co-operative Programme on Assessment and Monitoring of Air Pollution Effects on Forests). Vidljiva oštećenja mogu pružiti uvid u područja u kojima su koncentracije ozona visoke i pomoći u praćenju promjena tijekom vremena. S obzirom na to da je osjetljivost biljaka na ozon specifična za vrstu, osjetljive vrste mogu smanjiti brojnost, mijenjajući biološku raznolikost i funkcije ekosustava kao što su kruženje hranjivih tvari i osiguravanje staništa. Za pojavu vidljivih oštećenja, biljka mora biti: 1) vrsta genetski predisponirana da bude osjetljiva  na O3 ; 2) izloženi su razinama  koje premašuju razine koje uzrokuju  oštećenja i 3) suočavaju se sa  uvjetima okoliša (npr. temperatura, sunčevo zračenje, sadržaj vode u tlu) koji olakšavaju unos O3 (Hoshika i sur., 2018., Sicard i sur., 2020., Moura i sur., 2022.). Nadalje, nedavno razvijenim procesima temeljenim na toku  kroz puči (flux-based), procjenjuje  se količina O3 koja se apsorbira u lišće ili iglice putem puči zajedno sa različitim klimatskim čimbenicima, karakteristikama vegetacije te lokalnim i fenoloških inputima na unos ili tok O3. Fitotoksična doza ozona iznad praga Y apsorpcije (PODY) je akumulirani tok O3 kroz puči i može se modelirati pomoću modela depozicije ozona i  izmjene kroz pučii (DO3SE). Trenutno se PODY smatra obećavajućim kao novi europski zakonodavni standard (Paoletti i sur., 2019.). Međutim, još uvijek nedostaje validacija praga Y u različitim uvjetima na terenu. Epidemiološke studije, u kojima se biološki odgovori  uspoređuju s podacima s terena, mogu pružiti korisne informacije za utvrđivanje najboljih standarda i pragova za zaštitu šuma od O3 i izračuna novih kritičnih razina za zaštitu šuma na temelju protoka kroz puči. Kako je istaknuto u najnovijoj direktivi EU-a o kvaliteti zraka i čišćem zraku (2024/2881/EU), te su varijable potrebne i za poboljšanje praćenja učinaka onečišćujućih tvari u zraku na ekosustave i procjenu učinkovitosti strategija kontrole onečišćenja zraka u EU.  Nadalje, povišeni O3 trenutno opterećuje biljne ekosustave i može negativno utjecati na korištenje hranjivih tvari u biljkama. Biljke mogu modificirati stope izmjene lišća i raspodjelu hranjivih tvari na razini organa kako bi se suprotstavile O3 oštećenju (Paoletti i sur., 2024.). O3 utječe na  kemijski sastav hranjiva. Klimatski scenariji za 2100. upućuju na to da su regije s visokim endemskim bogatstvom, npr.mediteransko područje, najviše ugrožene visokim razinama O3 (Agathokleous i sur., 2020.). S obzirom na činjenicu da su u mediteranskoj regiji uočene visoke koncentracije ozona, ključno je proširiti naše znanje o mogućim učincima ozona na zdravstveno stanje šuma.

Mediteranski šumski ekosustavi pokrivaju više od 30% kopnene površine Hrvatske i vjerojatno su najugroženiji šumski ekosustavi, zbog složenih klimatskih mediteranskih uvjeta. Oni su pod kombiniranim utjecajem lokalnih, regionalnih i međugradskih izvora onečišćenja (Jakovljević i sur., 2019.). Stoga se u prethodnom HRZZ IP projektu “Procjena atmosferskog taloženja i razine ozona u ekosustavima mediteranskih šuma (DepOMedFor) tim Hrvatskog šumarskog instituta (HŠI) i Instituta za jadranske  kulture i melioraciju krša (IJK) usredotočio na procjenu atmosferskih unosa u šumske ekosustave te identifikaciju mogućeg utjecaja kisele depozicje i O3 na stanje krošnje, ishranu, rast, dostupnost hranjiva u tlu, vode, procjena  opterećenja depozicijom i identifikaciju uzročno-posljedičnih veza između fizioloških i kemijskih parametara i pokazatelja vitaliteta u mediteranskim šumama (Jakovljević i sur., 2019.).Projekt je uključivao pasivna mjerenja ozona i izloženosti  duž Jadranske obale te izračun različitih metrika O3 dobivenih iz literature, odnosno akumulirane izloženosti AOT40 i tokova O3 kroz puči sa satnim pragom apsorpcije (Y) koji predstavljaju detoksikacijski kapacitet drveća koja se koriste za zaštitu šuma (Jakovljević i sur., 2021). Pasivna mjerenja ozona i praćenje pokazatelja zdravstvenog stanja šuma, odnosno rasta i defolijacije krošnje, provedena su u šumama Quercus ilex, Quercus pubescens, Pinus halepensis  i Pinus nigra. Za sve analizirane vrste razine ozona bile su blizu gornje granice vjerodostojnosti za pasivno praćenje kvalitete zraka na šumskim područjima (100 ppb). Utvrđeno je da su metrike O3 temeljene na izloženosti veće na plohama bora nego na plohama hrasta, dok su najviše vrijednosti metrike temeljene na apsorpciji utvrđene na plohi P. nigra. Što se tiče odnosa između varijabli okoliša i pokazatelja zdravstvenog stanja šuma, defolijacija krošnje bila je značajno povezana sa sadržajem vode u tlu na različitim dubinama, dok je rast stabala bio u korelaciji s različitim metrikama O3 (Jakovljević i sur., 2021.). Po prvi put su izračunate koncentracije ozona i metrike O3  u tipičnim mediteranskim šumskim ekosustavima istočne obale Jadrana pomoću in-situ mjerenja. Nadalje, odabrane su dvije mediteranske vrste (Quercus pubescens i Pinus nigra) koje prije nisu bile istražene (prema našim saznanjima). U istraživanjima smo istaknuli važnost daljnjih epidemioloških studija u mediteranskim terenskim uvjetima koje kombiniraju praćenje ozona s pokazateljima zdravstvenog stanja šuma za dublje razumijevanje njegovog utjecaja na mediteranske vrste tijekom vremena (Jakovljević i sur., 2021.). Praćenje pasivnim načinom bilo je dobra alternativa za mjerenje koncentracije ozona na šumskim ekossustavima u to vrijeme. Međutim, pasivni način karakteriziaran je nesigurnošćui koja smanjuje njegovu pouzdanost i niska je vremensku razlučivost, od 1 thjedna do tjedna so mjesec dana, dok POD1 i AOT40 zahtijevaju podatke po satu. Stoga smo u našem istraživanju morali primijeniti funkcije za procjenu satnih koncentracija, počevši od tjednih ili dvotjednih podataka. Meteo podaci nisu izmjereni izravno na terenu, ali su sve meteorološke varijable potrebne za DO3SE model za dobivene iz ERA5 (Jakovljević i sur., 2021.).

Utjecaj O3 na pokazatelje zdravstvenog stanja šuma stabala na Mediteranu još uvijek je slabo istražen u terenskim uvjetima, stoga su potrebna daljnja istraživanja. U tom kontekstu želimo istaknuti važnost daljnjeg istraživanja epidemioloških studija u mediteranskim terenskim uvjetima. koje kombiniraju aktivno praćenje ozona s pokazateljima zdravlja šuma radi dubljeg razumijevanja njegova utjecaja na mediteranske šumske ekosustave. Budući da ozon s vremenom može izazvati oštećenja od biološkog značaja, potrebno je istražiti simptome koji upućuju na oksidativni stres uzrokovan visokim koncentracijama prizemnog ozona duž Jadranske obale. Osim koncentracije ozona, poznato je da je izraženost vidljivih folijarnih simptoma (VFS) na određenom mjestu modulirana s nekoliko čimbenika povezanih s vegetacijom (sastav vrsta, među- i unutarspecifična varijabilnost), atmosferom (npr. deficit tlaka pare) i tlom (npr. vlaga tla).

Što se tiče vegetacije, raznolikost vrsta, morfološke karakteristike, sposobnost detoksikacije i mikroklima mogu igrati značajnu ulogu u moduliranju  VFS-a čak i za istu vrstu na određenom mjestu (Moura i sur., 2022). Stoga se može očekivati da iste vrste izložene sličnim koncentracijama ozona na različitim lokacija ma ne moraju uvijek pokazivati istu učestalost VFS-a. Istodobno, različite vrste izložene sličnim koncentracijama ozona na istom mjestu također mogu imati različite odgovore VFS-a ovisno o njihovim funkcionalnim svojstvima. U toj perspektivi, izraženost VFS-a može integrirati različite gore navedene čimbenike, pa se – stoga – pojava VFS-a može smatrati svojevrsnim “otiskom prsta”, korisnim i ekološki značajnim pokazateljem za otkrivanje rizika koji ozon može predstavljati za šumsku vegetaciju na određenom području (Ferretti el al, 2024.).  U šumskim ekosustavima troposferski O3 može se pratiti pasivnim, kumulativnim uzorkovanjem ukupne izloženosti (kao u projektu DepOMedFor) ili mehaničkim automatskim monitorima u stvarnom vremenu s kontinuiranim praćenjem (Carrai i sur., 2021.) Na udaljenim lokacijama dostupnost napajanja često je ograničena, a to je do sada bilo veliko ograničenje korištenja automatskog praćenja O3. Međutim, nedavne studije pružile su i uključile korištenje solarnih panela koji imaju relativno nisku cijenu (Carrai i sur., 2021.). Njihova upotreba, podržana baterijama, široko je prihvaćeno rješenje u udaljenim meteorološkim postajama. Osim toga, za prikupljanje podataka potrebno je manje putovanja u šume zahvaljujući daljinskom povezivanju putem GPRS-a za aktivni sustav praćenja nego za pasivni(Carrari i sur., 2021.).  Ovi inovativni rezultati podržavaju aktivno praćenje O3 (AM), a ne pasivno praćenje (PM). Prednost AM veća je u dužim vremenskim okvirima praćenja, npr. za zimzelene mediteranske šume koje zahtijevaju cjelogodišnje praćenje i nažalost pate od niske vremenske rezolucije u PM (2 tjedna do mjesec dana) tako da je nemoguće otkriti visoku  koncentraciju O3 tijekom dana kada su biljke fotosintetski aktivne i tako apsorbiraju mnogo O3. Prednost AM u odnosu na PM također je potaknuta manjim brojem putovanja od istraživačkog centra do šume. Konkretno, smanjeni potencijal aktivnog praćenja utječu i na globalno zagrijavanje jer utječu na smanjenje uglljičnog otiska. Ovi rezultati ukazuju na prednost AM s ekološke, ekonomske i socijalne točke gledišta. Osim toga, automatski sustav pruža pouzdane podatke po satu koji su prikladni za procjenu toka O3, kroz puči pomažući u  kreiranju politika za procjenu utjecaja ozona na šume (Carrari i sur., 2021.).

S obzirom na gore navedene činjenice, praćenje koncentracija O3 na udaljenim šumskim lokacijama je izazovno, međutim, razvijaju se nove tehnologije koje mogu omogućiti pristupačna automatska mjerenja ozona u stvarnom vremenu, kao i mjerenja mnogih drugih varijabli okoliša. To bi trebalo uzeti u obzir kako bi se osigurala tehnološka spremnost uz zadržavanje pozornosti na usporedivost podataka (Ferretti i sur., 2024.). Stoga želimo unaprijediti monitoring korištenjem novog pristupa s automatskim O3 monitorima (vremenska razlučivost 1h s registracijom podataka u realnom vremenu, opskrba energijom ostvarena solarnim panelima) i senzorima za meteorološke parametre koji će biti postavljeni u prethodno istraženim  ekosustavima P. nigra i Q. pubescens gdje smo dobili najznačajnije rezultate. Ove mediteranske vrste još uvijek se rijetko istražuju. Predloženo istraživanje će nam dati odgovor kako biljne vrste u našim mediteranskim šumskim ekosustavima reagiraju na onečišćenje prizemnim O3. Nadalje, naš tim također uključuje istraživača iz Italije, dr. Yasutomo Hoshika iz CNR IRET-a. Njegov institut uspostavio je free-air O3 eXposure (FO3X), jedinstveno postrojenje u mediteranskoj Europi za procjenu učinaka O3 na vegetaciju u okviru europske istraživačke infrastrukture AnaEE (analiza i eksperimentiranje na ekosustavima). VFI slični O3 mogu se provjeriti u free-air O3 eXposure (FO3X). Eksperimenti obogaćivanjem O3 na otvorenom smatraju se najboljim pristupom za pružanje realnih procjena odgovora stabala i biljaka u stvarnim uvjetima (Paoletti i sur. 2017). Simptomi O3 VFI zabilježeni su kod nekoliko vrsta drveća u FO3 X (Hoshika i sur. 2018, 2020). Međutim, postoji potreba za validacijskim studijama kako bi se potvrdilo jesu li VFI slični O3 uočeni u  šumama dovoljno slični stvarnim O3 VFI dobivenim u FO3X (Moura i sur., 2022.). Nova generacija postrojenje kao što je FO3X, prikladan je alat za aktivnosti validacije O3 VFI promatranog u šumi. Budući da su mediteranske šume značajna područja svjetske kopnene biološke raznolikosti, eksperimente s ozonom FACE (Free Air Controlled Exposure) potrebno je proširiti na više vrsta kako bi se ostvarila pravilna i reprezentativna procjena zdravstvenog stanja šuma pod utjecajem onečišćenjem s O3 (Moura i sur., 2022.). U skladu s tim, projekt O3MedFor ima za cilj kombinirati sveobuhvatne skupove podataka novopostavljenih automatskih stanica za praćenje s pokazateljima zdravstvenog stanja šuma za dublje razumijevanje utjecaja ozona na mediteranske šumske ekosustave. Nadalje, inovativno postrojenje za ozon  koristit će se za izračun standarda koji se temelje na izloženosti ozonu i tokovima te za procjenu maksimalnih razina ozona koje mediteranske vrste mogu tolerirati. Kako bi se to postiglo, projekt će se suočiti s pet glavnih znanstvenih ciljeva:

1) uspostaviti i testirati inovativni integrirani sustav praćenja za kontinuirano mjerenje parametara koji utječu na šumske ekosustave

2) procijeniti utjecaj ozona na šumske ekosustave i identificirati pokazatelje odgovora biljaka (npr. radijalni i visinski rast, stanje krošnje, hranjive tvari, vidljiva oštećenja s O3, raznolikost vegetacije)

3) validirati i karakterizirati vidljiva oštećenja ozonom i parametrizirati model protokaozona  kroz puči za odabrane vrste pomoću inovativnog postrojenja FO3X

4) identificirati uzročno-posljedične veze između fizioloških i kemijskih parametara drveća, tla, vegetacije, meteoroloških parametara i ozona te izračunati nove kritične razine temeljene na toku za odabrane vrste

5) prenijeti stečena znanja o mediteranskim šumskim ekosustavima zainteresiranim dionicima (javne institucije, službe za gospodarenje šumama, znanstvene zajednice itd.)

S obzirom na naše prethodno istraživačko iskustvo u mediteranskom šumskom ekosustavu, stručnost stečenu i kao nacionalni stručnjaci ICP Forests expert panela i angažman članova tima iz Italije, dr. Alessandre De Marco iz ENEA-e (član tima također u DepOMedForu) i dr. Yasutomo Hoshika iz CNR IRET-a, uvjereni smo da će multidisciplinarni tim s različitim disciplinama vezanim uz ekologiju šuma, praćenje onečišćenja zraka, modeliranje i utjecaje, ekofiziologija, bioraznolikost, bilologiju biljaka, uzgajanje šuma i gospodarenje šumama uspjeti u relizaciji ovog projketa. Tim će raditi na širenju znanstvene ekspertize i razmjeni inovativnih istraživačkih praksi u vezanih za mediteranske šumske ekosustave. Obradom podataka dobivenih monitoringom u odabranim mediteranskim šumama dobit će se potrebne informacije o stanju ekosustava i reakciji tih šuma na ozon i klimatske promjene. Rezultati će dati priliku da se istraživanje proširi i na druge šumske plohe budući da ovako opsežna istraživanja s automatskim mjernim stanicama do sada nisu provedena u Hrvatskoj. Također, dobivenim rezultatima i suradnjom s talijanskim znanstvenicima želimo upotpuniti sliku tipičnih mediteranskih šuma na Jadranskoj obali, te tako stečena znanja prenijeti znanstvenoj zajednici i javnim institucijama koje se bave gospodarenjem šumama, zaštitom prirodnih resursa i procjenom kvalitete zraka (npr. Hrvatske šume d.o.o., Ministarstvo zaštite okoliša i zelene tranzicije). Nadalje, ta će postignuća doprinijeti jačanju suradnje i napretku u okviru programa praćenja ICP Forests. Ciljevi projekta također su strogo vezani uz Direktive o nacionalnim gornjim granicama emisija (Direktiva (EU) 2016/2284) kojom se od država članica zahtijeva da prate utjecaj onečišćenja zraka na ekosustave na svojem državnom području.