Kyselé deště a jejich dopad na ekologii

Dvě hlavní příčiny kyselé atmosférické depozice, označované populárně jako kyselý déšť, jsou emise oxidu siřičitého (SO2), který vzniká zejména spalováním hnědého uhlí, a emise oxidů dusíku (NOx) způsobené hlavně vysokoteplotním spalováním v automobilových motorech. SO2 a NOx v atmosféře a na povrchu vegetace dále oxidují za vzniku kyseliny sírové a kyseliny dusičné, které snižují pH srážkové vody. V České republice hraje nejdůležitější roli v okyselování půd kyselina sírová.

Mechanizmy kyselé depozice

Z atmosféry se na zemský povrch dostává dvěma mechanizmy. Prvním je vlastní kyselý déšť, správněji „mokrá depozice“, druhým je „suchá depozice“ síry. Ta se uplatňuje v oblastech s vysokými koncentracemi SO2 v ovzduší (vysokými se v tomto kontextu rozumí průměrné roční koncentrace vyšší než 3-5 g/m3).

Mechanizmus suché depozice je zhruba následující: SO2 a síranový aerosol z atmosféry se zachycují na povrchu vegetace, kde SO2 oxiduje na H2SO4, která je při nejbližším dešti spláchnuta do půdy. Nejvíc síry zachycuje smrkové jehličí, listnaté opadavé dřeviny jí zachytí výrazně méně.

Vliv vlastností půdy na okyselení

Vedle množství depozice rozhodují o stupni okyselení vlastnosti půd, zejména množství bazických kationtů (Ca2+, Mg2+, Na+, K+), jejichž zdrojem je zvětrávání podložních hornin. Čím více je v půdách bazických kationtů, tím jsou odolnější, protože mohou déle neutralizovat kyselý přísun z atmosféry. Nejméně odolné jsou horské půdy, které mají malou mocnost a přirozeně nízké množství bazických kationtů.

V horách se devastující vliv kyselých dešťů projevuje nejdříve, protože jsou v nich vysoké srážky, časté mlhy, vysoká rychlost větru a převaha smrkových monokultur.

Čtěte také: Řešení problému kyselých dešťů

Modelování průběhu okyselování

Okyselování probíhá dlouhou dobu skrytě a jeho příznaky se projevují teprve s odstupem času. Proto je vhodné zabývat se i minulostí okyselených ekosystémů. Pokud nebudeme schopni alespoň kvalifikovaným odhadem rekonstruovat stav sledovaného ekosystému před začátkem okyselení, nebudeme mít srovnání se stavem, k němuž bychom se měli opět přiblížit.

Hlavní složkou ekosystému, která určuje odolnost vůči antropogennímu okyselování, jsou půdy, a proto modely zahrnují zejména procesy okyselování půd a vod. Jedním ze středně komplexních modelů je MAGIC (Model of Acidification of Groundwater In Catchments), který vyvinuli v polovině 80. let v USA B. J.

Jako vstupní parametry pro model jsou použity současné vlastnosti půd ve zkoumaném povodí (velikost sorpčního půdního komplexu, jeho nasycenost bazickými kationty, množství a struktura půd, adsorpce síranů, disociační konstanty organických kyselin, rychlost zvětrávání matečné horniny a další experimentálně dosažitelné veličiny). Hlavní veličinou modelu jsou údaje o časových proměnách atmosférické depozice.

Další důležitou hodnotou je příjem bazických kationtů stromy a jejich fixace v organické hmotě. V pěstovaných rychle rostoucích dřevinách (ve smrkových lesích) se těžbou a odvozem dřeva z lesa porušuje přirozený koloběh prvků: bazické kationty fixované ve dřevě se nemohou po odumření stromu vrátit zpět do půdy tak, jak tomu bylo v původních pralesích.

Modelování vychází z odhadu „přirozených“ podmínek před začátkem industrializace a podle zadaných scénářů depozice vypočítává odezvu půd a vod na měnící se kyselou zátěž. A jak se zjišťují parametry pro období před začátkem kyselé depozice?

Čtěte také: Využití listí a trávy v zahradě

Průběh okyselování v západních Čechách

Pokusme se tento mechanizmus popsat na příkladu povodí Lysina v západních Čechách. Jak asi probíhal acidifikační proces v posledních 140 letech? Povodí Lysina (0,27 km2) se nachází ve vrcholové části Slavkovského lesa v nadmořské výšce 829 až 946 metrů nad mořem. Pouhých 10 km severně odtud je v sokolovské hnědouhelné pánvi elektrárna Tisová. Geologické podloží je tvořeno žulou s nízkým obsahem bazických kationtů a je pokryto vrstvou podzolované hnědé lesní půdy o průměrné mocnosti asi 1 m. Ze 70 % je území povodí porostlé smrkovou monokulturou, 30 % tvoří paseka s výsadbou mladých smrků. Povodí jeví všechny typické znaky chronického zvýšení kyselosti.

Roční průměrné pH podkorunových srážek (zahrnujících suchou depozici síry) za období 1990 - 1994 bylo 3,6 - 3,9, kdežto srážek na volné ploše 4,2 - 4,3. Přitom pH srážek od r. 1990 plynule stoupá a depozice síry zvolna klesá. Potok odvodňující povodí má průměrné roční pH v rozmezí 3,89 - 3,99, sírany tvoří zhruba 80 % všech aniontů. Průměrná koncentrace hliníku uvolňovaného z půd byla vyšší než 1,3 mg na litr. Nízké hodnoty pH a vysoké koncentrace hliníku nedovolují, aby zde žili vyšší obratlovci.

Z rekonstrukce vývoje okyselení v povodí Lysina vyplývá, že v polovině minulého století bylo pH potoční vody zhruba 6,2, koncentrace síranů byly rovny přirozenému pozadí, pH deště bylo okolo hodnoty 5,0 a déšť neobsahoval téměř žádné sírany, protože spalování hnědého uhlí bylo teprve v počátcích. S přibývající důlní činností v nedaleké sokolovské pánvi a s rozvojem průmyslu začaly stoupat koncentrace SO2 v ovzduší. Déšť se pomalu stával kyselejším přítomností H2SO4.

Začaly stoupat koncentrace SO42- v potoce a snižovaly se koncentrace HCO3-. Ty reagovaly s vodíkovými ionty (H+), které přinesla kyselina sírová, neutralizační reakcí na vodu a oxid uhličitý. Zároveň začalo mírně klesat pH. Po další době, podle výsledku modelování zhruba okolo r. 1920, klesla koncentrace HCO3- na téměř nulovou hodnotu a pH na 5,5.

V tu chvíli se začal uplatňovat další neutralizační mechanizmus, který má příroda pro takový případ v záloze. V potoční vodě se to projevilo tak, že pH se nejprve snižovalo jen mírně, ale množství bazických kationtů vzrůstalo úměrně vzrůstajícímu množství síranů. Teprve když už výměnný proces v půdách nestačil úplně neutralizovat kyselinu sírovou z atmosféry, začalo pH půdní i potoční vody klesat. Podle našeho modelu k tomu došlo zhruba v letech 1915 - 1935.

Čtěte také: 5 důvodů, proč kysané zelí nepatří na kompost

Roku 1955 byla dobudována a spuštěna elektrárna Tisová, první z velkých uhelných elektráren socialistické éry, vzdálená jen 10 km severně od sledovaného povodí. V blízkém okolí tehdy výrazně stoupla koncentrace SO2 v ovzduší, pH potoční vody kleslo pod hodnotu 4,5 a kyselá půdní voda začala výrazně uvolňovat z jílových minerálů v půdách hliník. Tento proces částečně neutralizoval a brzdil další pokles pH (zvyšováním koncentrace H+).

Jenže v 60. a 70. letech přibyly další tepelné elektrárny a to vedlo k rychlému a strmému nárůstu koncentrací SO2 v ovzduší, SO42- ve srážkách a suché depozici síry v celé střední Evropě. Nejvyšší hodnoty depozice síry jsme v souhlase s mnoha jinými studiemi odhadli na konec sedmdesátých a první polovinu osmdesátých let. V té době byla dobudována soustava uhelných elektráren v podkrušnohorských pánvích a současně se začala prudce zhoršovat kvalita těženého hnědého uhlí, ve kterém byl výrazně vyšší obsah síry. Všechna tato síra byla emitována do ovzduší ve formě SO2.

V 80. letech, zejména v jejich druhé polovině, bylo již v západní Evropě patrné úsilí omezit emise SO2. K nám začalo proudit méně škodlivin, zatímco naše emise směrem na západ se udržovaly na stejné úrovni, a to jen díky tomu, že těžba uhlí stagnovala. Ve vnitrozemí, a zvláště na severu republiky, však dokázaly místní znečišťující zdroje nižší dálkový přenos emisí téměř dokonale „nahradit“.

V povodí Lysina jsme zaznamenali výrazný pokles depozice síry a tím i síranů v potoce již koncem sedmdesátých let. Tento jev však nebyl způsoben regionálním poklesem atmosférické depozice, ale tím, že zhruba 30 % povodí bylo vykáceno a povodí tak na části své plochy ztratilo zdroj suché depozice síry (smrky). Protože v půdách je část síry vratně adsorbována, vymývání těchto zásob pokračuje dodnes.

Od r. 1989 již atmosférická depozice skutečně klesá, díky tomu, že se omezuje průmyslová výroba ve státech střední a východní Evropy. Z obrázku vyplývá, že koncentrace SO42- v potoce poklesla v povodí Lysina od hypotetického vrcholu koncem 70. let zhruba na dnešní poloviční hodnotu. Hodnota pH se ovšem změnila jen velmi málo. Měřeno koncentrací H+ pozorujeme pokles jen asi 15 %, tedy velmi málý v porovnání s SO42-. Stejné koncentraci SO42- při začátku okyselování odpovídá pH zhruba 4,5, tedy mnohem vyšší než dnešních cca 3,95. Příčinou tohoto zdánlivého paradoxu je, že půdy dnes již nemají neutralizační schopnost, jakou měly v počátcích okyselování.

Scénáře budoucnosti

Náš odhad budoucího vývoje je postaven na scénáři snižování atmosférické depozice síry a mírném zvyšování depozice dusíku. Tento scénář jsme zvolili na základě prognóz publikovaných společností ČEZ o odsíření uhelných elektráren. V roce 2000 by emise síry měly dosáhnout 10 % emisí r. 1993. Zároveň jsme předpokládali růst depozice dusíku zhruba o 1 % ročně. Ten by měl být způsoben hlavně zvyšováním automobilové dopravy.

I přes poměrně značné snížení emisí a tím i depozice síry bude obnova povrchových vod a půd vrcholové oblasti Slavkovského lesa pomalá. Okolo r. 2020, kam sahá náš odhad, bude pH zhruba okolo hodnoty 4,2 a koncentrace hliníku bude pro většinu vodních organizmů příliš vysoká i nadále, přestože koncentrace síranů bude odpovídat 20. až 30. letům tohoto století. Koncentrace bazických kationtů díky vyčerpaným zásobám dokonce klesne na úroveň nižší než v preindustriálním období a celý systém se bude nacházet ve stavu, který bychom mohli nazvat chronické vyčerpání.

Během příštího století se začnou stávat dalším významným zdrojem okyselování dusičnany (NO3-), jejichž koncentrace vzhledem k zvyšování produkce oxidů dusíku porostou. Při dalším poklesu koncentrací síranů se dusičnany stanou poměrně významným kyselým aniontem.

Výsledky modelu samozřejmě nelze prohlašovat za jediné správné. Model řeší jen několik klíčových procesů, které velmi zjednodušuje, a některé další děje v ekosystému zcela zanedbává. Měřená vstupní data pokrývají jen malou část modelovaného období, a právě jen v tomto období může být výsledek modelu konfrontován s realitou. A ani v případě, kdy výsledky modelu souhlasí s měřenými daty, to nelze s jistotou interpretovat tak, že modelová projekce je „správná“ (tj. že jsou správné i projekce do budoucnosti). Popsaný scénář je pravděpodobnou rekonstrukcí minulosti a možným odhadem budoucího vývoje okyselení v oblasti Slavkovského lesa.

Vrcholová oblast Slavkovského lesa patří v ČR k oblastem na kyselý déšť nejcitlivějším. Proto i scénář budoucnosti je málo optimistický. V jiných oblastech s půdami bohatšími na bazické kationty, které mají lepší neutralizační schopnosti, jistě nebude průběh tak dramatický. Paradoxně ke zlepšení situace přispívá i úhyn lesů, protože regionálně poklesne kyselá depozice a spotřeba bazických kationtů. Nicméně ani masivní snížení emisí SO2 nezlepší situaci najednou, poškozené ekosystémy se budou zotavovat dlouho, stejně jako poměrně dlouho dokázaly kyselému dešti úspěšně vzdorovat.

V příštích desetiletích se místo SO2, jehož emise dnes výrazně klesají, začnou uplatňovat oxidy dusíku, jejichž vliv je složitější než poměrně jednoduché chování síry. Není tedy důvod na problém kyselých dešťů v budoucnu zapomenout.

Vliv okyselování na faunu

V návaznosti na články o okyselování (acidifikaci) rašelinných mokřadů se naskýtá příležitost říci několik slov, jak na tento proces reaguje drobná fauna. Jako model mohou sloužit především takové skupiny, které jsou závislé na dostatečných zdrojích vápníku. Příkladem jsou měkkýši, mnohonožky a někteří korýši kromě dalších skupin, které v tomto směru dosud nejsou řádně prozkoumány.

Vliv okyselování na suchozemské i vodní měkkýše byl podrobně sledován ve Skandinávii, kde se působnost kyselých imisí výrazně projevila narušením vodních i terestrických (suchozemských) ekosystémů. I když je zvýšená kyselost prostředí nepříznivá pro všechny měkkýše, jednotlivé druhy reagují různě, takže výsledkem je změna složení původních společenstev podmíněná vymizením některých charakteristických druhů, v extrémních případech pak vymizení malakofauny vůbec.

Podrobné výzkumy ukázaly, že pro měkkýše má prvořadý význam dostatečné množství vápníku, a to jak v podobě CaCO3, který mohou některé druhy čerpat přímo z anorganických zdrojů, tak v některých organických vazbách, především citrátových, poskytovaných rostlinami. Stupeň pH sám o sobě je méně důležitý. Vzhledem k tomu, že karbonátové půdy a horniny jsou ve Švédsku poměrně málo zastoupené, zatímco vápníkem chudé substráty mají převahu, jsou zde měkkýši odkázáni především na zdroje, které jim poskytuje vegetace. Jde především o opadanku stromů a produkty jejího rozpadu, popřípadě o některé byliny.

Určité dřeviny, zejména lípy, javory, jilmy a jasan, poskytují opadanku podstatně zvyšující obsah vápníku v povrchové vrstvě půdy, který až několikanásobně může převyšovat jeho hodnoty zjištěné ve spodině. Tam, kde na horninách tvořených téměř čistým SiO2 vzniká půda z opadu zmíněných listnáčů, nacházíme nejen poměrně náročnou vegetaci, ale i bohatá společenstva plžů a mnohonožek, jejichž zdrojem vápníku je jedině opadanka, která plně vyrovnává chudobu substrátu.

Dostáváme se tak k ožehavému problému českých pohraničních hor, které vesměs budují bázemi chudé horniny, a navíc zde lesní hospodářství nastolilo naprostou převahu smrku, který zkyseluje půdní pokryv a v jehož monokulturách plži i četné další půdní organizmy ztratili přijatelné životní podmínky. Vzhledem k současné silné zátěži kyselými imisemi zde proto hrozí vymizení celých skupin drobné fauny na rozlehlých plochách.

Kůrovec jako nečekaný pomocník?

Nový výzkum potvrdil to, co si mnozí mysleli. Výzkum na Šumavě ukázal, jak si příroda poradí s účinky kyselých dešťů i kůrovcovou kalamitou. Po odumření stromů se z půdy vyplavilo více fosforu a v Plešném jezeře to podpořilo růst řas, které spotřebovávají dusičnany. Tím se pH vody skokově zlepšilo. Kůrovec tak šumavským vodám a půdám hodně pomohl. Obroda byla možná jen díky tomu, že se na území nezasahovalo. Kdyby se odumřelé stromy odvezly jako v hospodářském lese, živiny z nich by půdu neobohatily, upozornil.

Globální pohled a boj proti kyselým dešťům

Jsou státy, které už obranu proti kyselým dešťům znají, a státy, kde s nimi teprve začínají bojovat. Zejména v Číně může za kyselé deště obrovský hospodářský růst. V Číně se velká část energie vyrábí z nekvalitního uhlí, které obsahuje síru.

Předseda Mezinárodního vědeckého výboru konference a senátor Bedřich Moldan nám řekl: "Kyselé deště jsou novým problémem například pro Čínu nebo jihovýchodní a východní Asii, například Malajsii a Indii."

Existují proti nim dva okruhy opatření. "První léčí příčinu, to jsou například odsiřovací zařízení. Druhá se zaměřují na následky emisí. V této oblasti se vymyslelo jen vápnění. To pomohlo oživit jezera, do kterých se vrátily ryby, a to hlavně ve Skandinávii. Vápnění lesů však, jak se ukazuje, velký smysl nemá a kdoví, jestli jim spíše neškodí," upozornil Bedřich Moldan.

Příběh kyselých dešťů je ukázkovým příkladem. "Výzkum vyústil v praktické mezinárodní opatření. Zjistila se kritická zátěž - tedy to, které oblasti podle kombinací vlastností půdy snesou to a to množství emisí. To je zpracované pro celou Evropu,"vysvětlil Moldan. A tak například Švédsko ví, že mu třeba 50 procent emisí může proudit z Anglie, další procenta z jiných zemí a tato množství se nesmějí překročit.

Smog přibývá na východě

Závěrečná zpráva mezinárodní konference o kyselých deštích říká, že cesta k úplnému odstranění tohoto problému ve světě je stále dlouhá. Obnova je pomalá, komplikovaná a na mnoha místech, například ve středoevropských lesích, není dostatečná. V některých regionech světa kyselý déšť a znečišťování ovzduší dokonce narůstá. Emise síry a dusíku mimo Evropy a Severní Ameriky rychle rostou. Nebezpečí poškození lidského zdraví, sladkých vod a půdních ekosystémů je dnes největší zvláště v Číně, Japonsku a na Indickém poloostrově.

Kyselý déšť vzniká kvůli vysokým emisím oxidů síry a dusíku do ovzduší. Ve střední Evropě padly od 60. do 80. let za oběť emisím síry a dusíku a následnému kyselému dešti desetitisíce hektarů lesa, byla poškozena půda a mnohé řeky a jezera zůstaly bez života. Ačkoli v posledních 15 letech v Česku výrazně ubylo emisí, které ve formě kyselých dešťů poškozují přírodu, obnova lesů a vod nepostupuje rychlostí, jakou by si odborníci přáli. Než se dostane kyselost lesních půd na úroveň z poloviny 20. století, bude to trvat ještě desítky let.

tags: #kysele #deste #ekologie

Oblíbené příspěvky:

• Analýza emisí elektromobilů
• Kosatec: Podrobný průvodce pěstováním
• Klasické řecké pojetí přírody
• Zóny ochrany: Průvodce
• Proč trávit čas v přírodě?