Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Vliv kyselého deště na povrchové vody

Modelování vývoje minulosti a budoucnosti povodí Lysina ve Slavkovském lese
 |  5. 7. 1996
 |  Vesmír 75, 373, 1996/7

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. Tato kyselá voda startuje řetěz reakcí vedoucích k okyselení půd a povrchových vod, jehož důsledkem jsou uhynulé horské lesy (viz obrázek), kyselé povrchové vody bez ryb, podzemní vody s vysokým obsahem toxických kovů uvolněných z půd a hornin.

V České republice hraje nejdůležitější roli v okyselování půd kyselina sírová. 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. Suchá depozice síry tvoří na území ČR zhruba dvě třetiny celkové depozice a je rozhodujícím faktorem okyselování zalesněných oblastí.

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. To celkovou depozici síry výrazně zvětšuje.

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. Proto se používají matematické modely simulující dlouhodobý průběh okyselování.

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. Cosby a jeho spolupracovníci.

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. V intenzivně těženém lese výrazně klesá přirozená neutralizační kapacita celého ekosystému.

A jak se zjišťují parametry pro období před začátkem kyselé depozice? Modelování vychází z odhadu „přirozených“ podmínek před začátkem industrializace a podle zadaných scénářů depozice vypočítává odezvu půd a vod na měnící se kyselou zátěž. Pokud se takovým postupem podaří dospět právě k současnému známému stavu ekosystému, je možno modelovat pravděpodobný vývoj v budoucnu.

Průběh okyselování v západních Čechách

Jak asi probíhal acidifikační proces v posledních 140 letech? Pokusme se tento mechanizmus popsat na příkladu povodí Lysina v západních Čechách. 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. Atmosférická depozice síry do povodí je zhruba 25 – 30 kg síry na hektar za rok, dvě třetiny tvoří suchá depozice.

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 (viz obrázek). 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. Hraniční hodnota pro přežití nejodolnějších druhů ryb (např. sivena amerického) je okolo 0,3 mg hliníku na litr a pH zhruba 5,0 – 5,5.

Atmosférickou depozici síry v minulém století jsme odhadli z jedinečné historické studie Josefa Hanamanna Lučební povaha tekoucích vod českých, vydané r. 1896. Podle koncentrace SO42– v tocích stékajících ze Slavkovského lesa jsme odhadli depozici síry v této oblasti asi 2 kg síry na 1 hektar za rok, tedy zhruba 15krát nižší než dnes.

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 (viz obrázekobrázek). Mezi anionty v potoce dominovaly hydrogenuhličitany (HCO3), pocházející z uhličitanového zvětrávání půd a hornin, a anionty organických kyselin vznikajících při rozkladu organické hmoty v půdách.

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 (viz obrázek). Ty reagovaly s vodíkovými ionty (H+), které přinesla kyselina sírová, neutralizační reakcí na vodu a oxid uhličitý. Zároveň začalo mírně klesat pH (obrázek). 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. Vodíkové ionty začaly v půdách vytěsňovat bazické kationty a zaujímat jejich místo.

V potoční vodě se to projevilo tak, že pH se nejprve snižovalo jen mírně, ale množství bazických kationtů vzrůstalo úměrně vzrůstajícímu množství síranů (viz obrázekobrázek). 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. 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 (obrázek) a kyselá půdní voda začala výrazně uvolňovat z jílových minerálů v půdách hliník (obrázek). Tento proces částečně neutralizoval a brzdil další pokles pH (zvyšováním koncentrace H+, viz obrázek). 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. Tehdy také kulminovala emise SO2 v celé Evropě.

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 (obrázek). Ve vnitrozemí, a zvláště na severu republiky, však dokázaly místní znečišťující zdroje nižší dálkový přenos emisí téměř dokonale „nahradit“. Pokles znečištění můžeme v osmdesátých letech zaznamenat jen v západní a jihozápadní části Čech (Český les, Šumava, částečně Slavkovský les a nejzápadnější část Krušných hor).

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. K nejvyššímu okyselování ve vrcholové části Slavkovského lesa docházelo v osmdesátých letech pravděpodobně stejně, jako na celém území ČR.

Všimněme si zajímavé věci. 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 (obrázek) se ovšem změnila jen velmi málo. Měřeno koncentrací H+ (obrázek) 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. Zásoba bazických kationtů v půdě vytvořená primárním zvětráváním od konce poslední doby ledové, tedy během zhruba 10 000 let, byla během posledního století nevratně vyčerpána a odtekla pryč z povodí.

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. Z obr. 1 – 3 je patrné, že 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. Dosáhnout stavu, který by se podobal období před počátkem okyselování, lze při popsaném vývoji atmosférické depozice nejdříve za desítky až stovky let.

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. Opět vzroste význam přírodních organických kyselin, jejichž role byla v průběhu antropogenní acidifikace zatlačena do pozadí, ačkoliv v předindustriálním období tvořily hlavní část aniontů v povrchové a půdní vodě.

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. Autoři doufají, že popsané schéma platí i v jiných horských oblastech severozápadních Čech.

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. 1)

Obrázky

Poznámky

1) Tato práce vznikla za podpory grantu 205/93/0725 GA ČR.

Citát

UMBERTO ECO: Skeptikové a těšitelé, nakl. Svoboda, Praha 1995, str. 412

[...] oproti umění určenému elitě a proti kultuře v pravém slova smyslu klade projevy kultury masové, která vlastně žádnou kulturou není a kterou tudíž nenazývá mass culture, ale pouze masscult, a kultury střední, maloburžoazní, které říká midcult. Do masscultu patří pochopitelně komiksy, gastronomická hudba typu rock’n’roll a nejhorší televizní seriály, a do midcultu zase díla, která jako by měla veškeré náležitosti současné kultury, a přitom jsou vlastně parodií, ochuzením a falzifikací s komerčními cíli.

... masové kultuře netřeba mít za zlé šíření výrobků nejnižší úrovně a nulové estetické hodnoty [...], ale naopak je třeba vytknout midcultu, že „využívá“ objevů avantgardy a ty že pak „banalizuje“ a proměňuje v konzumní objekty.

Tato kritika se sice strefuje do černého a umožňuje nám pochopit, proč se tolik komerčních výrobků může pochlubit určitou stylistickou úrovní a přitom jsou to v podstatě falzifikace, sama však jako taková jen reflektuje aristokratickou koncepci vkusu a nevkusu.

Hrozba okyselování

/Tam, kde převažují listnáče, zatím plži prospívají/


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. Mezi silně postiženými druhy se uvádí třeba i Balea perversa (L.), plž, který se u nás vyskytuje i v krajinách s nejvyšší imisní zátěží.

Podrobné výzkumy, které provedli švédští malakozoologové (odborníci studující měkkýše) Ingvar Wäreborn a Henrik Valdén za spolupráce Ulfa Gärenforse, 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. Porosty stromů tak vytvářejí jakýsi ochranný štít proti kyselým imisím a stávají se útočišti pro ohrožené plže a zřejmě i pro řadu dalších bezobratlých.

Jaká je situace u nás, kde je hrozba acidifikace v některých oblastech nepochybně větší než ve Švédsku? V našich zemích zatím nebyly provedeny tak podrobné biochemické a geochemické výzkumy ve vztahu k drobné fauně jako ve Skandinávii, i když již před lety upozornil lesník Karel Mráz na význam opadanky uvedených listnáčů, která je s to výrazně zlepšit půdní poměry i na horninách s minimálním obsahem dvojmocných bází.

Popsal tehdy zvláštní formy živého humusu nezávislého na horninách v podloží, které nazval pseudomulsemimul. Nicméně máme od nás bohatou řadu pozorování o vztahu ulitnatých plžů k jednotlivým dřevinám, které naprosto potvrzují poznatky ze Skandinávie i závěry K. Mráze.

Tam, kde na horninách tvořených téměř čistým SiO2, jako jsou proterozoické buližníky (silicity), ordovické křemence nebo tvrdé kambrické pískovce a slepence, 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. Tak tomu je na hrubých buližníkových sutích i na kyselých vyvřelinách v údolí Vltavy, a zejména v Podyjí, kde najdeme i některé druhy jinak výhradně vázané na vápence, např. plže Truncatellina claustralis (Grd.).

Obdobně je tomu i s vysokou imisní zátěží, jaká je v západním křídle Českého středohoří. Zde vedle bázemi bohatých čedičů vystupují i vápníkem chudé trachyty, avšak všude tam, kde převažují zmíněné listnáče, tady především lípy, zatím plži prospívají, ačkoli v sousedství hynou celé smrkové monokultury.

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. Jen zbytky porostů, v nichž se ve zvýšeném podílu udržely zmíněné listnáče, dodnes tvoří ochranný štít, pod nímž přežívá malakofauna i tam, kde se jinak projevuje ničivý vliv imisí. V lipové hrabance na drolinách Českého středohoří zatím dobře odolává i zmíněná Balea perversa (L.), a dokonce i vápnomilná Truncatellina claustralis (Grd.) zjištěná např. i na drolinách Solanské hory obrácených přímo ve směru hlavního přínosu imisí.

Uvedené problematice by bylo třeba věnovat větší pozornost, neboť poznatky odvozené z výzkumu malakofauny a jejího vztahu k dřevinám naznačují jednu z cest, jak lze čelit současné degradaci lesních porostů i půd v zamokřených oblastech.

Vojen Ložek

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Ekologie a životní prostředí

O autorech

Jakub Hruška

Pavel Krám

Filip Moldan

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné