Vliv kyselého deště na povrchové vody

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 (NO_x) způsobené hlavně vysokoteplotním spalováním v automobilových motorech. SO₂ a NO_x 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 SO₄^2– 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 obrázek a obrázek). 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 SO₄^2– 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 obrázek a obrázek). 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, SO₄^2– 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 SO₄^2– 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 SO₄^2–. Stejné koncentraci SO₄^2– 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⁾