Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Kyselé deště a horská rašeliniště

Vody s převažující organickou kyselostí už v České republice neexistují
 |  5. 8. 1999
 |  Vesmír 78, 438, 1999/8

Účinkům kyselých dešťů je u nás vystavena veškerá příroda. Proč se tedy zkoumají horská rašeliniště? Jsou to přirozeně kyselé ekosystémy a hovořit o jejich okyselování kyselým dešťem se může zdát na první pohled paradoxní. Deště jsou tam však hojnější a intenzivnější než jinde (viz srážkové rekordy Jizerských hor), kyselé vody tam proto v průměru spadne mnohem víc. Zároveň má většina rašelinišť nejlepší podmínky pro zadržování srážkové vody (rašeliník má speciální buňky umožňující absorbovat obrovské množství vody, viz Data a souvislosti na u článku 78, 449, 1999/8), a tedy i pro ukládání síry, dusíku a vodíkových iontů. Abychom v rašelinné vodě mohli rozlišit vliv lidské činnosti od vlivu přírodních procesů, musíme odhadnout, jak asi vypadalo její složení v době před nástupem průmyslové výroby – hlavního zdroje okyselujících emisí.

Okyselování povrchových vod v důsledku lidské činnosti je spojeno s emisemi oxidu siřičitého a oxidů dusíku. Jejich hlavním zdrojem je spalování vysokosirnatého hnědého uhlí a automobilová doprava. Oxidací těchto plynů v atmosféře se tvoří kyselina sírová a kyselina dusičná, které se prostřednictvím srážek dostávají do půdy a do podzemní vody a s ní do povrchových vod (podorbněji viz Vesmír 75, 373, 1996/7). Tento mechanizmus je znám již od šedesátých let, kdy se poprvé ve větší míře projevil úhyn živočichů a rostlin v řekách a jezerech jižní Skandinávie. I v oblastech málo zasažených průmyslovými imisemi, jako je například severní Skandinávie či Kanada, se však vyskytují přirozeně kyselé povrchové vody (viz rámeček).

Čím větší podíl na iontovém složení rašelinných vod mají přírodní huminové kyseliny a fulvokyseliny (rámeček na této straně), tím více je rašeliniště podobné stavu před vznikem průmyslu. A naopak čím větší je podíl síranů industriálního původu, tím víc jsou vody zasaženy. Domníváme se, že za původních podmínek tvořily anionty huminových kyselin a fulvokyselin více než 70 % všech aniontů a sírany přírodního původu méně než 10 %. Náš průzkum byl zaměřen jak na silně zasažené oblasti (Krušné hory, Jizerské hory), tak na oblasti méně postižené (Slavkovský les) i relativně nepoškozené (Šumava, Třeboňská pánev).

Výzkum pěti rašelinných oblastí

  • Slavkovský les. Vzorky vod byly odebrány ve vrcholové části pohoří, na Kladských rašeliništích. Ta sice leží jen 12 km jižně od elektrárny Tisová, ale převládají zde západní větry, které odnášejí elektrárenské emise na východ. Díky tomu je vrcholová část pohoří zasažena jen málo.

    Rašelinné vody Slavkovského lesa se vyznačují nízkým průměrným pH (3,69), na němž se organické kyseliny podílejí asi jen 30–40 %. Tomu odpovídá i procento aniontů huminových kyselin a fulvokyselin. Převládají anionty pocházející téměř výhradně z kyselých dešťů. Jejich koncentrace se pohybují zhruba na desetinásobku přirozeného pozadí, to znamená, že vody jsou výrazně okyseleny lidskou činností.

    Mezi kationty převažují vodíkové ionty (asi 50 %), jejichž původ má rovněž na svědomí člověk. Velmi nízké pH je vysvětlitelné nízkou neutralizací bazickými kationty (suma vápníku, hořčíku, sodíku a draslíku), jež jinak bývají hlavním přirozeným neutralizačním faktorem. Vrcholová oblast Slavkovského lesa leží na žulovém podloží, které je na zásadité kationty chudé. Stupeň disociace organických kyselin je nižší než 50 %, což znamená, že více než polovina karboxylů je v nedisociované formě a nijak nepřispívá k iontové bilanci roztoku. Proto mají vody poměrně velkou pufrační kapacitu. Jestliže v blízké budoucnosti začnou výrazněji klesat koncentrace oxidu siřičitého v ovzduší a následně i koncentrace síranů v rašelinné vodě, nebude tato pozitivní změna doprovázena výrazným vzestupem pH.

  • Krušné hory. Z nejzápadnějšího rolavského celku Krušných hor byly odebrány vzorky z rašelinišť Velké jeřábí jezero a Velký močál (známý též jako Volárna). Tato oblast je na Krušnohorsku nejméně postižena imisemi. I tyto lokality jsou před vysokými koncentracemi oxidu siřičitého chráněny směrem větrů vanoucích od západu a unášejících emise z elektráren Sokolovské pánve na východ. Dalšími zkoumanými lokalitami jsou rašeliniště Oceán a Mrtvý rybník, ležící v celku Božídarského rašeliniště.

    Krušnohorská rašeliniště se vyznačují nižším podílem organických kyselin (zhruba 25 % aniontů) a v kyselosti vítězí sírany. I zde průměrné koncentrace síranů představují polovinu všech aniontů a zhruba 10násobek přirozeného pozadí. Neutralizace bazickými kationty je vyšší než ve Slavkovském lese – tvoří zde zhruba tři čtvrtiny všech kationtů. Celkové množství karboxylových skupin je výrazně nižší než pro Slavkovský les. Vzhledem k vyššímu průměrnému pH (4,15) mají krušnohorské lokality poměrně vysoký stupeň disociace organických kyselin (70 %). Zásoba nedisociovaných karboxylů je v porovnání se Slavkovským lesem čtvrtinová. To znamená, že organické kyseliny budou při redukci depozice síry a dusíku méně bránit zvyšování pH těchto vod.

  • Jizerské hory. Je tu přes třicet pojmenovaných větších rašelinišť, Z. Dohnal jich uvádí dokonce 69. Zrašeliněné půdy zaujímají až dvě třetiny všech půd ve vrcholové části hor. Jizerské hory sice nejsou v bezprostřední blízkosti velkých zdrojů oxidu siřičitého a oxidů dusíku, leží však mezi třemi největšími středoevropskými hnědouhelnými pánvemi, kde bývala soustředěna hlavní část energetických zdrojů NDR, ČSSR a Polska.

    Odebrány byly vzorky z Jizery na Velké Jizerské louce, z Černých jezírek, Jizerky a Příčné vody na Malé Jizerské louce, Vánoční louce a přítoku Černého potoka u Štolpišské silnice. Rašelinné potoky Jizerských hor se vyznačují celkově nižší mineralizací, nízkými koncentracemi síranů, poměrně vysokým stupněm neutralizace bazickými kationty a velmi nízkými koncentracemi organických kyselin (asi 15 % aniontů). Průměrná koncentrace síranů je menší než v ostatních pohořích vyjma Šumavu. V Jizerských horách jsou na rozdíl od ostatních pohoří nezanedbatelnou složku aniontů ještě dusičnany, tvořící asi 15–20 % aniontů.

    Odlišnosti jsou způsobeny odlesněním vrcholové části Jizerských hor, které od úhynu smrku v osmdesátých letech tvoří tisícihektarové holiny. Po odlesnění výrazně klesla suchá depozice síry (viz Vesmír 75, 373, 1996/7), která je pro celkovou depozici síry rozhodující. Zároveň klesla fixace atmosférického dusíku v odumřelých lesních porostech a ve vodách se objevily dusičnany. Vyšší odtoky vody (po úhynu porostů) ředí sloučeniny odtékající z rašeliniště, a proto jsou výrazně nižší i koncentrace organických kyselin. Převažuje tu kyselost v důsledku lidské činnosti nad kyselostí přirozenou. Podíl organických kyselin je jen 15 % (nejnižší ze sledovaných území) a zhruba 80 % aniontů (včetně dusičnanů) pochází z lidské činnosti.

  • Šumava. Zdejší rašeliniště jsou z českých rašelinišť nejrozlehlejší. Vzorky byly odebrány z Rokytské slatě, Blatenské slatě, Tříjezerní slatě a Chalupské slatě. Pro šumavská rašeliniště je typické množství jezírek (z nich pochází většina našich odběrů).

    Rašeliniště jsou zde většinou v závěrečném stadiu vývoje a nárůst rašeliníku je pomalý. Tím lze vysvětlit poměrně nízké celkové koncentrace karboxylů. Přesto mají anionty přirozených kyselin na celkové koncentraci aniontů významný podíl. V Blatenské slati je to 59 %, což je nejvyšší relativní podíl ze všech lokalit České republiky (průměr pro Šumavu je 48 %). Tento jev je vysvětlitelný velmi nízkými koncentracemi síranů.

    Ačkoliv atmosférická depozice na Šumavě není výrazně odlišná od ostatních horských oblastí, jsou koncentrace síranů v povrchových vodách Šumavy nižší, než odpovídá depozici. Půdy vyvinuté na pararulách Modravska mají vysokou schopnost vázat sírany na jílových částicích a povrchové vody jsou tak chráněny nejen před vstupem síranů, ale i před rychlým okyselením. Při velmi nízkých koncentracích přirozených kyselin jsou jejich anionty důležitou součástí rašelinných vod, jejich vliv není tolik potlačen sírany a šumavské lokality jsou tedy nejblíže původnímu stavu. Jejich dnešní složení je velmi podobné například rašeliništím severního Švédska.

  • Třeboňská pánev. Na rozdíl od horských lokalit jsou zde nižší srážkové úhrny a vyšší průměrné roční teploty. Rašeliniště Červené blato bylo vzorkováno společně s odvodňovacími kanály u hájovny Jandovka a s Borskou stokou. Červené blato je pánevní přechodové rašeliniště (vzniklé na mohutných pramenech podzemní vody) a je v celém souboru jediným pánevním rašeliništěm.

    Rašeliniště v této oblasti mají obvykle ukončený vývoj, růst rašeliníku nepokračuje, mocné vrstvy rašeliny jsou zarostlé bory a smrčinami. Na Červeném blatu byla rašelina v minulém století těžena v dlouhých jamách pro potřeby blízké sklárny v Jiříkově údolí. Po zániku sklárny koncem minulého století byla těžba zastavena. Jámy se zaplnily srážkovou i podzemní vodou a tím vznikly příhodné podmínky pro regeneraci rašeliníku. V dnešní době je tato lokalita místem s nejvyšší průměrnou koncentrací přírodních kyselin na území ČR, pH vody je extrémně nízké (3,49). Voda v pánevním rašeliništi není tolik ředěna srážkami jako v horských oblastech a okolní poměrně zdravé lesní porosty pojmou víc vody než silně poškozené horské lesy. Růst rašeliníku je rychlejší díky vyšší průměrné teplotě a delší vegetační sezoně. Koncentrace síranů je zde nadprůměrná (asi 60 % aniontů), nejsou však jen atmosférického původu jako u horských lokalit, zhruba polovina jich pochází z geologického podloží, které zde tvoří terciérní sedimenty.

Chronické okyselení a snížená neutralizační schopnost

Rašelinné vody na území České republiky jsou postiženy kyselostí způsobenou člověkem. Ačkoliv se to nemusí projevovat výrazným snížením pH těchto přirozeně kyselých vod, nastávají změny v jejich celkovém složení a ubývá neutralizačních schopností. Anionty huminových kyselin a fulvokyselin, převažující v původních podmínkách, jsou během „civilizačního“ okyselení nahrazovány sírany či dusičnany z atmosféry. Na fauně ani flóře rašelinišť se to výrazněji neprojeví, protože typická společenstva jsou vůči kyselosti odolná a málo rozlišují, jestli je přírodního či lidského původu. Více se to projeví v potocích vytékajících z rašeliniště. V důsledku své pufrační schopnosti uvolňují dnes huminové kyseliny a fulvokyseliny v potocích mnohem víc sodíkových iontů nahromaděných v rašeliništi z kyselého deště. Hnědé horské potoky tak dnes mají mnohem větší okyselující schopnost než před nástupem průmyslu. Proto jsou většinou bez ryb a je snížena druhová rozmanitost vodních rostlin.

Dnes už se u nás téměř nevyskytují lokality, kde by v kyselosti převládaly anionty organických kyselin. K odhadnuté hodnotě 70 % v dobách před vznikem průmyslu se dnes u nás nepřibližuje žádná lokalita. Vody s převažující organickou kyselostí už na území republiky neexistují, ve všech zkoumaných lokalitách převažují sírany z atmosféry. Jejich koncentrace jsou (kromě Šumavy) zhruba 10–15násobné oproti předpokládanému původnímu stavu přírody.

Podíl přírodních kyselin na současné kyselosti povrchových vod z pohledu jednotlivých území můžeme sestavit do řady od nejvyššího k nejnižšímu: Šumava, Slavkovský les, Třeboňská pánev, Krušné hory, Jizerské hory. Jiné pořadí dostaneme, budeme-li porovnávat absolutní množství přírodních kyselin reprezentované celkovou koncentrací karboxylových skupin: Třeboňská pánev, Slavkovský les, Krušné hory, Šumava, Jizerské hory. Toto pořadí ale udává zejména to, v jakém stadiu svého vývoje se rašeliniště v jednotlivých oblastech nacházejí, nikoliv jak se přírodní kyseliny podílejí na kyselosti vod. Tam, kde je vývoj rašeliniště v závěrečné fázi, je zpomalen až zastaven přírůstek rašeliníku a produkce přírodních kyselin klesá. Dynamiku procesu je možno obnovit těžbou rašeliny, při které ale nesmí být lokalita dlouhodobě odvodněna.

Rašeliniště, stejně jako jiné horské vody, se dnes v důsledku působení člověka nacházejí ve stadiu chronického okyselení, nejsou v původním přírodním stavu a jejich budoucnost je úzce spjata s redukcí emisí oxidu siřičitého a oxidů dusíku. 1)

Literatura

Dohnal Z., Kunst M., Mejstřík M., Vydra V.: Československá rašeliniště a slatiniště, Nakladatelství ČSAV, Praha 1965
Reddy M. M., Leenheer J. A., Malcolm R. L.: Elemental analysis and heat combustion of fulvic acid from Suwannee River, U.S. Geological Survey, Denver 1989 (Open-File Report 87-557)

Obrázky

Poznámky

1) Tato práce vznikla za podpory grantu Grantové agentury České republiky 205/93/0725 a grantu Středoevropské univerzity CEU/RSS 26/93.

Huminové kyseliny a fulvokyseliny


Přírodní kyseliny vznikají ve svrchní části rašelinišť bakteriálním a chemickým rozkladem odumřelých částí rašeliníku (Sphagnum) při pH menším než 7. Molekuly těchto kyselin mají rozdílné molekulové hmotnosti (od 102 do 105). Jejich základní skelet je tvořen kondenzovanými aromáty, které jsou substituovány různými funkčními skupinami. Modely huminových sloučenin se liší uspořádáním a substitucí aromatických struktur. Z hlediska kyselosti těchto sloučenin jsou nejdůležitějšími substituenty karboxylové skupiny R–COOH, které přirozeně okyselují všechny vody, v nichž se vyskytují.

Významnou vlastností těchto slabých organických kyselin jsou jejich pufrační schopnosti. Znamená to, že brání změně pH vyvolané vnějšími podmínkami, a to změnou stupně své disociace. Stupeň disociace α udává, jaká část karboxylových skupin je disociována (pokud je α = 1, jsou disociovány všechny karboxyly ve formě RCOO, pokud α = 0, jsou všechny karboxyly v protonizované formě RCOOH). V rašeliništi jsou vždy přítomny obě frakce, disociovaná i protonizovaná.

Při vstupu plně disociovaných minerálních kyselin do povrchových vod začnou přírodní kyseliny snižovat svůj stupeň disociace a přecházejí z formy aniontu na nedisociovanou formu, která váže volné vodíkové ionty z roztoku. Tímto mechanizmem klesá koncentrace disociovaných karboxylů a organické kyseliny se méně podílejí na iontovém složení roztoku. Při snížení vstupu silných kyselin z atmosféry zase organické kyseliny brání rychlejšímu zvyšování pH díky své opětné disociaci, při které opět uvolňují vázané vodíkové ionty.

Huminové kyseliny a fulvokyseliny zbarvují vodu do žluta až hněda. Snižují povrchové napětí vody a přispívají k rozpouštění látek, které pak na hladině rašelinných potoků tvoří pěnu.

ROJOVNÍK BAHENNÍ


Můžeme se s ním setkat nejen na rašeliništích Třeboňska, ale i v pískovcových stěnách severočeských a východočeských skalních měst. Jak vysvětlit tuto výjimečnou stanovištní odlišnost v rámci jediného druhu? V evropské i kanadské Arktidě je rojovník běžnou rostlinou keříčkovo-mechové a keříčkovo-lišejníkové tundry. V centru svého rozšíření, tj. v tundrové a tajgové části Euroasie, roste rojovník nejenom na oligotrofních rašeliništích a ve zrašelinělých lesích, ale i na kamenitých sutích, na suchých rulových a pískovcových terasách a na písčitých náplavech sibiřských řek. Můžeme jej tedy považovat za druh se značnými možnostmi přizpůsobení ke stanovištním podmínkám. Na suchých pískovcových skalách se u nás objevuje jen zřídka, větší porosty najdeme v koberci rašeliníků na přistíněných skalních plošinách. Hlavní podmínkou pro přežití rojovníku u nás je relativní dostatek slunečního záření a slabá konkurence ostatních druhů. Obě tyto podmínky jsou u nás splněny jak na rašeliništích, tak na římsách pískovcových skal.

Andrea Kolmanová

Odhad podmínek před nástupem průmyslu


V kontinentální Evropě se tato hranice umísťuje na začátek 19. století. Na základě sledování rašeliniště Filc na Lysině ve Slavkovském lese v letech 1991–1994 byl sestaven fyzikálně-chemický model chování vod s vysokým obsahem přírodních kyselin. Jako hlavní proměnná tohoto modelu byla vzata koncentrace „průmyslových“ síranů z atmosféry. Ostatní veličiny nezbytné pro výpočet složení roztoku byly do modelu zadány jako korelace mezi příslušnou veličinou a koncentrací síranů. Jako preindustriální stav byla použita koncentrace síranů odvozená na základě dat ze severní Skandinávie a Severní Ameriky. Dospěli jsme k těmto rozdílům mezi současným stavem a preindustriálním odhadem:

  • Koncentrace síranů byla v preidustriálním odhadu pouze 10 % dnešního stavu, tedy asi 15krát nižší, tvořila jen 6 % všech aniontů proti dnešním 54 %.

  • Mezi kationty je zachováno dominantní postavení H+ iontů, jejich relativní dominance byla těsně pod 50 %, zatímco dnes je 59 %. Ačkoliv i koncentrace bazických kationtů byly nižší, jejich relativní podíl se téměř nezměnil.

  • Hlavní změna se odehrála v rámci schopností organických kyselin bránit změně pH (podrobněji viz rámeček 1), výrazně klesl stupeň jejich disociace, zhruba ze 70 % na dnešních 35 %.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Ekologie a životní prostředí

O autorovi

Jakub Hruška

RNDr. Jakub Hruška, CSc., (*1964) vystudoval Přírodovědeckou fakultu UK v Praze. V České geologické službě se zabývá biogeochemií působení kyselých dešťů na horské ekosystémy.

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