i

Aktuální číslo:

2018/7

Téma měsíce:

Co kdyby…

Vltavská kronika

 |  16. 7. 2018
 |  Vesmír 97, 452, 2018/7

Změny chemismu Vltavy představují kroniku moderních dějin české kotliny. Věrně odrážejí zásadní proměny zemědělství, průmyslu, užívání krajiny, ochrany životního prostředí a vůbec socioekonomických poměrů.

Jen mal á část srážkové vody dopadá přímo na povrch toků a nádrží. Většina srážek před odtokem z povodí prosakuje zemědělskými či lesními půdami nebo splachuje a ředí znečištění produkované lidskými sídly a aktivitami. Výsledné složení vody v tocích bez nadsázky nese jasný otisk hříchů, kterých se dopouštíme na přírodě i sami na sobě, a dlouhodobý monitoring složení vody je jejich „chemickou kronikou“.

„Svět se změnil. Cítím to ve vodě. Cítím to v půdě. Cítím to ve vzduchu. Mnohé, co kdysi bylo, je ztraceno.“

J. R. R. Tolkien

Příkladem je složení vltavské vody, kterou v pravidelných třítýdenních intervalech sleduje ve Slapské přehradě již od roku 1959 hydrobiologická skupina nynějšího Biologického centra AV ČR (již původně založil Jaroslav Hrbáček). Podobné změny chemismu vody jako ve Vltavě se odehrály i v ostatních tocích České republiky, velké části Evropy, ale i jinde na světě. Vltavu tak můžeme použít jako příklad souvislostí mezi dílčími antropogenními vlivy a jejich následným vlivem na kvalitu povrchových vod.

Rozbory slapské vody

Slapská přehrada byla dokončena v roce 1954. Povodí nádrže má rozlohu 13 tisíc km2 a je plošně téměř identické se současnými hranicemi Jihočeského kraje a částí okresu Pelhřimov, což umožňuje relativně snadnou rekonstrukci historických antropogenních změn s použitím statistických ročenek. Dlouhodobé sledování nádrže společně s předchozími nepravidelnými rozbory vltavské vody (jež prováděl například Viktor Quis a Ferdinand Schulz na přelomu 19. a 20. století) tak umožňují kvantifikovat zdroje minerálních složek vody, tedy hlavních aniontů a kationtů, a jejich podíl na znečišťování Vltavy nad Prahou v průběhu posledního století (obr. 2).

Ještě do poloviny 20. století bylo složení vltavské vody podobné jako na konci 19. století a výrazně se nelišilo od přirozeného stavu, pak se však začalo výrazně měnit. Hlavním aniontem přestaly být po následujících čtyřicet let hydrogenuhličitany (HCO3) a až do poloviny devadesátých let dominovaly sírany (SO42–), poté ale zaznamenaly prudký pokles. Podobný průběh měly i koncentrace dusičnanů (NO3 ), zatímco množství chloridů (Cl) rostlo prakticky nepřetržitě od počátku století, s mírným poklesem na konci čtyřicátých a počátku devadesátých let (obr. 2A). Koncentrace všech bazických kationů, tedy vápníku (Ca2+), hořčíku (Mg2+), sodíku (Na+) a draslíku (K+), se mezi koncem padesátých a osmdesátých let 20. století téměř zdvojnásobily a poté začaly opět klesat (obr. 2B). Rostoucí koncentrace iontů v povrchových vodách je jev nežádoucí, protože zhoršuje jejich kvalitu a zvyšuje náklady na úpravy pro další využití.

Co však způsobilo tento nárůst a následný pokles koncentrací?

Vypouštění komunálních a průmyslových odpadních vod (bodové zdroje) se často považuje za hlavní faktor ovlivňující úroveň znečištění toků. Platí to ale pouze pro velká města a mimo ně hlavně pro fosfor a zbytky léčiv [2]. Na iontovém složení našich řek se však bodové zdroje podílejí výrazně méně než zdroje plošné (odnos z půd, atmosférická depozice na hladinu, solení).

Míra znečištění z komunálních odpadních vod se během minulého století vyvíjela s počtem obyvatelstva, vybaveností sídel, rozvojem kanalizačních systémů a úrovní technologie čištění odpadních vod. To je dobře patrné na dusičnanech. Odpadní vody významně přispívaly k celkovému znečištění Vltavy dusíkem v osmdesátých letech (obr. 3A) vinou velkého počtu obyvatel připojených na kanalizaci, kdy se ale zároveň ještě 30 až 50 procent těchto vod nečistilo vůbec a úroveň odstraňování dusíku v čistírnách odpadních vod byla relativně nízká [3]. V současnosti odpadní vody přispívají k celkovému vstupu dusíku do horní Vltavy pouze jednou desetinou a v případě vybavení všech současných čistíren odpadních vod v Jihočeském kraji denitrifikací by se jejich podíl snížil ještě asi o polovinu.

Čím přispějí pole a lesy

Největším zdrojem iontů pro Vltavu jsou orné a lesní půdy, v případě chloridů se navíc významně uplatňuje i zimní údržba komunikací (obr. 3). Celkový odnos iontů z lesních půd zvýšil nárůst rozlohy lesa, ale hlavně úroveň emisí sloučenin síry a dusíku do atmosféry. Jejich depozice do lesních porostů jsou totiž několikanásobně vyšší než depozice do bezlesí kvůli horizontálním srážkám, zejména v horských oblastech. Atmosférický vstup iontů do lesů dosáhl maximálních hodnot na konci osmdesátých let 20. století a od té doby dramaticky poklesl. Lesy se proto v sedmdesátých a osmdesátých letech staly pro Vltavu druhým nejvýznamnějším zdrojem síranů i dusičnanů (obr 3A, B). Spotřeba soli na zimní údržbu silnic na našem území rostla od počátku sedmdesátých let, kdy byl zprovozněn první úsek dálnice D1, a stala se pro povrchové vody významným zdrojem chloridů (obr. 3C) i sodíku (obr. 2). Největší vliv na kvalitu našich vod ale po celou dobu mělo zemědělství a způsob obhospodařování půd.

„Výstavba drenáží byla zpočátku potřebná k odvodnění zamokřených polí. Postupně zaměstnávala stále více lidí. Z politických důvodů se tato pracovní místa nerušila ani v době, kdy byla většina zamokřené orné půdy odvodněna.“

Plánované zemědělství

Zemědělská praxe (způsob využívání krajiny, hnojení, meliorační odvodnění a produkce plodin) se v povodí horní Vltavy, stejně jako ve zbytku ČR, měnila v důsledku politicko-ekonomických tlaků. První velká změna nastala v letech 1945–1947 s poválečným odsunem přibližně pětiny obyvatel z našeho území. Opuštěná orná půda se zčásti přeměnila na pastviny a les. Tato změna měla relativně malý dopad na odnosy dusičnanů a síranů, protože úroveň hnojení a rozsah odvodnění byly ještě relativně nízké. Snížila však množství chloridů spotřebovaných a vylučovaných lidmi a hospodářskými zvířaty, a přispěla tak k poklesu jejich koncentrací ve vltavské vodě na konci čtyřicátých let. Z hlediska kvality vody šlo o změnu zanedbatelnou, a navíc k lepšímu. Již brzy však měly přijít zněny závažnější. Nejvýznamnější z nich přinesly nucená kolektivizace zemědělské půdy a přechod z tržního na centrální, státem plánované hospodářství po roce 1948, které se spojily s celosvětově probíhající intenzifikací zemědělské výroby a zvýšenou dostupností umělých hnojiv.

Scelení pozemků, centrální státní řízení na většině zemědělské půdy a postupné vytrácení vztahu k půdě, dosud předávané z generace na generaci, vedlo k necitlivému hospodaření. Negativně se projevily i ekonomické faktory. Ceny zemědělských výrobků i vstupů (pracovní síla, stroje, pohonné hmoty, průmyslová hnojiva apod.) byly garantovány státem a staly se do značné míry nezávislé na trhu, což v konečném důsledku vedlo k nízké intenzitě pracovního výkonu i k plýtvání. To se týkalo zejména průmyslových hnojiv (obr. 4), jejichž spotřeba rostla strměji než výnosy rostlinné a živočišné výroby. Mohl za to i fakt, že hnojiva bývala aplikována jednorázově a ve velkých dávkách, často i na zmrzlou půdu, což vedlo nejen k ekonomickým ztrátám, ale také ke zhoršení kvality vod. Průmyslová hnojiva se využívala neefektivně a environmentální rizika jejich aplikace byla výrazně vyšší než za podmínek tržní ekonomiky.

Vstup živin do půd mezi roky 1960 a 1990 výrazně převyšoval jejich odběr plodinami [3]. Projevilo se to hlavně u dusíku, který se v půdě váže méně intenzivně než fosfor nebo vápník [1]. Z polí odtéká ve formě dusičnanů, jejichž koncentrace v tocích začaly strmě růst (obr. 3A). Týkalo se to však i síranů a chloridů (obr. 3B, C), které byly sice nechtěnou, ale nedílnou součástí minerálních hnojiv (obr. 4), v půdách se zadržovaly pouze málo a přispívaly k znečišťování vod.

Odnos iontů z půd zvýšily také drenážní meliorace a hluboká orba. Výstavba drenáží byla zpočátku potřebná k odvodnění zamokřených polí. Postupně zaměstnávala stále více pracovníků, od výroby potrubí, přes jejich zakládání až po projekční práce. Z politických důvodů se tato pracovní místa nerušila ani v době, kdy byla většina zamokřené orné půdy odvodněna, budování drenážních systémů pokračovalo i v kopcovitých terénech, které nebylo třeba odvodňovat vůbec, i v nivách toků, které se nesmyslně přeměňovaly na zemědělskou půdu. Na počátku odvodňovacích prací se na území ČR nacházelo 7400 km2 trvale nebo částečně zamokřených půd, ale celkově bylo nakonec odvodněno 10 800 km2. Přibližně čtvrtina z této plochy tedy zbytečně. Podíl odvodněné zemědělské půdy vzrostl v období let 1960 až 1990 ze tří procent na čtvrtinu v celé ČR, a v Jihočeském kraji dokonce na 43 procent (obr. 5A).

Drenáže a hluboká orba zkrátily dobu zdržení vody v půdách a zvýšily jejich provzdušnění, a tím i mineralizaci půdních organických látek. Mineralizace je mikrobiální proces, při němž se organické formy prvků mění na anorganické. Z organicky vázaného dusíku, síry a chloru vznikají dusičnany, sírany a chloridy, roste jejich vyplavování [4, 5] a s ním i odnos jejich protiiontů, bazických kationtů. Nárůst koncentrací těchto hlavních iontů v povrchových vodách tak zejména v sedmdesátých letech kromě ztrát z minerálních hnojiv významně podpořila i degradace půd.

Negativním důsledkem byla snížená kvalita povrchových vod i půd, protože se část živin z polí, kde je nutně potřebujeme, přemístila do vod, kde o ně nestojíme nebo kde dokonce škodí.

Tržní zemědělství

Na počátku devadesátých let 20. století se způsob zemědělského hospodaření opět změnil, tentokrát v důsledku přechodu z plánovaného hospodářství zpět na tržní. Objem zemědělské výroby klesl, protože na rozdíl od států Evropské unie s rozvinutým systémem dotací a vyšší efektivitou výroby nebylo české zemědělství na otevřeném trhu plně konkurenceschopné. Dramatický pokles nastal zejména v produkci hospodářských zvířat a krmiv. Například současné počty skotu jsou na území ČR dokonce nižší než v roce 1830, přestože zde nyní žije o čtyři miliony obyvatel více.

Ustala výstavba drenážních systémů (obr. 5A), spotřeba průmyslových hnojiv skokově poklesla (obr. 4) s tím, jak rostla jejich cena, a část méně úrodných orných půd ve vyšších polohách byla přeměněna na pastviny. Zároveň však vzrostla efektivita využití hnojiv díky vyššímu počtu aplikací nižších dávek ve vegetačně optimálních obdobích. Tato zlepšená hospodářská praxe zvýšila efektivitu zemědělské produkce a snížila ztráty dusičnanů z půd (obr. 3A). Na kvalitě vody se pozitivně projevilo i snížení rozlohy oraných půd, a tím omezení produkce dusičnanů, síranů a chloridů mineralizací jejich půdních organických forem. Výsledkem byl postupný pokles vyplavování jak aniontů (obr. 3), tak i bazických kationtů (obr. 2) ze zemědělských půd. Kvalita půd i vod se začala zlepšovat.

Negativním rysem v tomto období naopak bylo, že vedle poklesu spotřeby průmyslových hnojiv prakticky téměř ustalo vápnění půd, které mělo zvyšovat půdní pH. Velká část polí v povodí horní Vltavy byla vždy přirozeně kyselá. K dalšímu poklesu jejich pH přispěly kyselé deště a hnojení síranem amonným. Tento trend byl nežádoucí, neboť kyselé půdy jsou méně úrodné a při nízkých hodnotách pH roste toxicita hliníku vůči kořenovým systémům rostlin. Díky vápnění klesl v Jihočeském kraji podíl kyselých orných půd s hodnotami pH < 5,5 z 55 procent v šedesátých letech na 22 procent na počátku devadesátých let. Po omezení vápnění se však půdy opět začaly okyselovat (obr. 5B).

V porevolučním období významnou roli sehrála legislativní opatření, která omezila znečištění našich toků. Vypouštění dusíku a fosforu v odpadních vodách bylo zpoplatněno a omezení a posléze i zákaz používání polyfosforečnanů v pracích prostředcích snížilo vypouštění a koncentrace těchto živin v tocích [2].

Ztráta organické hmoty

A co bude dál? V posledním desetiletí začínají koncentrace některých iontů opět růst (obr. 2). V případě chloridových a sodných iontů za to může především rostoucí spotřeba soli na zimní údržbu pozemních komunikací. V případě vápníku a hořčíku, jejichž vstupy do půd zůstávají nízké (obr. 4), však může jít o varovné signály. Je zřejmé, že jejich zdrojem je zejména vyplavování z půd. Hlavní příčinou ztrát těchto důležitých prvků je patrně pokračující degradace půd vlivem klesající koncentrace organické hmoty, s jejíž ztrátou schopnost půd vázat živiny klesá (Vesmír 97, 248, 2018/4). Na vině jsou opět chyby v zemědělské praxi.

Plánované hospodářství v zemědělství se sice vrátilo zpět na tržní, ale pouhý tlak trhu na efektivitu zemědělské produkce nemá vždy jen pozitivní vliv. Například v důsledku současné neuvážené dotační politiky se dnes velké množství půd využívá na produkci biopaliv. Větší podíl vypěstované organické hmoty se tak odváží a méně zůstává na polích. S poklesem produkce skotu se zase do půd dodává méně stájových hnojiv.

Navíc jak ubývá organických látek, roste relativní podíl jílových částic, což podporuje zhutňování půd, zpomaluje vsakování vody a zvyšuje podíl povrchového odtoku na úkor podpovrchového. To nejen snižuje retenci vody v krajině, ale zároveň podporuje erozi, která z povrchu půd odplavuje další jemné, na organické látky bohaté částice. Obsah organického uhlíku v půdě tak dále postupně klesá, čímž se degradace půd a zhoršování kvality odtékajících vod ještě více prohlubuje. Přirozeně úrodné půdy postupně měníme na hydroponii (pěstování rostlin bez zeminy). Ztracené živiny do nich budeme jednou pracně navracet.

Dlouhodobé trendy chemismu vody jsou nejen kronikou, ale i oknem do budoucnosti. Přehlížení a bagatelizování varovných signálů v honbě za ziskem jen zvyšuje náš dluh na úkor nastupujících generací.

Literatura

[1] Kopáček J., Hejzlar J., Porcal P., Posch M.: Trends in riverine element fluxes: A chronicle of regional socio-economic changes. Water Research 125, 374–383, 2017.

[2] Vystavna Y., Hejzlar J., Kopáček J.: Long-term trends of phosphorus concentrations in an artificial lake: Socioeconomic and climate drivers. PLoS ONE 12(10), e0186917, 2017.

[3] Kopáček J., Hejzlar J., Posch M.: Factors controlling the export of nitrogen from agricultural land in a large central European catchment during 1900−2010. Environmental Science & Technology 47, 6400−6407, 2013.

[4] Kopáček J., Hejzlar J., Porcal P., Posch M.: Sulphate leaching from diffuse agricultural and forest sources in a large central European catchment during 1900–2010. Science of the Total Environment 470–471, 543–550, 2014.

[5] Kopáček J., Hejzlar J., Porcal P., Posch M.: A mass-balance study on chloride fluxes in a large central European catchment during 1900–2010. Biogeochemistry 120, 319–335, 2014.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Hydrologie

O autorech

Jiří Kopáček

Josef Hejzlar

Doporučujeme

Člověk páchne *alkoholem

Člověk páchne *alkoholem audio

Jaroslav Petr  |  5. 8. 2018
Že pach lidského těla „vyrábějí“ bakterie, se ví už relativně dlouho. Některé mechanismy tohoto procesu jsou ale dosud stále tajemstvím. Britští...
Do světa a zase zpět

Do světa a zase zpět

Eva Bobůrková  |  31. 7. 2018
Mladý lékař Karel Kieslich o sobě říká: „Splňuji archetyp českého Honzy“. Studuje totiž na University College v Londýně, chtěl by ve světě...
Zahalená Venuše

Zahalená Venuše uzamčeno

Jan Veselý  |  16. 7. 2018
Snímky pořízené ve viditelném a infračerveném oboru kamerou VIRTIS sondy Venus Express zachycují pozoruhodná oblaka v nejvyšších vrstvách...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

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

 

Objednat předplatné