DLOUHODOBÁ ACIDIFIKACE A NUTRIČNÍ DEGRADACE LESNÍCH PŮD
Jakub Hruška1, Emil Cienciala2, Pavel Moravčík2, Tomáš Navrátil1, Jan Hofmeister1
1 - Český geologický ústav, Klárov 3, 118 21 Praha 1,
2 - IFER, 254 01 Jílové u Prahy
NÁSTROJE A POSTUPY SLOUŽÍCÍ KE KVANTIFIKACI VLIVŮ IMISÍ
Půdní acidifikace a její modelování
Vedle množství depozice závislém na imisních poměrech a druhové skladbě a věku porostu rozhodují o stupni acidifikace další faktory. Jedním z nich jsou přirozené vlastnosti půd, zejména množství bazických kationtů (Ca, Mg, Na, K) v iontově-výměnném komplexu půd. Jejich hlavním zdrojem v půdách je zvětrávání podložních hornin a jejich celkové množství určuje odolnost vůči kyselé depozici. Čím více je v půdách bazických kationtů, tím jsou půdy odolnější, protože mohou déle neutralizovat kyselý vstup z atmosféry. Nejméně odolné jsou horské půdy, které mají malou mocnost a přirozeně nízké množství bazických kationtů. To je, spolu s drsným klimatem a vysokou kyselou depozicí, důvod proč se devastující vliv kyselých dešťů nejdříve objevuje v horských oblastech. Dalším důležitým faktorem ovlivňujícím půdní acidifikaci je kvalita opadu, tedy vedle velikosti depozice další funkce druhové skladby porostu.
Zásoby bazických kationtů vznikly v půdách zvětráváním podloží zejména v období od poslední doby ledové, tedy asi za 10 000 let. V důsledku změn druhové skladby původních lesních porostů na smrkové monokultury (acidifikace půdy rozkladem jehličnatého opadu v kombinaci se zvýšenou kyselou depozicí) byly bazické kationty vyčerpány jednak vlivem exploatačního hospodaření v minulých stoletích, ale hlavně kyselou depozicí v posledních desetiletích. Proto dnes kyselý déšť navíc uvolňuje z půd velké množství toxického hliníku a dalších kovů, které by se jinak nevyluhovaly. Tento jev je možno jen s malou nadsázkou přirovnat ke změně geologické epochy.
Acidifikace je proces dlouhodobý a kumulativní, který se dynamicky vyvíjí. Teprve po určité době se projevují příznaky procesů, které již dlouho skrytě probíhají. Proto bylo jen velmi málo známek poškození např. v šedesátých letech, a to přesto, že velikost emisí a atmosférické depozice již byla velmi vysoká. V tu dobu však půdy ještě měly relativně velký neutralizační potenciál - množství bazických kationtů a bazická saturace půdy byly ještě vysoké, a proto i poměr Bc/Al byl příznivý. Proto je vhodné zabývat se i minulostí acidifikovaných ekosystémů. Pokud nebudeme schopni alespoň kvalifikovaným odhadem rekonstruovat stav sledovaného ekosystému před začátkem acidifikace, nebudeme mít srovnávací bod, ke kterému bychom se v budoucnu měli opět snažit přiblížit. Pro tento cíl se používají modely simulující dlouhodobý průběh acidifikace. Protože hlavní složkou ekosystému určující jeho odolnost vůči antropogennímu okyselování jsou půdy, zahrnují tyto modely zejména půdní procesy vedoucí k acidifikaci půd a vod. Jedním ze středně komplexních modelů je MAGIC (Model of Acidification of Groundwater In Catchments), vyvinutý v polovině osmdesátých let v USA a úspěšně použitý na mnoha místech světa.
Průběh půdní acidifikace
Historický průběh dlouhodobé půdní acidifikace je modelově popsán na příkladu plochy Přední Žalý v Krkonoších (měřená data Kaufmann 1998, VaV/620/3/97), dlouhodobě zatížené depozicí i historicky nevhodným způsobem využívání a pěstování lesa. Naše modelová rekonstrukce vývoje acidifikace půd vypadá následovně: V polovině minulého století bylo pH půdní vody 4,3, koncentrace síranů se rovnaly přirozenému pozadí, pH deště bylo okolo hodnoty 5,0 a déšť neobsahoval téměř žádnou kyselinu sírovou, protože její zdroj, spalování hnědého uhlí, bylo teprve v počátcích. S přibývající důlní činností a s rozvojem průmyslu začaly stoupat koncentrace SO2 v ovzduší. Déšť se stával zvolna kyselejším. Bazická saturace půd (procento jakým jsou obsazena místa v iontově výměnném komplexu půd bazickými kationty) byla zhruba 18% (obr. 4). Vodíkové ionty (H+) vnesené do ekosystému kyselinou sírovou a dusičnou začaly tyto sorbované bazické kationty rychle vytěsňovat a zaujímat jejich místo. V okamžiku kdy rychlost přísunu H+ z atmosféry a z rozkladných procesů jehličnatého opadu převýšila rychlost zvětrávání, tedy rychlost s jakou se tato zásoba přirozeně doplňovala, začala klesat bazická saturace půd (obr. 4). Současně začalo klesat pH půdního roztoku (obr. 4).
Po 2. světové válce došlo k velkému nárůstu těžby sirnatého uhlí, ke zvýšení koncentrace SO2 v ovzduší, zvýšení depozice síry (obr. 4). Bazická saturace půd a pH začaly klesat mnohem strměji. Teď již výrazně kyselá půdní voda začíná rozpouštět hliník z jílových minerálů v půdách. Tento proces částečně neutralizuje a brzdí další pokles pH, protože H+ jsou spotřebovávány na rozpouštění jílových minerálů, ale zato výrazně roste koncentrace rozpuštěného hliníku. Současně prudce klesá bazická saturace půd. Molární poměr Bc/Al sice klesá, ale jeho hodnoty jsou stále poměrně vysoké a nejsou fytotoxické. Emise a také depozice síry dosáhly nejvyšších hodnot na našem území v polovině osmdesátých let. Od roku 1989 dochází k velkému poklesu atmosférické depozice síry (obr. 4), který se ale zastaví na hodnotách měřených zhruba v roce 1999 (viz část I. LP 11/2001). Přes tento velký pokles depozice se ale půdní chemismus v devadesátých letech nelepšil, stagnoval na předchozích hodnotách.
Stejně jako se ve skutečnosti stav smrkového lesa nelepší, v modelové předpovědi se klíčové parametry půdní acidifikace také dále nelepší. Ani velmi snížená depozice síry nepovede v citlivých oblastech ke stavu, kdy by přirozená rychlost zvětrávání bazických kationtů převýšila velikost vstupu kyselosti z atmosféry v kombinaci s kyselostí produktů rozkladu jehličnatého opadu. Jedině pak by mohla začít samovolná regenerace půdního prostředí. Pokračující nevhodný trend se projeví tak, že bazická saturace bude až do roku 2030 nadále klesat. Zvýší se sice poněkud půdní pH, (obr. 4), ale to nebude mít vliv na klíčovou veličinu půdní acidifikace: poměr Bc/Al bude stagnovat na hodnotě blízké 1, tedy na hranici rizika fytotoxicity, celkový stav se tedy, přes všechna opatření, nezlepší, pravděpodobně se ale ani výrazněji nezhorší. Z porovnatelných světových oblastí se stejný průběh půdní acidifikace předpokládá v jižním Švédsku, v německém Harzu i na východě USA.
Shora popsaná pesimistická situace je na obr. 4. vyjádřena trendy, které mají označení “smrky” a které uvažují přítomnost smrkových porostů. Jak již bylo popsáno, přítomnost smrků výrazně zvyšuje množství kyselosti vstupující do půd. Proto byl sestaven ještě jeden scénář, který modelově počítá s nahrazením smrkového porostu listnatým lesem pro úroveň roku 1998 (scénář buky). V takovém případě se parametry půdní acidifikace do budoucna zlepší už díky snížené atmosférické depozici. pH půdního roztoku se zvýší výrazněji než v případě smrků a pokles bazické saturace se zastaví. Poměr Bc/Al v půdní vodě se nepatrně zvýší a půdní prostředí se začne pravděpodobně částečně regenerovat. Důvodem této pozitivní změny bude další snížení vstupu kyselosti do půd, způsobené daleko nižší schopností záchytu suché depozice síry korunami listnáčů.
VLIV LESNICTVÍ NA ACIDIFIKACI A NUTRIČNÍ DEGRADACI LESNÍCH PŮD
Při dlouhodobých biogeochemických výpočtech je nutno uvažovat i s faktem, že díky těžbě dřeva je z lesního ekosystému, zejména z půd, nevratně odčerpávána část bazických kationtů (Ca, Mg, Na, K), která by jinak v ekosystému zůstala a při rozkladu biomasy by se opět dostala zpátky do půdy. Dlouhodobým intenzivním vyvážením dřeva z porostů je tento uzavřený cyklus rozpojen, a systém tak nevratně ztrácí část zásoby bazických kationtů, které jsou důležité jednak jako prvky bránící acidifikaci, ale i jako významné živiny pro stromy. Lesní ekosystém má dva hlavní zdroje litogenních prvků a těmi je atmosférická depozice a zvětrávání půd a hornin. Hlavní mechanismy odnášející prvky jsou již zmiňovaná těžba a další je odtok půdní a posléze povrchovou vodu. Tok z iontově-výměnného komplexu byl nejvyšší v období nejvyšších depozic síry (50. - 80. léta, obr. 5.). Protože v budoucnu bude depozice acidifikujících sloučenin stagnovat na nižších hodnotách, acidifikační tlak na vymývání zbytku Bc se výrazně zmenší (kumulativní křivka bude plochá). Naproti tomu fixace Bc v biomase bude pokračovat zhruba stejnou rychlostí (pokud les neuhyne) a bude tak v budoucnu “dohánět” kumulativní odnos Bc z iontově-výměnného komplexu. Zatímco dnes je tento podíl na současném stavu asi 25% (obr. 5), v blízké budoucnosti se může lesnictví stát dominujícím mechanismem ochuzujícím půdy o Ca, Mg a K v oblastech s nízkou přirozenou zvětrávací rychlostí. Granitové povodí Lysina ve Slavkovském lese, odkud údaje pocházejí (Hruška et al. 1999), je typickým příkladem lokality, kde se poměry Bc/Al v půdním roztoku mohou v budoucnu zhoršovat i bez výrazného vlivu kyselé depozice. Pokud velikost depozice zůstane na úrovni roku 2000, pak v roce 2030 by lesnictví přispělo již zhruba 40 % k dlouhodobému ochuzení půd.
Jak by lesnictvím indukovaná acidifikace probíhala, za předpokladu velmi nízké kyselé depozice, znázorňuje obr. 6. V prvním scénáři (těžba celé biomasy, obr. 6) byla použita průměrná fixace Bc celou nadzemní biomasou a její odstranění těžbou. Tomuto scénáři odpovídá lesnická praxe, při které se kmeny s kůrou odvezou a na pasece se větve s jehličím spálí na hromadách. Část popela sice zůstane na místě, ale je soustředěna na velmi malém území a velká část bývá splavena při prudkých deštích do vodotečí. Druhý scénář simuluje odvoz kmenů s kůrou a rozprostření zbytků biomasy na terén (těžba kmenů s kůrou, obr. 6), opět bez přispění kyselé depozice.
V obou těchto případech je použita depozice odhadnutá jako preindustriální, tedy taková, která pravděpodobně ekosystém nepoškozovala. Jak je jasné z obr. 6, při prvním způsobu pěstování a těžby dojde během modelovaných 170 let, tedy vlastně necelých dvou obmýtí hospodářského smrkového lesa ke značnému poklesu bazické saturace půdy (z 21 % na asi 11 % v roce 2030) pouze vlivem lesnického hospodaření. V druhém, šetrnějším případě, by bazická saturace půdy poklesla v roce 2030 na 16 %.
Je zřejmé, že dosud převažující způsoby lesního hospodaření zaměřené na smrkové porosty významně přispívají k acidifikaci a degradaci lesních půd. Jak vyplývá z obr. 6, jeho podíl je významný i v kombinaci s imisemi, které acidifikaci půd hlavně způsobily. Tento reálný stav, který zahrnuje jak fixaci bazických kationtů ve stromech, tak účinky depozice okyselujících sloučenin reprezentuje modrá čára na obr. 6, která je výsledkem získaným na základě měřených dat o depozici a půdním chemismu.
V přirozeně citlivých a silně acidifikovaných oblastech (viz dále zóny extrémně narušených půd a silně narušených půd) by lesní hospodaření mělo být upraveno následujícím způsobem, který by ztráty bází co nejvíce snižoval:
- Prodloužit dobu obmýtí (smrky mají absolutně nejvyšší příjem Bc zhruba v období tvorby zápoje porostu, pak fixace klesá).
- Lesy by se měly pěstovat rozvolněnější, aby celková biomasa hroubí byla nižší a nevratná fixace tedy menší.
- Při těžbě by měla být z lesa odvezena pouze využitelná hmota kmene pokud možno bez kůry, větví a jehličí. Vodivá pletiva obsahují v relativně malém objemu velké množství Bc a musí být ponechána v ekosystému. Biomasa by se neměla pálit, ale měla by zůstat k přirozené dekompozici.
Celý problém je ještě umocněn skutečností, že depozice dusíku a pravděpodobně i oteplení klimatu střední Evropy, k němuž v posledních čtyřiceti letech dochází, jsou pravděpodobným důvodem podstatného zvýšení produkce středoevropských lesních porostů.
VÝZNAM POMĚRU C/N LESNÍCH PŮD A KLIMATICKÝCH ZMĚN
Význam znalosti poměru uhlíku k dusíku v půdách spočívá v indikaci stavu humusu v lesních ekosystémech a v případě jehličnatých ekosystémů i k velmi dobrému odhadu rizika vyplavování dusíku z ekosystému. Výsledky výzkumů z více než sta jehličnatých ekosystémů z celé Evropy (včetně České republiky) ukazují, že množství vyplavovaného minerálního dusíku z jehličnatých lesních ekosystémů zčásti určuje velikost atmosférické depozice dusíku, zčásti poměr C/N v organickém půdním horizontu (stav humusu) a zčásti zásoba bazických kationtů v minerálních půdních horizontech daného ekosystému. Vyplavování minerálního dusíku je výrazně vyšší v jehličnatých porostech s poměrem C/N v organickém horizontu nižším než 25. Poměr C/N v organickém horizontu podstatné části jehličnatých lesních porostů v oblastech s vysokou antropogenní depozicí na území České republiky dosahuje zřejmě této kritické hodnoty (je nižší než 25), což indikuje významné vyplavování živin z těchto ekosystémů.
Na základě existujících publikovaných dat lze předpokládat, že listnaté ekosystémy mají obecně vyšší retenční schopnost vůči zvýšenému vstupu dusíku ve srovnání s jehličnatými ekosystémy a vyplavování minerálního dusíku (a spolu s ním i dalších důležitých živin) z těchto ekosystémů je ve většině případů nižší.
Antropogenní atmosférická depozice není jediným význačným faktorem ovlivňujícím současný stav humusu lesních půd. Prvním z těchto faktorů, na něž je třeba upozornit, je způsob a intenzita hospodaření v les-ním porostu v minulosti, který se může překvapivě i po několika staletích odrážet v úrovni stavu humusu (velikosti poměru C/N) a zásobení ekosystému živinami. Druhý významný faktor, jemuž u nás dosud nepřikládaná patřičná vážnost, představují dlouhodobé klimatické změny. Tyto klimatické změny nepochybně ovlivňují vedle vláhových poměrů i rychlost mineralizace půdní organické hmoty (uvolňování dusíku a ostatních živin do půdního roztoku ve formě přístupné rostlinám). V odborné literatuře roste počet dokladů dokumentující, že i relativně malé změny teploty či množství srážek mohou vyvolat značné změny vegetace ekosystémů. Současné změny klimatu ve střední Evropě tak vytváří nepříznivé podmínky pro chladnomilné a vlhkomilné horské dřeviny, jejichž typickým a hospodářsky významným zástupcem je smrk ztepilý (Picea abies). V této souvislosti je třeba upozornit, že jakkoli se na současných změnách klimatu zřejmě podílí činnost člověka, klima Země nebylo nikdy v minulosti zcela stabilní a některé doložené výkyvy teplot dokonce předčily současný vývoj. S tímto vědomím je nutno připustit, že přirozené prostorové i výškové rozšíření jednotlivých druhů lesních stromů se v čase mění (bohužel pro nás dosud do značné míry nepředvídatelně).
Z uvedeného vyplývá, že trvale udržitelné lesnictví se musí v současnosti vyrovnat s celou řadou dosud jen málo poznaných antropogenních i čistě přírodních vlivů snižujících hospodářské využití lesů. Trvale udržitelné lesnictví, ale i každý hospodář usilující o dlouhodobé zachování kontinuity lesa bude nucen zavést způsoby hospodaření respektující vývoj poznání vztahu lesa a přírodních či antropogenních faktorů. Jedná se o takové formy hospodaření, které umožní vytvoření a udržení zásob živin lesního ekosystému z vlastní organické hmoty tohoto ekosystému. Naproti tomu je třeba velmi zvažovat razantní opatření, jakým je například vápnění lesních porostů užívané jako prostředek vedoucí ke zlepšení stavu půdních živin. V případě konkrétních vybraných lesních porostů, v nichž jsou prokazatelné silné příznaky narušení jejich výživy z důvodu nízké dostupnosti bazických kationtů, lze vhodně provedenou aplikaci dolomitického vápence považovat za odůvodněnou. Velkoplošně provedené vápnění by naopak nejspíše znamenalo podstatné zhoršení stavu živin (další snížení poměru C/N, zvýšená intenzita vyplavování bazických kationtů atd.). Aplikace hnojiv s obsahem dusíku je vzhledem k obecně vysokému obsahu dusíku vůči obsahu bazických kationtů v půdách lesních ekosystémů ČR obecně nepřijatelná.
KRITICKÉ ZÁTĚŽE SÍRY A DUSÍKU
Stanovení kritických zátěží je zaměřeno na ochranu přírodního prostředí před účinky kyselé atmosférické depozice a kvantifikaci nezbytného snížení emisí kyselinotvorných sloučenin do ovzduší. Principem vyhodnocení kritických zátěží je výpočet neutralizační kapacity přírodního prostředí, především půd a vegetace, která umožní eliminovat přebytečné vodíkové ionty vznikající při atmosférické depozici síry a dusíku. V případě dusíku se určuje ještě kritická zátěž nutričního dusíku, tedy maximální míra eutrofizace, kterou je daný ekosystém schopen akceptovat bez změny své funkce a struktury.
Kritická zátěž je definována jako nejvyšší dávka znečišťující látky, která ještě nezpůsobí chemické změny, jež by měly dlouhodobé škodlivé účinky na nejcitlivější složky ekosystému. Koncept kritických zátěží v tomto smyslu je oficiální metodou výpočtu imisních zátěží platných v rámci evropské konvence o dálkovém přenosu škodlivin (UN ECE Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution) a slouží evropské komisi k posouzení vlivu emisí na ekosystémy a další strategie jejich snižování.
V ČR jsou aktuální kritické zátěže acidifikujících sloučenin síry a dusíku překročeny na velké většině území (obr. 7). Obdobná situace je i pro kritické zátěže nutričního dusíku (obr. 7). Jak již bylo uvedeno v části I. (LP 11/2001), další snižování emisí a tedy následně depozic síry a dusíku po roce 2000 bude velmi obtížně dosažitelné, u depozice sloučenin dusíku můžeme očekávat naopak nárůst. Je proto nutno začít uplatňovat nepřímé metody snižování depozice (přeměna jehličnatých porostů na listnaté) a také přechod k ekosystémům tolerantnějším k vysokému vstupu dusíku (listnaté lesy).