EMISE, IMISE, DEPOZIČNÍ TOKY A POŠKOZOVÁNÍ LESNÍCH POROSTŮ
Pavel Hadaš
Životní prostředí je vlivem rozvoje průmyslu a technologií neustále vystavováno silnému antropickému tlaku. Specifikum oblastí mírného pásma je dáno tím, že vedle lesních ekosystémů se postupně zformovaly působením člověka i umělé ekosystémy, jejichž součástí jsou urbanizované a industrializované zóny, pro které je charakteristické vysoké znečišťování ovzduší různou škálou cizorodých chemických látek.
Vstup těchto látek do ovzduší vyvolává řadu problémů, např. zesilování skleníkového efektu růstem koncentrací “skleníkových plynů” (CO2) s možným dopadem na změny teplotních a srážkových poměrů, narušování ozónové vrstvy ve vyšších vrstvách atmosféry (ve stratosféře) růstem koncentrací tzv. ozón ničících látek (chlórfluorokarbonů, halokarbonů, halonů, atd.). Výsledkem je zvýšený průnik krátkovlnného záření do přízemních vrstev ovzduší, které podmiňuje za přítomnosti látek typu PAN (peroxiacetylnitráty) vznik tzv. přízemního” ozónu. Vstupem chemických látek do životního prostředí dále dochází k narušování biogeochemického cyklu, procesů sukcese a mechanismů imunity, což vyvolává snižování produkce biomasy, ochuzování druhového složení (Smith, 1985), u člověka vznik nemocí apod. Je zřejmé, že základní struktura emisí vychází z místa vzniku a chemických vlastností.
ROZDĚLENÍ EMISÍ, VYSVĚTLENÍ POJMŮ
Současné přirozené chemické složení ovzduší se vyvíjelo postupně s vývojem Země. Emise přírodního (sopečná činnost, požáry apod.) i antropogenního původu (spalovací a technologické procesy, zemědělská činnost, doprava apod.), které jsou vnášeny do ovzduší, se dělí na neutrální soli (přírodní původ Na+, Cl-), živiny (Mg2+, Ca2+, NH4+), kyselinotvorné látky (SO2, NOx, Cl2, NH4+, Al a kationty těžkých kovů) a potenciální toxiny (SO2, HF, As, Se, VOC - volatilní organické sloučeniny, POPs - persistentní organické látky, těžké kovy, metaloidy a jejich další sloučeniny, uhlovodíky, oxidanty).
V ovzduší rozlišujeme primární a sekundární znečištění, které vzniká následkem interakce primárních znečišťujících látek. Jde např. o všechny znečišťující látky, které vznikly jako výsledek fotooxidačních reakcí uhlovodíků, oxidu dusnatého (NO) a slunečního záření (aldehydy, PAN, oxid dusičitý NO2 a ozón), oxidačních reakcí kyslíku, vody, SO2, amoniaku (kyselina sírová, síran amonný) a jednoduchých reakcí kyselinotvorných plynů a alkalických částic.
Toxické látky tvořené plynnými a pevnými produkty ze spalovacích a technologických procesů před vstupem do životního prostředí (ovzduší) se označují jako emise. Emise pronikající do prostředí lesních ekosystémů můžeme na základě monitoringu vyjádřit váhovým množstvím přepočteným na určitý objem vzduchu, pak mluvíme o imisích. Imise zachycená nebo uložená na zemském povrchu nebo v lesním ekosystému je označována jako depozice.
STRUKTURA A TREND VÝVOJE EMISÍ SO2 A NOx
Úroveň imisního pole je závislá vedle meteorologických podmínek ovlivňujících směr a intenzitu rozptylu emisí rovněž na poloze a struktuře emisních zdrojů. Struktura a poloha emisních zdrojů hraje významnou roli v lokálním, dálkovém a globálním transportu emisí a ve formování imisního a depozičního pole. Emise SO2 a NOx vnesené do ovzduší v průmyslových oblastech (z elektráren, tepláren, atd.) jsou transportovány na značné vzdálenosti i do oblastí, ve kterých se zdroje SO2 a NOx nenachází (horské oblasti). V posledních letech pozorujeme celoevropský trend ve snižování emisí. Na obrázku 1 a 2 je znázorněn vývoj emisí SO2 a NOx.
Ze srovnání roků 1985 a 1999 vyplývá, že v roce 1999 došlo v ovzduší nad oblastí střední Evropy ke snížení vnosu emisí SO2 o cca 10,9 mil. tun (snížení o 76,4 %), u emisí NOx došlo ke snížení vnosu o cca 2,15 mil. tun (snížení o 41 %). Podíl emisí SO2 ČR na celkové emisi států střední Evropy dosahoval v roce 1985 16 %, v roce 1999 pouze 8 %. Podíl emisí NOx ČR na celkové emisi států střední Evropy dosahoval v roce 1985 15,8 %, v roce 1999 se snížil na 12,6 %. Je zřejmé, že prostorové změny významně ovlivnily imisní koncentrace SO2, NOx a depoziční pole síry, dusíku a kyselé depozice na našem území. Do ovzduší ČR může z bezprostředně sousedících států v současné době teoreticky podle roční bilance vstupovat téměř 92 % emisí SO2 a více než 87 % emisí oxidů dusíku. Skutečná hodnota podílů zahraničních zdrojů, ovlivňujících imisní pole SO2 a NOx a jejich depozice na území ČR, se bude měnit v závislosti na podmínkách rozptylu emisí, tj. na směru a rychlosti proudění vzduchové hmoty, na teplotním zvrstvení a na vzdálenosti území od zahraničních zdrojů.
Toto postupné snižování emisí vzbudilo naději na rychlý návrat k normálnímu lesnickému hospodaření. Intenzivní poškození zbytků porostů smrku ztepilého (Picea abies Karst.) během zimy 95/96, náhradních porostů břízy (Betula verrucosa Ehrh.) na velkých plochách Krušných hor v roce 1997, výrazné nové imisní poškození (hnědnutí až červenání jehlic, poškození a odumírání výhonů a pupenů) u mladých smrkových porostů v Orlických horách po zimě 1998/99, plošné poškození smrkových porostů doprovázené výraznými barevnými změnami - žloutnutím a hnědnutím jehličí a postupným usycháním a opadáváním jehlic - na jaře roku 1999 v západním Krušnohoří (Horní Blatná, Kraslice), v severní části Slavkovského lesa a v dalších imisních pohořích - ”Jeseníkách”, Lužických horách, masivu Kralického Sněžníku a nové poškození smrkových porostů po zimě 2001/2002 v Hrubém Jeseníku a Moravskoslezských Beskydách však dokládá, že není možné očekávat přímo úměrné zlepšení zdravotního stavu smrkových porostů na celém území ČR. Příčinu je nutné hledat v acidifikaci jako důsledku poškozování lesních půd imisemi. Špatný zdravotní stav smrkových porostů je způsoben tím, že je vyčerpán potenciál odolnosti lesních ekosystémů v imisních oblastech, takže i nižší koncentrace škodlivin, vstup kyselých depozic v kombinaci s nepříznivými krátkodobými klimatickými situacemi (např. sucho, výraznější pokles teplot v předjaří) vyvolá jejich poškození.
ACIDIFIKACE LESNÍCH PŮD A ODOLNOSTNÍ POTENCIÁL LESNÍCH EKOSYSTÉMŮ
Acidifikace půd, jakou je odvápnění a podzolizace, je přirozený proces, který se vstupem kyselé antropické depozice H+ urychluje. Svědectví o ohrožení lesních ekosystémů v Evropě způsobené změnami chemismu půd kořenové zóny, projevující se snížením hodnot pH a obsahu bází, zvýšením obsahu toxických forem hliníku a narušením bilance v dostupnosti živin (Ca, Mg, K) v důsledku sorpce Al a amonných iontů, podala již řada autorů. Podobné výsledky projevů acidifikace s ovlivněním chemismu povrchových vod v experimentálních malých povodích byly prezentovány rovněž českými autory. Vznik vodíkového iontu definuje Brönstedova teorie kyselin, která říká, že kyseliny jsou látky, které mohou uvolňovat proton - vodíkový iont. Tvorba protonů z depozicí SO2, NO, NO2, SO42-, O3- v lesním ekosystému byla na základě experimentálních měření lyzimetrických a gravimetrických vod potvrzena. Tyto procesy probíhají jak v “suchých”, tak v “mokrých” podmínkách (při výskytu atmosférických srážek).
Přítomnost kyselé depozice H+ v lesním porostu a v půdě (v lesním ekosystému) a její prokázaný vliv na změnu zdravotního stavu nám poskytuje odpověď na otázku: Proč dochází i nadále k imisním škodám, když imisní koncentrace SO2 klesají? Je to právě kyselá depozice (respektive celková depozice síry a dusíku), která v lesním porostu působí na stromy a jejich prostředí přímo (akutně a chronicky) a nepřímo po řadu let. Vstup kyselé depozice do lesního ekosystému je realizován přes suchou a mokrou depozici síry a dusíku. Síra a dusík jsou vnášeny do prostředí lesních ekosystémů z emisních zdrojů z oblasti ČR a okolních států převážně ve formě SO2 a NOx, které chemickými procesy přechází v ovzduší na SO42- a O3-. Na základě fyzikálních a chemických procesů dochází ke vzniku kyselé depozice H+.
Z monitoringu zdravotního stavu lesních porostů vyplývá, že při vzniku škod na lesních porostech se vedle působení imisí SO2, oxidů dusíku uplatňuje v rámci depozičních procesů kyselá depozice H+, která snižuje odolnostní potenciál lesních ekosystémů. Tento problém je úzce spojen s vyčerpáním pufrovací kapacity lesních půd vstupem kyselých depozic. Okyselování lesních půd se např. promítá do zvyšování průměrné defoliace u porostů rostoucích na čtyřech nejvíce zastoupených půdních typech (kambisoly, podzoly, planosoly i arenosoly). Defoliace porostů je základní měřený parametr charakterizující zdravotní stav lesních porostů. Z vývoje průměrné defoliace vyplývá, že trend zvyšování průměrné defoliace v letech 1987 - 1999 z 15 - 20 % na 30 - 35 % je společný pro všechny čtyři půdní typy. Výrazně nižší odolnostní potenciál lesních ekosystémů ČR je rovněž zřetelný i z výsledků národních přehledů poškozování lesů. Ze srovnání stavu korun více než 135000 hodnocených stromů podle hodnoty defoliace mezi jednotlivými státy Evropy (obr. 3) vyplývá, že ČR zaujímá druhé místo v počtu stromů (52 % stromů na území ČR), u nichž je defoliace větší než 25 %. Monitoring zdravotního stavu lesních porostů v Evropě probíhá na více než 6000 stálých zkusných plochách reprezentujících lesní stanoviště.
IMISNÍ LIMITY A KRITICKÉ DÁVKY DEPOZIČNÍCH TOKŮ Z HLEDISKA OCHRANY VEGETACE
Pojmem imisní limit se definuje hodnota přípustné úrovně znečištění ovzduší škodlivinou stanovená tak, aby se zamezilo dlouhodobým negativním vlivům na lidské zdraví a na vegetaci. Z hlediska ochrany vegetace se jedná o takovou úroveň znečištění ovzduší škodlivinou, pod níž lze na základě současného stavu vědeckého poznání vyloučit přímý nebo nepřímý škodlivý vliv na lesní ekosystémy. Podle směrnice UN ECE platí v rámci ochrany ekosystému limitní hodnoty aritmetického ročního průměru SO2 v úrovni 20 g/m3. Avšak k prokazatelnému přímému fyziologickému poškození, narušení bilance a výměny minerálních látek, snížení přírůstu dochází již při průměrné roční koncentraci 10 g/m3. Světová zdravotnická organizace (WHO) doporučuje v rámci ochrany vegetace cílové hodnoty pro roční průměrné koncentrace v rozsahu 10-30 g/m3 SO2. Imisní limit (kritická úroveň) krátkodobé (24 hod.) expozice, při které jsou u rostlinných společenstev a ekosystémů vyvolány výrazné příznaky poškození, je stanovena na základě výzkumů v úrovni 70 g/m3 SO2. Nepřímé působení SO2 se projevuje přes půdní acidifikaci obohacováním síry v asimilačních orgánech a v půdě a stupňováním úrovně kyselé depozice H+.
Oxidy dusíku NOx (zejména NO - oxid dusnatý a NO2 - oxid dusičitý) ovlivňují vegetaci jednak přímým akutním účinkem a nepřímo působením přes půdní acidifikaci obohacováním půdního dusíku a stupňováním úrovně kyselé depozice H+. Na základě dostupných dat byly stanoveny kritické hodnoty průměrných ročních koncentrací NOx, které leží pod 30 mg/m3, jež způsobují zhoršení růstu a vitality. Tato hodnota je doporučena WHO, v Evropské unii (EU) je tato koncentrace stanovena jako limit v rámci ochrany vegetace. K ovlivnění zdravotního stavu lesních porostů NO2 může docházet při krátkodobých koncentracích (4hodinový průměr) v úrovni 95 mg/m3.
Významné jsou rovněž synergické účinky NOx, SO2 v kombinaci s ozonem (O3). Jestliže jsou v ovzduší přítomny imise SO2 a NOx, tak k poškození citlivých druhů vegetace dochází již od průměrné roční koncentraci O3 v rozsahu od 60 do 300 mg/m3 (pro časové trvání koncentrací od 8 hodin do 30 minut).
V souladu s hypotézami o současném poškozování a hynutí lesních porostů, kde hraje klíčovou roli schopnost pufrování kyselých depozic síry a dusíku, prostupujících přes koruny stromů do půdy, mluvíme o přímém i nepřímém působení na celý lesní ekosystém, nejen na lesní porost, ale i na lesní půdu. Na obrázku 4 je zjednodušené schéma působení imisí a depozicí na porost smrku.
Důsledky acidifikace se projevují v různé míře, podle místních podmínek, podle míry depozice S a N, podle expozice (návětrné a závětrné polohy) atd. V rámci výzkumu acidifikace půd ve Švédsku byly stanoveny kritické dávky eq. H+ /ha, rok pro vybrané druhy podloží, které jsou uvedeny v tabulce 1.
Z tabulky 1 vyplývá, že kritické dávky kyselé depozice vodíkových iontů závisí vedle jiných parametrů i na horninovém podloží. Kritická dávka je definována jako “nejvyšší dávka znečišťující látky, která ještě nezpůsobí chemické změny vedoucí k dlouhotrvajícím škodlivým účinkům na strukturu a funkci lesního ekosystému”.
Adresa autora:
RNDr. Pavel Hadaš
Ústav ekologie lesa, MZLU Brno,
Zemědělská 3, 613 00 Brno