Mrtvý les o ploše patnácti lipenských přehrad
Poškození smrkového lesa v Krušných horách Vliv námrazy a změn ve složení emisí elektráren RADOVAN KREJČÍ A SPOL.*
Ještě v roce 1960 byla polovina smrkových porostů v Krušných horách považována za zdravé. V roce 1990 již tam zdravý smrkový porost nebyl a polovina smrkového lesa byla vykácena. V minulých desetiletích bylo Podkrušnohoří s přilehlými oblastmi bývalé NDR a jihozápadního Polska jedním z největších zdrojů znečištění ovzduší na světě. Proto se tomuto území začalo říkat „černý trojúhelník“. V 90. letech zahájil největší znečišťovatel oblasti ČEZ ekologický program, některé elektrárenské bloky byly odstaveny, zbylé odsířeny či zmodernizovány, navíc poklesla průmyslová výroba v Čechách i v přilehlé části Německa. Emise oxidu siřičitého, ale i dalších látek v ovzduší významně klesly, a proto se očekávalo, že se smrkové porosty brzy zotaví. O to větší bylo překvapení na jaře roku 1996, kdy se v Krušných horách objevilo několik tisíc hektarů silně poškozeného lesa. Jen v chomutovské oblasti narostla plocha odumírajícího porostu o 13 000 ha oproti předešlému roku a škoda byla odhadnuta na 750 milionů korun. Proč se to stalo?
4000
800
3500
700
3000
600
2500
500
2000
400
1500
300
1000
200
500
100
0
576
1998
1997
1996
1995
1994
1992
1993
1991
1990
1989
1988
1987
1986
0
VESMÍR 80, říjen 2001 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
instalovaný výkon [MW]
900
1985
emise SO2 [kilotuny/rok]
1. Emise SO2 z velkých zdrojů na Chomutovsku v letech 1985–1998. Plná výška sloupců odpovídá celkovým emisím z elektráren ČEZ (Prunéřov, Tušimice, Počerady a Ledvice), výtopny Komořany, VTŽ Chomutov a Chemopetrolu Litvínov. Sloupce emisí SO2 jsou rozděleny na tři části: středně šedě – emise z výtopny Komořany, VTŽ Chomutov a Chemopetrolu Litvínov; světle šedě – emise z elektráren ČEZ Počerady a Ledvice; tmavě šedě – emise z elektráren Tušimice a Prunéřov, které mají na vrcholové partie Krušných hor v oblasti Chomutova největší vliv. Instalovaný výkon odstavených elektrárenských bloků v Podkrušnohoří je znázorněn přerušovanou křivkou. Plná křivka ukazuje vývoj spouštění odsiřovacích jednotek podle instalovaného výkonu.
Ve vrcholových partiích Krušných hor odumřely smrkové porosty již dávno. Kdy to začalo? Smrky tu chřadly již od 40. let minulého století a vědělo se, že původcem je oxid siřičitý. V roce 1958 byly Krušné hory vládním nařízením zařazeny mezi oblasti vyžadující zvláštní péči a ochranu z hlediska lesnického, zemědělského, vodohospodářského i zdravotnického. Když ale byly uvedeny do provozu další hnědouhelné elektrárny, poškození stromů vzrostlo. Mrtvý les, který žijící stromy do jisté míry chránil, byl postupně kácen, a tím se jednotlivé bloky otevíraly vlivu dalších imisí. Narůstaly také škody způsobené větrem nebo hmyzem. V roce 1978 byla již situace kritická. Tento rok koncem prosince a začátkem roku následujícího způsobil pokles teploty spolu s vysokými koncentracemi oxidu siřičitého na oslabených smrkových porostech katastrofu. V nadmořské výšce nad 600 m odumřelo 60 % porostů v pásmu mezi Klínovcem a Sněžníkem (les na ploše 12 100 ha). Tím to ale neskončilo. V roce 1990 dosáhla plocha umírajícího či vykáceného lesa 25 000 ha. Celkově bylo od roku 1958 odtěženo 74 000 ha odumřelých lesních porostů, což je přibližně rozloha jedné a půl Prahy nebo víc než 15 přehradních nádrží Lipno. Emise klesají, ale kyselost srážek vzrůstá Od poloviny osmdesátých let 20. století emise oxidu siřičitého klesají (obr. 1). Největší podíl na nich mají elektrárny ČEZ, zvláště Tušimice a Prunéřov (mezi Chomutovem a Kadaní). Emise oxidu siřičitého z těchto dvou elektráren dosahovaly r. 1986 celkem 539 000 tun, r. 1998 již jen 57 000 tun, to znamená, že poklesly o 90 % (viz P. Horáček, Vesmír 78, 272, 1999/5 a 79, 94, 2000/2). Přesto byly ještě v roce 1996 emise z Prunéřova a Tušimic zhruba o 20 % vyšší než emise oxidu siřičitého z celého Norska, Finska a Švédska dohromady (viz M. Tichý, Vesmír 78, 273, 1999/5 a 79, 94, 2000/2). A jak ukazují modelové studie, i za současného stavu je zatížení vrcholové části Krušných hor znečištěním ovzduší příliš vysoké, než aby se mohly zlepšit půdní vlastnosti a kvalita povrchových vod, které ovlivňují zdraví lesního porostu (viz J. Hruška, F. Moldan, P. Krám, Vesmír 75, 373, 1996/7 a J. Hruška, Vesmír 78, 438, 1999/8). Oxid siřičitý a oxidy dusíku jsou emitovány do atmosféry. Hlavním zdrojem oxidu siřičitého je spalování hnědého uhlí, oxidy dusíku vznikají při vysokoteplotním spalování v automobilových motorech či fluidních kotlích. V atmosféře nebo na povrchu vegetace oxidují za vzniku příslušných kyselin, sírové nebo dusičné. Kyselá srážková voda startuje procesy vedoucí k okyselení půd i povrchové vody, což má negativní vliv na celý lesní ekosystém. Kyselost může být částečně Mgr. Radovan Krejčí (*1970) vystudoval geochemii na Přírodovědecké fakultě UK. Do r. 1998 působil v Českém geologickém ústavu, nyní je doktorandem na katedře meteorologie na Stockholmské univerzitě. (e-mail:
[email protected]) *Spoluautoři: RNDr. Jiří Černý a Mgr. Miroslav Havel pracovali v Českém geologickém ústavu v Praze. Dr. Jakub Hruška tam dosud pracuje. Prof. Dr. Trevor D. Davies a Dr. K. S. Bridges působí na Východoanglické univerzitě v Norwichi, Dr. Norman E. Peters v US Geological Survey v Atlantě, RNDr. Iva Hůnová v Českém hydrometeorologickém ústavu v Praze, RNDr. Jiří Černý ve firmě AQUATEST, a. s., a Ing. Zbyněk Zeman v Laboratoři environmentální chemie Schola Humanitas v Litvínově.
Co se stalo v zimě 1995/1996 Nečekané poškození několika tisíc hektarů smrkového lesa v zimě 1995/1996 mohlo být způsobeno klimatem, chronickým znečištěním ovzduší, hmyzem či toxickou látkou, která není běžně přítomna ani sledována. Zvažme všechny možnosti. Zima 1995/1996 byla sice v Krušných horách chladná a poškození mrazem nelze vyloučit, samo o sobě by ale nestačilo (viz též M. Hubáčková, Vesmír 74, 13, 1995/1). Například zimy 1985/1986 a 1986/1987 byly chladnější (s nižšími minimálními teplotami a s déle trvajícími mrazy). Koncentrace oxidu siřičitého ve vrcholové části Krušných hor v zimě 1995/1996 byly sice dost vysoké, ale srovnatelné hodnoty zde byly naměřeny vícekrát, a přesto tak velké poškození stromů nezpůsobily (předtím vznikla podobná škoda pouze r. 1985). Ve stejné době nebylo zjištěno ani poškození hmyzem či neznámou toxickou látkou, ani hořčíkový deficit (o možnostech poškození viz rámeček dole). Co tedy smrky připravilo o jehličí? Je známo, že kyselost vody v oblacích či námrazy je vyšší než kyselost srážek. Zvláště mladému jehličí škodí námraza s pH nižším než 3 a s vyššími koncentracemi síranového iontu. Ta naruší voskovou vrstvu na povrchu jehlic, z nichž se potom vyluhují živiny, zejména vápník, draslík a hořčík. V těsné blízkosti velkých zdrojů znečištění mohou být smrkové porosty poškozovány i přímým kontaktem jehličí s oxidem siřičitým, který zničí chlorofyl a jehličí uschne. O čem vypovídají měření, která máme k dispozici?1) Během podzimu a zimy 1995/1996 bylo v několika případech naměřeno pH oblačné vody a námrazy nižší než 3 a koncentrace síranů o více než desetinásobek mezní koncentrace, při které dochází k poškození jehličí. Informace o směru a rychlosti větru ukazují, že velmi kyselá námraza se tvořila, když převládal vítr přicházející ze severočeské hnědouhelné pánve.2) V tutéž dobu byly ve vrcholové části Krušných hor naměřeny extrémně vysoké koncentrace oxidu siřičitého ve vzduchu. Pro nás jsou důležité vysoké koncentrace v době, kdy jehličí nebylo chráněno sněhem ani námrazou. Klíčová epizoda se podle našeho náODUMÍRÁNÍ SMRKŮ V IMISNÍCH OBLASTECH Přesný mechanizmus poškozování a odumírání stromů není znám, podílí se na něm množství fyzikálních, biologických a chemických faktorů. „Viníkem“ zpravidla není jeden z nich, ale jejich kombinace spolu s okolnostmi. Uvažuje se o několika příčinách: n Akutní poškození. Přímý kontakt koncentrovaného oxidu siřičitého s asimilačními orgány smrku poškodí chlorofyl, a proto jehličí uschne. Vyskytuje se v oblastech s extrémně vysokými koncentracemi oxidu siřičitého v ovzduší. Imisní epizoda může být krátká, při „vhodném“ počasí stačí k poškození stromu desítky minut. Tento mechanizmus je jediný, který již na našem území příliš nehrozí. n Dlouhodobé okyselování. Z půd jsou vyplavovány bazické kationty vápníku, hořčíku či draslíku, půdy se stávají kyselými a půdní voda obsahuje vysoké koncentrace toxických kovů (zejména hliníku) mobilizovaných kyselým deštěm. Vysoké koncentrace hliníku působí fyziologické problémy kořenovému systému smrků. Ionty hliníku soutěží s kationty vápníku, hořčíku a draslíku na buněčných membránách
360 300
smìr vìtru [°]
neutralizována ještě před vstupem do půdy. Jedním z důležitých mechanizmů je neutralizace polétavým prachem nebo popílkem vznikajícím při spalování uhlí, který obsahuje kationty např. draslíku, sodíku, vápníku nebo hořčíku. Jenže popílku ubylo.
240 180 120 60 0
0
500
1000 1500 2000 SO2 [g/µm]
2500
3000
2. Závislost naměřených koncentrací SO2 (30minutové průměrné koncentrace SO2 ze stanice Rudolice) na směru větru (meteorologická věž na Načetíně), situace 2. 2. 1996. Vysoké koncentrace SO2 jsou spojeny s úzkým rozpětím směru větru 150–190°, což ukazuje na stejný zdroj emisí (elektrárny ČEZ Prunéřov a Tušimice).
zoru odehrála v lednu a únoru 1996. V druhé polovině ledna byla na smrcích velmi kyselá námraza, která koncem ledna odtála. Začátkem února vzrostly koncentrace oxidu siřičitého v ovzduší (obr. 2) do té míry, že mohly jehličí, poškozené již námrazou, úplně spálit. Největší vliv měly elektrárny Prunéřov a Tušimice (obr. 3), jejichž komíny vypouštějí spaliny přímo do úrovně vrcholové části Krušných hor. Poškození rozsáhlých ploch smrkových porostů tedy pravděpodobně bylo důsledkem společného působení všech činitelů, které se postaraly o to, že byl zničen nejmladší ročník jehličí v oslabeném lese (obrázky na s. 579). Proč zlepšení přineslo zhoršení? V dřívějších letech bývaly emise oxidu siřičitého proti roku 1995 více než dvojnásobné. Jak to, že to některé smrky přežily? Jestliže srovnáme chemické složení námrazy z let 1986 a 1996 (viz tabulku na následující straně), můžeme se ujistit, že koncentrace síranů klesly na méně než polovinu, což je v souladu s poklesem emisí oxidu siřičitého o více než 50 % (obr. 1). Když ale porovnáme koncentrace vápníku, 1) Od r. 1995 se v rámci programu, který organizovala Východoanglická univerzita v Norwichi ve spolupráci s Českým hydrometeorologickým ústavem, odebíraly vzorky námrazy a oblačné vody na stanici Fláje (740 m n. m.). Zároveň 20 km od Flájí (na výzkumné lokalitě Načetín) prováděl Český geologický ústav s dánským Ústavem pro ekologii krajiny výzkum vlivu znečištěného ovzduší na lesní ekosystém. 2) Pro srovnání byly odebrány vzorky i při ostatních směrech větru.
kořenového systému a porušují iontovou rovnováhu v těchto buňkách. Hliník brání aktivnímu transportu iontů přes buněčné membrány tím, že ve formě Al3+ obsadí jejich místa. Tím poruší elektrostatickou rovnováhu a membrána přestane plnit svůj účel. Zablokuje se příjem hořčíku a kořeny degenerují, rostlina chřadne. n Disproporce ve výživě stromu. Kyselé deště poskytují půdě množství dusíku ze zemědělství i ze spalovacích procesů (viz V. Straškrabová, Vesmír 74, 11, 1995/1). Naopak se půdě nedostává hořčík, který je nezbytnou součástí chlorofylu. Strom rychle přirůstá, hořčík si do nových jehlic musí „vypůjčovat“ ze starších, které žloutnou a opadávají. Pokud smrky v imisních oblastech přežívají, mají neobvykle velké přírůstky, ale dřevo je řidší, méně pevné, smrky jsou náchylnější ke zlomu. Uvedené mechanizmy stromy oslabují, ale nebývají bezprostřední příčinou úhynu – tou bývá klimatický stres (náhlá změna teploty v zimě, dlouhotrvající sucha nebo mrazy), popř. hmyzí škůdce, kterému by se zdravý les ubránil.
http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 80, říjen 2001
577
3. Modelová studie rozptylu emisí z elektráren Prunéřov, Tušimice, Ledvice a Počerady z 2. února 1996 ve 13.00 h, kdy bylo na stanici Rudolice naměřeno rekordních 1400–2300 mg.m–3 SO2. V tomto případě ovlivnila přízemní vrstvy atmosféry pouze kouřová vlečka z Tušimic. V jiných případech zasáhly vrcholové partie hor včetně Načetína vlečky ze všech čtyř elektráren zahrnutých do modelu.
500 µg/m
Zinnwald Fláje Naèetín Rudolice
Ledvice Vysoká Pec
Fichtelberg
0 kilometry 25
Poèerady
Prunéøov
Tušimice
vysvìtlivky
S
nadmoøská výška (m n. m.)
mìøicí stanice emise SO2 z elektráren 50 ktun/rok 200 ktun/rok
> 800 600–800 400–600 <400
izolinie SO2 jsou v intervalu 500 µg/m2
který se významně podílí na neutralizaci kyselosti srážek a námraz, zjistíme, že jeho pokles je více než pětinásobný (obr. 4). Tím se výrazně zhoršila neutralizace kyselých složek v námraze (z pH 4,3 r. 1986 na pH 3,08 v zimě 1995/1996). Koncentrace vodíkových iontů v námraze byla tedy – paradoxně – o řád vyšší než v roce 1986, kdy byly emise oxidu siřičitého dvojnásobné! Jak taková situace vznikla? Hledejme příčinu: V první polovině 90. let minulého století významně klesly emise tuhých látek, ale většinou ještě nebyly v provozu odsiřovací jednotky. Kouřové vlečky elektrárenských komínů již nebyly tak zřetelně viditelné, vrstvy prachu na zaparkovaných automobilech se ztenčily a vzduch byl na pohled čistý. Jenže snížením emisí tuhých látek se výrazně snížila neutralizace emisí v atmosféře. Kyselejšími se staly nejen námrazy, ale i srážky (obr. 4). Kyselost totiž dříve bývala polétavým prachem či popílkem více neutralizována ještě před vstupem do půdy. 4. Poměr mezi emisemi SO2 a emisemi tuhých látek (plná čára) pro elektrárny ČEZ Prunéřov a Tušimice pro období 1985–1998. Přerušovaná čára znázorňuje poměr ročních průměrných koncentrací (ekvivalent.l–1) síranů (SO4 2–) a vápníku (Ca2+) na výzkumné ploše Českého geologického ústavu Načetín v Krušných horách. Údaje z Načetína jsou pouze pro období 1991–1996. 200
34
emise SO2 / emise tuhých látek
175
32 30
125 28
100 75
26
50
24
25
22
578
1999
1997
1998
1995
1996
1993
1994
1991
1992
1989
1990
1987
1988
1985
1986
1984
0
VESMÍR 80, říjen 2001 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
2+ [SO2– 4 ] / [Ca ]
150
To je ovšem jen částečné vysvětlení. Podmínky pro neutralizaci kyselosti byly v roce katastrofy stejné jako rok předtím. Častější byl jen výskyt námrazy a také proudění vzduchu od hnědouhelné pánve. Vliv znečištění ovzduší na lesní ekosystém je složitý proces (viz rámeček na předchozí straně), v němž se těžko prokazují přímé souvislosti. Jisté je, že na zničení krušnohorského lesa se podepsala snížená odolnost smrkových porostů, oslabovaných imisemi po 1986 poèet vzorkù pH SO42– [mg/l] Ca 2+ [mg/l] pomìr SO42–/Ca 2+
Rok odbìru
15 4,30 (3,42) 110 (430) 9,1 (34) 12 (13)
1995/1996
25 3,08 (2,33) 50 (190) 1,8 (9,9) 42 (125)
Chemické složení námrazy v Krušných horách. Vzorky z roku 1986 [B. Moldan: „Atmospheric deposition; a biogeochemical process“, Academia, Praha 1991, s. 70 – 72] byly odebrány v listopadu v Nové Vsi v horách, 10 km JZ od Flájí s použitím podobné metodiky jako v období 1995/1996. Uvedené údaje mimo závorky jsou aritmetické průměry. Pro pH číslo v závorce udává minimální hodnotu, pro ostatní parametry číslo v závorce udává maximální naměřenou hodnotu.
více než 30 let. Omezením emisí z elektráren se sice ovzduší v Podkrušnohoří zlepšilo, paradoxně však harmonogram jednotlivých zlepšení přispěl k jednomu z největších poškození smrkového lesa v Krušných horách. S odsířením elektráren přestaly hrozit další emise, ale dlouhodobý vliv kyselých dešťů (zejména okyselení půd) se bude projevovat ještě desítky let. o LITERATURA K DALŠÍMU ČTENÍ Kubelka L., Karásek, A., Rybář V., Badalík V., Slodičák M.: Obnova lesa v imisemi poškozované oblasti severovýchodního Krušnohoří, Ministerstvo zemědělství ČR, Praha 1992 Peters N. E., Černý J., Havel M., Krejčí R.: Temporal trends of bulk precipitation and stream water chemistry (1977–1997) in a small forested area, Krušné hory, Northern Bohemia, Czech Republic, Hydrological Processes, 1999 Děkujeme Evropskému společenství a institucím zmíněným v článku za finanční i jinou podporu. Poděkování patří také všem našim kolegům, kteří se podíleli na sběru dat, zpracování a analýze vzorků.
Nahoře: Celkový pohled na poničený šedesátiletý smrkový porost z načetínské meteorologické věže, jaro 1996.
Dole: Výsledek společného působení námrazy a vysokých koncentrací SO2. Odumřelý (rezavý) první ročník jehličí na lokalitě Načetín v Krušných horách, březen 1996. Snímky © Radovan Krejčí
VESMÍR 80, fiíjen 2001 http://www.cts.cuni.cz/vesmir
579
Stav krušnohorských lesů v roce 1990 (okolí Komáří vížky), snímky © Stanislav Vaněk
580
VESMÍR 80, fiíjen 2001 http://www.cts.cuni.cz/vesmir
Na protější straně: Lophocereus sp., jemuž Mexičané říkají pitahaya, má výrazně červené plody, velké asi jako rajské jablíčko. Roste na severu poloostrova Baja California a v přilehlých oblastech na jihu USA. Snímek © Pavel Hošek
