Zastoupení kategorií zemědělských půd podle půdní reakce v ČR (%)
Úprava půd s nepříznivou reakcí
50
%
40 30 20
Obsah přednášky
Orná půda
Úprava reakce alkalických půd
v ČR problém jen výjimečně používané materiály
síra – pomalé působení kyselina sírová – obtížná manipulace, nákladné zařízení sírany Al, Fe polysulfid Ca
Přirozené:
produkce kyselin v půdě vstup kyselin z vnějšího prostředí odběr nebo vyplavení bazických látek změny redox podmínek (např. oxidace sulfidů)
pokles neutralizační kapacity půdy
přirozený proces, který je umocňován působením antropogenních vlivů
Ca nahradí Na a uvolní se H2SO4
Podmínky a příčiny kyselosti půdy
Silně alkalické
důsledek produkce nebo vstupu kyselin
CaCO3 + Na2SO4 neutrální sůl → vymytí
Travní porosty
DEFINICE ACIDIFIKACE PŮDY
sádrovec CaSO4 + Na2CO3
Alkalické
Slabě kyselé
Kyselé
Silně kyselé
Etrémně kyselé
0
Neutrální
10
úprava reakce alkalických půd úprava kyselé reakce na zemědělských půdách možnosti úpravy lesních půd postižených acidifikací
mateční horniny (žuly apod.) nevhodné porosty (smrkové monokultury) humus, organické kyseliny tvorba CO2 vymývání bazických složek srážkovou vodou oxidace pyritu
Příčiny acidifikace půdy Antropogenní:
atmosférická depozice (S, N) suchá depozice
zachytávání SO2, aerosolu, prachu na povrch vegetace
mokrá depozice kyselé deště - kyseliny (sírová, dusičná) ve srážkové vodě (vč. mlhy, sněhu …)
nevhodné hnojení aj. přídavky (na z.p.) odběr bazických iontů sklizní
Největší problém v ČR:
lesní půdy horských oblastí
1
ÚPRAVA KYSELÉ REAKCE NA ZEMĚDĚLSKÝCH PŮDÁCH
Pufrační schopnost půdy
omezené zpracování půdy omezení používání fyziologicky kyselých hnojiv hnojení LV, LAV apod. výběr a střídání plodin, rostlinné zbytky vápnění
Okyselující účinky některých hnojiv (dle Bolana, Hedleyho, 2003)
2,60
8/26
0,86
25/78
Vytvořená acidita (kmol H+.ha-1)b
Síran amonný
110
Močovina
79
Dusičnan vápenatý
-50
-
-
8
0,48
45/140
Trojitý superfosfát
15
0,50
43/135
Síran draselný
-64
-
-
Elementání síra
310
1,55
14/43
Superfosfát
Vápnění půd – mechanismus účinku
Doba pro snížení pH o 1 (roky)c
Ekvivalent acidity a
Druh hnojiva
zvýšení pH sycení půdy Ca2+ (Mg2+) zvýšení biologické aktivity x zvýšená mineralizace OH
zlepšení půdní struktury (z potenciál) rozvoj kořenového systému zvýšení rozpustnosti některých živin snížení mobility a přístupnosti Al a většiny rizikových prvků
kalcit: → → →
HCO3- + Ca2+ CO2 + H2O Ca2+ + CO2 + H2O
dolomit: CaMg(CO3)2 + 2H+ → 2HCO3- + Ca2++ Mg2+ 2HCO3- + 2H+ → 2CO2 + 2H2O CaMg(CO3)2 + 4H+ → Ca2+ + Mg2+ + 2CO2 + 2H2O
kg CaCO3.100kg-1 při dávce 25 kg N, 30 kg P nebo 30 kg S.ha-1.rok-1 c při pufrační kapacitě půdy 21,7 / 67,5 kmol H+.ha-1
důsledky v půdě:
reakce systému CaCO3 / Ca(HCO3)2 / Ca2+ + H2CO3
CaCO3 + H+ HCO3- + H+ CaCO3 + 2H+
b
princip:
a
Vápnění zemědělských půd
druhy vápnění meliorační udržovací
Potřeba vápnění
množství vápenatého korektiva potřebného k neutralizaci nedisociovaných vodíkových iontů do neutrální nebo jiné požadované hodnoty pH faktory potřeby vápnění:
mateční hornina, stupeň zvětrávání obsah jílu obsah organické hmoty forma acidity sled neutralizace
x omezení přístupnosti Fe
2
Stanovení potřeby vápnění
polní pokusy
výpočet z hodnoty výměnné acidity (Va)
PV = Va . E . rd . h . 0,1 kde:
suspenze se titruje hydroxidem x pomalá neutralizace
přivedení půdy do rovnováhy s pufrem
inkubace zeminy s různým přídavkem váp. hnojiva probíhá mineralizace – zvýš. konc. solí
titrace bázemi
zdlouhavé, nákladné, spíše pro výzkumné účely
inkubační metody
Stanovení potřeby vápnění (t.ha-1)
Va – výměnná acidita (mmol.100g-1) E – ekvivalent korektiva (g.mol-1;CaCO3 – 50, CaO – 28)
rd – objemová hmotnost půdy (g.cm-3)
výpočet dle změny pH pufru po reakci s půdou
h – hloubka ornice (m) 0,1 – převod jednotek
stanovení výměnného Al
(příslušně se změní při dosazení veličin v jiných jednotkách)
Dávky melioračního vápnění na z.p.
Dávka udržovacího vápnění
podle pHKCl pro hloubku 20 cm (Neuberg et al., 1995) Půdní druh
výpočet podle míry acidifikace (dle Edmeadese, Ridleyho, 2003)
Lehká p. (P, HP)
DUV = MA . E kde:
DUV – dávka udržovacího vápnění (kg.ha-1.rok-1) MA – míra acidifikace (kmol H+.ha-1.rok-1) E – ekvivalnt korektiva (kg.kmol-1;CaCO3 – 50, CaO – 28)
V ČR (Metodika výživy a hnojení plodin, Neuberg, 1995) se doporučuje dávka ~ 200 – 350 kg CaO ha-1 rok-1, se sdruženou aplikací 1x za 3 – 5 let
Střední p. (PH, H)
Těžká p. (JH, JV, J)
TTP
dávka (t CaO ha-1)
optim. 5,4-6,0
dávka (t CaO ha-1)
pHKCl optim. 4,5-5,0
4,1-4,5
3,5
do 4,0
2,5
4,6-5,0
2,5
4,1-4,5
2,0
5,1-5,5
1,75
4,6-5,0
1,5
5,6-6,0
1,2
optim. 5,9-6,5
optim. 4,5-5,0
4,5-5,0
4,7
do 4,0
4,0
5,1-5,3
3,2
4,1-4,5
3,5
5,6-6,0
2,4
4,6-5,0
2,5
6,1-6,5
1,4
optim. 6,2-7,0
optim. 4,7-5,2
4,6-5,0
6,8
do 4,0
6,0
5,1-5,5
4,3
4,1-4,5
4,5
5,6-6,0
2,9
4,6-5,0
3,5
6,1-6,5
1,9
Schéma rozhodovacího procesu o vápění (dle Edmeadese, Ridleyho, 2003)
Biologická potřeba vápnění (dle Edmeadese, Ridleyho, 2003)
Orná půda pHKCl
pro danou půdu a plodinu
BPV = (optimální pH – skutečné pH) . NK
Půda
Rostlina
• pH, Al, Mn x hloubka profilu • limitující faktory • pufrační kapacita
• optimální pH? • tolerantní druh? • tolerantní odrůda?
Systém
(t.ha-1)
kde: BPV – biologická potřeba vápnění NK – neutralizační kapacita hnojiva (t na změnu pH o 1 jednotku)
• biologická potřeba vápnění • míra acidifikace (udržovací vápnění) • druh a jakost vápenatého hnojiva • způsob aplikace a zapravení • doba účinnosti
Ekonomika • náklady (hnojivo, doprava, aplikace) • přínosy
3
Charakteristika používaných vápenatých hnojiv (2) (Neuberg et al., 1995)
Charakteristika používaných vápenatých hnojiv (1) (Neuberg et al., 1995) Druh hnojiva
Účinné sloučeniny
Účinnost hnojiva
Mletý vápenec
CaCO3 (MgCO3)
pozvolná (dle velikosti částic) velmi zdlouhavá
Dolomit na hnojení CaMg(CO3)2 Vápenaté směsné hnojivo Vápno vzdušné bílé Vápno vzdušné dolomitické
Neutralizační hodnota (% CaO) 45-55
CaO, MgO, CaCO3, pozvolná až MgCO3 zdlouhavá CaO, MgO rel. rychlá CaO, MgO
rel. rychlá
50 45-75 65-96 65-96
Aplikace sádrovce pro zmírnění acidity hlubších vrstev půdy
sádrovec je rozpustnější než vápenec
snazší transport do hlubších vrstev
Druh hnojiva
Účinné sloučeniny
Účinnost hnojiva
Vápno hydraulické (vys. cena!) Vápenný hydrát vzdušný Vápenný hydrát dolomitický Vysokopecní vápenatá struska Cukrovarské saturační kaly
CaO, MgO, Casilikát, Mg-silikát Ca(OH)2
rel. rychlá
Neutralizační hodnota (% CaO) 45
rel. rychlá
64-70
Ca(OH)2, Mg(OH)2
rel. rychlá
66
Ca-silikát
rychlejší než mletý vápenec rychlejší než mletý vápenec
40
zvýšení výměnného a rozpuštěného Ca snížení výměnného a rozpuštěného Al
Mechanismy účinku sádrovce Precipitace Al(OH)3 + CaSO4 → AlOHSO4 + Ca(OH)2 2Al3+ + 3Ca(OH)2 → 2Al(OH)3 + 3Ca2+
Společná sorpce SO42- a Al3+
„Self-liming effect“ 2[Fe,Al](OH)2[Fe,Al] + Ca2+ + SO42- → 2[Fe,Al](OH)(SO4-)[Fe,Al] + Ca(OH)2 2Al3+ + 3Ca(OH)2 → 2Al(OH)3 + 3Ca2+
MOŽNOSTI ÚPRAVY LESNÍCH PŮD POSTIŽENÝCH ACIDIFIKACÍ Přirozená kyselost: organické kyseliny nízké teploty, vysoká vlhkost – omezená mineralizace schopnost poutat Al do netoxických komplexů
mobilizovatelný Al může již být vyčerpán toxicita Al se neprojevuje
Antropogenní acidifikace: i malá změna pH zvýší rozpouštění Al např. při změně pH z 3,9 na 3,7 se konc. Al3+ zvýší ~ 4x!
vyšší množství Al3+ nižší poměr BC/Al v půdním roztoku
toxicita Al se projeví
20
Aplikace sádrovce pro zmírnění acidity hlubších vrstev půdy
Mechanismy účinku sádrovce
CaCO3
na seskvioxidech poutání síranů vytváří záporný náboj, na který se poutá Al
Tvorba iontových párů
méně toxické sírany Al, např. AlSO4+
Možnosti úpravy lesních půd postižených acidifikací 1. Prevence
snížení imisí
odsíření tepelných elektráren snížení emisí N?
2. Návrat bazických prvků do ekosystému
neodstraňovat hrabanku (historie) ponechání větví, příp. kůry v lese
3. Biologická meliorace
změna druhového složení porostů náhrada smrkových monokultur smíšenými či listnatými porosty
popř. dočasně melioračními dřevinami (bříza, jeřáb)
4
Celkové emise v ČR 1990-2011 (x1000 t r-1) (Zdroj: ČHMÚ)
Důsledky acidifikace půdy
Kritické zátěže – příklad – Krkonoše
Kritické zátěže
zvýšené zvětrávání půdních minerálů ztráta živin (Ca, Mg, K) uvolňování potenciálně toxických forem Al zvýšení rozpustnosti rizikových prvků omezený rozvoj kořenů toxicita Al (nízký poměr Ca/Al nebo BC/Al v p. roztoku) nedostatek Mg (rychlý růst díky N) vyšší zranitelnost škodlivými činiteli vliv na půdní strukturu změny mikrobiálních společenstev a biologické aktivity
(Hruška, 2001)
nejvyšší dávka znečišťující látky, která ještě nezpůsobí chemické změny, jež by měly dlouhodobé škodlivé účinky na nejcitlivější složky ekosystému množství depozice, kterou část ekosystému může snášet bez poškození
stav 1995
kvantitativní odhad – na základě současných znalostí
Skutečný dopad kyselé depozice je dán: velikostí depozice citlivostí ekosystému
Variantní postupy změny druhové skladby
Rozdíly mezi bukem a smrkem ve vztahu k depozici a koloběhu bazických prvků Buk (vs. smrk): hlubší kořenový systém
využití živin z hlubších vrstev vynášení bazických prvků
nižší zachytávání suché depozice
menší specifický povrch listů opadavý
vyšší stok po kmeni
kvalitnější, snáze rozložitelná organická hmota vyšší odolnost vůči toxicitě Al
architektura koruny
Zdroj: Slodičák et al., 2007
5
Průměrné konc. iontů ve srážkách (Načetín, KH, 2004; Oulehle, Hruška, 2005)
Průměrné konc. iontů v p. roztoku (Načetín, KH, 2004; Oulehle, Hruška, 2005)
NH4+ meq.l-1
43
91
93
Ca2+ meq.l-1
horizont O SM BK 3,66 4,45 56 34 48 80 106 134 122 129
Al+n mmol.l-1
0,46
2,6
1,1
NH4+ meq.l-1
8,3
30
0,87
6,1
7,4
F- meq.l-1
0,53
3,5
1,8
Al+n mmol.l-1
65
19
197
27
169
54
Cl- meq.l-1
17
56
41
F- meq.l-1
10
3,2
19
4,2
17
7,9
NO3- meq.l-1
30
108
48
Cl- meq.l-1
94
52
91
56
124
63
SO42- meq.l-1
35
149
80
NO3- meq.l-1
230
157
206
51
60
28
DOC mmol.l-1
144
111
818
SO42- meq.l-1
259
11
433
144
512
259
ANC meq.l-1
-28
-42
64
DOC mmol.l-1
2994
2014
358
1953
889
323
4,6
71
0,4
31
0,7
2
Parametr pH Na+ meq.l-1 K+ meq.l-1 Mg2+ meq.l-1 Ca2+ meq.l-1
Srážky na volné pl. 4,68 14 4,8 6,2 13
Podkorun. srážky - SM Podkorun. srážky - BK 4,35 4,90 41 29 85 89 33 35 73 49
-
Bc/Al
Význam změny druhového složení porostů v imisních oblastech
zvýšení mechanické stability porostů zvýšení ekologické stability porostů snížení kyselé depozice do půdy zlepšení koloběhu živin
Nutno respektovat:
přirozené složení porostů přírodní podmínky stanoviště ekologické nároky jednotlivých druhů
Hloubka: Porost: pH Na+ meq.l-1 K+ meq.l-1 Mg2+ meq.l-1
Bc/Al
30 cm
60 cm
SM 4,31 91 9,9 83 38
BK 4,70 54 14 128 120
SM 4,08 115 23 98 50
BK 4,43 53 5,4 109 39 0,56
Charakteristika druhů dřevin pro obnovu lesa (v podmínkách Jiz. hor; Slodičák et al., 2005) Smrk ztepilý (Picea abies Karst.)
citlivý možnost vyselektování tolerantnějších ekotypů
Kleč horská (Pinus mugo Turra)
tolerantnější než smrk vhodná i pro extrémní lokality jako přípravná dřevina
Modřín opadavý (Larix decidua Mill.)
poměrně tolerantní k chronické imisní zátěži rychlý růst v mládí – ekologický kryt ne jako cílová dřevina!
Jedle bělokorá (Abie alba Mill.)
~ 7 kritických let (šok z přesazení, poškození mrazem) pak zlepšující
Charakteristika druhů dřevin pro obnovu lesa (v podmínkách Jiz. hor; Slodičák et al., 2005)
Charakteristika druhů dřevin pro obnovu lesa (v podmínkách Jiz. hor; Slodičák et al., 2005)
Borovice lesní (Pinus silvestris L.)
Buk lesní (Fagus sylvatica L.)
~ 5 kritických let (šok z přesazení, poškození mrazem) pak vysoká vitalita; důležitý výběr ekotypu!
Bříza (Betula sp.)
vhodná pro přípravné porosty volba druhů a ekotypů
do 850 m B. bělokorá, 850-1000 m B. pýřitá, nad 1000 m B. pýř. karpatská
Jeřáb ptačí (Sorbus aucuparia L. emend. Hedl.)
snáší imisní zatížení a nepříznivé mikroklima, regeneruje špatně tvoří zapojené porosty
Javor klen (Acer pseudoplatanus L.)
citlivý na kolísavý stres (imise, mráz) příměs do náhradních porostů do 1000 m n.m.
omezení klimatickými a půdními podmínkami špatně snáší mikroklima imisních holin do 1000 m n. m., mimo mrazové polohy a stanoviště ovlivněná vodou nutná ochrana před zvěří
Olše zelená (Alnus alnobetula Ehrh./C.Koch)
krycí schopnost, fytomeliorace nepůvodní – omezené využití
Vrba slezská (Salix silesiaca Willd.), vrba osika (Salix caprea L.), topol osika (Populus tremula L.)
spontánní zmlazování, vysoký růstový potenciál vhodné pro přípravné porosty
6
Změna druhového složení lesních porostů na celém území ČR (Klimo et al., 2006)
Smrk
Přirozený podíl (%) 11,0
Jedle
18,0
0,9
Borovice
5,4
17,6
Modřín
0
3,7
Dub
17,2
6,3
Buk
37,9
5,9
Druh
Současný podíl (%) 54,2
MOŽNOSTI ÚPRAVY LESNÍCH PŮD POSTIŽENÝCH ACIDIFIKACÍ 4. Mechanická úprava povrchu půdy
Porovnání vlivu druhu porostu na depozici v Krušných horách - simulace (Oulehle et al., 2007)
buldozerová příprava apod. shrnutí svrchní (humusové) vrstvy s nejvyšší akumulací acidifikantů – následná mineralizace použito v Krušných horách extrém, rozhodně nedoporučeno!!!
4 typy lokalit, kde lze uvažovat o vápnění (Podrázský, 2001)
5. Chemická meliorace
přímá - hnojení bazické minerální moučky směsná hnojiva (např. Silvamix) nepřímá - vápnění
Postup výběru ploch pro plošné chemické meliorace (1) (Šrámek, 2005)
vápnění při rekultivacích těžbou poškozených ploch
vápnění (i hnojení) je zde podmínkou vytváření půdní úrodnosti
vápnění buldozerovou přípravou devastovaných ploch v oblastech s malou koncentrací polutantů, ale s relativně vysokou kyselou depozicí, chudými půdami s nízkým obsahem živin a dosud vitálními porosty vapnění imisních holin v oblastech s odumřelým a vytěženým lesem ve vysokých horských polohách
nejvíce diskutabilní
Postup výběru ploch (2) (Šrámek, 2005)
Typologické kategorie: R - rašelinná X - extrémní - xerotermní Y - extrémní - skeletová B - bohatá J - obohacená humusem - javořiny L - obohacená vodou - luhy G - podmáčená, středně bohatá N - kamenitá
Zkratky: PLO – přírodní lesní oblast CHOPAV - chráněné oblasti
přirozené akumulace vod
Zkratky: ÚHÚL – Ústav pro hospodářskou úpravu lesů VÚLHM – Výzkumný ústav lesního hospodářství a myslivosti
7
Postup výběru ploch pro plošné chemické meliorace (3) (Šrámek, 2005)
Postup výběru ploch pro plošné chemické meliorace (4) (Šrámek, 2005)
Postup výběru ploch pro plošné chemické meliorace (5) (Šrámek, 2005)
Postup výběru ploch pro plošné chemické meliorace (6) (Šrámek, 2005)
Plochy vápněných lesů a vývoj nákladů (Hruška, Cienciala, 2001)
Rozsah vápnění lesních půd v ČR v letech 2000-2005 (ha; Šrámek et al., 2006) Oblast
2000 2001 2002 2003 2004 2005
Krušné hory
8260 7530 7782
Orlické hory
1413
881
419
Jizerské hory
-
-
-
501
Šumava
-
-
-
-
0
3862
Celkem
288
27722
-
5129
-
262
763
-
53
53
603
33667
1006 1410
Celkem vápněno 9673 8411 8201 1507 5272
8
Nejčastěji uváděné nepříznivé důsledky vápnění lesních půd a námitky (1)
jednorázový, nepřirozený zásah nerovnoměrná (nekontrolovaná) aplikace vápnění vápencem nesníží nedostatek Mg (a může vyvolat nedostatek K v důsledku konkurence prvků) výsledek se neprojeví v hlubších vrstvách půdy zvýšená mineralizace
Nejčastěji uváděné nepříznivé důsledky vápnění lesních půd a námitky (2)
zploštění kořenového systému
změna půdní fauny a mykorhizních společenstev změna složení bylinného patra přesun acidity do hlubších vrstev
ztráta organické hmoty nitrifikace – další okyselení kys. dusičnou (při C/N < 30) vyplavování dusičnanů, síry rozpustného org. uhlíku – zintenzívnění podzolizace mobilizace akumulovaných rizikových prvků
Vliv kyselých srážek a následného vápnění na půdní faunu (Rusek, 2001) původní stav
kyselé srážky
vápnění
nižší odolnost vůči suchu, mrazu apod.
přesun kyselých kationtů vytěsněných Ca („acidifikační náraz“) naplavení dusičnanů, mobilizace Al
Dávky a formy aplikace vápnění lesních půd
doporučuje se dávka 2-3 t vápence na ha
po 3 letech zjistit výsledek a příp. rozhodnut o další aplikaci
dávat přednost hnojivům s obsahem Mg
raději jemně mleté materiály
dolimitický vápenec apod. částice nad 1 mm jsou považovány za neúčinné
Způsoby aplikace vápnění lesních půd
velkoplošné – nad cca 50 ha použitelné pro aplikaci kapalných hnojiv a granulátů nevhodné v případě jemnozrnných materiálů
úlet nejjemnějších frakcí pouze velké plochy nad 100 ha
plošná - pozemní
Časové měřítko acidifikace a zotavení (Galloway, 2001)
plošná - letecká – letadla, vrtulníky
pomalé zvětrávání
přihnojování a vápnění i malých, členitých či roztroušených ploch terénní a porostní omezení rozmetadla, pneumatické systémy – v přístupném terénu možnost i ruční aplikace (Německo)
bodová do jamek – při sázení
Dny až týdny
Týdny až měsíce
Měsíce až roky
Roky až desetiletí
ACIDIFIKACE Zvýšené emise zvyšují depozici Zvýšená depozice okyselují půdy Zvýšená acidifikace mění lesy Zvýšená depozice okyseluje vody Zvýšená acidifikace vody zabíjí ryby… REGENERACE Snížené emise snižují depozici Snížená depozice umožní regeneraci půd Snížená depozice umožní regeneraci vod Snížená depozice umožní regeneraci lesů Snížená kyselost vody umožní regeneraci ryb
vede ke špatnému rozvoji kořenů
9
