DUSÍK A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Tlustoš Pavel, Balík Jiří, Hanč Aleš

V pohledu laické veřejnosti patří zemědělství mezi odvětví, která se podílejí na znečišťování našeho životního prostředí bez ohledu na to, zda se jedná o přirozený koloběh živin či úmyslné nebo, možná přesněji řečeno, neuvážené opatření během vegetační periody nebo při chovu hospodářských zvířat. Živinou, která bývá nejčastěji zmiňována ve vztahu k životnímu prostředí, je dusík. Jedinečnost dusíku spočívá v jeho neustálých přeměnách a ve schopnosti vyskytovat se v měřitelných koncentracích ve všech skupenstvích. Pevná forma je nejstabilnější a nejvíce zastoupena v celkové bilanci N na Zemi. Litosféra obsahuje přibližně 98 % celkového množství N, o zbytek se v sestupném pořadí dělí atmosféra, hydrosféra a biosféra (Stevenson, 1982). Množství N v minerálech je 50 krát vyšší než v atmosféře, a to je téměř 5 000 krát vyšší než obsah dusíku v půdách. I přes tento značný nepoměr má půdní dusík významný, ne-li rozhodující podíl na změnách koncentrací jeho sloučenin jak v kapalinách , tak i v plynech.

S rozvojem populace a růstem životní úrovně rostla spotřeba potravin a energií a začalo docházet k transformaci stabilního N z atmosféry do snadno rozpustných průmyslových hnojiv a uvolňování N z fosilních paliv do atmosféry, čímž došlo k ovlivnění přirozeného cyklu a rostoucí koncentraci některých N sloučenin v atmosféře i ve vodách. Negativně působí i intenzivní chov dobytka a koncentrace pěstování rostlin symbioticky fixujících N. Pro posouzení vlivu zemědělství a ostatních odvětví národního hospodářství na změny koncentrací N sloučenin v ovzduší a ve vodě je třeba nejprve porovnat jednoduché bilance.

Nástup tržní ekonomiky vedl v ČR k výrazným změnám v hospodaření zemědělců, především v důsledku několikanásobného zvýšení cen vstupů do výroby, nízkému nárůstu cen produktů, navíc spojených s problémy při jejich odbytu. Těmito vlivy byla drasticky snížena spotřeba průmyslových hnojiv a v důsledku snížení stavu skotu i produkce a následná spotřeba organických hnojiv v naší republice. V grafu 1 (zpracováno podle Vostala, 1997) je jasně vidět pokles všech primárních vstupů N do půdy v posledních šesti letech. Nejvyšší pokles byl zaznamenán především v letech 1991-93, kdy sledované vstupy klesly až na 52 % průměru vstupů N minulého pětiletí. Tento propad byl především způsoben omezením aplikace průmyslových hnojiv, i když i obě další bilancované složky, organická hnojiva a symbiotická fixace, měly sestupný trend. Rok 1993 byl zlomovým, v dalších letech se již spotřeba N v průmyslových hnojivech zvyšovala, což se nedá říci o obou dalších složkách, jejichž příspěvek se i nadále snižoval. Z těchto důvodů, i vzhledem k úzkostlivému šetření ve všech vstupních nákladech, došlo v období 1992 - 95 k poklesu výnosů, a tím i odběru N u většiny hlavních plodin. Jednoduché srovnání vstupů a výstupů ukazuje, že od roku 1991 hospodaří zemědělci kořistnicky a pěstují většinu plodin na úkor půdního dusíku, a tím půdu ochuzují. Z pohledu ekologického však dochází k pozitivnímu jevu minimalizace nežádoucích N pochodů. Poměr vstupů a výstupů N našeho zemědělství se jeví neskutečným při porovnání s detailní bilancí holandských mléčných farem, kde v průměru let 1986-88 se ročně ztrácelo 398 kg N na každý hektar při průměrné dávce 248 kg N na ha. Při sledování celého spektra holandských farem se v tomto období nepodařilo nalézt 75 % vstupujícího N (Glen et al., 1995). Také detailní bilance v polních pokusech provedená pomocí 15N v Anglii ukázala, že při dávce 189 kg N na ha se při pěstování ozimé pšenice nepodařilo dohledat 70 kg N (Johnston a Jenkinson, 1989). Tyto údaje zde uvádím především proto, abych ukázal, jak odlišná je energetická základna pro tvorbu výnosu v Evropě a současně jak široký prostor mají tyto země k optimalizaci hnojení a následnému omezení ataku životního prostředí.

Údajem, který charakterizuje antropogenické znečištění atmosféry dusíkem, je především množství emisí vyjadřované jako NOx, neboli suma oxidů NO + NO2. Při jeho sledování na 352 místech v ČR jsou emise rozděleny podle zdrojů, a to na stacionární a mobilní. Jak vyplývá z grafu 2, celková suma emisí se od roku 1992 poměrně významně snižuje, a to především z důvodu jejich poklesu u zdrojů stacionárních. Alarmující je množstsví emisí ze zdrojů mobilních, a především jejich rostoucí relativní zastoupení v celkových emisích, které se zvýšilo z 28 % v roce 1990 na 47 % v roce 1995. Pokud porovnáme celkové množství dusíku aplikované na zemědělskou půdu s množstvím emisí v zatím nejpříznivějším roce 1995, zjistíme, že N emise dosáhly 66 % N dodaného v průmyslových hnojivech. Do roku 1993 bylo dokonce množství N v emisích vyšší než množství N dodávaného průmyslovými hnojivy. Když si navíc uvědomíme, jak cílené je použití průmyslových hnojiv a naopak, že oxidy N v atmosféře jsou téměř všudypřítomné, je zde jasný směr pro ekology kam upřít svoji pozornost. Intenzita emisí NOx podle oblastí je v úzké korelaci s energetickými zdroji republiky, zastoupením průmyslu a hustotou obyvatel. Z grafu 3 vyplývá, že odsířením elektráren poklesly emise N v severních Čechách od roku 1991 na jednu třetinu, a tím pražská aglomerace získala primát oblasti s nejvyššími měrnými emisemi v republice. Ve všech ostatních oblastech došlo k více než dvojnásobnému poklesu emisí, a především jižní Čechy a jižní Morava patří mezi oblasti se skutečně nízkými emisemi.

Pouze část dusíku emisí se vrací zpět do půdy nebo přichází do styku s rostlinami. Jednoznačně je třeba zařadit mezi aktivní složky bilance N mokrou deposici čistými srážkami, neboť se jedná o slabé roztoky snadno dostupných solí NH+4 a NO-3 a využití N z těchto forem rostlinami je vysoké. Mokrá deposice neodpovídá množství emisí a nekopíruje ani trendy jejich změn v posledních pěti letech. Jak ukazuje graf 4, hodnoty deposice obou forem dusíku jsou poměrně stálé s nevýznamně převažující amonnou formou N a pohybují se na našem území od 8 do 18 kg N na ha za rok. I přes více než dvojnásobný pokles celkových emisí NOx nedošlo k poklesu množství nitrátů dopadajících na povrch srážkami. Pohyb NOx v atmosféře smazává rozdíly mezi jednotlivými sledovanými lokalitami a roční mokrá deposice v Praze se významně neliší od “čisté” lokality Košetice. Ze sledovaných oblastí se pouze vymykají severní Čechy, kde je v některých letech deposice i dvojnásobná. Na dvou stanicích v republice uveřejňuje ČHMÚ deposici čistými srážkami i celkovou mokrou deposici. Její hodnota je v průměru vyšší o 72 % v případě amonného dusíku a o 40 % v případě dusíku nitrátového. Průměrná celková mokrá deposice 13,7 kg N na ha a rok zjištěná v Hradci Králové odpovídá i údajům Powlsona (1994), který pro Rothamsted udává celkovou mokrou deposici 14,2 kg N na ha a rok. Goulding (1990) kvantifikoval pro tuto oblast i hodnoty suché deposice a zohlednil zde i sorpční schopnost pěstované plodiny ( tab. 1 ). Její hodnoty jsou vyšší než celková mokrá deposice a při zohlednění přímé sorpce N rostlinami s dlouhou vegetační dobou je podíl suché deposice v celkové více než dvoutřetinový.

Tab. 1 Suchá deposice dusíku (kg N.ha-1) za rok na ornou půdu v Rothamstedu - Anglie

Za předpokladu, že podobné hodnoty suché deposice je možno uvažovat i v naší republice, znamenalo by to, že v průměru obě tyto složky uhrazují téměř třetinový podíl N odebíraný sklizněmi. Význam suché deposice ještě vzrůstá, pokud si uvědomíme, o jak mobilní a snadno přijatelné formy N se jedná. Celková deposice představuje značné nebezpečí především při dopadu na vodní hladinu, kde přímo ovlivňuje množství mobilních forem N ve vodách a také v tom, že nejvyšší množství N je deponováno v mimovegetačním období.

Vodní toky jsou kvalitativně hodnoceny již od roku 1963. V posledních letech je hodnoceno 280 - 290 vodních profilů. Tok Labe je sledován na 20 místech, Vltava na 10 a téměř každý větší tok je takto mapován. Balík et al.(1994) uvádějí, že průměrný obsah nitrátů ve vodních tocích ČR vzrostl z 9,46 mg NO3.l-1 v letech 1972-73 na 16,59 mg NO3.l-1 v roce 1990-91. Velice dobrým obrazem o stavu nitrátů v našich řekách je jeho množství v Labi na hranicích s Německem, protože Labe odvádí vodu z více než dvou třetin našeho území. Při sledování nitrátů v Labi v Děčíně vidíme, že z hodnoty 15,6 mg NO3.l-1 v roce 1972 rostla pravidelně jejich koncentrace až na extrémní hodnotu 34,7 mg NO3.l-1 v roce 1983 a dále se pohybovala v rozmezí 20,9 až 24,5 mg NO3.l-1 v letech 1988 až 1995. Průměrné roční koncentrace amonného i nitrátového N na čtyřech odběrových místech toku Labe v ČR jsou shrnuty v tab. 2.

Tab. 2 Průměrná roční koncentrace amonného a nitrátového N (mg N.l-1) na čtyřech místech toku Labe v ČR

Z uvedených údajů vyplývá, že celkové množství anorganického dusíku v povrchové vodě klesalo každoročně rovnoměrně po celém toku Labe. Jedná se však pouze o úbytek amonné formy, což je především způsobeno důsledným budováním čistíren odpadních vod a zcela jistě i snížením stavu dobytka, protože množství deponovaného amonného N srážkami se nezměnilo. Koncentrace nitrátového dusíku má spíše opačný trend, a především na středním toku Labe došlo k jejímu mírnému nárůstu. Je až s podivem, jak setrvalý stav v systému přetrvává a koncentrace nitrátů v povodí není ovlivněna ani významným snížením emisí NOx ani výrazně nižší spotřebou průmyslových hnojiv. Tato sledování potvrzují, že aplikovaný N v průmyslových hnojivech není přímo vymýván z půdního profilu do povrchových a spodních vod. Nitráty ve vodách pocházejí pravděpodobně z rozkladu organické hmoty, a proto se jejich obsah ve vodě ani po pěti letech drastického omezení dávek N nemění. Podobně i Macdonald et al. (1989) zjistili po výrazné redukci N hnojení jen malou změnu ve vyplavování nitrátů. I přesto, že našemu zemědělství nehrozí v současnosti ve větší míře přehnojování dusíkem, je třeba se na vyplavený nitrát dívat jako na látku znečišťující životní prostředí, ale působící i ekonomickou ztrátu. Je proto třeba i v následujícím období respektovat tyto zásady:

· maximálně omezit aplikaci N hnojiv na podzim s výjimkou aridnějších oblastí a půd s hlubokým orničním profilem,

· dříve vysévat ozimy,

· pěstovat meziplodiny,

· omezit časnou podzimní aplikaci organických hnojiv, zejména kejdy,

· dle možnosti zaorávat slámu.

Kromě nepříznivého vlivu zemědělství na hydrosféru je často zmiňován i negativní vliv zemědělství na atmosféru. Ve formě plynů se mohou z půdy a zemědělské činnosti vůbec uvolňovat do prostředí především plynný dusík (N2), čpavek (NH3), oxid dusný (N2O), oxid dusnatý (NO) a oxid dusičitý (NO2). Vzhledem k tomu, že koncentrace jednotlivých plynů je velice nízká a v řadě případů až na mezi detekce používaných metod, jsou mnohdy publikovány odlišné závěry a tvrzení.

Čpavek je z důvodu relativně nízké reaktivity a krátké doby setrvání v atmosféře pro ekology zajímavý především kvůli své neutralizační schopnosti a následně jako zdroj N s okyselujícím efektem po dopadu na půdní povrch a následné nitrifikaci. Zemědělství je považováno za jednoho z největších dodavatelů NH3 do atmosféry. Přibližně 70 % se na úniku čpavku podílí živočisná výroba, z 20 % hnojení a 10 % rostliny. V atmosféře se většinou tvoří amonný ion a v množsví okolo 70 % jeho celkových emisí se opět ve formě mokré deposice vrací na zemský povrch ( Sapek, 1996 ).

Oba oxidy dusnatý i dusičitý patří sice k plynům s negativním působením na radikály i ozonovou vrstu v atmosféře, ale vzhledem k jejich omezené stabilitě v atmosféře nejsou, i přes jejich přibližně 4 až 5 násobný vzrůst koncentrace v posledním století, zatím považovány za velmi nebezpečné pro atmosféru. Mnohem bedlivěji se monitoruje jejich mokrá, ale i suchá deposice. Hlavním zdrojem obou plynů je především spalování fosilních paliv, z půdy se uvolňuje do atmosféry asi 12 % celkového množství (Johnson a Jenkinson, 1989). Je však třeba poznamenat, že v literatuře často chybějí přesnější údaje a publikovaná čísla jsou mnohdy rozporuplná.

Oxid dusný je chemicky i radiačně aktivním stopovým plynem v atmosféře s vysokou stabilitou. Právě jeho pomalý rozklad a každoroční průměrný přírůstek o 0,25 % z něj dělá jeden z nejvíce sledovaných “skleníkových plynů” (IPCC, 1992). Pouze několik souhrnných hodnocení zdrojů oxidu dusného bylo zatím provedeno a navíc s odlišnými závěry. Jednoznačně z nich však vyplynulo, že právě půda je největším emitentem N2O (38 %). Toto množství se dále zvyšuje způsobem hospodaření na půdě, aplikací průmyslových i organických hnojiv i jejich výrobou (15 %). Přibližně stejný podíl připadá i na vody a močály a na dopravu včetně spalování paliv (Robertson, 1991). Zřejmě jediným významným procesem jeho likvidace je fotochemický rozklad ve stratosféře. Hlavním zdrojem N2O je denitrifikace v mírně anerobním prostředí a též nitrifikace v podobných podmínkách (Granli a Bockman, 1994). Množství produkovaného N2O se zvyšuje s rostoucím obsahem obou přístupných forem N nitrátové i amonné v půdě. Aplikace N hnojiv i zapravení rostlinných zbytků bohatých na dusík, včetně pěstování bobovitých vede také k vyšší tvorbě oxidu dusného. Důležitou podmínkou je též přítomnost rozložitelné organické hmoty podporující rozvoj mikroorganismů a omezující přijatelnost kyslíku. Nárůst teploty zvyšuje produkci oxidu dusného. Vliv na jeho produkci má i hodnota pH.

Podobně jako v případě omezení ztrát dusíku vymýváním i v případě minimalizace emisí oxidu dusného je základní podmínkou omezení obsahu minerálních forem N.

Graf 1

Graf 2

Graf 3

Graf 4