ODDZIAŁYWANIE EMISJI DITLENKU SIARKI I TLENKÓW AZOTU NA ZAKWASZENIE GLEB POLSKI

Transkrypt

1 Proceedings of ECOpole Vol. 2, No Adam KACZOR 1 i Marzena S. BRODOWSKA 2 ODDZIAŁYWANIE EMISJI DITLENKU SIARKI I TLENKÓW AZOTU NA ZAKWASZENIE GLEB POLSKI EFFECT OF SULPHUR DIOXIDE AND NITROGEN OXIDES EMISSION ON SOIL ACIDIFICATION IN POLAND Streszczenie: Przeanalizowano wartości emisji ditlenku siarki i tlenków azotu w Polsce w latach Z tych danych obliczono ładunki protonów H +, powstające z opadu ditlenku siarki i tlenków azotu. Uzyskane dane wskazują, Ŝe w analizowanym ćwierćwieczu sumaryczny ładunek protonów wodoru, powstający z opadu SO 2 i NO x, uległ obniŝeniu z 4,38 (1980 r.) do 1,80 kmol H + ha 1 (2004 r.). Na tak liczący się spadek wartości tego ładunku wpłynęła 70% redukcja emisji SO 2 i 40% NO x. Pomimo widocznej redukcji ładunku H +, powstającego w efekcie oddziaływania analizowanych czynników antropogennych, presja zakwaszenia gleb w Polsce nie uległa wyraźnemu zahamowaniu. Po części moŝe to wynikać z faktu, Ŝe w tym samym czasie aŝ o około 70% obniŝono emisję pyłów mających charakter alkaliczny. Słowa kluczowe: emisja i imisja SO 2, NO x, zakwaszenie gleb W Polsce zakwaszenie gleb jest od kilkudziesięciu lat jednym z najpowaŝniejszych problemów rolnictwa. Zgodnie z indeksem Ŝyzności gleby czynnik ten najbardziej ogranicza produkcję rolniczą [1, 2]. Szczególna podatność gleb Polski na zakwaszenie wiąŝe się z tym, Ŝe w naszym kraju gleby lekkie zajmują około 66% powierzchni gruntów ornych. Zakwaszeniu gleb sprzyja takŝe klimat oraz znaczące oddziaływanie czynników antropogennych, zwłaszcza stosowanie nawozów azotowych fizjologicznie kwaśnych oraz kwaśne emisje atmosferyczne [3, 4]. Zasadniczym tworzywem do powstawania kwaśnych opadów są ditlenek siarki i tlenki azotu emitowane do atmosfery. Zanieczyszczenia te, zwane pierwotnymi, powstają w trakcie spalania paliw. Źródłem tlenków azotu w duŝej mierze jest równieŝ komunikacja [5, 6]. Na kontynencie europejskim emisja SO 2 rosła bardzo wolno aŝ do 1950 roku [7]. Jej niemal dziesięciokrotne zwiększenie wystąpiło dopiero w latach Tak duŝy wzrost emisji SO 2 miał miejsce równieŝ w tym okresie w Japonii, Kanadzie i w USA [8]. W kolejnych latach w Europie - w tym takŝe w Polsce - i w większości krajów pozaeuropejskich emisja ditlenku siarki do atmosfery uległa kilkudziesięcioprocentowemu zmniejszeniu [8, 9]. W omawianym przedziale czasowym nieco inaczej kształtowały się zmiany w ilości emisji tlenków azotu. W latach emisja tych związków tylko w niektórych krajach uległa kilkuprocentowemu obniŝeniu [8]. Ditlenek siarki i tlenki azotu mogą w formie niezmienionej zetknąć się z podłoŝem (roślina, gleba, woda) i zostać w takiej postaci pochłonięte. Tlenki te mogą się równieŝ w atmosferze utlenić i wraz z deszczem lub śniegiem dotrzeć do podłoŝa w postaci kwasów. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z tzw. opadem suchym (dry deposition), a w drugim z osiadaniem mokrym (wet deposition), czyli z klasycznym kwaśnym deszczem [5]. 1 Katedra Biochemii i Chemii Środowiskowej, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, ul. Szczebrzeska 102, Zamość, tel , fax , adam.kaczor@ar.lublin.pl 2 Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej, Uniwersytet Przyrodniczy, ul. Akademicka 15, Lublin, tel , fax , marzena.brodowska@ar.lublin.pl

2 192 Adam Kaczor, Marzena S. Brodowska Zanieczyszczenia w formie tlenkowej oddziałują zazwyczaj bliŝej źródeł emisji, a w postaci utlenionej przemieszczają się na odległość setek, a nawet tysięcy kilometrów [8, 10]. Przemieszczanie się w atmosferze związków siarki i azotu na duŝe odległości wpływa często na to, Ŝe ich opad na terytorium danego kraju moŝe znacznie się róŝnić od emisji własnej [8]. Dane dotyczące emisji i imisji ditlenku siarki w Polsce przytaczane od lat przez róŝnych autorów są bardzo rozbieŝne [11-15]. Stąd teŝ w obliczeniach przyjmuje się często, Ŝe emisja SO 2 jest równa imisji [16]. Oddziaływanie na środowisko kwaśnych opadów - zarówno w postaci suchej, jak i mokrej - przyczynia się do zakwaszenia gleb. Wzrostowi kwasowości gleb towarzyszy szereg negatywnych procesów, w tym: - obniŝenie przyswajalności składników pokarmowych; - wzrost rozpuszczalności związków glinu, manganu i innych fitotoksycznych substancji; - wzrost wymycia składników o charakterze zasadowym; - zmiany w składzie ilościowym i jakościowym mikroorganizmów glebowych, wpływające na zakłócenia naturalnego obiegu pierwiastków [17]. W publikacji [4] podkreśla się, Ŝe procesy przyrodnicze zachodzące w glebach nie przebiegają zazwyczaj tak intensywnie, by doprowadzić je do degradacji. Z chemiczną degradacją mamy zwykle do czynienia wtedy, gdy czynniki przyrodnicze zostaną wsparte antropopresją. W pracy przeanalizowano dynamikę zmian zakwaszającego działania SO 2 i NO x w Polsce w ostatnim ćwierćwieczu. Metodyka badań Wartości przedstawiające ilości jonów wodoru pochodzących z imisji ditlenku siarki i tlenków azotu obliczono na podstawie całkowitej emisji tych związków. Emisja ta została oszacowana na podstawie zuŝycia paliw i wskaźników technologicznych [6]. W obliczeniach przyjęto zatem, Ŝe emisja analizowanych związków jest równa ich imisji. Omówienie wyników i dyskusja Analiza ostatniego ćwierćwiecza wskazuje, Ŝe emisja SO 2 w Polsce była największa w 1980 roku (tab. 1). Ilość ditlenku siarki wydzielona w analizowanym roku do atmosfery przekroczyła 4 mln Mg, co w przeliczeniu na 1 ha wynosiło ponad 130 kg. Rok 1980 był równieŝ rekordowy w poziomie emisji SO 2 w innych krajach europejskich i pozaeuropejskich. Stąd teŝ rok ten jest zwykle podstawą, w stosunku do której podaje się stopień redukcji tego gazu przez poszczególne kraje [18]. Na uwagę zasługuje podkreślenie, Ŝe w kolejnych latach emisja ditlenku siarki uległa wyraźnej redukcji. Redukcja ta w 2004 roku w odniesieniu do rekordowego 1980 roku wyniosła aŝ 70%. Na tak duŝe obniŝenie emitowanego ditlenku siarki w latach wpłynęła recesja gospodarcza, a dalsza redukcja tego gazu w okresie jest juŝ w duŝej mierze wynikiem właściwej polityki ekologicznej państwa. Emisja tlenków azotu charakteryzowała się duŝą dynamiką wzrostu w latach (tab. 1). W ostatnim okresie ( ) utrzymywała się ona na zbliŝonym poziomie, chociaŝ w ostatnich dwóch analizowanych latach była większa od wartości odnotowanej w 2002 roku. Poziom emitowanych tlenków azotu w przeliczeniu na

3 Oddziaływanie emisji ditlenku siarki i tlenków azotu na zakwaszenie gleb Polski mieszkańca jest w Polsce zbliŝony do poziomu odnotowanego w europejskich państwach OECD [19]. Dalsza redukcja emisji tlenków azotu w naszym kraju nie następuje ze względu na odnotowywany obecnie rozwój motoryzacji [6]. Rozwój ten moŝe nawet w najbliŝszych latach przyczynić się do dalszego wzrostu emitowanych NO x. Pomimo ograniczenia w ostatnich latach emisji związków siarki do atmosfery presja zakwaszenia w krajach europejskich i w USA nie uległa wyraźnemu zahamowaniu [20, 21]. MoŜe mieć na to wpływ równoczesna redukcja pyłów, które mają charakter alkaliczny. W Polsce redukcja tych związków w 1999 roku w odniesieniu do rekordowego 1980 roku wynosiła 76,8% (tab. 1). Tabela 1 Całkowita emisja ditlenku siarki, tlenków azotu* i pyłów (tys. Mg) w Polsce w latach [6] The total emission of sulphur dioxide, nitrogen oxides* and dusts (thousands Mg) in Poland in the years [6] Lata / Years ** SO 2 ** NO 2 Pyły ** / Dusts ** *** *** *** *** *** Redukcja / Reduction SO 2 ( ) NO 2 ( ) Pyły / Dusts ( ) 70,0 40,6 76,8 Table 1 * - W przeliczeniu na NO 2 / calculated per NO 2 ** - Dane szacunkowe na podstawie zuŝycia paliw i wskaźników technologicznych / Estimated data on the basis of fuel consumption and technological data *** - Dane nieporównywalne z latami poprzednimi / The data uncomparable with the previous years W tabeli 2 zamieszczono wartości imisji SO 2 i NO 2 w odniesieniu do 1 ha oraz ilości protonów H +, powstające w efekcie przemian tych związków. Zamieszczone dane wskazują, Ŝe w analizowanym okresie ilości kmol H + ha 1 związane z imisją SO 2 zawierały się w granicach 4,12 (1980) 1,24 (2004). Analogiczne wartości obliczone z imisji tlenków azotu kształtowały się na poziomie 0,94 kmol H + ha 1 1 (1985) 0,55 kmol H + ha (2002). MoŜna obliczyć, Ŝe do zneutralizowania zakwaszającego działania jonów H +, wynikających z imisji SO 2, naleŝałoby zastosować od 34,7 do 115,4 kg CaO ha 1 rok 1. W przypadku neutralizacji zakwaszenia pochodzącego z imisji tlenków azotu ilość wapna byłaby znacznie mniejsza i wynosiłaby od 7,3 do 26,3 kg CaO ha 1 rok 1. Na uwagę zasługuje podkreślenie, Ŝe ilości kationów wodoru pochodzące z imisji SO 2 w całym

4 194 Adam Kaczor, Marzena S. Brodowska okresie badawczym wykazywały tendencję malejącą. W przypadku tlenków azotu taka prawidłowość wystąpiła w okresie od 1985 do 2001 roku. Obliczone wartości wskazują, Ŝe kwaśne emisje atmosferyczne są, obok nawoŝenia azotem [22], liczącym się czynnikiem antropogennym w zakwaszeniu gleb. Ich udział w tym procesie moŝe wynosić co najmniej 50% [23]. NaleŜy dodać, Ŝe udział ten jest bardziej widoczny na terenach przemysłowych, z których emitowane są duŝe ilości tych tlenków. Wnioski Ilość jonów H + wynikająca z imisji SO 2 i NO 2 w Polsce w latach The amount of H + ions due to the immision of SO 2 and NO 2 in Poland in the years Lata Imisja SO 2 / SO 2 immission Imisja NO 2 / NO 2 immission Years [kg SO 2 ha 1 ] [kmol H + ha 1 ] [kg NO 2 ha 1 ] [kmol H + ha 1 ] ,1 4,12 12,1 0, ,2 3,97 43,3 0, ,6 3,20 40,9 0, ,0 2,37 35,8 0, ,7 2,36 36,9 0, ,7 2,17 35,6 0, ,6 1,89 31,7 0, ,0 1,72 30,4 0, ,3 1,51 26,8 0, ,0 1,56 25,7 0, ,5 1,45 25,4 0, ,0 1,37 25,8 0, ,7 1,24 25,7 0,56 Tabela 2 Table 2 1. Ditlenek siarki i tlenki azotu emitowane do atmosfery są głównym czynnikiem antropogennym, przyczyniającym się do zakwaszenia gleb. 2. W ostatnim ćwierćwieczu w Polsce największa emisja SO 2 wystąpiła w 1980 roku, a NO 2 w 1985 roku. Wartości te w odniesieniu do 1 ha wynosiły 132,1 kg SO 2 i 43,3 kg NO W całym okresie badawczym ( ) ilość emitowanego SO 2 uległa systematycznemu obniŝeniu. W przypadku tlenków azotu tendencja ta wystąpiła wyraźnie w latach Imisja ditlenku siarki była źródłem 1,24 4,12 kmol H + ha 1 rok 1, a ditlenku azotu 0,55 0,94 kmol H + ha 1 rok 1. Zneutralizowanie powstających jonów wodoru wymagałoby zastosowania od 42 do 142 kg CaO ha 1 rok 1. Literatura [1] Filipek T., Fotyma M. i Lipiński W.: Stan, przyczyny i skutki zakwaszenia gleb ornych w Polsce. Nawozy i NawoŜenie, 2006, 2(27), [2] Kaczor A.: OdŜywianie się roślin w warunkach gleb silnie zakwaszonych. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln., 1998, (456), [3] Lipiński W.: Odczyn gleb Polski. Nawozy i NawoŜenie, 2005, 2(23), [4] Skowrońska M. i Filipek T.: The acidifying potential of gaseous atmospheric pollutans (SO 2, NO x, NH 3) and nitrogen fertilizers in Poland. Polish J. Environ. Stud., 2007, 16(3A),

5 Oddziaływanie emisji ditlenku siarki i tlenków azotu na zakwaszenie gleb Polski 195 [5] Dechnik I., Gliński J., Kaczor A. i Kern H.: Rozpoznanie wpływu kwaśnych deszczy na glebę i roślinę. Probl. Agrofiz., 1990, 60, [6] GUS. Ochrona środowiska i gospodarka wodna. Warszawa [7] Sweeney P.M.: Commercial development of sulphur fertilizers in Europe. Sulphur in Agriculture, 1995, 19, [8] Middleton N.: The global casino (sec. edit.). London 1999, [9] Ceccotti S. P.: Plant nutrient sulphur - a review of nutrient balance, environmental impact and fertilizers. Fertilizer Res., 1996, 43, [10] Philips T.P. i Forster B.A.: Economic impacts of acid rain on forest aquatic and agricultural ecosystems in Canada. Amer. J. Agron. Econ., 1987, 12, [11] Białobok S.: Zjawisko kwaśnych deszczów. Kosmos, 1986, XXXV, 1(190), [12] Chudzyńska I.: Uleje, usiecze. Przegl. Techn., 1985, 4, [13] Patalas Z.: ZagroŜenie lasów. Kosmos, 1980, XXXV, 1(190), [14] Perrson G. (red.): Acidification today and tomorrow. Swedish Ministry of Agriculture, Environment 82, Committee, Stockholm [15] Raport PIOŚ. Stan środowiska w Polsce. Bibl. Monit. Środow., Warszawa [16] Filipek T. i Kaczor A.: Dynamika antropogenicznej presji zakwaszenia rolniczej przestrzeni produkcyjnej w Polsce. Mat. Konf. Ochrona i wykorzystanie rolniczej przestrzeni produkcyjnej Polski. Puławy , Sesje III i IV, [17] Kaczor A. i Kozłowska J.: Wpływ kwaśnych opadów na agroekosystemy. Zesz. Nauk. AR w Szczecinie 2000, (81), [18] Acid deposition in the United Kingdom Fourth report of the review group on acid rain. London [19] Przeglądy Ekologiczne, Polska. Warszawa [20] Graveland J., Wal R., Balen J. i Noordwijk A.: Poor reproduction in forest passerines from decline of snail abundance on acidified soils. Nature, 1994, 368(6470), [21] Hedin L., Granat L., Linkens G., Buishand T., Galloway J., Butler T. i Rodhe H.: Steep declines in atmospheric base cations in regions of Europe and North America. Nature, 1994, 367(6461), [22] Kaczor A.: Dynamika zmian antropogenicznych przyczyn zakwaszenia gleb w Polsce w ostatnim 25-leciu. Zesz. Prob. Post. Nauk Roln., 2002, (482), [23] Kaczor A.: MoŜliwości wykorzystania niektórych właściwości gleby w ocenie stopnia zanieczyszczenia środowiska kwaśnymi opadami. Cz. II. Stan zakwaszenia gleby. Rocz. Glebozn., 1994, XLV, (3/4), EFFECT OF SULPHUR DIOXIDE AND NITROGEN OXIDES EMISSION ON SOIL ACIDIFICATION IN POLAND Summary: The levels of sulphur dioxide and nitrogen oxides emission in Poland in the years were presented. This data was used to determine charges of H + protons, which are created as the result of sulphur dioxide and nitrogen oxides precipitations. The obtained data indicate that in the analysed 25 years the total charge of hydrogen protons resulting from precipitations of SO 2 and NO x decreased from 4.38 (1980) to 1.80 kmol H + ha 1 (2004). This significant decline of the proton charge was influenced by a 70% reduction of SO 2 emission and 40% reduction of NO x emission. Despite a noticeable reduction of H + charge which is created as a result of the effect of the analysed anthropogenic factors the soil acidification pressure in Poland was not materially restricted. This may be partially attributable to the fact that simultaneously the emission of alkaline dusts was decreased by 70%. Keywords: SO 2, NO x emission and imission, soil acidification