Pedosféra - uniba.sk · Ochrana a využívanie prírodných zdrojov Pedosféra: pôda ako prírodný zdroj, funkcie pôdy v krajine a ekosystémoch, kvalita/hodnota pôdy a faktory

Ochrana a využívanie prírodných zdrojov

Pedosféra: pôda ako prírodný zdroj, funkcie pôdy v krajine a ekosystémoch, kvalita/hodnota pôdy a faktory jej ohrozenia, konkrétne príklady degradačných procesov

• v porovnaní s “klasickými“ prírodnými zdrojmi (voda, nerastné suroviny, ovzdušie / atmosféra,...) má pôda svoje špecifiká

• človek z pôdy síce priamo „nič“ nečerpá, ALE...

• pre existenciu, produktivitu a diverzitu terestrických ekosystémov sú pôda a jej vlastnosti kľúčové

• pôda poskytuje vodu a živiny pre rastliny vďaka tomu sú rastliny schopné poskytovať úrodu (čo súvisí s produkciou potravín a výrobou textílií) a uvoľňovať do atmosféry kyslík v procese fotosyntézy

• vlastnosti pôdy ako sú napr. infiltračná a vodoretenčná schopnosť, pórovitosť, ale aj spôsob jej využitia (poľnohospodárske využitie, prirodzený ekosystém, zastavanie a ďalšie..) sa podieľajú na distribúcii vody v krajine, regulácii teploty ekosystémov a tvorbe reliéfu (povrchový odtok, priebeh a charakter infiltrácie, erózia)

• prirodzenou funkciou pôdy je akumulácia a transformácia látok, ktoré do nej vstupujú: napr. sorpcia organických látok, prípadne ich mineralizácia alebo stabilizácia, chemická transformácia minerálov, procesy ktoré v pôde prebiehajú priamo vplývajú na mobilitu a toxických látok

• v neposlednom rade je „zdravá“ pôda biotopom rôznych organizmov (okrem už zmienených rastlín sú to napr. baktérie, aktinomicéty, huby, bezstavovce, stavovce)

Pôda ako prírodný zdroj?

• transformačná funkcia (cykly biogénnych prvkov - zdroj živín)

• hydrologické procesy (infiltrácia, zadržiavanie a distribúcia vody v krajine)

• biotop pre širokú škálu organizmov

• tlmivá (pufračná) a filtračná funkcia

• fyzická opora a stabilita

v literatúre je možné sa stretnúť s rôznymi modifikáciami zoznamu funkcií pôd, napr. podľa World Soil Information (isric.org) sú funkcie pôdy nasledovné:

• produkcia biomasy

• uskladnenie, filtrácia a transformácia látok

• habitat/biotop a zdroj/rezervoár génov

• zdroj látok a materiálov (napr. živiny, humínové látky, enzýmy)

• fyzické a kultúrne dedičstvo

• platforma pre stavebné aktivity človeka

v rámci tejto prednášky sa zameriame na vybrané degradačné faktory a procesy, ktoré do uvedených funkcií negatívne zasahujú

Pôda (jej funkcie na zemskom povrchu)

• acidifikácia pôdy

• zasolenie pôdy

• problémy vyvolané dlhotrvajúcim / častým suchom: mineralizácia humusu, dezertifikácia pôdy / krajiny, pokles biologickej aktivity pôd

• kontaminácia (organická / anorganická): priemyselná, banská činnosť, produkcia rôznorodých odpadov

• intenzívna urbanizácia – odstránenie pôdy alebo jej prekrytie nepriepustnými materiálmi

• fyzikálna degradácia pôdy (zhutnenie – kompakcia, erózia)

viaceré z uvedených procesov (acidifikácia, zasolenie, erózia, zhutnenie) sú čiastočne prirodzené, avšak človek ich zintenzívnil, následkom čoho sa prejavili výraznejšie, resp. na území s väčšou rozlohou

Významné faktory ovplyvňujúce / ohrozujúce kvalitu pôdy

• proces s takmer globálnou pôsobnosťou (týka sa pôd väčšiny kontinentov)

• pH = -log [H3O+] je parametrom tekutej fázy - roztoku (pôda je však trojfázový systém; pôda s vodným roztokom reaguje následkom čoho sa jeho pH mení)

• Koncentrácia H3O+ a zároveň aj OH- bude v prípade čistej vody približne rovnaká, 10-7 mol.l-1; po dosadení do vzťahu pre pH dostaneme 7; to je však iba teoretická hodnota, napr. u destilovanej vody nameriame nižšie pH

• “Klasická“ škála pH: 0 až 14; pH väčšiny pôd sa pohybuje v intervale 3 až 9

• pH je dôležitý indikátor kvality pôdy, môže nám toho o pôde veľa napovedať: napr. toxicitu ktorých prvkov môžeme očakávať, aké typy mikroorganizmov (huby, baktérie, aktinomycéty) budú v danej pôde aktívnejšie, aká bude kvalita humusu, aký bude nutričný status pôdy (dostupnosť N, P)

• acidifikáciu pôdy spôsobujú:

> zrážky (obsahujú kyseliny, napr. uhličitú, sírovú, dusičnú, príp. chlorovodíkovú)

> produkcia a rozklad (transformácia) organických látok – biomasy (vznik karboxylových a polykarboxylových kyselín)

> zvetrávanie (rozpúšťanie) sulfidov (lokálny, regionálny význam ..hlavne)

Acidifikácia pôdy (okysľovanie pôdy – znižovanie hodnoty pôdnej reakcie)

• nízka dostupnosť živín (väčšina prvkov, ktoré sú potrebné pre fyziologické procesy rastlín, je prístupná v neutrálnej oblasti)

• toxicita hliníka, ale aj iných potenciálne rizikových prvkov (tzv. ťažkých kovov, napr. Pb, Cd, Hg, Ni, Co, Cu, Zn)

• ak pH klesne pod 4 v pôde prevažuje tzv. surová forma humusu; pomalý rozklad a premena org. hmoty, inhibícia humifikácie a nitrifikácie absencia NO3

-; v kyslej pôde sú aktívne najmä mikroskopické huby (plesne), pričom aktivita väčšiny rodov/druhov baktérií a aktinomicét je významne potlačená

Acidifikácia pôdy (následky)

Chemická látka ktorá sa priamo zúčastňuje na tlmení poklesu pH / pufračný mechanizmus

rozpätie pH Hlavný produkt reakcie / zmena v

chemizme pôdy

Pufračná oblasť karbonátov / CaCO3 8,6 - 6,2 Ca(HCO3)2 v roztoku / vyplavovanie Ca

Pufračná oblasť (primárnych) silikátov

Celá škála pH / hlavná pufračná

schéma uplatňujúca sa v pôdach bez

obsahu karbonátov, pH > 5

Ílové minerály / nárast katiónovej výmennej kapacity

Pufračná oblasť katiónovej výmeny 5 - 4,2

Ílové minerály Nevýmenný n[Al(OH)x

(3-x) +] / blokovanie permanentného náboja, znižovanie

katiónovej výmennej kapacity

oxidy Mn Výmenný Mn2+ / znižovanie stupňa

nasýtenosti sorpčného komplexu bázami

ílové minerály Výmenný Al3+ / znižovanie stupňa

nasýtenosti sorpčného komplexu bázami

medzivrstvový Al / n[Al(OH)x(3-x)+] hydroxysírany Al / akumulácia kyselín v

prípade vstupu H2SO4

Pufračná oblasť Al / medzivrstvový Al / hydroxy sírany Al

< 4,2 Al3+ v roztoku (vytesňovanie Al,

znižovanie permanentného náboja)

Pufračná oblasť Al a Fe / podobné ako v prípade Al plus Fe(OH)3

< 3,8 Výmenný H+ a Fe, organické komplexné

zlúčeniny Fe / vylúhovanie Fe, "bielenie"

Pufračná oblasť Fe / hydratované oxidy Fe

< 3,2 Výmenný H+ a Fe / vylúhovanie Fe,

"bielenie", deštrukcia ílových minerálov

Acidifikácia pôdy (pufračná schopnosť pôd)

Hliník (Al) tretí najrozšírenejší prvok zemskej kôry po O a Si; zdroj - geogénny: primárne minerály (živce, sľudy, pyroxény, amfiboly), sekundárne (ílové minerály, Al hydroxidy); toxické sú napr. [Al(H2O)6]3+, [AlO4Al12(OH)24(H2O)12]7+; naopak netoxické sú Al(OH)3 alebo [Al(OH)4]-

• ak pH < 4 začína toxické pôsobenie, ktoré sa napr. u rastlín prejavuje obmedzením rastu a degeneráciou koreňovej sústavy; obmedzením príjmu P, Ca, Mg, N; zároveň sa v rastlinných pletivách hromadí viac Fe a Mn (sprievodný jav)

• odhaduje sa, že v celosvetovom meradle limituje toxicita Al rast a produktivitu rastlín na viac ako 40 % rozlohy poľnohospodárskej pôdy; dôvod – kyslosť pôdy

Ďalšie rizikové prvky – tie ktoré sa v pôde vyskytujú vo forme katiónov (napr. Pb, Cd, Hg, Ni, Co, Cu, Zn); ich bioprístupnosť narastá so znižujúcim sa pH

Acidifikácia pôdy – následky (toxicita viacerých prvkov)

• zaužívaný spôsob - aplikácia vápenatých hmôt;

• napriek tomu, že ide o pomerne nenákladnú záležitosť, ktorá sa používa už stáročia, rozloha kyslých pôd vo svete je enormná, napr. v trópoch, kde sa často stretávame s kyslými pôdami sa veľmi nevápni, pretože tam často nie je ani voda

• kalcit sa v pôde rozpúšťa:

CaCO3 + H2O CaII+ + HCO3- + OH-

a/alebo reaguje s pôdou:

2Al-pôda + 3CaCO3 + 3H2O 3Ca-pôda + 2Al(OH)3 + 3CO2

• interval vápnenia sa v závislosti od pôdnych vlastností (geol. substrát, množstvo zrážok za rok, pórovitosť, zrnitosť pôdy, sorpčná schopnosť) pohybuje od 1 do 10 rokov

• príklady vápenatých

hmôt:

Acidifikácia pôdy – nápravné opatrenia

Názov Zloženie (% CaO) Vlastnosti

vápenec CaCO3 42-53 pomaly pôsobiace

dolomit CaMg(CO3)2 42-53

pálené vápno CaO 65-90 rýchlo pôsobiace, agresívne (hydroxid) horečnaté hasené vápno Ca(OH)2 + Mg(OH)2 60-70

oceliarska struska Ca-silikáty 40-50 pomaly pôsobiace

karbidové vápno CaCO3 + prímesi 40-50

• zasolenie: akumulácia (vysoko) rozpustných solí v povrchovej vrstve pôd

• výskyt: podmienkou je výparný hydrologický režim (arídne a semiarídne oblasti), mineralizovaná podzemná voda a jej hladina situovaná blízko (plytko) pod povrchom

• na nížinách, nivných a deltových plošinách, na nízkych terasách riek a jazier, na pobrežných terasách v prímorských oblastiach, na miestach kde sa pôdy vyvinuli na morských sedimentoch

• odhaduje sa, že v globálnom meradle je cca. 932 mil. ha pôd ovplyvnených buď salinitou alebo sodicitou; na Slovensku je výskyt zasolených pôd pomerne zriedkavý

Zasolenie pôdy (salinizácia a alkalizácia)

Zasolenie pôdy (salinizácia a alkalizácia)

• priamy vplyv: roztoky vysoko rozpustných anorganických (najmä sodných) solí sa vyznačujú značným osmotickým efektom (tlakom); rastliny a najmä mikroorganizmy trpia nedostatkom vody, a to aj napriek dostatočne vysokej úrovni pôdnej vlhkosti

• toxicita niektorých chemických foriem - napr. bór, chloridy (v niektorých prípadoch aj fluoridy), ale najmä Na

• nepriamy vplyv - zhoršenie fyzikálnych vlastností pôdy: peptizácia pôdnych koloidov, tvorba prizmatickej a zliatej štruktúry, priveľké zhutnenie (kompakcia) najmä v suchom stave, nízka hydraulická vodivosť a rýchlosť infiltrácie

• rozpustnosť solí (mg.l-1): maximálne množstvo látky ktoré sa pri určitej teplote rozpustí v rozpúšťadle za vzniku rovnovážneho stavu a nasýteného roztoku; dôležitý parameter pre riziko zasolenia

• osmotický tlak je v zriedených roztokoch proporcionálny koncentrácii roztoku a teplote: ∏ = MRT (Pa)

kde ∏ je osmotický tlak, M molárna koncentrácia (iónov), T teplota v Kelvínoch, R plynová konštanta = 0.08205 L atm/mol K

napr. osm. tlak 0.01 M roztoku NaCl pri 20°C pri kompletnej disociácii iónov Na+ a Cl- bude ∏ = (2 x 0.01 mol/l) (0.08205 L atm/mol K) (293 K) = 0.48 atm = 48.5 kP

Zasolenie pôdy (ako škodí organizmom)

Osmotický tlak pôdneho roztoku

Rozhranie bunka/pôdny roztok možno prirovnať k membráne so selektívnou priepustnosťou priepustnosť pre rozpúšťadlo (vodu) je rádovo väčšia ako pre rozpustenú látku (napr. NaCl)

Zasolenie pôdy (ako škodí organizmom)

c1 > c2

• Elektrická vodivosť - EC (mS.cm-1)

• Nasýtenosť sorpčného komplexu sodíkom

(exchangeable sodium percentage = ESP) VNa (%)

• pomer absorbovaného Na+ (sodium absorption ratio = SAR)

SAR = [Na+]/([Ca2+] + [Mg2+])1/2 v mmol.l-1

• (čiastočne) aj pH môže byť indikátorom:

slabo alkalické (pH v H2O < 8,4); nižšia el. vodivosť - slanisko: obsah vodorozpustných solí 0,3-1%; el. vodivosť 4-15 mS.cm-1

silne alkalické (pH v H2O > 8,4): pôdny typ - napr. slanec; vyššia el. vodivosť; vysoká hodnota osmotického tlaku: 4 - 8.105 Pa; toxický účinok bóru a chloridov, vysoká koncentrácia iónov Na+ negatívne ovplyvňuje príjem iných prvkov, viac ako 15 % z výmenných báz je Na+

Zasolenie pôdy (ukazovatele)

• rastliny trpia deficitom vody z dôvodu osmotického tlaku vysoko rozpustných solí vysychanie

• okrem toho v niektorých prípadoch soli prenikajú do rastlinných buniek vo veľkých množstvách kde blokujú funkčnosť enzýmov; dochádza k zastavovaniu rastu a k odumretiu rastliny

Halofyty - rastliny adaptované na podmienky zasolených pôd

• v prípadoch niektorých rastlín je plazmatická membrána buniek koreňového systému schopná väčšej selekcie (napr. magrovníkové porasty) - rozlíšenie medzi K+ a Na+

• väčšiny halofytov sa však významnejšia selekcia iónov netýka akumulácia solí napr. v listoch rastliny (ukladajú sa vo vakuole a apoplaste - vyšší osmotický tlak musí byť kompenzovaný zvýšenou koncentráciou iných osmoticky aktívnych látok (napr. sacharidov), niekedy dochádza aj k vylučovaniu solí na povrchu listov

• chloridové halofyty – akumulácia Cl- napučiavanie pletív sukulencia

• sulfátové halofyty – akumulácia SO4II- zníženie obsahu vody v proteínoch

nevedie k sukulencii

Zasolenie pôdy (vplyv na rastliny)

• chemická meliorácia sadrou (40-90 t.ha-1), sírou (1-2 t.ha-1), síranom železnatým, vápencom (vytesnenie Na+ a jeho nahradenie CaII+)

• zvýšenie biologickej aktivity organickým hnojením

• hĺbkové preorávanie kombinované s jeho premývaním

• melioračné pestovanie ryže

• meliorácia zasolených pôd je značne nákladná

nakoľko závlahami je možné stav pôdy ešte zhoršiť, pri premývaní je potrebné poznať (a monitorovať) zloženie vôd, ktoré pri použijeme, pričom je zároveň vhodné monitorovať vodivosť pôdneho roztoku

• mechanizmus účinku sadrovca/sádry:

CaSO4 . 2H2O (sádra) CaII+ + SO4II- + 2H2O

CaII+ + CO2(g) + H2O CaCO3 (s) + 2H+

pH klesne na 7,5 - 8

stúpne koncentrácia CaII+

dôjde k vytesneniu Na+ a jeho vyplaveniu

Zasolenie pôdy (melioračné opatrenia)

Zdroje rizikových prvkov (pre pôdy):

• prirodné/prirodzené: geologické podložie, jeho mineralogický, resp. geochemický charakter, podzemná voda, sopečná činnosť

• antropogénne: emisie / imisie, hnojivá, priemyselne odpady: popolčeky (spaľovne odpadov, tepelne elektrárne), kaly (z čistiarni odp. vôd), banské odpady (ťažba, spracovanie, tavenie), dnové sedimenty

Minerály obsahujúce rizikové prvky (spomedzi nesilikátových minerálov sú častým zdrojom riz. prvkov najmä sulfidy)

• primárne minerály vznikli v odlišných teplotno-tlakových podmienkach v porovnaní s tými ktoré sú typické pre pôdy a povrch zeme (25°C, atmosférický tlak ≈ 100kPa)

• v hypergénnej zóne (t.j. aj v pôdach) sú nestabilné, následkom čoho sa rozpúšťajú (zvetrávajú - hydratácia, hydrolýza, oxidácia/redukcia, ...) tvorba sekundárnych minerálov a rôznych amorfných foriem vstup do pôd

Kontaminácia pôdy rizikovými prvkami

Pôvod rizikových prvkov v horninách a mineráloch:

• Dôvodom obsahu PRP v silikátových mineráloch je tzv. izomorfné nahrádzanie iónov určitých prvkov inými, na základe podobného iónového polomeru. Už zmienené sulfidické rudy sa z uvedeného dôvodu vyznačujú vyšším obsahom potenciálne toxických prvkov.

• “Príbuznosť“ prvkov (napr. medzi Cd a Zn alebo Sr a Ca, prípadne As a P) spočíva okrem podobného iónového polomeru, aj v podobnej hodnote elektronegativity, čo vedie k ich spoločnému vystupovaniu nie len v sulfidoch ale aj iných mineráloch, napr. karbonátoch.

• PRP nahrádzajú v silikátoch katióny. Bežná je napr. substitúcia MnII+ za FeII+ vo feromagnetickych mineráloch, NiII+ za FeII+ v pyritoch, NiII+ a CoII+ za MgII+, CrIII+ za FeIII+ a CrVI+ za AlIII+ v mineráloch bázických a ultrabázických hornín.

• rudné minerály (častý zdroj rizikových prvkov), napr.:

sulfidy: pyrit (FeS2), galenit (PbS), sfalerit (ZnS), chalkopyrit (CuFeS2), nikelín (NiAs), cinabarit (HgS), antimonit (Sb2S3), arzenopyrit (FeAsS)

sulfosoli: pyrargyrit (Ag3SbS3), tetraedrit (Cu12Sb4S13)

niektoré oxidy: kuprit (Cu2O), uranit (UO2), karbonáty: ceruzit (PbCO3), malachit (Cu2CO3)


Geochemická anomália vs. geochemické pozadie:

zvýšená koncentrácia vybraných rizikových (stopových) prvkov v pôdach, sedimentoch, horninách podložia (prípadne ďalších zložkách ŽP) nad úroveň geochemického pozadia; môže byť prirodzená alebo antropogénna

Prirodzená: tzv. aureola rudného ložiska v rámci ktorej sú koncentrácie určitých indikačných prvkov vyššie vzhľadom na geochemické pozadie (geochemický fón, t.j. koncentráciu týchto prvkov v geologickom prostredí bez výskytu ložiska)

Aj v prípade prirodzených GA však platí, že miera (riziko) vstupu rizikových prvkov do potravového reťazca v daných oblastiach bola človekom významne zvýraznená

Na území Slovenska nachádzame prirodzené geoch. anomálie v nasledovných oblastiach:

Spišsko-gemerské Rudohorie (Cu, Pb, Zn, Hg, As, Bi, Be, Co)

Kremnické a Štiavnické Vrchy (Pb, Zn, Cu, As, Cd)

vybrané lokality Nízkych Tatier, napr. Dúbrava (Sb, As, W, Cu)

vybrané lokality Malých Karpát , pezinsko-pernecká časť (As, Sb, Pb, Zn, Ba)


Okrem ťažby a spracovania rúd k antropogénnym zdrojom rizikových prvkov patria:

> Priemyselná výroba:

• metalurgia (Cu, Ni, Pb, ...)

• plasty (Co, Cr, Cd, Hg)

• textil (Zn, Al, Ti, Sn)

• elektronika (Cu, Ni, Cd, Zn, Sb)

• chem. inžinierstvo - rafinérie (Pb, Ni, Cr)

> Skládky odpadov a odpadové kaly (Cd, Cr, Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, V)

> Atmosférická depozícia ktorá má pôvod v spaľovaní fosílnych palív a spaľovaní rôznych druhov odpadov (As, Pb, Hg, Cd, Sb, Se, U, V)

> Poľnohospodárstvo: hnojivá, v menšej miere aj pesticídy (As, Cd, Cu, Mn, U, V, Zn, Hg) a závlahová voda (Cd, Pb, Se)


Riziko toxického pôsobenia

> pre viacero rizikových (stopových) prvkov platí, že pri nízkych koncentráciách plnia dôležité úlohy v rámci rôznych fyziologických procesov prebiehajúcich v živých organizmoch

• pre fyziologické pochody živočíchov sú významné napr. Co, CrIII, Se a I

• pre rastliny napr. B a Mo

• prvky dôležité, jak pre životné procesy rastlín, tak aj živočíchov sú napr. Cu, Mn, Fe a Zn

> toxicita sa spája napr. s nasledovnými RP: Pb, Cd, Hg, Sb, As, Tl, Tc, U (doposiaľ u nich nebol pozorovaný žiaden pozitívny efekt v rámci fyziologických procesov, naopak sú toxické aj v relatívne nízkych dávkach)

To či pôdne prostredie bude vďaka prítomnosti rizikových prvkov toxické, prípadne či budú tieto prvky vstupovať do koreňov rastlín a potravového reťazca, alebo či budú ich chemické formy transportované napr. do podzemných vôd závisí, okrem ich celkového obsahu, od ďalších pôdnych vlastností.

Dôležité sú najmä pH a oxidačno-redukčný potenciál (Eh), tiež prítomnosť sorbenta (napr. organická hmota) ovplyvňujú biodostupnosť RP


Eh, oxidačno-redukčný potenciál (V): podobne ako pH aj Eh je vlastnosťou kvapalných vzoriek a vodných suspenzií; Eh je v podstate rozdiel v napätí medzi platinovou elektródou a referenčnou (kalomelovou) elektródou; vyjadruje aktivitu elektrónov v prostredí; pozitívna hodnota redox-potenciálu znamená oxidačné podmienky v pôde a negatívna redukčné; ide o dôležitý ukazovateľ pôdneho prostredia pretože pri oxidačno-redukčných reakciách sa často mení biodostupnosť a miera toxicity chemických látok (práve z dôvodu zmeny ich mocenstva - oxidačného stavu)

E0 oxidačno-redukčný potenciál reakcie vzhľadom ku štandardnej elektróde

n stechiometrický počet elektrónov vymenených pri reakcii

R univerzálna plynová konštanta; F - Faradayová konštanta

aA ... aD aktivity zúčastnených látok

a ...d stechiometrické koeficienty


0 .ln

.

c d

C D

a b

A B

a aRTE E

nF a a

vplyv Eh

vplyv oxidačno-redukčných reakcií zmena mocenstva rozdielna miera toxicity

Napr. CrVI+ je mobilnejší a oveľa toxickejší ako CrIII+ (10 až 100 násobne)

FeII+ je mobilnejšie a toxickejšie ako FeIII+

AsIII+ je toxickejší v porovnaní s AsV+

Akútna toxicita zlúčenín arzénu klesá v poradí: AsH3 > AsIII+ > AsV+ > CH3AsO(OH)2 > (CH3)2AsO(OH) > [(CH3)3AsCH2COOH]+, [(CH3)3AsCH2CH2OH]+, (CH3)3AsO

vplyv pH

Pokles pH má vo všeobecnosti za následok mobilizáciu väčšiny ťažších rizikových prvkov

Zovšeobecňujúce pravidlo pre pôdy:

• ak rizikové prvky vystupujú v pôde vo forme katiónov (Cd, Pb, Ni, Co, Hg) ich prístupnosť sa zvyšuje so znižujúcou sa hodnotou pôdnej reakcie

• v prípade potenciálne rizikových prvkov, ktoré sa vyskytujú v aniónovej forme (As, Mo, Sb) rastie ich prístupnosť s narastajúcou hodnotou pH

Kontaminácia pôdy rizikovými prvkami (toxicita – mobilita)

analytické metódy: napr. AAS (atómová absorpčná spektrometria), hmotnostná a emisná spektrometria s indukčne viazanou plazmou (ICP-MS a ICP-ES)

je dobré poznať celkové obsahy prvkov v pôde, avšak z pohľadu hodnotenia prístupnosti prvkov pre korene rastlín a mikroorganizmy je vhodné realizovať aj ďalšie merania

Testy biodostupnosti rizikových prvkov vo vzorkách pôd

• priamo meraním obsahu vo vzorkách biologických materiálov (napr. koreňoch rastlín, mikrobiálnej biomase; môže byť problém fyzicky oddeliť biomasu od pôdy)

• často sa používajú extrakčné roztoky s rôznou selektivitou, ktoré umožnia odhadnúť bioprístupnosť prvku, alebo jeho distribúciu v rôznych frakciách vzorky

ak sa analyzujú vzorky biomasy alebo pôdy (podrvené, vysušené, frakcia < 2mm) a stanovujeme celkové obsahy, zvykne sa materiál najprv zmineralizovať, a to sa použitím zmesi silných kyselín (napr. HF, HCl, HNO3, H2SO4 v rôznych pomeroch), biomasa sa môže rozložiť aj tepelne (spáliť), pričom prvky sa stanovia z popola

pri extrakciách sa používajú rôzne roztoky, napr. NH4F (kovy viazané s hliníkom), NaOH (kovy viazané so železom), HCl/H2SO4 (viazané s Ca), simulovať odber rastlinami (EDTA, DTPA, CH3COOH), výmenné formy rizikových prvkov pomocou KCl, potenciálne rizikové prvky viazané na organické látky pomocou Na4P2O7 (pyrofosforečnanu sodného),formy viazané na hydratované oxidy Fe a Mn pomocou H2C2O4 (kys. šťaveľová) alebo (NH4)2C2O4 (šťaveľan amónny)

Hodnotenie kontaminácie pôdy rizikovými prvkami (merania)

• na rozdiel od veľkého množstva anorganických látok, org. kontaminanty môžu byť efektívne degradované; to znamená: (bio)chemicky transformované na neškodné (al. menej toxické) produkty, čo v typickom prípade sú CO2, H2O, soli

• organické znečistenie (pôd, vôd, sedimentov) je v porovnaní s anorganickým o čosi “mladšie“; pred tým ako človek začal ťažiť a spracovávať ropu v podstate neexistovalo, alebo lepšie povedané bolo oveľa zriedkavejšie; toxické org. látky (dechty) vznikajú aj v dôsledku (nedokonalého) spaľovania biomasy (čo sa dialo od pradávna: požiare a pod.)

• kontaminácia pôd perzistentnými org. látkami (POPs) je pomerne častým javom; avšak v porovnaní s anorganickým znečistením má org. kontaminácia viac rozptýlený charakter (v prípade POPs ide často o tzv. “non-point source“)

• pri dekontaminácii org. znečistenia hrajú dôležitú úlohu pôdne mikroorganizmy produkcia enzýmov, ktoré významne prispievajú k zneškodneniu rizikových org. látok

Organická kontaminácia pôd

veľa rôznych org. látok môže za určitých okolností pôsobiť na organizmy toxicky, avšak v súvislosti s kontamináciou ŽP (vrátane pôd) je vhodné spomenúť najmä nasledovné skupiny:

polycyklické aromatické uhľovodíky PAU (naftalén, antracén, pyrén, benzopyrén, chryzén, fluorantrén)

rôzne ďalšie uhľovodíky u ktorých je viacero atómov substituovaných chlórom alebo fluórom

• polychlorované bifenyly PCB: jednotlivé PCB nazývame kongenéry - je ich spolu 209; viacero vlastností PCB je spájaných so stupňom ich chlorácie; napr. miera ich toxicity, odolnosť voči biodegradácii, miera adsorpcie na pôdne častice sa vo všeobecnosti zvyšujú zo stupňom chlorácie

• pesticídy (rôznorodá skupina, napr. hexachlórbenzén, Endrín, Mirex, Toxafén, DDT)

• dioxíny a furány - z tejto skupiny sú významnými najmä polychlórované dibenzo-p-dioxíny (PCDD) a polychlórované dibenzofurány (PCDF)

Napriek toxicite daných látok je vhodné uviesť, že v pôde dochádza v ich prípade najmä k sorpčným procesom; pokiaľ ide o vstup týchto látok do potravového reťazca, ktorý by sa odohrával priamo v pôdnom prostredí, tak o tom nie je k dispozícií dostatok informácií; predpokladá sa, že vstup POPs do koreňového systému je obmedzený..

Organická kontaminácia pôd (rizikové látky)

• hydrofóbne, xenobiotické látky, slabo až zanedbateľne rozpustné vo vode, z toho dôvodu sú často pôdou zadržiavané – sorpcia napr. na pôdnu org. hmotu

• rezistencia voči biologickému, chemickému a fyzikálnemu odbúravaniu - majú schopnosť dlhodobo (desaťročia) pretrvávať v životnom prostredí (perzistentné org. polutanty POPs) a akumulovať sa v rastlinných/živočíšnych pletivách/tkanivách; v živ. sa viažu na tuk (lipofilnosť); akumulácia v rámci potravových - trofických reťazcov (dravce – ohrozená skupina)

• dochádza k transportu týchto látok naprieč atmosférou na veľké vzdialenosti; kontaminácia ŽP POPs látkami má často charakter tzv. „non-point source“ (t.j. vo veľa prípadoch nie je možné určiť jednoznačne lokalizovateľný zdroj znečistenia)

• nepriaznivý vplyv na ľudský organizmus: karcinogénne účinky, ochorenia kože, nervové a psychické poruchy, vplyv na imunitný systém, poruchy reprodukcie, môžu sa akumulovať v materskom mlieku a následne prenikať do tela dojčiat; u malých detí aj pri nízkych koncentráciách pôsobia toxicky napr. riziko poškodenia mozgu

Organická kontaminácia pôd (vlastnosti rizikových látok)

• nárast vodoodpudivosti (hydrofobicity) pôd, keďže viacero organických kontaminantov má hydrofóbny charakter; následkom čoho môže byť znížená rýchlosť infiltrácie

• negatívne ovplyvnenie vodoretenčnej kapacity pôdy (schopnosť zadržiavať vodu)

• zhoršenie výmeny plynov / prúdenia vzduchu medzi pôdou a atmosférou

• výrazný zásah do mikrobiálnej komunity a celkové potlačenie aktivity väčšiny pôdnych mikroorganizmov (menšie množstvá niektorých - napr. ropných látok nie sú významným negatívom)

• znížená klíčivosť rastlín

• kontaminácia podzemných vôd (v závislosti od celkového množstva a povahy kontaminácie)

charakteristickou črtou org. kontaminácie je, že znečisťujúce látky sa môžu vyskytovať vo všetkých troch skupenstvách: plynnom, kvapalnom a pevnom

v prípade kvapalnej fázy kontaminantu rozlišujeme medzi polárnou frakciou (ktorá je miešateľná s vodou) a nepolárnou (hydrofóbnou) frakciou; hydrofóbna frakcia (nemiešateľná s vodou) sa ďalej zvykne deliť podľa hustoty na „hustú“, ktorá má vyššiu hustotu ako voda, a „ľahkú“ ktorá má nižšiu hustotu ako voda

Organická kontaminácia pôd (následky)

Erózia a zosuvy

v podstate ide o prirodzené procesy; vďaka tektonike na zemskom povrchu vznikajú rôzne členité formy a tvary; na druhej strane vplyvom vetra, vody, teplotných zmien a gravitácie dochádza k jeho zarovnávaniu

erózia prebieha spravidla pomalšie (postupne) v porovnaní so zosuvmi, ktoré sú na rozdiel od e. pomerne náhle javy/procesy; erózne procesy môžu byť vyvolané buď pohybom vody alebo vzdušných más (vetrom);

zosuv je vždy vyvolaný priamo gravitáciou a má viac plošný charakter (je to nápadný – výrazný a náhly zásah do krajiny); často vzniká v dôsledku nasýtenia pôdnych pórov vodou na nespevnených svahoch, napr. pri dlhšie trvajúcich dažďoch, prípadne v dôsledku topenia snehu

v globálnom meradle je rozloha území na ktorých sa významne uplatňuje erózia väčšia, v porovnaní s plochami, ktoré boli/sú zasiahnuté zosuvmi

Vybrané procesy fyzikálnej degradácie pôd

vo väčšine prípadov vzniká v dôsledku tvorby povrchového odtoku zrážkových vôd, t.j. keď rýchlosť infiltrácie zrážkovej vody do pôdy je nižšia ako intenzita zrážky (viac naprší ako infiltruje), ..iným prípadom je riečna al. morská erózia rozoznávame nasledovné typy vodnej erózie:

• plošná (špecifická forma v. erózie, napr. po lesných požiaroch, ..nemusí byť vždy nápadná)

• stružková, ryhová - ak sa na určitom území uplatňuje dostatočne dlho prechádza do výmoľovej e. (brázdy hlboké 0,05 - 2 m)

• výmoľová, stržová (ryhy a rokliny 1 - 20 m ..aj viac)

• riečna a morská - abrázia (podmývanie, rozrušovanie brehov)

Vodná erózia

Plošná erózia (po požiari - Austrália, Španielsko)

Stružková (ryhová) erózia (Šobov - Banská Štiavnica)

Výmoľová erózia (Myjavská pahorkatina - pomerne veľké množstvo zalesnených výmoľov)

Výmoľová erózia (Myjavská pahorkatina)

Výmoľová erózia - stabilizácia svahov vegetáciou (napr. agáty nenáročné dreviny ktoré rýchlo rastú)

Erózia po lesných požiaroch - príčiny: deštrukcia vegetácie a nadložného horizontu pôd pôda nie je pred rušivým vplyvom dažďových kvapiek chránená; okrem toho k tvorbe

povrchového odtoku prispieva aj hydrofóbny charakter pôd zasiahnutých požiarom

Vodná erózia ..erózny účinok dažďa

k vzniku vodnej erózie prispieva aj priamy kontakt kvapiek dažďovej vody s povrchom pôdy mechanické rozrušovanie

pri štúdiu a pozorovaní eróznych procesov zisťujeme, že pôda a terestrické rastliny sa navzájom podporujú a „potrebujú“; najúčinnejší protierózny činiteľ je vegetácia, bez nej je pôda veľmi náchylná na eróziu

Antropogénne a prirodzené príčiny: • uplatňovanie nevhodných praktík v poľnohospodárstve: orba po spádnici, orba do rovnakej hĺbky, nestriedanie plodín (dlhodobé pestovanie napr. kukurice, cukrovej trstiny al. zemiakov), intenzívna mineralizácia organickej hmoty (vyvolaná napr. aplikáciou veľkých množstiev minerálnych hnojív, alebo suchom) • odlesňovanie prípadne iný spôsob znižovania plošnej rozlohy vegetačného krytu • veľká miera zastavania - urbanizácie v rámci určitého územia • keď pôda obsahuje zhutnené - pre vodu nepriepustné vrstvy môže dôjsť (pri zrážkach) ľahko/rýchlo k nasýteniu povrchovej vrstvy riziko nielen erózie ale aj zosuvov • lesné a poľné cesty zrážková voda ich postupne eroduje a prehlbuje (ako aj terén v ich okolí)

Vodná erózia

• Charakterom zrážok: intenzita a celkové množstvo zrážok, dĺžka časového intervalu kontinuálnej zrážkovej udalosti (t.j. či prší dva dni, dva týždne, dva mesiace alebo..) • Vlastnosti pôdy a pôdotvorného substrátu: zrnitostné zloženie, štruktúra a konzistencia pôdy, obsah organickej hmoty, priepustnosť pôdy (pre zrážky), infiltračná kapacita, charakter substrátu (či je pôda vyvinutá na zvetranom sedimente, ak áno aké sú jeho vlastnosti - do akej miery je spevnený; je pôda vyvinutá na kompaktnej nezvetranej hornine) • Topografiou hodnoteného (potenciálne ohrozeného) územia: sklon svahu, dĺžka svahu, členitosť reliéfu • Vegetačné pomery resp. kryt pôdy: či je pôda chránená pred eróziou vegetačným krytom, či má nadložný horizont • Spôsob využívania krajiny a spôsob hospodárenia na pôde (orba po vrstevnici, zastavanosť územia)

Riziko vzniku vodnej erózie je podmienené

následky:

• odnos pôdy strata biotopov, dočasná deštrukcia stanovišťa - od rozsahu erózie sa odvíja schopnosť organizmov postihnuté územie opätovne osídliť

• znižovanie poľnohospodárskej produktivity pôd - zásah do povrchovej najúrodnejšej časti pôdy odnos živín

• erózny sediment ktorý voda nesie sa vo variabilnej vzdialenosti od jeho zdroja usádza, čo často vedie k zanášaniu vodohospodárskych sústav, vodných tokov a kanalizácie

• vodná erózia môže prispievať k eutrofizácii vôd nakoľko dochádza často k odnosu nielen pôdnych častíc ale aj agrochemikálií

Vodná erózia

opatrenia obmedzujúce vodnú eróziu:

• zamedziť priamemu kontaktu medzi dažďovými kvapkami a povrchom pôdy

• zalesnenie alebo (aspoň) zatrávnenie povrchu

• mulčovanie (aplikácia „akejkoľvek“ bariéry na povrch pôdy, ktorá jednak zmierni rušivý vplyv dažďa, prípadne tiež spomalí výpar vody z pôd; častá je aplikácia zvyškov vegetácie, napr. kôry, alebo aj rôznych umelých zábran)

• tvorba agroterás: táto praktika nachádzala uplatnenie už pomerne dávno v minulosti; zvyšuje sa tým členitosť reliéfu a spomaľuje odtok vody z územia

• rozumné lesohospodárske praktiky (nie holorubný spôsob ťažby; zmiešaná veková a druhová skladba lesov)

Vodná erózia

pravdepodobnosť, že pôda bude erodovaná vetrom narastá:

• so znižovaním pôdnej vlhkosti

• s poklesom rozlohy vegetačného krytu

• ak je súdržnosť pôdnych častíc nedostatočná

aj v prípade veternej erózie je jednou z príčin oddelenia častíc od povrchu pôdy turbulentné prúdenie s tým rozdielom, že v tomto prípade ide o prúdenie vzdušných más v prízemnej časti atmosféry

• riziko veternej erózie je, popri počasí resp. klíme, významne ovplyvňované charakterom reliéfu krajiny; z tohto pohľadu budú ohrozenejšie rozľahlé rovinaté územia; naopak s narastajúcou výškovou členitosťou terénu klesá riziko veternej erózie

• opatrenia: pestovanie suchomilných rastlín, zavlažovanie pôdy, vysádzanie vetrolamov a vegetácie vo všeobecnosti

Veterná erózia

Svet • Viac ako 50% populácie žije v mestách (2010); v r. 1950: 729 mil. v r. 2010: 3.5 mld. • Celková populácia (ľudí na Zemi), počas uvedeného obdobia narástla z 2.5 mld. na 6.9 mld. • Predpokladá sa, že v r. 2045 by mohlo až 2/3 ľudí žiť v mestách, čo zodpovedá 5.9 mld. • Zatiaľ čo v Európe a USA sa rozmach urbanizácie spomalil, v Ázii aj v súčasnosti naďalej narastá (čo súvisí s ekonomickou aktivitou daných oblastí) • v dôsledku urbanizmu je vo svete z celkového povrchu pevniny 0.43% pokrytého nepriepustnými materiálmi

Európa • na európskom kontinente žije približne 3/4 populácie v menších až stredne veľkých mestách • k najhustejšie obývaným (urbanizovaným) oblastiam patria: južná časť Veľkej Británie, štáty Beneluxu spolu s Dánskom, záp. časť Nemecka, sev. Francúzka, sev. Taliansko, juh Poľska • v rámci územia Európy je približne 9% povrchu prekrytých vrstvou nepriepustných materiálov • najväčší rozmach urbanizácie bol na území západnej Európy zaznamenaný v 50-tych a začiatkom 60-tych rokov minulého storočia. U nás to bolo o niečo neskôr - v 70. a 80-tych rokoch 20. stor. (výstavba pokračuje prakticky až do dnes) • napriek tomu, že sa v mestách SR v súčasnosti stavia dosť nesystematicky a intenzívne (hlavne BA), zatiaľ intenzita urbanizmu nedosiahla úroveň, ktorá by mala za následok významnejšie obmedzenie komfortu obyvateľstva, ..zatiaľ! (aj keď názory na to môžu byť rôzne)

Intenzívna urbanizácia a prekrytie pôdy nepriepustnými materiálmi


znázornenie miery pretvorenia krajiny človekom („human footprint“) v štátoch Európy; index zohľadňuje hustotu obyvateľstva, transformáciu krajiny, infraštruktúru (cesty, distribúcia elektrickej energie)

S intenzívnou výstavbou sa spája fenomén “soil sealing“, t.j. prekrytie (alebo doslovne preložené „zapečatenie“ pôdy) pôdy materiálmi, ktoré predstavujú bariéru pre pohyb / prúdenie energie a látok medzi atmosférou a geologickým podložím

V tejto súvislosti dochádza k obmedzeniu:

výmeny vody, plynov a energie medzi pôdou a inými zložkami ŽP (atmosférou, litosférou)

ide o výrazný zásah do pôdneho prostredia a podložia, ktorý znamená významné obmedzenie a modifikáciu prirodzených biologických a biochechemických procesov prebiehajúcich v pôde


Prekrytie povrchu pôdy nepriepustnou vrstvou betónu je výrazným zásahom do výmeny energie medzi atmosférou a pôdou, resp. geologickým podložím

• teplota urbanizovaného prostredia, ako aj prekrytej pôdy je do značnej miery ovplyvňovaná termickými vlastnosťami konkrétneho povrchu/materiálu: albedo, emisivita, ako aj ďalšie termálne vlastnosti; podstatnú úlohu hrá aj geometria povrchov urbanizovanej krajiny

• v dôsledku rozdielnych fyzikálnych vlastností medzi pôdou a zväčša železobetónovým povrchom sa v intenzívne urbanizovaných mestách tvorí charakteristická mikroklíma, ktorá sa vyznačuje vyššou teplotou v porovnaní s okolitou krajinou vznik tzv. tepelného ostrova (urban heat island, UHI)

• pomerne veľa povrchov, ktorými je tvorená urbanizovaná krajina (cesty, strechy), má relatívne nízke albedo (pohlcujú slnečné žiarenie); k pohlteniu žiarenia dochádza aj po jeho čiastočnom odraze vďaka zmienenej geometrii povrchov mesta

• príklady UHI vo svete (max. rozdiel v teplote medzi centrom mesta a priľahlou krajinou):

Európa: min. London 2°C, max. Paris 14°C; Amerika: min. Sao Paulo 2°C, max. 10,1°C (Calgary, Alberta); Ázia: min. 1°C Singapore, max. 10°C (Pune, India), Afrika: 1,9-2°C (Johannesburg), max. 4°C (Cairo)


Tepelný ostrov urbanizovaného územia:

Ide o klimatický prejav urbanizácie, ktorý vzniká z dôvodu:

• zachytenia krátko- aj dlhovlnného žiarenia povrchmi budov, ciest ako aj ďalších prvkov urbanizovaného prostredia

• nižších strát dlhovlnného žiarenia z dôvodu menších "únikových" priestorov (vyššie budovy, úzke ulice,..)

• akumulácia pocitového tepla konštrukčnými materiálmi

• uvoľňovanie tepla z rôznych elektrických zariadení a spaľovacích motorov

..tepelný ostrov vzniká predovšetkým vďaka spolupôsobeniu prvých troch faktorov

absencia vody a vegetácie znamená, že prebieha konverzia energie na pocitové teplo (na miesto latentného)

okrem uvedeného, je vyššia teplota urbanizovaných území čiastočným dôsledkom nižších strát tepla konvekčným prúdením z dôvodu obmedzenej rýchlosti pohybu vzdušných más


Urbanizácia - tvorba pre vodu nepriepustných bariér

• pod intenzívne urbanizovaným územím často dochádza k poklesu hladiny podzemnej vody ako aj k celkovému zníženiu vlhkosti pôdy dôsledkom takéhoto trendu je (okrem iného) obmedzenie biologickej aktivity a chemickej reaktivity v podloží

• lokálne môže však dôjsť aj k nárastu vlhkosti, resp. zamokrenia, napr. v miestach kde sa nachádza vrstva zvodnenia

• oblasť s veľkým podielom nepriepustných povrchov sa často vyznačuje veľkým povrchovým odtokom zrážkových vôd; pritom plochy, ktoré sú pre vodu priepustné (nachádzajúce sa či už v rámci uvažovaného urb. Územia, alebo v jeho bezprostrednom okolí) budú konfrontované s veľkými objemami vôd

• s vyšším povrchovým odtokom vôd súvisí aj zníženie prirodzenej filtračnej funkcie pôd, keďže z celkového množstva zrážok, ktoré spadne v rámci daného urbanizovaného územia, len (malá) časť príde do kontaktu s pôdou šírenie znečistenia napr. do susedných / priľahlých oblastí




porovnanie teplôt vzduchu s teplotami povrchov v urbanizovanom území v noci a cez deň

Intenzívna urbanizácia a prekrytie pôdy nepriepustnými materiálmi (príklady zo sveta: Atlanta)


Paríž: vplyv používania klimatizácie na teplotu vzduchu v exteriéroch; klimatizácia síce ochladzuje interiér, avšak zároveň

zohrieva exteriér

Documents

Pedosféra - uniba.sk · Ochrana a využívanie prírodných zdrojov Pedosféra: pôda ako prírodný zdroj, funkcie pôdy v krajine a ekosystémoch, kvalita/hodnota pôdy a faktory