oddziaływanie emisji ditlenku siarki i tlenków azotu na zakwaszenie

Proceedings of ECOpole
Vol. 2, No. 1
2008
Adam KACZOR1 i Marzena S. BRODOWSKA2
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 1980-2004.
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 SO2
i NOx, 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 SO2 i 40% NOx. 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 SO2, NOx, 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 SO2 rosła bardzo wolno aŜ do 1950 roku [7]. Jej
niemal dziesięciokrotne zwiększenie wystąpiło dopiero w latach 1951-1980. Tak duŜy
wzrost emisji SO2 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 1980-1990 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,
20-400 Zamość, tel. +48 84 677 27 03, fax +48 84 639 60 39, email: [email protected]
2
Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej, Uniwersytet Przyrodniczy, ul. Akademicka 15, 20-950 Lublin,
tel. +48 81 445 60 45, fax +48 81 445 66 64, email: [email protected]
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 SO2 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 SO2 i NOx
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 SO2 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 SO2 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 1980-1990 wpłynęła recesja
gospodarcza, a dalsza redukcja tego gazu w okresie 1990-2004 jest juŜ w duŜej mierze
wynikiem właściwej polityki ekologicznej państwa.
Emisja tlenków azotu charakteryzowała się duŜą dynamiką wzrostu w latach
1980-1985 (tab. 1). W ostatnim okresie (2000-2004) 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
Oddziaływanie emisji ditlenku siarki i tlenków azotu na zakwaszenie gleb Polski
193
1 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 NOx. 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 1980-2004 [6]
Table 1
The total emission of sulphur dioxide, nitrogen oxides* and dusts (thousands Mg)
in Poland in the years 1980-2004 [6]
Lata / Years
1980
1985
1990
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
Redukcja / Reduction
SO2 (1980-2004)
NO2 (1985-2004)
Pyły / Dusts
(1985-2004)
SO2**
4132
3978
3210
2376
2368
2181
1897
1719
1511
1564
1456
1375
1241
NO2**
378
1353
1280
1120
1154
1114
991
951
838
805
796
808
804
Pyły** / Dusts**
3507
2789
1950
1308
1250
1130
871
815
464***
491***
473***
476***
443***
70,0
40,6
76,8
*
- W przeliczeniu na NO2 / calculated per NO2
- 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 SO2 i NO2 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 SO2 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 (1985) ÷ 0,55 kmol H+·ha–1
(2002). MoŜna obliczyć, Ŝe do zneutralizowania zakwaszającego działania jonów H+,
wynikających z imisji SO2, 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 SO2 w całym
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.
Tabela 2
Ilość jonów H+ wynikająca z imisji SO2 i NO2 w Polsce w latach 1980-2004
Table 2
The amount of H+ ions due to the immision of SO2 and NO2 in Poland in the years 1980-2004
Lata
Years
1980
1985
1990
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
Imisja SO2 / SO2 immission
[kg SO2·ha–1]
[kmol H+·ha–1]
132,1
4,12
127,2
3,97
102,6
3,20
76,0
2,37
75,7
2,36
69,7
2,17
60,6
1,89
55,0
1,72
48,3
1,51
50,0
1,56
46,5
1,45
44,0
1,37
39,7
1,24
Imisja NO2 / NO2 immission
[kg NO2·ha–1]
[kmol H+·ha–1]
12,1
0,26
43,3
0,94
40,9
0,89
35,8
0,78
36,9
0,8
35,6
0,77
31,7
0,69
30,4
0,66
26,8
0,58
25,7
0,56
25,4
0,55
25,8
0,56
25,7
0,56
Wnioski
1.
2.
3.
4.
Ditlenek siarki i tlenki azotu emitowane do atmosfery są głównym czynnikiem
antropogennym, przyczyniającym się do zakwaszenia gleb.
W ostatnim ćwierćwieczu w Polsce największa emisja SO2 wystąpiła w 1980 roku,
a NO2 w 1985 roku. Wartości te w odniesieniu do 1 ha wynosiły 132,1 kg SO2
i 43,3 kg NO2.
W całym okresie badawczym (1980-2004) ilość emitowanego SO2 uległa
systematycznemu obniŜeniu. W przypadku tlenków azotu tendencja ta wystąpiła
wyraźnie w latach 1985-2001.
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]
[2]
[3]
[4]
Filipek T., Fotyma M. i Lipiński W.: Stan, przyczyny i skutki zakwaszenia gleb ornych w Polsce. Nawozy
i NawoŜenie, 2006, 2(27), 7-38.
Kaczor A.: OdŜywianie się roślin w warunkach gleb silnie zakwaszonych. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln.,
1998, (456), 55-62.
Lipiński W.: Odczyn gleb Polski. Nawozy i NawoŜenie, 2005, 2(23), 33-40.
Skowrońska M. i Filipek T.: The acidifying potential of gaseous atmospheric pollutans (SO2, NOx, NH3) and
nitrogen fertilizers in Poland. Polish J. Environ. Stud., 2007, 16(3A), 247-250.
Oddziaływanie emisji ditlenku siarki i tlenków azotu na zakwaszenie gleb Polski
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
195
Dechnik I., Gliński J., Kaczor A. i Kern H.: Rozpoznanie wpływu kwaśnych deszczy na glebę i roślinę. Probl.
Agrofiz., 1990, 60, 3-66.
GUS. Ochrona środowiska i gospodarka wodna. Warszawa 2006.
Sweeney P.M.: Commercial development of sulphur fertilizers in Europe. Sulphur in Agriculture, 1995, 19,
68-73.
Middleton N.: The global casino (sec. edit.). London 1999, 3-47.
Ceccotti S. P.: Plant nutrient sulphur - a review of nutrient balance, environmental impact and fertilizers.
Fertilizer Res., 1996, 43, 117-125.
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, 963-969.
Białobok S.: Zjawisko kwaśnych deszczów. Kosmos, 1986, XXXV, 1(190), 43-63.
Chudzyńska I.: Uleje, usiecze. Przegl. Techn., 1985, 4, 12-13.
Patalas Z.: ZagroŜenie lasów. Kosmos, 1980, XXXV, 1(190), 65-74.
Perrson G. (red.): Acidification today and tomorrow. Swedish Ministry of Agriculture, Environment 82,
Committee, Stockholm 1982.
Raport PIOŚ. Stan środowiska w Polsce. Bibl. Monit. Środow., Warszawa 1998.
Filipek T. i Kaczor A.: Dynamika antropogenicznej presji zakwaszenia rolniczej przestrzeni produkcyjnej
w Polsce. Mat. Konf. Ochrona i wykorzystanie rolniczej przestrzeni produkcyjnej Polski. Puławy
3-4.06.1997, Sesje III i IV, 35-43.
Kaczor A. i Kozłowska J.: Wpływ kwaśnych opadów na agroekosystemy. Zesz. Nauk. AR w Szczecinie
2000, (81), 55-68.
Acid deposition in the United Kingdom 1992-1994. Fourth report of the review group on acid rain. London
1997.
Przeglądy Ekologiczne, Polska. Warszawa 1995.
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), 446-448.
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), 351-354.
Kaczor A.: Dynamika zmian antropogenicznych przyczyn zakwaszenia gleb w Polsce w ostatnim 25-leciu.
Zesz. Prob. Post. Nauk Roln., 2002, (482), 235-244.
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), 51-58.
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 1980-2004 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 SO2 and NOx 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 SO2
emission and 40% reduction of NOx 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: SO2, NOx emission and imission, soil acidification