Důvodem zájmu řešitelského kolektivu o vybrané území v Březové nad Svitavou a o problematiku omezení úniku hlavních živin je skutečnost, že obsah dusičnanů v některých studnách březovských vodovodů již překračuje mezní hodnotu pro pitnou vodu. Přestože jímaná voda z prameniště stále vyhovuje limitům pitné vody, je v obecném zájmu zabránit nárůstu obsahu dusičnanů, případně i jiných živin v podzemních vodách a pomoci stanovit účinná nápravná opatření.
Současný stav řešené problematiky
Stav jakosti vod je v současnosti určován zejména působením člověka na krajinu. Dochází k zatěžování ovzduší, mění se základní charakteristiky a funkce dílčích ekosystémů v krajině, půdní prostředí a vodní režim v krajině. Stav prostředí, zejména kvalita půdy, má prokazatelnou souvislost s lidským zdravím. Také proto byla kvalita/zdraví půdy označena jako primární indikátor udržitelnosti určitého systému péče o krajinu (Sherwood et Uphoff 2000). Zejména z hlediska půdy jako média, kterým prostupují srážkové vody a které má konečnou kapacitu přijmout a zadržet nadbytečné dusíkaté látky, čímž mohou ochránit podzemní zdroje pitných vod. Výsledky monitorování a výzkumu evropských půd dokazují postupnou degradaci půd (Van den Akker et al. 2003). Jednou z příčin degradace půd jsou také změny ve složení atmosférických srážek způsobené činností člověka (antropogenní atmosférické depozice). Nejedná se pouze o změny ve složení dešťových srážek, ale také o změny ve složení polétavého prachu ulpívajícího na povrchu vegetace a půdy. Některé z nich díky přijatým opatřením za posledních deset let významně klesly (např. síra o 80 – 90 %), jiné se stejnými nebo vážnějšími účinky pozvolna klesají, nebo stagnují (zdroj ČHMÚ, MŽP). Posledně uvedené platí také o dnes nejnebezpečnější, o atmosférické depozici dusíku. A to navzdory skutečnosti, že by život bez dusíku nebyl možný a že průmyslová dusíkatá hnojiva, dominantní zdroj depozice, umožňují produkci potravin pro 50% světové populace. Dlouhodobá nadměrná zátěž dusíkem má vede k vyčerpání akumulační kapacity ekosystému (Galloway et al. 2003). Ekosystém ztrácí stabilitu (Bobbink et Roelofs 1995) což je spojeno se zvýšeným množstvím N vystupujícím z ekosystému ve formě dusičnanů a projevující se následně zvyšováním obsahu nitrátů ve zdrojích pitné vody. A právě k tomuto jevu dochází i v zájmovém území.
V roce 2003 formulují Galloway et al. (2003) teorii dusíkové kaskády a vysvětlují neblahý vliv dusíku na atmosféru, terestrické ekosystémy, hydrosféru a na lidské zdraví. Autoři upozorňují na mnohonásobný kaskádový účinek jednoho atomu dusíku vzniklého činností člověka v tocích a v zásobnících koloběhu dusíku. Pro jiný než molekulární dusík používají termín reaktivní dusík. O rok později varují Galloway et al. (2004) před největšími nejistotami současného bilancování dusíkatých látek. Jsou jimi: kvantifikace množství dusíku uložené v přirozených rezervoárech a produkce molekulárního dusíku procesem mikrobiální denitrifikace. Cílem evropských snah napojených na Mezinárodní dusíkovou iniciativu INI (International Nitrogen Initiative – 2002, Virginia, USA) je optimalizace funkce dusíku v udržitelné produkci potravin a energie za současné minimalizace negativních účinků na zdraví člověka a stav prostředí. Na jaře roku 2011 byl v Edinburghu, na setkání předních vědeckých autorit zabývajících se globálním narušením koloběhu dusíku, zpřístupněn internetový osobní kalkulátor dusíkové stopy (zdroj: http://www.n-print.org/N-Calculator). Dusíková stopa vyjadřuje roční osobní nárok na reaktivní dusík, kterým dotyčný „obohatí“ globální koloběh dusíku a který byl v daném roce nutný k udržení jeho života. Dusíková stopa je založena na vědeckých studiích a je prozatím vypočtena pouze pro Německo (průměrně 27 kg reaktivního N/rok), Holandsko (25 kg N/rok) a USA (33 kg N/rok). Zarážející je jednak velikost části dusíkové stopy představující spotřebu potravin (nejméně 70 % v USA a nejvíce 89 % v Holandsku) a jednak to, jak vážně jsou problémy spojené s nadměrným používáním syntetických dusíkatých hnojiv ve vyspělých státech vnímány. Na stejné konferenci byl znovu naléhavě požadován multidisciplinární metodický přístup, který je schopen vyhodnotit toky, přeměny a kapacity jednotlivých zásobníků (Sutton et al. 2011).
Metody dálkového průzkumu založené především na spektrální odrazivosti (reflektanci) porostu jsou dnes běžně využívány při výzkumu vegetace a porostů polních plodin (Aparicio et al. 2000, Freeman et al. 2003, Zhao et al. 2004, Bort et al. 2005, Serrano et al. 2006) přičemž jsou často nacházeny statisticky průkazné korelace mezi spektrálními charakteristikami (nejčastěji vegetačními indexy), a obsahem chlorofylu na jednotce plochy (Houborg et al. 2007), výživným stavem porostu (Jorgensen et al. 2007, Zhao et al. 2005), množstvím celkové nadzemní biomasy (Starks et al. 2006), efektem sucha (Penuelas et al. 2004) a také výnosem polních plodin (Hansen et al. 2002, Freeman et al. 2003). Přestože je využití metod dálkového průzkumu pro vyhodnocení rizik vyplavování minerálního dusíku z půd dosud spíše ojedinělé, je zřejmé, že tyto metody poskytují značný potenciál zejména při mapování rozsáhlých území a zachycení časových změn, které souvisí právě s uvolňováním minerálního dusíku. Z pohledu vyhodnocení rychlosti mineralizace organického dusíku, jeho využití rostlinami a vyplavování jsou zásadní informace nejen o příjmu dusíku rostlinami, ale také produkci nadzemní biomasy. Obsah dusíku v sušině rostlin je značně proměnlivá hodnota, která vedle samotné dostupnosti dusíku souvisí s ontogenezí rostliny, přičemž je pozorován tzv. zřeďovací efekt. Proto jsou využívány relativní indexy výživného stavu jako je např. index výživy dusíkem (NNI – Nitrogen Nutrition Index), vycházející z časových křivek kritického obsahu dusíku. NNI představuje časově relativně stabilní hodnotu, která může být snadněji vyhodnocena pomocí vegetačních indexů (Mistele et Schmidhalter 2008). Pro odhad NNI jsou poměrně úspěšně využívány komplexní vegetační indexy využívající více než dvou vlnových délek spektrální odrazivosti. Příkladem může být Red Edge Inflection Point (REIP) využívající čtyř vlnových délek od 670 do 780 nm (Mistele et Schmidhalteral 2008). Pro vyhodnocení nadzemní biomasy či listové plochy se pak již delší dobu využívá vegetačního indexu NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Pro vyhodnocení stresu sucha se často používá index PRI (Penuelas et al. 2004), který souvisí se změnami pigmentů v rámci xantofylového cyklu. Stres sucha vede rovněž k oxidativnímu stresu při které dochází k oxidaci fenolických sloučenin na quinony s důsledkem v hromadění hnědě zabarvených pigmentů. Penuelas et al. (2004) proto navrhli index hnědých pigmentů (BPI – Brown Pigment Index).
Navrhovaný projekt vychází vstříc těmto naléhavým výzvám. Při možné realizaci by mohl nabídnout jiný než dosavadní pohled na Českou republiku, která je vyspělými zeměmi vnímána jako země bezohledně zacházející s půdou. Úspěšnou realizací projektu by se dalo poukázat na modelovou oblast v extrémně zranitelné oblasti, na kterou by již nebylo možno použít charakteristiku agrárního analytika Petra Havla z roku 2009, že: „ .. si naši zemědělci zvykli hospodařit v krajině v podstatě společensky nebezpečným způsobem“. Pohyb dusíku ekosystémem může posloužit dokonce jako vícenásobný indikátor. Z ekologického hlediska je totiž dusík opouštějící ekosystém velmi dobrým ukazatelem narušených vazeb i v kolobězích jiných elementů, jako jsou C, N, P, K, Mg, Ca …, což má zásadní vliv na stabilitu ekosystémů a na aktivitu a složení půdních mikrobiálních společenstev. Matson et al. (2002) popisují mnoho faktorů, které v oddalují přesycení dusíkem, mnohé z nich je ale nutno stanovit experimentálně přímo v terénu. K posouzení klíčových procesů půdních mikrobiálních transformací lze využit soubor indikátorů (Tesařová et Záhora 2002) vypracovaných v rámci řešení projektu MŠMT 432100001, etapy 03 „Kvalita půd a její indikátory“. Pro monitoring výstupů hlavních živin do podzemních vod navrhujeme využít jak lyzimetrické metody, tak i metody aplikace iontoměničů v plochých vodorovných pouzdrech přímo do zvolené půdní hloubky (Šrámek et al. 2004). Výhodou aplikace iontoměničů je možnost záchytu i v období vegetačního klidu a cenová dostupnost umožňující vyšší počet opakování. Na vybraném území je nutno odpovídajícím způsobem změřit množství dusíku v suchých i mokrých atmosférických spadech neboť může být proti klasickému měření pouze vertikálních depozic i více než dvojnásobné (Fabšičová et al. 2004).
Většinu plodin pěstujeme v našich podmínkách na orné půdě. Na některých pozemcích však není takové hospodaření vhodné. Jejich zornění, k němuž v minulosti došlo, přináší dnes celou řadu problémů. Nachází-li se pozemek orné půdy v těsné blízkosti vodního toku, může dojít k jeho nežádoucímu ovlivnění (hnojiva, pesticidy). Je známo, že v travních porostech se téměř stejné množství biomasy, která je nad zemí, nachází i pod povrchem, tedy hlavně v kořenech. Díky tomu mají travní porosty schopnost zadržovat vodu a přispívat tak k prevenci proti škodám z přívalových dešťů (Šarapatka et al. 2008). Mezi kritéria ochrany vod před zemědělským znečištěním patří omezení smyvů ornice, dodržování zásad protierozního střídání plodin, pěstování plodin s redukovaným či nulovým vstupem syntetického dusíku, s nízkou potřebou ostatních průmyslových hnojiv a s minimální aplikací chemických přípravků, dodržování optimálních agrotechnických lhůt a zavedení vhodných technologií pěstování plodin a zpracování půdy.
Důvodem zájmu řešitelského kolektivu o vybrané území v Březové nad Svitavou a o problematiku omezení úniku hlavních živin je skutečnost, že obsah dusičnanů v některých studnách březovských vodovodů již překračuje meznou hodnotu pro pitnou vodu. Přestože jímaná voda z prameniště stále vyhovuje limitům pitné vody, je v obecném zájmu zabránit nárůstu obsahu dusičnanů, případně i jiných živin v podzemních vodách a pomoci stanovit účinná nápravná opatření. Předkládaný projekt soustřeďuje tým řešitelů z různých oborů ze tří pracovišť. Klíčem pro sestavení řešitelského týmu byla spolupráce odborníků se zkušenostmi s problematikou toků látek a energií v jednotlivých typech ekosystémů. Navržená řešení vycházejí z nejnovějších výsledků obrazové spektroskopie dosažených nejen na jiných zahraničních pracovištích, ale zejména ze zkušeností pracoviště Centra výzkumu globální změny AVČR, v.v.i. Zde jsou metody kvantitativního leteckého průzkumu Země (DPZ), založené na vyhodnocování hyperspektrálních dat pro odhad stavu vegetace intenzivně rozvíjeny (např. Malenovský et al. 2009, Ač et al. 2009). Tyto metody zahrnují celé spektrum postupů, od jednoduše vyčíslitelných vegetačních indexů, přes modelování v rámci porostů až po měření vegetačního fluorescenčního signálu a jeho interpretaci. Pracoviště je plně vybaveno nejmodernější technikou pro letecký DPZ a jeho pozemní podporu.
Cílem projektu je nalézt kompromis mezi zemědělským hospodařením a jímáním pitné vody v extrémně zranitelné oblasti, která zásobuje pitnou vodou druhou nejlidnatější aglomeraci České republiky. Kompromis by měl na jedné straně poskytovat místním občanům i nadále možnost obživy a na straně druhé by měl vrátit život do orniční vrstvy. Navrhováno je snížení množství aplikovaných syntetických dusíkatých hnojiv na polovinu za současného vnášení odpovídajícího množství uhlíkatých látek pro stimulaci aktivity mikroorganismů v podobě rozpustných solí huminových kyselin. Poloviční dávka dusíku vychází z literárních údajů o míře efektivity využití aplikovaného N cílovou rostlinou (Galloway et al. 2004). Pro nalezení udržitelné rovnováhy mezi aktivitami člověka a okolním prostředím jsou předpokládány také změny osevních postupů včetně agrotechniky příp. převodu orné půdy na trvalé travní porosty v nejzranitelnějších územích, která budou definována s pomocí obrazové spektroskopie v kombinaci s terénním měřením toků minerálního dusíku. Předpokládá se dále příprava certifikované metodiky, použitelného souboru indikátorů pro kvalifikovanou a zejména aplikovatelnou pomoc v jiných vodohospodářsky cenných regionech. Redukcí dusíkatých a odpovídajícím navýšením uhlíkatých vstupů do orné půdy by měl být vrácen život do půdy a půda by měla opět začít fungovat jako účinný plošný filtr ochraňující pitnou vodu pro Brno.
Vlastní řešení projektu
(1) Stanovení charakteristiky zájmového území z hlediska pedologického, hydrologického, hydrogeologického. Založení experimentálních ploch (gradient zvýšených vstupů dusíku v kombinaci s různými vstupy organického uhlíku pro aktivizaci půdní mikroflóry a různého vodního režimu) (V001-002).
(2) Tvorba spektrálních charakteristik porostů na pokusných plochách a měření množství vyplavovaného dusíku a biosorbci dusíku v půdách pokusných ploch (V003-004).
(3) Vyhodnocení využitelnosti iontoměničových disků k záchytu minerálního dusíku, které budou sloužit jako uplatnitelný funkční vzorek pro uplatnění i dalšími subjekty zabývajícími se podobnou problematikou (V005).
(4) Metodami obrazové spektroskopie z dat pořízených leteckým snímkováním zájmového území a pomocí spektrálních charakteristik získaných z maloplošných pokusů bude zhodnocena „heterogenita“ porostů jako potenciální důsledek různého výživného režimu plodin, způsobený heterogenním půdním prostředím i v rámci jednotlivých ploch se stejnou plodinou (V006).
Seznam literatury:
Ač et al. (2009) Functional Plant Biology, 1006-15.
Aparicio et al. (2000) Agromomy Journal, 92: 83-91.
Bobbink et Roelofs (1995) Water Air Soil Poll., 85: 2413-2418.
Bort et al. (2005) International Journal of Remote Sensing, 26: 2337-2358.
Fabšičová et al. (2004) Příroda, Praha, 92-100.
Freeman et al. (2003) Communications in Soil Science and Plant Analysis 34: 1837-1852.
Galloway et al. (2003) Bioscience 53 (4): 341-356.
Galloway et al. (2004) Biogeochemistry 70 (2): 153-226.
Hansen et al. (2002) Journal of Agricultural Science. 139: 307-318.
Houborg et al. (2007) Remote Sensing of Environment.106: 39-58.
Jorgensen et al. (2007) International Journal of Remote Sensing, 28: 943-962.
Malenovský et al. (2009) J Exp Bot, 1-18.
Matson et al. (2002) Ambio 31 (2): 113-119.
Mistele et Schmidhalter (2008) European Journal of Agronomy, 29: 184-190.
Penuelas et al. (2004) New Phytologist, 162: 115-124.
Serrano et al. (2006) International Journal of Remote Sensing, 27: 511-518.
Sherwood et Uphoff (2000) App. Soil Ecol., 15: 85-97.
Starks et al. (2006) Crop Science, 46: 927-934.
Sutton et al. (2011) The European Nitrogen Assessment.
Šarapatka et al. (2008) Finanční zdroje na ochranu přírody a krajiny. In Zemědělství a krajina. Univerzita Palackého, Olomouc, s. 245-260. ISBN 978-80-244-1885-8.
Šrámek et al. (2004) NAZV QC1723. VÚLHM.
Tesařová et Záhora (2002) ISBN 80-7157-642-5, MZLU Brno.
Van den Akker et al. (2003) Soil Till. Res., 73: 1-8.
Zhao et al. (2004) Communications in Soil Science and Plant Analysis, 35: 853-864.
Zhao et al. (2005) Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 7: 1-9.