Obciążenie krytyczne - Critical load

W badaniu zanieczyszczeń powietrza , A krytyczne obciążenie jest określona jako „a oszacowania ilościowego ekspozycji na jeden lub większą liczbę zanieczyszczeń , mających znaczny wpływ na szkodliwe dla wrażliwych elementów w środowisku nie występują, zgodnie z obecnym stanem wiedzy.”

Badania zanieczyszczenia powietrza w odniesieniu do ładunków krytycznych koncentrowały się na zanieczyszczeniach azotem i siarką . Po emisji tych zanieczyszczeń do atmosfery , są one następnie osadzane w ekosystemach . Zarówno depozycja siarki, jak i azotu może zakwaszać wody powierzchniowe i gleby . Ponieważ dodatkowa kwasowość obniża pH wody, ma to negatywny wpływ na zdrowie ryb i bezkręgowców. Siarka i azot, jako czynniki zakwaszające, mogą zmieniać zawartość składników odżywczych w glebie poprzez usuwanie wapnia i uwalnianie toksycznego glinu, co dodatkowo wpływa na rośliny i zwierzęta. Odkładanie się azotu może również działać jako nawóz w środowisku i zmieniać konkurencyjne interakcje roślin, sprzyjając w ten sposób wzrostowi niektórych gatunków roślin i hamując inne, potencjalnie prowadząc do zmian w składzie gatunkowym i liczebności . Depozycja azotu przyczynia się do wzbogacenia ekosystemów słodkowodnych, przybrzeżnych i estuariów w składniki odżywcze , co może powodować toksyczne zakwity glonów , zabijanie ryb i utratę różnorodności biologicznej . Zanieczyszczenia powietrza wpływają na podstawowe usługi ekosystemowe, takie jak oczyszczanie powietrza i wody, rozkład i detoksykacja materiałów odpadowych oraz regulacja klimatu.

Kiedy depozycja jest większa niż ładunek krytyczny zanieczyszczenia dla określonej lokalizacji, uważa się to za przekroczenie ładunku krytycznego, co oznacza, że ​​fauna i flora są narażone na zwiększone ryzyko szkód ekologicznych. Niektóre elementy ekosystemu są bardziej wrażliwe na osadzanie niż inne; w związku z tym można wytworzyć ładunki krytyczne dla różnych składników ekosystemu i reakcji, w tym (między innymi) przesunięć okrzemek, wzrostu inwazyjnych gatunków traw, zmian w chemii gleby, pogorszenia stanu lasów, zmienionej i zmniejszonej różnorodności biologicznej oraz jezior i zakwaszenie strumienia.

Historia, terminologia i podejście stosowane do obliczania obciążeń krytycznych różnią się w zależności od regionu i kraju. Poniżej omówiono różnice między podejściami stosowanymi w krajach europejskich i w USA.

Europa

W krajach europejskich ładunki krytyczne i podobna koncepcja poziomów krytycznych były szeroko stosowane w ramach Konwencji EKG ONZ z 1979 r. W sprawie transgranicznego zanieczyszczania powietrza na dalekie odległości . Na przykład protokół z Göteborga z 1999 r. Do konwencji LRTAP uwzględnia zakwaszenie (wód powierzchniowych i gleb ), eutrofizację gleb i ozonu w warstwie przyziemnej oraz emisje dwutlenku siarki , amoniaku , tlenku azotu i niemetanowych lotnych związków organicznych ( NMVOC). W przypadku zakwaszenia i eutrofizacji zastosowano koncepcję ładunków krytycznych, podczas gdy w przypadku ozonu w warstwie przyziemnej zastosowano poziomy krytyczne.

Aby obliczyć ładunek krytyczny, należy najpierw zdefiniować docelowy ekosystem, a w tym ekosystemie (np. Lesie ) należy zidentyfikować wrażliwy „element” (np. Tempo wzrostu lasu). Kolejnym krokiem jest powiązanie statusu tego pierwiastka z jakimś kryterium chemicznym (np. Stosunek kationów zasadowych do glinu , Bc / Al) i wartością krytyczną (np. Bc / Al = 1), której nie należy przekraczać. Na koniec należy stworzyć model matematyczny (np. Prosty model bilansu masy , SMB), aby można było obliczyć poziomy depozycji, które powodują, że kryterium chemiczne osiąga dokładnie krytyczną wartość graniczną. Ten poziom osadzania nazywany jest obciążeniem krytycznym, a różnica między aktualnym poziomem osadzania a obciążeniem krytycznym nazywana jest przekroczeniem.

Na początku ładunki krytyczne często obliczano jako jedną wartość, np. Ładunek krytyczny kwasowości. Obecnie często oblicza się dwuwymiarową funkcję obciążenia krytycznego, z osią X jako osadzaniem N, a osią jako osadzaniem S. Koncepcja obciążeń krytycznych jest koncepcją stanu ustalonego i dlatego nie zawiera żadnych informacji o tym, ile czasu potrzeba, zanim efekty będą widoczne. Uproszczoną ilustracją aspektów dynamicznych jest funkcja obciążenia docelowego, czyli obciążenie, przy którym kryterium chemiczne powraca do normy przed wybranym rokiem, rokiem docelowym. Tak więc, dla lat docelowych w najbliższej przyszłości funkcja obciążenia docelowego jest niższa niż obciążenie krytyczne, a dla lat docelowych w odległej przyszłości funkcja obciążenia docelowego zbliża się do funkcji obciążenia krytycznego.

Obliczanie funkcji obciążenia krytycznego i funkcji obciążenia docelowego obejmuje kilka uproszczeń, a zatem można je postrzegać jako koncepcję ryzyka: im wyższe przekroczenie, tym wyższe ryzyko niekorzystnych skutków i istnieje pewne ryzyko, że przekroczenie zerowe nadal będzie prowadzić do niekorzystnych skutków.

Stany Zjednoczone

W Stanach Zjednoczonych, kiedy różne podmioty omawiały obciążenia krytyczne przed 2000 r., Wysiłki były niezależne i chaotyczne. Jednak w 2010 r., Po serii warsztatów dotyczących obciążeń krytycznych w latach 2003-2005 i komitecie ad hoc utworzonym w 2006 r., Krajowe wysiłki zostały zjednoczone poprzez utworzenie Komitetu Naukowego ds. Obciążeń Krytycznych Osadzania w Atmosferze ( CLAD ) w ramach National Atmospheric Program depozycji ( NADP ). CLAD to grupa obejmująca wiele agencji, w skład której wchodzą federalne i stanowe agencje rządowe, organizacje pozarządowe, organizacje zajmujące się badaniami środowiskowymi oraz uniwersytety. Cele CLAD to: ułatwienie wymiany informacji technicznych na temat obciążeń krytycznych w ramach szerokiego grona odbiorców obejmujących wiele agencji / podmiotów, wypełnienie luk w rozwoju obciążeń krytycznych w USA, zapewnienie spójności w opracowywaniu i wykorzystywaniu obciążeń krytycznych w USA oraz promować zrozumienie podejść do krytycznych obciążeń poprzez opracowywanie materiałów informacyjnych i komunikacyjnych.

Federalni zarządcy gruntów, tacy jak National Park Service , US Forest Service i US Fish and Wildlife Service , używają ładunków krytycznych do: identyfikacji zagrożonych zasobów, ukierunkowania badań i działań monitorujących, informowania o planowaniu i innych działaniach związanych z zarządzaniem gruntami, oceniania potencjalnego wpływu wzrost emisji i opracowywanie strategii redukcji zanieczyszczeń. US Environmental Protection Agency rozszerza stosowanie obciążeń krytycznych ocen i rozwoju polityki, w tym uwzględnieniem krytycznych obciążeń podczas ustalania krajowych standardów jakości powietrza atmosferycznego .

Stany Zjednoczone przyjęły dwa podejścia do tworzenia obciążeń krytycznych: obciążenia krytyczne empiryczne i obciążenia krytyczne bilansu masy w stanie ustalonym. Empiryczne ładunki krytyczne są wyprowadzane na podstawie obserwacji reakcji ekosystemu (takich jak zmiany w różnorodności roślin, poziom składników odżywczych w glebie lub zdrowie ryb) na określone poziomy osadzania. Zależności te są tworzone za pomocą badań reakcji na dawkę lub przez pomiar odpowiedzi ekosystemu na rosnące gradienty osadzania w czasie lub przestrzeni. Obciążenia krytyczne bilansu masy w stanie ustalonym są wyprowadzane z matematycznych modeli bilansu masy w założonych lub modelowanych warunkach równowagi. Stan stacjonarny może zostać osiągnięty daleko w przyszłości. Modele używane do określania obciążeń krytycznych w stanie ustalonym różnią się pod względem złożoności w odniesieniu do odwzorowania procesu, ale mogą obejmować chemię wody i gleby, szybkości wietrzenia gleby mineralnej, dane dotyczące depozycji i dane odpowiedzi ekologicznej.

Azja

W Azji do oszacowania ładunków krytycznych zastosowano podejście empirycznego i stacjonarnego bilansu masy. Empiryczne ładunki krytyczne zostały po prostu określone jako poziomy osadzania, przy których zgłoszono szkodliwe skutki ekologiczne w terenie. Model bilansu masy w stanie ustalonym oblicza obciążenie krytyczne ekosystemu w perspektywie długoterminowej poprzez określenie dopuszczalnych wartości dla pierwiastków wymywanych z ekosystemu.

Chociaż empiryczne krytyczne obciążenia azotem zostały dobrze podsumowane dla Europy i Stanów Zjednoczonych, w Azji nadal istnieje duża niepewność z powodu bardzo ograniczonych i krótkoterminowych badań eksperymentalnych przy zastosowaniu stosunkowo wysokich poziomów stosowania azotu. W regionach (np. Wschodnie i południowe Chiny), gdzie w przeszłości depozycja azotu była już bardzo wysoka, a być może nawet wyższa niż faktyczny ładunek krytyczny, badania eksperymentalne mogą nie określić ilościowo ładunków krytycznych, ponieważ już zaszły istotne zmiany w ekosystemie. Co więcej, wartości ładunków krytycznych mogą się znacznie różnić, gdy są oparte na różnych reakcjach biologicznych lub chemicznych ekosystemu, takich jak zmienność fizjologiczna, zmniejszona bioróżnorodność, zwiększone wypłukiwanie azotanów i zmiany w mikroorganizmach glebowych. Empiryczne obciążenia krytyczne zostały ocenione dla niektórych lasów i łąk w Chinach, ale wartości dla wielu innych ekosystemów pozostają nieocenione. Przy coraz większej liczbie nowych eksperymentów terenowych obciążenia krytyczne zostaną lepiej oszacowane w najbliższej przyszłości.

W Azji Południowej i Wschodniej, obejmującej Chiny, Koreę, Japonię, Filipiny, Indochiny, Indonezję i subkontynent indyjski, obciążenia krytyczne zostały po raz pierwszy obliczone i zmapowane w ramach modułu wpływu azjatyckiej wersji Regionalnych informacji o zanieczyszczeniu powietrza oraz model symulacyjny (RAINS-Asia) oparty na podejściu równowagi masy w stanie ustalonym. Następnie w wielu krajach azjatyckich, takich jak Japonia, Rosja, Korea Południowa, Indie i Chiny, obliczono obciążenia krytyczne o wyższej rozdzielczości. Chociaż podobne metody były stosowane w Azji jak w Europie, podejście do bilansu masy w stanie ustalonym zostało ulepszone dzięki uwzględnieniu osadzania kationów zasadowych. Obciążenia krytyczne bilansu masy w stanie ustalonym zostały wykorzystane do wyznaczenia stref kontroli kwaśnych deszczów i stref kontroli zanieczyszczenia dwutlenkiem siarki w Chinach. W najbliższej przyszłości ładunki krytyczne będą szerzej stosowane, aby kierować strategiami redukcji emisji.

Bibliografia

  1. ^ Nilsson, J. i P. Grennfelt. 1988. Ładunki krytyczne dla siarki i azotu. Raport z warsztatów UNECE / Nordic Council, Skokloster, Szwecja. Marzec 1988.
  2. ^ a b Greaver, TL, TJ Sullivan, JD Herrick, MC Barber, JS Baron, BJ Cosby, ME Deerhake, RL Dennis, J.- JB Dubois, CL Goodale, AT Herlihy, GB Lawrence, L. Liu, JA Lynch, i KJ Novak. 2012. Ekologiczne skutki zanieczyszczenia powietrza azotem i siarką w USA: co wiemy? Frontiers in Ecology and the Environment 10: 365-372.
  3. ^ Driscoll, CT, GB Lawrence, AJ Bulger, TJ Butler, CS Cronan, C. Eagar, KF Lambert, GE Likens, JL Stoddard i KC Weathers. 2001. Depozycja kwasowa w północno-wschodnich Stanach Zjednoczonych: źródła i wkłady, efekty ekosystemu i strategie zarządzania. BioScience 51: 180–198.
  4. ^ a b Bobbink, R., K. Hicks, J. Galloway, T. Spranger, R. Alkemade, M. Ashmore, M. Bustamante, S. Cinderby, E. Davidson, F. Dentener, B. Emmett, J. -W. Erisman, M. Fenn, F. Gilliam, A. Nordin, L. Pardo i W. De Vries. 2010. Globalna ocena wpływu depozycji azotu na różnorodność roślin lądowych: synteza. Aplikacje ekologiczne 20: 30-59.
  5. ^ a b Pardo, LH, ME Fenn, CL Goodale, LH Geiser, CT Driscoll, EB Allen, JS Baron, R. Bobbink, WD Bowman, CM Clark, B. Emmett, FS Gilliam, TL Greaver, SJ Hall, EA Lilleskov , L. Liu, JA Lynch, KJ Nadelhoffer, SS Perakis, MJ Robin-Abbott, JL Stoddard, KC Weathers i RL Dennis. 2011. Skutki depozycji azotu i empiryczne krytyczne ładunki azotu dla ekoregionów Stanów Zjednoczonych. Aplikacje ekologiczne 21: 3049-3082.
  6. ^ a b c Liu, XJ, L. Duan, JM Mo, EZ Du, JL Shen, XK Lu, Y. Zhang, XB Zhou, CE He i FS Zhang. 2011. Depozycja azotu i jego wpływ na środowisko w Chinach: przegląd. Zanieczyszczenie środowiska 159: 2251-2264.
  7. ^ a b Duan, L., Q. Yu, Q. Zhang, Z. Wang, Y. Pan, T. Larssen, J. Tang i J. Mulder. 2016. Depozycja kwasów w Azji: emisje, depozycja i skutki ekosystemu. Atmospheric Environment 146: 55–69.
  8. ^ Hettelingh, JP, H. Sverdrup i D. Zhao. 1995. Wyprowadzanie ładunków krytycznych dla Azji. Zanieczyszczenie wody, powietrza i gleby 85 (4): 2565-2570.

Linki zewnętrzne