ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ A UNIVERZITA V PRAZE Fakulta agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů Katedra agroenvironmentální chemie a výživy rostlin Software pro výpočet remediačních parametrů při pěstování rychle rostoucích dřevin na středně kontaminovaných půdách Software je k dispozici na adrese: http://sw.agrobiologie.cz Autoři: Ing. Jan Habart, Ph.D., Ing. Pavla Zárubová, Prof., Ing. Pavel Tlustoš, CSc., 2014
Manuál k software pro výpočet remediačních parametrů při pěstování rychle rostoucích dřevin na středně kontaminovaných půdách 1. ÚVOD Výmladkové plantáže jsou relativně novou formou pěstování rychle rostoucích dřevin (RRD), především topolů a vrb, pro energetické využití. Jsou sklízeny v krátkých obmýtích, jednou za 3 6 let. Sklízí se nadzemní biomasa pěstovaných rychle rostoucích dřevin a ponechává se pařezina, která následně opět obráží. Plantáže rychle rostoucích dřevin sekvestrují uhlík, vyžadují minimální zpracování půdy a zaručují trvalý pokryv půdy a její intenzivní prokořenění, čímž eliminují vodní a větrnou erozi. Tyto obecné výhody pěstování výmladkových plantáží jsou ještě zvýrazněny při jejich zakládání na kontaminovaných plochách, kterým tak navrací tržní produkci a zároveň rychle rostoucí dřeviny zde mohou plnit i některé fytoremediační funkce. Pěstované dřeviny mohou přispívat k degradaci některých organických polutantů, ale rychle rostoucí dřeviny jsou vhodné při dekontaminaci ploch znečištěných těžkými kovy. Na základě mnoha experimentů byla prokázána schopnost některých druhů a klonů rychle rostoucích dřevin přijímat, transportovat a akumulovat těžké kovy ve svých nadzemních pletivech a tím je odstraňovat z půdy. 1.1 VYUŽITÍ SOFTWARE Tento program je praktickým pomocníkem pro zakladatele výmladkových fytoextrakčních plantáží rychle rostoucích dřevin na slabě a středně kontaminované půdě kadmiem, olovem a zinkem. Software je určen k orientačnímu výpočtu výnosu biomasy vybraného klonu RRD a dalších remediačních ukazatelů na základě charakteristiky konkrétního stanoviště výmladkové plantáže, zejména hlavní půdní jednotky (HPJ), půdního druhu, hloubky remediované vrstvy, obsahu přístupných živin v půdě a celkových obsahů sledovaných těžkých kovů (TK). 2. PRÁCE S PROGRAMEM 2.1 VSTUPNÍ DATA Aby program správně pracoval je nutné před zahájením výpočtů zadat vstupní data, která co možná nejpřesněji popisují sadební materiál i stanoviště plánované výmladkové fytoextrakční plantáže. V následujícím textu budou podrobně popsány jednotlivé oddíly tohoto programu a bude podrobně vysvětleno, jak s nimi zacházet, jaká data do nich je třeba doplnit a jaké výpočty lze očekávat v daném oddíle či konkrétním řádku programu.
2.1.1 A. POPIS HLAVNÍ PŮDNÍ JEDNOTKY (HPJ) A KLONU V této části programu je nejprve třeba vyplnit řádek s názvem Vyberte klimatickou jednotku. Zde je nutno vybrat jednu ze 78 nabízených hlavních půdních jednotek (HPJ). Jakou hodnotu HPJ má pozemek určený k založení výmladkové fytoextrakční plantáže lze zjistit z kódu bonitovaných půdně ekologických jednotek (BPEJ), který je běžně dostupný na výpisech vlastnických listů parcel v katastru nemovitostí. Soustava BPEJ vyjadřuje pětimístným číselným kódem klimatické a půdní podmínky sledovaného pozemku. První číslice kódu BPEJ vyjadřuje klimatický region, druhá a třetí číslice vyjadřuje hlavní půdní jednotku (HPJ). Do následujícího řádku Vyberte klon musí být vybrán a dosazen jeden ze čtyř klonů, které jsou v nabídce programu. Jedná se o klony s vysokým výnosovým potenciálem biomasy a zároveň jsou otestovány na schopnost akumulovat TK, především Cd, Pb a Zn. Konkrétně se jedná o dva klony vrb, klon (S. schwerinii S. viminalis) S. viminalis, zvaný Tordis, a klon S. smithiana, značený S 218 a o dva klony topolů, klon Populus nigra P. maximowiczii, značený J 105 a klon P. nigra, zvaný Wolterson. Dalším řádkem k vyplnění v tomto oddílu programu, je řádek s názvem Vyberte druh půdy. V nabídce je možnost zvolit mezi půdou lehkou, půdou střední a půdou těžkou. Jaký druh půdy se nachází na pozemku, kde je zamýšlena výsadby výmladkové plantáže, je možné rozpoznat na základě následujících informací: Půdní částice lze rozdělit do několika zrnitostních kategorií (frakcí). Skelet jsou částice půdy větší než 2 mm a lze je dále rozdělit do následujících skupin: hrubý písek (2 4 mm), štěrk (4 30 mm), kameny (>30 mm) a balvany (>300 mm). Částice menší než 2 mm nazýváme jemnozem, kterou lze také dále dělit do několika dalších skupin: střední písek (2,0 0,25 mm), jemný písek (0,25 0,05 mm), hrubý prach (0,05 0,01 mm), střední a jemný prach (0,01 0,001 mm) a jíl (<0,001 mm). Zrnitost se hodnotí podle obsahu částic menších než 0,01 mm v půdě bez zřetele k ostatním kategoriím. Podle procentuálního zastoupení částic menších než 0,01 mm rozlišujeme následující půdní druhy: 0 10 % písčitá půda, 10 20 % hlinitopísčitá půda,20 30 % písčitohlinitá půda, 30 45 % hlinitá půda, 45 60 % jílovitohlinitá půda, 60 75 jílovitá půda a >70 % jíl. Písčité a hlinitopísčité zeminy zahrnujeme pod půdy lehké. Tyto půdy jsou dobře propustné pro vodu, ale vykazují malou retenci vody, jsou výsušné a dobře záhřevné. Písčitohlinité a hlinité půdy jsou označovány jako půdy střední s příznivými fyzikálními, chemickými, biologickými a technologickými vlastnostmi ze zemědělského hlediska. Jílovitohlinité, jílovité a jílnaté půdy patří mezi půdy těžké s nepříznivými fyzikálními vlastnostmi, se slitou strukturou, nízkou propustností pro vzduch a vodu, náchylné k zamokření. Po vyplnění předchozích řádků se nám zobrazí v okénku označeném jako Výnos biomasy podle vybrané HPJ a klonu hodnota výnosu nadzemní biomasy v t/ha, kterou můžeme očekávat u vybraného klonu na daném stanovišti za jeden rok. Nadzemní biomasou jsou uvažovány celé prýty, kmínky a větve, sklizené ve výšce 10 20 cm nad zemí bez listí, neboť běžně jsou klony RRD sklízeny v zimě, kdy má biomasa nízký obsah vody a zásobní látky dřevin jsou převážně uskladněny v kořenech, a tak odstraněním výhonů nedochází k oslabení dřeviny. Dále je třeba si uvědomit, že se jedná o průměrný roční výnos nadzemní biomasy vypočítaný ze všech sklizní po dobu životnosti
plantáže a výnos z první sklizně bývá obvykle sotva třetinový oproti uváděnému průměru a teprve ve druhé nebo třetí sklizni dosáhne očekávaného průměru. 2.1.2 B. PŘÍSTUPNÉ OBSAHY ŽIVIN V PŮDĚ VÝSLEDKY AGRONOMICKÉHO ZKOUŠENÍ PŮD V této části programu je třeba přepsat přednastavené přístupné obsahy* živin v půdě (mg/kg)na skutečné přístupné obsahy N, P, K, a Mg, nacházející se na konkrétním pozemku, kde má být plantáž založena. Přednastavené hodnoty jsou váženým průměrem živin na orné půdě pro Českou republiku, stanovené metodou Mehlich III při agronomickém zkoušení půd v období 2004 2009. Hodnoty přístupných obsahů živin, na zájmovém pozemku najdete na portálu Registr půd LPIS kde jsou k dispozici výsledky agronomického zkoušení půd, které je aktualizováno v šestiletých cyklech. *Přístupný obsah prvku, je podíl z celkového obsahu daného prvku v půdě, který je dostupný pro rostliny. 2.1.3 C. OBSAHY RIZIKOVÝCH PRVKŮ V PŮDĚ V tomto oddíle programu se vyplní celkové obsahy rizikových prvků těžkých kovů (TK) kadmia, olova a zinku v mg/kg, nacházejících se v půdě na sledovaném pozemku, získané rozkladem půdy lučavkou královskou. Rámcové informace o kontaminaci půd je možné získat na stránkách Kontrolního a zkušebního ústavu zemědělského v Brně (www.ukzuz.cz). Tyto údaje však nemusí být dostatečné a je vhodné provést další rozbory půdních vzorků z konkrétních ploch. Při odběru vzorků je nejprve nutné na několika místech plantáže vyměřit zkušební plošky, na nichž budou odebrány půdní vzorky. Půdní vzorky by měly být odebrány ve dvou vrstvách 0 25 cm a 25 50 cm. Pro funkčnost software je třeba ve vzorcích stanovit celkový obsah TK, ale je vhodné, nechat stanovit i rostlinám přístupný podíl pro vyhodnocení rizik šíření kontaminantu, možné fytotoxicity prvků pro pěstované rostliny či dostupnost prvků rostlinám (není součástí software). Z výše uvedených důvodu je tento program je navržen pouze na půdy mírně a středně kontaminované TK, proto hodnoty celkových obsahů TK v půdě se musí nacházet v následujících intervalech: Cd 0,4 10 mg/kg, Pb 100 2000 mg/kg a Zn 130 1000 mg/kg. Pokud zjištěné hodnoty celkových obsahů TK v půdě na zájmovém pozemku se nachází mimo tyto intervaly, není využití software k výpočtu remediačních ukazatelů spolehlivé a zejména při překročení maximálních hodnot je třeba provést doplňující testování. 2.1.4 E. HLOUBKA REMEDIOVANÉ PŮDNÍ VRSTVY Hloubka remediované půdní vrstvy by měla odpovídat hloubce půdy, která je kontaminována TK. Hloubka remediované vrstvy půdy tedy nemusí být totožná s hloubkou ornice a zjistíme ji pomocí
rozborů půdních vzorků, které by měly být odebrány, jak už bylo popsáno v kapitole 1.2.3 ve dvou horizontech 0 25 cm a 25 50 cm. Vzorky následně podrobíme analýze a na základě zjištěného obsahu TK stanovíme, zda se kontaminace nachází pouze ve svrchním půdní vrstvě nebo i ve spodní vrstvě, na základě těchto zjištění určíme hloubku remediace, kterou pak dosadíme do kolonky Hloubka remediované vrstvy (cm) v tomto oddíle programu. POZOR! Pokud ovšem zadáme hloubku remediované vrstvy větší než 25 cm, výpočty v oddíle L. MNOŽSTVÍ ŽIVIN A TĚŽKÝCH KOVŮ V REMEDIOVANÉ VRSTVĚ PŮDY PŘED VÝSADBOU a v oddíle O. POTŘEBA HNOJENÍ PO 1. OBMÝTÍ nebudou odpovídat skutečnosti a je potřeba udělat pro správnost výsledků v těchto dvou oddílech programu nový výpočet, pro který změníme pouze údaj v kolonce Hloubka remediované vrstvy na hodnotu do 25 cm. Po zadání výše uvedených dat je třeba kliknout na okénko Vypočítej. Pokud chcete po výpočtu zadaná data změnit, klikněte na okénko Původní nastavení a následně se vámi zadaná data i vypočtené údaje vymažou a můžete zadat nová vstupní data a opět pomocí tlačítka Vypočítej získat nové výsledky. 2.2 PŘEDNASTAVENÁ DATA 2.2.1 F. OBJEMOVÁ HMOTNOST PŮDY Tato položka se nevyplňuje. Její hodnota v t/ha je v programu přednastavena podle toho, jaký byl vybrán druh půdy v oddílu A. POPIS HLAVNÍ PŮDNÍ JEDNOTKY (HPJ) A KLONU tohoto programu. Pro lehké půdy je přednastavena objemová hmotnost půdy 1,2 t/m 3, pro střední půdy 1,4 t/m 3 a pro těžké půdy 1,5 t/m 3. 2.2.2 H. OBSAHY ŽIVIN A TK VE SKLIZENÉ BIOMASE KLONU Obsahy živin a TK ve sklizené biomase (mg/kg) jsou vypočteny na základě toho, který klon byl z nabídky vybrán a na jakém stanovišti, charakterizovaném HPJ, byl pěstován. Samozřejmě se jedná o obsah živin a TK v biomase sklizené v zimním období, jedná se tedy o nadzemní biomasu bez listí. 2.2.3 I. OPTIMÁLNÍ OBSAHY PŘÍSTUPNÝCH ŽIVIN V PŮDĚ V řádku nazvaném Optimální obsahy přístupných živin v půdě jsou přednastaveny hodnoty v mg/kg, které se uvažují pro orné půdy ve svrchním horizontu 0 25 cm. V případě trvalých travních porostů nebo při volbě větší hloubky půdního profilu je třeba tyto hodnoty považovat za vysoké a za zbytečně vysoké lze pak i považovat výsledky v oddílu O. POTŘEBA HNOJENÍ PO 1. OBMÝTÍ.
2.2.4 J. HMOTNOST PŮDY V REMEDIOVANÉ VRSTVĚ Jedná se o hmotnost půdy v remediované vrstvě vztažené na 1 hektar (t/ha). Výpočet je ovlivněn výběrem půdního druhu, potažmo tedy objemovou hmotností půdy a dále také zadanou hloubkou remediované vrstvy. 2.3 VÝSLEDKY 2.3.1 K. CELKOVÝ ODBĚR ŽIVIN A TĚŽKÝCH KOVŮ Z 1 HEKTARU ZA ROK V tomto řádku se po kliknutí na okénko Vypočítej ukáže množství živin a TK odebraných sklizením nadzemní biomasy z 1 hektaru v průměru za 1 rok (g/ha/rok) 2.3.2 L. MNOŽSTVÍ ŽIVIN A TĚŽKÝCH KOVŮ V REMEDIOVANÉ VRSTVĚ PŮDY PŘED VÝSADBOU V tomto řádku se po kliknutí na okénko Vypočítej objeví výpočet hmotnosti celkového obsahu vybraných živin a TK v remediované vrstvě na rozloze 1 ha (g/ha), který se v půdě nacházel před založením plantáže, tedy před výsadbou vybraného klonu. 2.3.3 M. ROČNÍ RELATIVNÍ ODBĚR TĚŽKÝCH KOVŮ Z 1 HEKTARU (%) Po kliknutí na okénko Vypočítej se v tomto řádku zobrazí z kolika procent byly TK (Cd, Pb a Zn) odstraněny z jejich celkového množství obsaženého v remediované vrstvě před založením plantáže a to z 1 ha za 1 rok. 2.3.4 N. ZMĚNA KONCENTRACE RIZIKOVÝCH PRVKŮ V PŮDĚ V PRŮBĚHU PĚSTOVÁNÍ V této položce se po kliknutí na okénko Zobrazit tabulku a graf otevře nové okno s tabulkou a grafem, zobrazujícími, jak rychle bude klesat celkový obsah TK v remediované vrstvě v průběhu následujících let po založení fytoextrakční plantáže.
2.3.5 O. POTŘEBA HNOJENÍ PO 1. OBMÝTÍ V tomto oddíle programu se v řádku O. POTŘEBA HNOJENÍ PO 1. OBMÝTÍ a v řádku O1. POTŘEBA HNOJENÍ NÁSLEDUJÍCÍ OBMÝTÍ vypočte, následně po kliknutí na okénko Vypočítej, množství jednotlivých živin, které by měly být dodány do půdy po prvním a následujícím obmýtí hnojením (kg/ha). Ve výpočtu v řádku O. POTŘEBA HNOJENÍ PO 1. OBMÝTÍ se vychází z hodnot v oddílu programu I. OPTIMÁLNÍ OBSAHY PŘÍSTUPNÝCH ŽIVIN V PŮDĚ, které se, jak už bylo zmíněno, uvažují pro orné půdy ve svrchním horizontu 0 25 cm. V případě trvalých travních porostů nebo při volbě větší hloubky půdního profilu je třeba tyto hodnoty považovat za vysoké a za zbytečně vysoké lze pak i považovat výsledky v oddílu O. POTŘEBA HNOJENÍ PO 1. OBMÝTÍ. Výsledky v řádku O1. POTŘEBA HNOJENÍ NÁSLEDUJÍCÍ OBMÝTÍ jsou vypočteny na základě odběru živin z půdy klonem a nejsou ovlivněny oddílem programu I. OPTIMÁLNÍ OBSAHY PŘÍSTUPNÝCH ŽIVIN V PŮDĚ. 2.3.6 P. POČET LET, ZA KTER POKLESNE CELKOVÝ OBSAH TĚŽKÝCH KOVŮ POD LIMITNÍ HODNOTY Po kliknutí na okénko Vypočítej se v tomto řádku zobrazí roky potřebné k odstranění jednotlivých sledovaných TK, a to do té míry, že jejich celkový obsah v remediované vrstvě poklesne pod limitní hodnoty. V programu jsou těmito limitními hodnotami míněny celkové obsahy Cd, Pb a Zn v mg/kg, získané rozkladem půdy lučavkou královskou, jak je uvedeno v příloze č. 1 Vyhlášky 13/1994Sb, kterou se upravují některé podrobnosti ochrany zemědělského půdního fondu ze dne 29. 12. 1993 Ministerstvem životního prostředí. Tyto maximálně přípustné hodnoty jsou: Cd 0,4 mg/kg, Pb 100 mg/kg a Zn 130 mg/kg pro lehké půdy a Cd 1 mg/kg, Pb 140 mg/kg a Zn 200 mg/kg pro střední a těžké půdy. 2.3.7 R. OBSAH RIZIKOVÝCH PRVKŮ VE VYČIŠTĚNÉ PŮDĚ PO DOSAŽENÍ LIMITNÍCH HODNOT Po kliknutí na okénko Vypočítej se v tomto řádku zobrazí celkové množství TK (kg/ha), které v půdě zůstane, poté co jejich obsah v remediované půdě dosáhne limitních hodnot (popis limitních hodnot je uveden v předchozím oddíle programu).