Πώς το θείο μπαίνει στο έδαφος των δασικών οικοσυστημάτων

Ο όρος «όξινη βροχή» μπορεί να ακούγεται σαν ένας παλιός θρύλος στους περισσότερους ανθρώπους. Αυτό το περιβαλλοντικό ζήτημα, το οποίο κάποτε απείλησε σοβαρά την υγεία των δασών, των λιμνών και των ποταμών της βορειοανατολικής Βόρειας Αμερικής, έχει πράγματι εν μέρει επιλυθεί.

Ο νόμος για τον καθαρό αέρα, που υπογράφηκε το 1970, εισήγαγε αυστηρότερους κανονισμούς για τις εκπομπές θείου (το κύριο στοιχείο που ευθύνεται για την όξινη βροχή) που είχε ως αποτέλεσμα τη γρήγορη και ουσιαστική μείωση του SO₂ εκπομπή (αέριο θείο) και όξινη βροχόπτωση στα χερσαία και υδάτινα οικοσυστήματα της Βόρειας Αμερικής. Αν και η ποιότητα του νερού των ρεμάτων και των λιμνών έχει βελτιωθεί σε μεγάλο βαθμό τις επόμενες δεκαετίες στα περισσότερα οικοσυστήματα, η ανάκτηση ήταν πιο αργή σε περιοχές με φυσικά όξινα εδάφη. Επιπλέον, οι δασικές λεκάνες απορροής εξακολουθούν να απελευθερώνουν περισσότερο θείο στα επιφανειακά ύδατα από ό,τι λαμβάνουν από την ατμοσφαιρική εναπόθεση παρά την έντονη μείωση της εναπόθεσης θείου.

Η προέλευση αυτής της ανισορροπίας είναι ασαφής. Αυτό θα μπορούσε να προέλθει από την υποεκτίμηση της αέριας εναπόθεσης - η οποία είναι πιο δύσκολο να ποσοτικοποιηθεί από την υγρή εναπόθεση - ή από άγνωστες πηγές θείου, ή ακόμα και από έναν αυξημένο ρυθμό απελευθέρωσης θείου από τα εδάφη. Αρκετά ινστιτούτα στις βορειοανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες και στον Καναδά έχουν πραγματοποιήσει έρευνα για να κατανοήσουν καλύτερα την τύχη του θείου που κάποτε αποτέθηκε στα δασικά οικοσυστήματα. Το έργο αυτό πρωτοστάτησε από τον Πρ. Gene Likens καθιερώνοντας ένα μακροπρόθεσμο πρόγραμμα περιβαλλοντικής παρακολούθησης το 1963 στο πειραματικό δάσος Hubbard Brook στο New Hampshire. Αυτή η εργασία επέτρεψε στους επιστήμονες να κατανοήσουν τους μηχανισμούς με τους οποίους οι όξινες βροχές επηρεάζουν την υγεία των δασικών και υδάτινων οικοσυστημάτων και να αξιολογήσουν την αποτελεσματικότητα των κανονισμών για τις ανθρωπογενείς εκπομπές θείου.

Η μοίρα του θείου στα δασικά οικοσυστήματα

Ελλείψει θείου στο βράχο (π. Η κύρια μορφή του θείου στην κατακρήμνιση είναι το θειικό ιόν (SO₄ ), ενώ η αέρια εναπόθεση θείου αποτελείται κυρίως από διοξείδιο του θείου (SO₂ ). Καθώς οι απαιτήσεις της βλάστησης σε θείο είναι χαμηλές, η τεράστια πλειοψηφία του θείου σε ένα δάσος αποθηκεύεται στο έδαφος. Για παράδειγμα, μόνο το 2% του θείου ενός βόρειου δάσους βρίσκεται στη βλάστηση έναντι 98% στο έδαφος (το 90% του οποίου βρίσκεται στο ορυκτό έδαφος κάτω από το στρώμα χούμου)[1].

Τα τελευταία χρόνια, μια ομάδα ερευνητών διεξήγαγε μια σειρά μελετών σε βόρεια και εύκρατα δάση του Καναδά για να κατανοήσουν καλύτερα την τύχη του θείου σε αυτά τα οικοσυστήματα. Παρακολούθησαν τις αλλαγές στη συγκέντρωση και στην ισοτοπική σύνθεση του μορίου θειικού (δS-SO₄ και δO-SO₄ ) στις βροχοπτώσεις, στους ορίζοντες του εδάφους και στο νερό των ρευμάτων κατά τις εποχές σε βόρεια και εύκρατα δάση του ανατολικού Καναδά. Μέχρι τη δεκαετία του '90, δεν ήταν σαφές εάν τα θειικά άλατα που εξάγονταν από λεκάνες απορροής μέσω ρεμάτων είχαν αλληλεπιδράσει με τη βλάστηση και τα συστατικά του εδάφους. Πράγματι, η ισοτοπική σύνθεση του θείου στο μόριο του θειικού (δS-SO₄ ) γενικά δεν διαφέρει μεταξύ της βροχόπτωσης, του εδάφους και των νερών των ρεμάτων, γεγονός που μερικές φορές έχει οδηγήσει στο ψευδές συμπέρασμα ότι το θειικό δεν αλληλεπιδρά με βιοτικά συστατικά κατά τη διέλευσή του από το οικοσύστημα. Αλλά οι αναλύσεις της σταθερής ισοτοπικής σύνθεσης των ατόμων οξυγόνου του μορίου του θειικού έχουν αποκαλύψει μια διαφορετική ιστορία (δείτε το πλαίσιο παρακάτω).

Αυτοί οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η ποσότητα θείου είναι πολύ μεγαλύτερη (~50%) στη βροχόπτωση που συλλέγεται κάτω από τα στέγαστρα των δασών από ό,τι στα ξέφωτα των δασών. Αυτός ο εμπλουτισμός σε θείο συνοδεύεται από έντονη μείωση του δO-SO₄ . Αυτό προκύπτει από τη διάλυση και την οξείδωση του αερίου θείου (SO₂ ) στην επιφάνεια του θόλου. Το SO₄ Τα ιόντα που παράγονται μέσω αυτής της αντίδρασης έχουν τυπικό χαμηλό δO-SO₄ τιμές και στη συνέχεια ξεπλένονται από το θόλο. Αυτό το φαινόμενο είναι ιδιαίτερα σημαντικό στα αειθαλή δάση κωνοφόρων των οποίων ο θόλος έχει μεγάλη επιφάνεια ανταλλαγής με την ατμόσφαιρα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Το πλεόνασμα θείου στην κατακρήμνιση που συλλέγεται κάτω από το θόλο σε σύγκριση με τη βροχόπτωση στα ξέφωτα είναι μια εκτίμηση της ξηρής εναπόθεσης σε ένα δάσος. Αυτή η ποσότητα εξαρτάται από τις τοποθεσίες της τοποθεσίας και ποικίλλει μεταξύ των τύπων βλάστησης και των εποχών, επειδή ο θόλος μπορεί να απορροφήσει ένα μέρος της ξηρής εναπόθεσης [2].

Μετά τη διέλευσή του από τον θόλο, η βροχόπτωση φτάνει στο δάσος και διεισδύει στους εδαφικούς ορίζοντες. Το νερό του εδάφους μπορεί να συλλεχθεί από το έδαφος χρησιμοποιώντας λυσίμετρα, κυλινδρική πορώδη συσκευή τοποθετημένη στη μήτρα του εδάφους και συνδεδεμένη με δοχεία με αρνητική πίεση. Σε όλα τα ερωτηθέντα δάση, δO-SO₄ ήταν χαμηλότερο σε νερό που συλλέγεται από τα λυσίμετρα που βρίσκονται κάτω από το στρώμα χούμου από ό,τι σε κατακρήμνιση που συλλέγεται κάτω από το θόλο. Αυτή η επιπλέον μείωση στο δO-SO₄ υποδεικνύει ότι το εισερχόμενο ατμοσφαιρικό θειικό υποβάλλεται σε γρήγορη επεξεργασία από μικροοργανισμούς του εδάφους πριν από την έκπλυση. Αυτή η μικροβιακή επεξεργασία αντιστοιχεί στην ενσωμάτωση θειικού άλατος στην οργανική ύλη που ακολουθείται από οξείδωση αυτού του οργανικού θείου. Με άλλους όρους, αποκαλύπτει μια παραγωγή «δευτερογενούς» θειικού εντός της στιβάδας του χούμου από μικροοργανισμούς του εδάφους από οργανικό θείο και το περιβάλλον νερό και O₂ .

Καμία περαιτέρω μείωση στο δO-SO₄ παρατηρείται μεταξύ του νερού του εδάφους που συλλέγεται κάτω από το στρώμα του χούμου και του νερού των ρευμάτων στις περιοχές του βόρειου δάσους, υποδεικνύοντας ότι οι μικροοργανισμοί του εδάφους δεν επεξεργάζονται σημαντικά θειικά άλατα βαθύτερα στο προφίλ του εδάφους [3]. Αντίθετα, δO-SO₄ Το νερό του εδάφους που συλλέγεται 25 cm κάτω από το στρώμα του χούμου ήταν ακόμη χαμηλότερο από το χούμο στο εύκρατο δάσος που ερευνήθηκε [4]. Αυτή είναι η απόδειξη ότι, σε αντίθεση με τις βόρειες τοποθεσίες, οι μικροοργανισμοί του εδάφους επεξεργάζονται θείο βαθύτερα στο ορυκτό έδαφος σε εύκρατα δάση παρά σε βόρεια δάση, πιθανώς λόγω καλύτερων φυσικοχημικών συνθηκών (υψηλότερες θερμοκρασίες, καλύτερη ποιότητα απορριμμάτων κ.λπ.). /P>

Αυτό το φαινόμενο υποστηρίζεται περαιτέρω από εποχιακές διακυμάνσεις στο νερό του εδάφους δO-SO₄ . Το δΟ του θειικού στο εδαφικό διάλυμα είναι πράγματι υψηλότερο το φθινόπωρο από ό,τι την άνοιξη και το καλοκαίρι. Αυτό προκύπτει από την απελευθέρωση πρωτογενούς θειικού άλατος από την κάλυψη του χιονιού στις αρχές της άνοιξης, το οποίο στη συνέχεια ανακυκλώνεται από μικροοργανισμούς του εδάφους κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου, με αποτέλεσμα υψηλότερη αναλογία δευτερογενούς θειικού άλατος το φθινόπωρο από ό,τι την άνοιξη και το καλοκαίρι.

Αυτές οι μελέτες δείχνουν ότι, σε αντίθεση με ό,τι πιστευόταν προηγουμένως, το θείο της ατμόσφαιρας αλληλεπιδρά έντονα με τους δασικούς θόλους και τα εδάφη πριν απελευθερωθεί από τις δασικές λεκάνες απορροής. Η εργασία τους δείχνει ότι μεταξύ 65% και 80% των εναποτιθέμενων θειικών αλάτων στα βόρεια δάση και ακόμη περισσότερο στα εύκρατα δάση αλληλεπιδρά με τον θόλο και το στρώμα χούμου πριν φύγει από τις λεκάνες απορροής.

Αναφορές:

1. Houle D, Carignan R. Ειδοποίηση και κατανομή θείου σε εδάφη και υπέργεια βιομάζα ενός βόρειου δάσους κωνοφόρων. Βιογεωχημεία [Διαδίκτυο]. 1992; 16(1):63–82.
2. Marty C, Houle D, Duchesne L, Gagnon C. Αλληλεπίδραση θόλου με κατακρήμνιση και εναπόθεση θείου σε δύο βόρεια δάση του Κεμπέκ, Καναδάς. Environ Pollut [Διαδίκτυο]. 2012; 162:354–60.
3. Houle D, Marty C, Duchesne L, Gagnon C. Το στρώμα χούμου είναι ο κύριος τόπος της δευτερογενούς παραγωγής SO4 στα βόρεια δάση. Geochim Cosmochim Acta [Διαδίκτυο]. 2013
4. Marty C, Houle D, Duchesne L, Gagnon C. Στοιχεία δευτερογενούς παραγωγής θειικών αλάτων στο ορυκτό έδαφος μιας εύκρατης δασικής λεκάνης απορροής στο νότιο Κεμπέκ του Καναδά. Appl Geochemistry [Διαδίκτυο]. 2019; 100:279–86.