Naturens återhämtning från försurning

isbn 91-620-5028-1

issn 0282-7298

Naturens återhämtning från försurning

RAPPOR

T 5028

RAPPORT 5028

Naturens återhämtning

från försurning

– aktuell kunskap och framtidsscenarier

Försurningen av luft, mark och vatten har

på-verkat ekosystemen i Sverige mycket negativt.

Eftersom utsläppen av försurande föroreningar

minskat under de senaste decennierna, förväntar

vi oss nu att naturen kommer att återhämta sig.

Denna rapport utgör en sammanfattning och syntes

av aktuell information och kunskap om hur

åter-hämtning till följd av minskad deposition av

försur-ande ämnen kan komma att gestalta sig. Rapporten

beskriver depositionsutvecklingen, markkemiska

processer, resultat från experimentella

undersök-ningar och miljöövervakningen samt olika

framtids-scenarier. Rapporten kan ligga till grund för

åtgär-der och miljöpolitiska beslut.

Redaktörer

Per Warfvinge

Naturens återhämtning

från försurning

– aktuell kunskap och framtidsscenarier

u

Redaktörer

Per Warfvinge

Ulla Bertills

MILJÖANALYSAVDELNINGEN, Miljöeffektenheten

Kontaktperson: Ulla Bertills, Telefon: 08-698 15 02 Författarna svarar ensamma för rapportens innehåll.

Rapporten har fackgranskats. Produktion: Margot Wallin De flesta illustrationerna i rapporten är

omritade av Johan Wihlke Omslagsbild: Stora Idegölen i regn,

Norra Kvill nationalpark, Fotograf: Jan Schützer/N Foto sid 38: Per Warfvinge, sid 50: Per Hörstedt

Beställningsadress: Naturvårdsverket Kundtjänst 106 48 Stockholm Telefon: 08-698 12 00 Fax: 08-698 15 15 E-mail: kundtjanst@environ.se Internet: http://www.environ.se isbn 91-620-5028-1 issn 0282-7298

F

ÖRORD

Denna rapport utgör en sammanfattning och syntes av ak-tuell information och kunskap om hur återhämtning till följd av minskad deposition av försurande ämnen kommer att gestalta sig. Rapporten ingår som en del i slutrapporte-ringen från projektområdet ”Försurande ämnen och mark-nära ozon”. Projektområdet igångsattes 1993 inom ramen för Naturvårdsverkets forskningsverksamhet. Avslutning-en har finansierats med medel från MISTRA.

Rapporten har författats av flera personer, av vilka de flesta har uppburit forskningsanslag från projektområdet. Vi vill också uppmärksamma att en stor del av de resultat och den kunskap som ligger till grund för skriften har tagits fram av kollegor utanför författarkretsen. Vi vill betona vår upp-skattning av deras tålmodiga, långsiktiga och kvalificerade forskningsinsatser inom området.

Denna rapport har skrivits för dem som redan har viss in-sikt i försurningsproblemets orsaker och effekter. Avin-sikten är att syntesen skall ligga till grund för åtgärder, myndig-hetsbeslut och miljöpolitiska ställningstaganden, men även utgöra bakgrundsinformation för framtida forskning. För mer djuplodande vetenskapliga resonemang hänvisar vi till refererade skrifter.

PER WARFVINGEOCH ULLA BERTILLS

LUNDOCH STOCKHOLM

I

NNEHÅLL

SAMMANFATTNING 6

1 INLEDNING 9

1.1 Försurning av mark och vatten 9

1.2 Internationella avtal 10

1.3 Kemisk och biologisk återhämtning 12

1.4 Behov av kunskap 13

1.5 Miljöövervakningsdata, fältexperiment och modeller 14

2 DEPOSITIONSUTVECKLINGENI SVERIGE 15

2.1 Varför, var och hur mäter vi depositionen? 16

2.2 pH-värdet i nederbörden har ökat 16

2.3 Svaveldepositionen minskar 17

2.4 Kvävedepositionen minskar bara långsamt 18

2.5 Vad händer med baskatjonerna? 20

3 VILKAPROCESSERSTYRÅTERHÄMTNINGEN? 23

3.1 Reversibla och irreversibla markprocesser 23

3.2 Studier i avrinningsområden och jordprofiler 24

3.3 Jonbyte 25

3.4 Vittring 26

3.5 Svaveltransport i mark och vatten 27

3.5.1 Sulfatadsorption 28

3.5.2 Organiskt svavel 29

3.5.3 Oxidation och bakteriell sulfatreduktion 29

3.6 Vattenkemiska jämvikter – ANC och pH 30

3.7 Näringsupptag och utlakning av kväve 32

3.8 Markanvändningens betydelse 33

3.9 Rumslig variation i avrinningsområden 34

3.10 Försurningens och återhämtningens dynamik 34

4 SVENSKAEXPERIMENTELLASTUDIER 37

4.1 Takprojektet i Gårdsjön 38

4.1.1 Varför byggdes taket? 41

4.1.2 Möjligheter och begränsningar i takprojektet 41

4.1.3 Högre ANC och mindre aluminium vid minskad deposition 42

4.1.4 Svaveldynamik i marken – viktig och osäker 43

4.1.5 Baskatjoner – halterna sjunker trots minskad syradeposition 46

4.1.6 Många frågor återstår! 47

4.2 Kiselalger som biologisk pH-meter 49

4.2.1 Örvattnet, Värmland 50

5 ÅTERHÄMTNINGISVENSKAVATTENOCHSKOGSMARK 53

5.1 Återhämtning i sjöar – indikationer i enskilda sjöar 53

5.2 Trender i tidsseriesjöarnas vattenkemi 54

5.2.1 Sulfatkoncentrationen minskar 54

5.2.2 Alkaliniteten ökar svagt – pH förändras något 55

5.3 Riksinventeringarna av svenska sjöar 57

5.4 Integrerad miljöövervakning – återhämtning

i avrinningsområden 58

5.5 Förändringar i markkemi i Sverige – Ståndortskarteringen 59

5.5.1 Hur förändras pH i skogsmarken? 60

5.5.2 Vilken inverkan har tillväxten på ändringen i pH? 61

5.5.3 Utbytbara baskatjoner, aciditet och aluminium 63

5.6 Hur påverkas biota av den kemiska återhämtningen? 65

6 INTERNATIONELLAERFARENHETER 67

6.1 Takexperiment inom EXMAN-projektet 68

6.2 RAIN-projektet 69

6.3 Nederländska studier 71

6.4 Sudbury, Kanada 71

6.5 Miljöövervakningsprogram inom luftkonventionen 72

7 FRAMTIDSUTSIKTER 74

7.1 Framtida depositionsutveckling 74

7.2 Tolkning av takexperimentet – modellering 78

7.3 Modellering på skog i södra Sverige 80

7.4 Regionala bedömningar 82

8 SYNTES 85

8.1 Vad vet vi? 85

8.2 Vad tror vi? 87

8.3 Hur ser hotbilden ut? 87

8.4 Vilka är kunskapsluckorna? 89

8.5 Slutord 90

9. REFERENSER 91

S

AMMANFATTNING

F

örsurningen av luft, mark och vatten har påverkat miljön i Eu-ropa och Nordamerika mycket negativt. I Sverige har stora ekolo-giska värden i sjöar och vattendrag gått till spillo, och viktiga närings-ämnen har lakats ur skogsmarken. Kulturföremål såsom hällristningar och byggnadsdetaljer har påverkats. Utsläppen av försurande förore-ningar har dock minskat sedan något decennium. Vi har därför för-hoppningar om att naturen kommer att återhämta sig och att vi uppnår förhållanden liknande dem som rådde innan den sentida försurningen. Internationella förhandlingar om att begränsa utsläppen i Europa och Nordamerika har drivits inom ramen för Konventionen om gränsöver-skridande luftföroreningar (eng. Convention on Long Range

Trans-boundary Air Pollution, CLRTAP). Det nu gällande avtalet från 1994

bygger på principen att gapet mellan nuvarande svavelnedfall och den kritiska belastningen skall minska med 60 %. I december 1999 under-tecknades ett s k ”multi-effect, multi-pollutant”-protokoll. Detta avtal lägger fast nya utsläppstak för såväl svaveldioxid, kväveoxider, ammo-niak som flyktiga organiska ämnen (VOC). Inom EU har kommissionen tagit fram en särskild försurningsstrategi som rymmer flera förslag på direktiv med syfte att minska utsläppen på ett kraftfullt sätt.

Återhämtning från försurande nedfall avser såväl kemisk återhämt-ning som biologisk återhämtåterhämt-ning.

Kemisk återhämtning innebär att vissa kritiska kemiska variabler åter-går mot ett ursprungligt tillstånd, t ex att pH-värdet stiger och alumi-niumhalten i ytvattnen minskar.

För akvatiska miljöer relateras biologisk återhämtning till att några nyckelorganismer har återtagit sin roll i det ekologiska systemet som livskraftiga populationer, t ex zooplankton, bottenlevande djur, eller ett karaktäristiskt fiskbestånd.

I slutet av 1980-talet var de genomsnittliga pH-värdena i Blekinge mellan 4,0 och 4,2 i nederbörd på öppet fält. År 1997 hade pH stigit till 4,5. Utvecklingen har varit ungefär densamma i övriga delar av söd-ra och mellersta Sverige.

Svaveldepositionen har minskat kraftigt samtidigt som kvävede-positionen förändrats relativt lite under perioden sedan 1990. Deposi-tionen av sulfatsvavel i nederbörd på öppet fält har minskat med 30 %.

Deposition till granskog har i genomsnitt minskat mer, med ca 45 %. Trenden mot minskad belastning av svavel är relativt stark och likartad i hela landet. Utsläppen av kväve i Sverige och övriga Europa har inte minskat lika mycket som svavelutsläppen under de senaste åren, vilket förklarar skillnaderna i depositionsutveckling.

Försurning och återhämtning från försurning är förlopp som spän-ner över många decennier. Tidsförloppet styrs främst av markkemiska processer som kemisk vittring, katjonbyte och sulfatadsorption. Den i ytvatten viktigaste biologiska parametern, pH-värdet, bestäms av vat-tenkemiska jämvikter. Vid minskad deposition kommer marken tende-ra att binda baskatjoner och att frigötende-ra sulfat. Detta fördröjer åter-hämtningen. Kunskap saknas speciellt om svavlets kretslopp och dess inverkan på återhämtningsförloppet. Risken för att skogen generellt skall börja läcka kväve i form av nitrat, vilket får en försurande inverkan, är liten.

I Sverige har återhämtning studerats experimentellt genom Takpro-jektet i Gårdsjön och paleolimnologiska studier. I Gårdsjön har ett 0,6 hektar stort avrinningsområde täckts, och nederbörden ersatts med vat-ten motsvarande naturlig nederbörd. Efter 7 år av experimentell be-handling hade halterna av sulfat, oorganiskt aluminium och baskatjo-ner i avrinningen minskat med 50–60 %. Vattnets buffertkapacitet, ANC, har ökat i samma takt som aluminiumhalterna har minskat. pH har bara ökat obetydligt eftersom vattnets ökade buffertförmåga omsatts i minsk-ning av aluminiumhalten.

Paleolimnologisk undersökning av Örvattnet i Värmland har visat hur kemisk återhämtning, från pH 4,7 till 4,9 sammanfaller med biolo-gisk återhämtning, t ex av abborrbestånd.

Undersökning av vattenkemin i de s k tidsseriesjöarna visar att såväl sjöarnas sulfathalter som baskatjonhalterna minskade från 1983 och framåt (median) med ca 0,002 mekv per liter och år. Därför är ökning-en i ANC gökning-enerellt mindre än minskningökning-en i sulfathalt. I flertalet sjöar som har haft alkalinitet har alkaliniteten ökat sedan 1980-talets början. Den generella bilden är densamma oavsett om man studerar tidsserie-sjöarna, sjöarna inom riksinventeringen, mindre bäckar inom den inte-grerade miljöövervakningen eller vänder sig till utländska studier. Åter-hämtningen är tydlig även i de områden där den kritiska belastningen av syra fortfarande överskrids. Sjöarnas pH-värde ökade (median) med 0,1 enhet under en 10-årsperiod.

Ståndortskarteringens markkemiska analyser visar att pH-värdet i skogsmarken minskade med i genomsnitt 0,1 enhet mellan omdreven i mitten av 1980-talet respektive 1990-talet. Minskningen är särskilt markant i inre Götaland, nordvästra Svealand och Västerbotten. Halten av utbytbart magnesium har minskat och halten utbytbart aluminium har ökat i mineraljorden (B-horisonten) i hela landet. Dessa observatio-ner stärker bilden av en pågående markförsurning.

Framtida deposition av försurande ämnen är avhängig av vilka åta-ganden som Europas länder gör inom EU och CLRTAP. Det finns där-för flera tänkbara depositionsscenarier där-för framtiden. Man där-förväntar att minskningarna av svaveldeposition till 2010 blir 65–75 % relativt 1990. Minskningen för nitratkväve blir 50–60 % medan minskningen av am-moniumkväve stannar vid ca 15 %. I förhållande till 1980 motsvarar det en 80–85-procentig minskning av svaveldepositionen. De relativa minsk-ningarna av svavel och nitratkväve blir störst i de södra länen.

Simulering av återhämtningsförloppet i Takexperimentet i Gårdsjön visar att sulfathalten i avrinningen kommer att stabiliseras under de när-maste 20 åren. Baskatjonhalterna fortsätter att minska i avrinningen, liksom halten av oorganiskt aluminium. Även efter 30 år utan försuran-de nedfall kommer aluminiumhalterna fortfaranförsuran-de vara förhöjda, pH har stigit något och ANC förblir under 0. Modellering av 17 skogsytor i södra Sverige visar att markens basmättnadsgrad inte kommer att åter-ställas, och att ANC inte kommer nå de uppskattade förindustriella nivåerna i något fall. Den största återhämtningen vad gäller pH och ANC sker i mark med relativt hög buffringskapacitet och hög vittrings-hastighet. Modellering av 147 lokaler inom Ståndortskarteringen för-stärker bilden av mycket långsam återhämtning av marksystemet, och att försurningen inte är helt reversibel ens inom 50 år. I de känsligaste, mest försurade områdena är beräkningsresultaten mest negativa.

Rapporten visar på vikten av att långsiktighet tillåts prägla miljööver-vakningen och den experimentella vetenskapliga forskningen, i syfte att ytterligare förbättra kunskapen om återhämtningsförloppen.

1. I

NLEDNING

PER WARFVINGE & RICHARD F. WRIGHT

Försurningen av luft, mark och vatten har påverkat ekosystem i Europa mycket negativt, och orsakat omfattande skador på kulturföremål och andra material. Eftersom utsläppen av försurande föroreningar minskat under de senaste decennierna förväntar vi oss nu att naturen kommer att återhämta sig och att vi skall uppnå förhållanden liknande dem som rådde innan den moderna försurningen, inom rimlig tid.

Den positiva utvecklingen beror på åtgärder som drivits fram inom ramen för internationella miljökonventioner. En förutsättning för det långsiktiga målet om en uthållig utveckling är att nedfallet, depositio-nen, av försurande ämnen bringas ned till den kritiska belastningen.

1.1 F

ÖRSURNING AV MARKOCH VATTEN

Sedan industrialismens genombrott på 1800-talet har utsläppen av för-surande ämnen ökat kraftigt. Föroreningarna utgörs av svavel- och kvä-veföreningar som bildas vid förbränning av fossila bränslen, utvinning av metaller ur malmer, och många andra industriella aktiviteter. Den his-toriska utvecklingen av svaveldepositionen är en god spegelbild av indu-strialiseringen (figur 1).

De försurande förore-ningarna sprids i luften, och deponeras i form av gas, som luftburna par-tiklar eller lösta i regnvat-ten eller i snö långt från utsläppskällorna. Inom stora områden i norra och centrala Europa samt i östra Nordamerika har många decenniers sur de-position lett till omfatt-ande miljöskador.

Tusentals sjöar och vattendrag har drabbats av skador på ekosyste-men, inte minst genom att bestånd av laxfiskar har gått förlorade.

Figur 1. Uppskattad förändring i svavelnedfall över ett område be-läget på småländska höglandet, 1880–1995. Efter Mylona (1993).

Försurning av skogsmarken har lett till förlust av mineralnäringsäm-nen, och markkemiska betingelser som eventuellt kan ge negativ påver-kan på skogen. Höga halter av försurande ämnen, i kombination med oxiderande ämnen har även orsakat stora skador på byggnadsverk, kon-struktioner m m.

Genom sitt geografiska läge och naturgivna känslighet tillhör Sverige de europeiska länder där de ekologiska skadorna av sur deposition har varit mest tydliga och allvarliga. Detta, i kombination med att 80–90 % av det sura nedfallet utgörs av föroreningar från andra länder, har lett till att Sverige sedan 1970-talet bedrivit en mycket aktivt politik för att begränsa utsläppen. Sverige har varit pådrivande för att få fram långt-gående åtaganden från Europas länder, det har satsats stora resurser på försurningsforskning, och miljardbelopp har avsatts för direkta åtgärder såsom kalkning av sjöar och vattendrag.

Försurning av mark och vatten är en komplex process. I ett mycket långt tidsperspektiv, exempelvis sedan den senaste nedisningen, är för-surningen en naturlig process. Den naturliga förför-surningen orsakas bl a av att markmineralens vittringshastighet långsamt minskar. Under det senaste årtusendets uppodling av landskapet tycks dock många sydsvenska sjöar fått höjda pH-värden (Renberg m fl, 1993a; Renberg m fl, 1993b) sannolikt till följd av svedjebruk och annan markanvändning.

Omkring sekelskiftet accelererade försurningen till följd av det sura nedfallet. Denna påverkan har varit mångdubbelt större än den naturli-ga försurningsprocessen, och större än effekten av uppodlingen. Den sentida försurningen kan man därför se som att marken i många områ-den har åldrat många tusentals år under loppet av ett sekel. Det sura nedfallet har konsumerat markens buffertsystem. Det yttrar sig först som en kraftig urlakning av mineralnäringsämnen från marken, därefter som sjunkande pH-värden och förhöjda aluminiumhalter i sjöar och vattendrag. Aluminiumurlakningen är den direkta orsaken till att flera känsliga växt- och djurarter försvunnit i försurade vatten.

1.2 I

NTERNATIONELLA AVTAL

Till följd av nationella och internationella ansträngningar har det sura nedfallet minskat kraftigt. De högsta depositionsnivåerna nåddes nå-gon gång under 1970-talet eller tidigt 1980-tal. Därefter har depositio-nen av svavel minskat med mer än hälften.

Under de senaste årtiondena har det gjorts stora ansträngningar för att minska utsläppen av försurande ämnen till atmosfären. Internatio-nella förhandlingar om att begränsa utsläppen i Europa och Nordame-rika har drivits inom ramen för Konventionen om gränsöverskridande luftföroreningar (eng. Convention on Long Range Transboundary Air

Pollution, CLRTAP). Det första resultatet av dessa förhandlingar var

ett avtal som slöts 1985. De länder som anslöt sig åtog sig att minska utsläppen av svavel med 30 % till 1993, jämfört med 1980 års nivå. Det andra svavelprotokollet undertecknades 1994. Om åtagandena i det avtalet fullföljs innebär det att utsläppen i Europa kan halveras till år 2000, jämfört med 1980 års nivå. 1994 års avtal bygger på principen att gapet mellan nuvarande svavelnedfall och den kritiska belastningen skall minska med 60 %. En sammanställning av avtal inom CLRTAP finns i tabell 1.

Tabell 1. Sammanställning av avtal inom ramen för Konventionen om gräns-överskridande luftföroreningar CLRTAP.

PROTOKOLL ÅTAGANDE BASÅR GÄLLER RATIFI

-TILL CERAT

1:a svavelpro- Minskning av utsläppen i 1980 1980– 1987 tokollet 1985 alla länder med 30 %. 1994 (21 länder) NOx-proto- Frysning av utsläppen på 1987 1994 1991

kollet 1988 basårets nivå, och vidare (26 länder) förhandlingar.

VOC 30 % minskning av Valfritt 1999 1997 1991 utsläppen till 1999. 1984–90 (17 länder) 2:a svavelpro- Olika utsläppsminskningar 1990 2000 1998 tokollet i olika länder med avsikt att för vissa (22 länder) 1994 minska skillnaden mellan länder

verklig deposition och 2010 kritisk belastning med 60 %.

POP-pro- Förbud mot eller restrik-tokollet tionen för 16 persistenta 1998 organiska ämnen. Tungmetall- Minskade utsläpp av kad-protokollet mium, bly och kvicksilver 1998 från industri,

energianlägg-ningar och sopförbränning.

2:a kväveproto- Ytterligare minskningar av 1990 2010 kollet, Multi- utsläpp av SO2, NO_x och

pollutant, mul- VOC. tieffect, 1999

Det bedrivs även arbete inom CLRTAP för att minska utsläppen av oxiderat kväve, NO_x. Ett första avtal om frysning av NOx-utsläppen på

1987 års nivå till 1994 slöts 1988, och 1999 undertecknades ett s k ”multi-effect, multi-pollutant”-protokoll i Göteborg. Detta avtal läg-ger fast utsläppstak för såväl svaveldioxid, kväveoxider, ammoniak som flyktiga organiska ämnen (VOC).

Inom den Europeiska Unionen har man tagit fram en försurnings-strategi och även lagt fram ett förslag till direktiv om nationella ut-släppstak för ovannämnda luftförorenningar.

Målsättningen med dessa avtal är i första hand att försurningen skall bromsas upp, och att nedfallet på sikt skall nå och helst underskrida kritisk belastning. Först då den kritiska belastningen har nåtts kan åter-hämtning till naturliga kemiska tillstånd förväntas på sikt (Lövblad & Bertills, 2000).

1.3 K

EMISK OCH BIOLOGISK ÅTERHÄMTNING

Vad menar vi då med återhämtning? Vi skiljer här på kemisk

återhämt-ning och biologisk återhämtåterhämt-ning.

Termen kemisk återhämtning avser abiotiska processer – vanligtvis i marksystemet – som påverkar den biologiska återhämtningen. Kemisk återhämtning behöver inte innebära att alla kemiska variabler återgår till ett ursprungligt tillstånd. I försurade marksystem kan kemisk åter-hämtning innebära att markens förråd av baskatjoner (kalcium, magne-sium, kalium) ökar. I sjöar och vattendrag sker återhämtning bl a om pH-värdet stiger och aluminiumhalten minskar. Detta är starkt kopplat till ökning av vattnets syraneutraliserande förmåga, ANC.

För akvatiska miljöer relateras biologisk återhämtning till att några nyckelorganismer har återtagit sin roll i det ekologiska systemet som livskraftiga populationer (Dise m fl, 1998). Nyckelorganismer i sjöar och vattendrag kan vara känsliga fytoplankton, zooplankton, bottenle-vande djur, eller ett karaktäristiskt fiskbestånd.

Förutsättningen för en biologisk återhämtning i sjöar och vattendrag är att en kemisk återhämtning påbörjats. Hur snabbt organismer kom-mer tillbaka beror på reproduktionshastigheten men framför allt på sprid-ningsmöjligheten. Ett vattensystem där försurningen inte gått lika långt utan ursprungliga organismer fortfarande finns kvar i ett lågt antal har en större möjlighet till biologisk återhämtning vid förbättrade kemiska

förhållanden. Organismer med stor spridningskapacitet förväntas vara de som först återkommer i gravt skadade vattensystem.

Liksom försurningen har varit en utdragen process, kommer det att ta lång tid innan de positiva effekterna av depositionsminskningar visar sig i sjöar och vattendrag. De kemiska nyckelprocesserna sker i marken, eftersom nästan alla föroreningar deponeras på marken i avrinningsom-rådena, och till största delen passerar marken på sin väg till sjöar och vattendrag. Beroende på förutsättningarna tar det sedan olika lång tid för de ekologiska samhällena att återskapas, i vissa fall kan det bli fråga om återinplantering av viktiga arter.

1.4 B

EHOV AV KUNSKAP

Även om depositionen av främst försurande svavel har minskat återstår många frågor av stor vikt att besvara.

Några av dessa är:

• Kommer vi överhuvudtaget att uppnå kemisk återhämtning inom rimlig tid med de överenskomna minskningarna i deposition. I vilka områden kommer återhämtningen att ske snabbast? • Om en kemisk återhämtning sker, hur utvecklar sig de ekologiska

samhällena?

• Hur skall den svenska sjökalkningsverksamheten utformas i framti-den när en återhämtning sker?

• Är det nödvändigt att påbörja storskalig markkalkning i syfte att förhindra ytterligare markförsurning, att snabba upp återhämt-ningsförloppet och att skydda ytvatten?

• Påverkar ett utökat uttag av biomassa för energiändamål återhämt-ningen, och är det förenligt med miljökvalitetsmålen?

• Medför återhämtningsförloppet att Sverige på något sätt bör revi-dera sin argumentation och förhandlingslinje inom det interna-tionella luftvårdsarbetet?

• Vilka är de samhällsekonomiska kostnaderna för försurningen i framtiden?

Tre olika ansatser kan användas för att belysa återhämtningsförlop-pet; analys av kemiska och biologiska tidsserier, experiment i vilka depositionen minskats drastiskt, samt genom användning av mate-matiska modeller. Alla dessa ansatser har använts inom svensk försur-ningsforskning.

1.5 M

ILJÖÖVERVAKNINGSDATA

,

FÄLTEXPERIMENT OCH MODELLER

Empiriska data från den svenska miljöövervakningen omfattar vatten-kemi i ett hundratal sjöar och vattendrag. Mätningar har genomförts sedan 1980-talets början. Vi saknar således data från själva försurnings-fasen, vilket försvårar tolkningen av trender. Analyser av kiselalger i sjö-sedimentet ger dock svar på när och hur mycket en sjö försurats. Kisel-alger är också viktiga i frågan om biologisk återhämtning där de förvän-tas visa en snabb respons i artsammansättning vid förbättrade vattenke-miska förhållanden. För markkevattenke-miska förändringar finns Ståndortskar-teringen. Inom Ståndortskarteringen mäts markkemiska parametrar på ca 2000 lokaler i landet. Hittills har förhållandena på varje lokal mätts två gånger, på 1980 och 1990-talen. En annan viktig hörnpelare är givetvis mätningarna av depositionen. Dessa genomförs inom såväl re-gionala, nationella som internationella nätverk. Mätningar av deposi-tionens kemi startade i Sverige så tidigt som 1955.

Bland experimentella studier finner vi det viktiga takprojektet i Gård-sjön på västkusten. Det är ett exempel på storskalig experimentell mani-pulation i vilken depositionen av svavel och kväve minskats mycket kraf-tigt. Liknande studier gjordes tidigare på flera håll i Europa, men Gård-sjön är ett av de få takexperiment som fortfarande pågår.

Försurningsmodeller har använts för att belysa den kemiska återhämt-ningen av mark och vatten som följd av olika depositionsscenarier för svavel och kväve. Liknande biogeokemiska modeller har använts för att uppskatta den kritiska belastningsgränsen för försurande ämnen. Den kritiska belastningen har i sin tur utgjort vetenskapligt underlag för inter-nationella förhandlingar inom ramen för CLRTAP.

Var och en av dessa ansatser har sina begränsningar. Kombinationen av kontrollerade experiment, regionala databaser och matematiska prog-nosverktyg har dock störst potential att besvara ovanstående frågor. I denna rapport redovisas resultaten från ett antal studier, av vilka de fles-ta finansierats av Naturvårdsverket. Avsikten är att belysa återhämtnings-förloppet, men även att dokumentera den svenska forskningen inom området och att sätta in den i ett internationellt sammanhang.

2. D

EPOSITIONSUTVECKLINGEN

I

S

VERIGE

OLLE WESTLING & GUN LÖVBLAD

Genom industrialismens genombrott ökade belastningen av svavel redan under slutet av 1800-talet. Ökningstakten steg-rades efter andra världskriget främst till följd av den kraftigt ökade förbränningen av olja. Depositionen kulminerade på 1970-talet och förväntas minska kraftigt fram till år 2010 ge-nom åtgärder som kommit till stånd efter internationella av-tal.

Kväveutsläpp från användning av fossila bränslen ökade se-nare än svavelutsläppen till följd av vägtrafikens tillväxt. De-positionen av kväveoxider kulminerade runt 1990 och en viss minskning kan nu ses. Kvävedepositionen orsakad av am-moniakavgång från jordbruket var som störst i mitten av 1900-talet och har därefter minskat.

Depositionsutvecklingen illustreras i figur 2 som visar sul-fathalten i våtdepositionen på en mätstation i Mellansverige.

Figur 2. Svaveldepositionen mätt som våtdeposition över Mellansverige (MISU, Stockholms universitet, opubl data).

2.1 V

ARFÖR

,

VAROCH HUR MÄTER VI DEPOSITIONEN

?

Depositionsmätningarnas syfte är att kvantifiera belastningen både på öppna områden (brukar benämnas öppet fält), som till exempel marker med låg vegetation och sjöytor, samt på skog. Mätdata kan visa om de beslutade förändringarna av utsläpp i Europa verkligen motsvaras av ett minskat nedfall, samt ge underlag för modellberäkningar. Modeller kan användas för att förutsäga utvecklingen de närmaste decennierna base-rat på framtida utsläpp av luftföroreningar i Europa. För detta ändamål används den s k EMEP-modellen.

Våtdepositionen i Sverige har mätts sedan mitten på 1950-talet, men den totala belastningen har hittills endast mätts under en tioårsperiod. Mätningar av depositionen i Sverige har utförts under de senaste åren på över hundra platser med metoder som är gemensamma för hela Eu-ropa. Mätningarna utförs av IVL på uppdrag av Naturvårdsverket, läns-styrelser, luftvårdsförbund och kommuner. Resultaten rapporteras även till europeiska databaser. Undersökningarna har utförts olika länge, men i flera län finns relativt långa tidsserier som kan visa utvecklingen under drygt 10 år (Hallgren Larsson m fl, 1995).

Undersökningarna av föroreningar i nederbörd på öppet fält ger huvudsakligen ett mått på den våta andelen av depositionen med regn och snö. Depositionen till skog mäts med hjälp av krondroppsunder-sökningar i permanenta provytor i representativa skogsbestånd. Kron-droppet innehåller både den våta och den torra delen av depositionen och anger därför den totala atmosfäriska belastningen av ämnen som sulfatsvavel, natrium och klorid, vilka inte påverkas av processer i träd-kronan. Näringsämnen som kväve, kalcium, kalium och mangan ökar eller minskar i krondroppet på grund av upptag, utlakning eller om-vandling på bladytorna.

2.2

P

H-

VÄRDET I NEDERBÖRDENHAR ÖKAT

En av de tidiga observationerna av försurning var låga pH-värden i ne-derbörd. Under flera år i slutet av 1980-talet var de genomsnittliga pH-värdena på ett antal mätplatser i Blekinge mellan 4,0 och 4,2 i neder-börd på öppet fält (figur 3).

Krondropp visade ännu lägre pH under flera år, under 4,0. I början på 1990-talet påbörjades mätningar i många län i landet och med viss variation mellan år har pH-värdena generellt ökat i nederbörden.

Nordligaste Sve-rige hade högre pH-värden när mät-ningarna började, men utvecklingen därefter har varit densamma som i mellersta och söd-ra Sverige.

2.3 S

VAVELDEPOSITIONEN MINSKAR

Den främsta anledningen till att pH-värdena i nederbörd och kron-dropp har ökat är att utsläppen av svavel har minskat i Europa. I Ble-kinge län, varifrån vi har den längsta mätserien, har den genomsnittliga depositionen i granskog minskat från över 20 kg per ha och år till ca 8␣ kg per ha och år under perioden 1988 till 1998 (figur 4).

Även i de andra lä-nen som finns med i figur 4 har deposi-tionen av antropo-gent svavel till skog minskat.

Minskningen är liten i norra Sverige som från början hade en låg deposition. Naturligt svavel i depositionen från havssalter har borträk-nats. I södra och mellersta Sverige är det framför allt den torra andelen av depositionen, i form av gaser och partiklar, som minskat. På öppna ytor där depositionen domineras av nederbördens bidrag (våtdeposi-tion) har minskningen varit mindre.

Figur 3. Årsmedelvärden av pH i nederbörd (volymvägt) på öppet fält och i olika län. Data: IVL

Figur 4. Deposition av antropogent svavel till skogsytor i olika län. Data: IVL.

I Blekinge och västra Götalands län var skillnaden mellan svaveldeposition till skog och på öppet fält mycket stor un-der slutet av 1980-talet på grund av att träden samlade på sig stora mängder torr-deposition. Figur 5 visar svaveldeposi-tionen i Blekinge där

trenden är tydlig för skog. Den tillfälliga ökningen 1994 berodde på vin-terperiodens speciella väderlek med stor transport av partikelbundna för-oreningar till östra Sverige från grannländerna i södra Östersjöområdet.

Trenden för svaldeposition på öppet fält är inte lika tydlig eftersom den påverkas mer av skillnader i nederbörd mellan åren.

Nedfallet av svavel överskrider den kritiska belastningen i en stor del av landet trots att minskningen av depositionen har varit stor (Warf-vinge och Sverdrup, 1995). I södra delen av landet överskrids målet med två till fyra gånger. I stora delar av mellersta och norra Sverige är den nuvarande depositionen nära den kritiska belastningen. I norra Sverige finns dock speciella problem efter snösmältningen på våren då stora mängder nederbörd som ackumulerats under vintern kan ge till-fälliga surstötar i vattendragen utan att den årliga depositionen är så stor.

Tabell 2 visar förändringen av sulfatsvavel i nederbörd på öppet fält och som deposition till granskog i olika delar av landet efter 1990.

2.4 K

VÄVEDEPOSITIONENMINSKAR BARA LÅNGSAMT

Utsläppen av kväve i Sverige och övriga Europa har inte minskat lika mycket som svavelutsläppen under de senaste åren. I Sverige har ut-släppen av kväve minskat med 30 % under perioden 1980 till 1997. Detta avspeglas även i att kvävedepositionen endast visar en mindre nedgång under de senaste åren. Förekommande trender kan delvis döl-jas genom de variationer mellan år som i första hand beror på väderleks-förhållandena. Depositionen av kväve i skog är svårt att mäta eftersom

Figur 5. Deposition av antropogent svavel till skogsytor och på öppet fält i Blekinge. Data: IVL.

kväve omvandlas och tas upp av träden redan i trädkronan. I delar av Halland och Skåne är kvävedepositionen som högst, ofta över 10 kg per ha och år på öppet fält respektive 15 kg per ha och år i skog. I norra Sverige finns stora områden där depositionen är mindre än 3 kg per ha och år. Nedfall av kväve har både en gödande och försurande effekt beroende på i vilken omfattning och form det tas upp av organismer i ekosystemen.

Tabell 2. Trendberäkningar av förändringen av sulfatsvavelhalter i nederbörd på öppet fält och deposition av granskog i olika län som hade mätningar mel-lan 1990 och 1997. Beräknad halt och deposition baseras på den linjära re-gression som beräknas för perioden från referensåret 1990 och 1997. Korrela-tionskoefficienten r, uttrycker sambandets styrka mellan antal år efter 1990 och förändringen av halt respektive deposition.

SVAVELINEDERBÖRDTILLÖPPETFÄLT

mg/l, beräknat Minskning LÄN 1990 1997 % r- värde Skåne län 1,11 0,72 35 % -0,783 Blekinge län 1,05 0,76 28 % -0,675 Jönköpings län 0,95 0,55 42 % -0,903 Västra Götaland 0,87 0,66 24 % -0,765 Kronobergs län 0,84 0,58 32 % -0,838 Örebro län 0,93 0,64 32 % -0,887 Östergötlands län 0,97 0,53 46 % -0,850 Södermanlands län 0,86 0,64 25 % -0,849 Värmlands län 0,79 0,51 36 % -0,858 Fyra Norrlandslän 0,53 0,35 34 % -0,848

TOTALDEPOSITIONAVSVAVELTILLGRANSKOG

kg/ha, beräknat Minskning

LÄN 1990 1997 % r- värde Skåne län 19,2 10,7 44 % -0,792 Blekinge län 16,1 8,9 45 % -0,780 Jönköpings län 15,3 6,9 55 % -0,963 Västra Götaland 14,6 7,6 48 % -0,966 Kronobergs län 11,2 7,3 35 % -0,766 Örebro län 9,8 3,2 67 % -0,869 Östergötlands län 9,8 5,3 45 % -0,649 Södermanlands län 9,2 5,0 45 % -0,709 Värmlands län 8,0 4,1 48 % -0,940 Fyra Norrlandslän 3,9 1,8 54 % -0,907

Figur 6 visar genomsnittlig deposition av kväve i form av krondropp i granskog och på öppet fält i Skåne. I högbelastade områden är ofta kvävemängden i krondropp större än nederbördens bidrag på grund av hög torrdeposition och relativt sett litet upptag och omvandling.

Av figur 6 framgår att skillnaden mellan skog och öppet fält varierar kraftigt mellan år, men det finns en tydlig tendens till att depositionen minskar. Under 1998 var dock nederbördsmängderna ca 50% högre än normalt. Detta förklarar den höga depositionen till öppet fält.

2.5 V

AD HÄNDER MED BASKATJONERNA

?

Atmosfäriskt nedfall av baskatjoner utgör också en viktig del i försur-nings- och återhämtningsprocessen. Baskatjoner härrör både från natur-liga och antropogena källor. Till de naturnatur-liga källorna hör havssalt, damm och biogena aerosoler (till exempel pollen). Viktiga antropogena käl-lor är förbränning av ved och kol samt vissa industriprocesser (Lövblad m fl, 2000).

Atmosfäriskt nedfall och vittring är de enda mekanismer som ersätter förluster av baskatjoner som lakats ur marken av det sura nedfallet. Baskatjoner kan också ha en direkt neutraliserande roll om de är asso-cierade med alkaliska anjoner som karbonat eller hydroxid.

Baskatjondepositionen är generellt svår att uppskatta, och den upp-visar också en stor variation mellan olika platser. Havssaltsdepositionen har till exempel en stark gradient från kusten och inåt land. Baskatjonerna från förbränning och från industriella processer återfinns på partiklar av varierande storlek, varav en del har en längre och andra en kortare livstid i atmosfären. Kring utsläppskällor noteras förhöjd

baskatjon-Figur 6. Deposition av nitrat-kväve i skog (som krondropp) och på öppet fält i Skåne. Data: IVL.

deposition, ofta i kombination med högt pH. Denna lokala påverkan medför ytterligare komplikationer när det gäller att kartera depositio-nen över större områden på ett sätt som är någorlunda representativt för ekosystemen.

Endast den våta baskatjondepositionen mäts i olika övervakningsnät. Genom att följa dessa mätningar och genom att studera utsläppens va-riation i tiden kan depositionsutvecklingen uppskattas.

I och med industrialismens utveckling under det senaste århundra-det har utsläpp och nedfall av baskatjoner förändrats kraftigt (figur 7).

Figur 7. Totala utsläpp av svaveldioxid, kväveoxider, alkaliskt stoft och ammoniak i Sverige 1900–1990 (tusental ton/år). Efter Kindbom m fl (1993).

Även före den storskaliga industrialismens tid förekom ett nedfall av baskatjoner från småskalig vedeldning. Storleken på detta nedfall är svår att uppskatta eftersom utsläppen till luft sannolikt varierade kraftigt lo-kalt och under året.

Genom att stoftrening introducerades på många utsläppskällor från mitten av 1970-talet i Sverige liksom i resten av Västeuropa, och ge-nom att olja användes i stället för bränslen med alkalisk aska som kol och ved, minskade även emissioner och nedfall av baskatjoner. En så-dan minskning har konstaterats i Sverige och övriga Europa, främst under 1970- och 1980 talen (Hedin m fl, 1994).

Ytterligare en nedgång i baskatjondeposition har noterats i delar av Europa (Tyskland, Nederländerna, Finland) efter 1990. Skälet antas vara stängningen av förbränningsanläggningar och industrier till följd

av den ekonomiska förändringen i före detta Östeuropa. Ingen sådan trend har ännu observerats i de svenska mätresultaten. En eventuellt pågående trend kommer att ses i den trendstudie som för närvarande pågår avseende den svenska miljöövervakningens resultat.

För försurad skogsmark innebär en minskning av baskatjondeposi-tionen att återhämtningstakten begränsas något, dock inte i sådan om-fattning att det uppväger de positiva effekterna av åtgärderna.

3. V

ILKA

PROCESSER

STYR

ÅTERHÄMTNINGEN

?

PER WARFVINGE,

MAGNUS MÖRTH & FILIP MOLDAN

3.1 R

EVERSIBLAOCH IRREVERSIBLAMARKPROCESSER

Det är många olika processer, ämnen och faser som samverkar i marken och bestämmer hur kritiska variabler såsom pH och halter av baskatjo-ner och aluminium i mark och ytvatten beror av deposition av försur-ande ämnen. De parametrar som påverkar dessa storheter varierar kraf-tigt mellan olika områden. Det gör att olika kemiska och fysikaliska processer har olika stor betydelse i skilda ekosystem, även om proces-serna i grunden fungerar på samma sätt i systemen. Denna variabilitet är en orsak till att det är mycket svårt att bedöma återhämtningen för ett bestämt område.

När man försöker analysera och förklara försurning och återhämt-ning av mark och vatten är det viktigt att inte bara studera hur hela ekosystem svarar på en depositionsminskning. Det är också viktigt att studera såväl markens kemiska, biologiska som geokemiska processer. Utan kunskap om enskilda processer kan man inte skapa sig den förstå-else som krävs för att göra bedömningar om framtida återhämtning vid olika deposition, markanvändning etc.

Markprocesserna kan vara reversibla eller irreversibla, snabba eller långsamma, och mer eller mindre styrda av biologiska faktorer.

De reversibla processerna buffrar bl a mot förändringar i pH-värdet. Vid en ökad belastning av försurande ämnen kommer exempelvis katjon-byte och sulfatadsorption i marken till en början ge ett positivt bidrag till buffertkapaciteten i markvattnet och ytvatten. Därigenom motver-kas de pH-sänkande effekterna av surt nedfall. Vid minskad belastning bromsar de reversibla processerna upp återhämtningsförloppet genom att motverka effekterna av minskat nedfall.

Bland de irreversibla processerna är den kemiska vittringen speciellt viktig.

Den kemiska vittringen bidrar alltid till ökad buffertkapacitet och högre halter av baskatjoner i markvattnet. Vittringshastigheten beror på en mängd kemiska, geologiska och biologiska faktorer, och kan va-riera enormt mycket mellan olika områden. Variationen beror bland annat på skillnader i markens mineralsammansättning och temperatu-ren.

Dessa reversibla och irreversibla processer påverkas av och samverkar med de biologiska processerna såsom upptag av näringsämnen i träd, fältskikt och mikrober, liksom nedbrytning av organiskt material och mindre organiska molekyler. Fullständig nedbrytning innebär att CO₂, NO₃–_{, NH}

4

+ _{och H}

2O bildas. Många biologiska processer påverkar

mar-kens pH-värde och frisätter eller immobiliserar ämnen på ett sådant sätt att abiotiska processer påverkas, och vice versa.

3.2 S

TUDIERI AVRINNINGSOMRÅDENOCHJORDPROFILER

Man kan studera försurnings- och återhämtningsprocesser i många olika skalor i tid och rum. Den molekylära skalan är relevant för att förstå drivkrafterna bakom enskilda kemiska och fysikaliska processer. I andra fall kan den regionala skalan vara relevant, t ex för att finna politiska åtgärdsstrategier. I de allra flesta fall är dock avrinningsområdet och jordprofilen lämpliga skalor för att studera försurning och återhämt-ning.

Det vatten som lämnar ett avrinningsområde kan ses som det inte-grerade resultatet av de biogeokemiska processer som sker i marken, och som drivs av bland annat depositionen av luftföroreningar. Genom att jämföra den kemiska sammansättningen i avrinningsvattnet från olika avrinningsområden, och analysera hur sammansättningen varierar i tid och rum, kan man få mycket information om avrinningsområdets biogeokemiska och hydrologiska egenskaper.

I denna rapport finns flera exempel på studier av avrinningsområden, exempelvis forskningen i Gårdsjön och analysen av förändringar i de svenska sjöarnas kemi.

Då vattnet transporteras ned genom jordprofilen sker kemiska reak-tioner som avgör avrinningens sammansättning. Samtidigt sker det en omfördelning av ämnen i marken som, under ett tidsperspektiv på några sekler, leder till bildningen av distinkta, kemiskt homogena lager i mar-ken. Det är naturligtvis viktig att kunna särskilja naturliga markbildnings-processer från förändringar som orsakas av luftföroreningar.

En speciellt viktig typ av marksystem är podsolen som är Sveriges vanligaste jordmånstyp på moränmark, och dessutom karaktäristisk för försurningskänsliga områden. En podsol kännetecknas av flera lätt igenkännbara lager; överst en organisk horisont som följs av mineral-jordens utlakningsskikt, ett anriktningsskikt och slutligen den relativt opåverkade mineraljorden. En podsols egenskaper att frigöra, adsor-bera och desoradsor-bera joner beror på de olika lagrenas egenskaper och det finns därför en variation med djupet för halten av olika ämnen.

Några av de processer som har speciellt stor inverkan på de biogeokemiska kretsloppen och därmed på återhämtning i försurade ekosystem illustreras i figur 8.

3.3 J

ONBYTE

Katjonbyte är en av de viktigaste processerna för försurnings- och återhämtningsförloppen. Orsaken är att katjonbyte buffrar såväl mot försurning som mot återhämtning från försurning, och reglerar där-med pH och buffertförmågan i mark- och avrinningsvatten. Förrådet av utbytbara katjoner är vanligtvis mycket stort, sett i relation till den årliga depositionen av syra.

Utbytbara katjoner är elektrostatiskt bundna till laddade markpartiklar. Katjonbyte är en snabb och reversibel process. Utbytet sker på kolloi-der som har negativa laddningar på sin yta, t ex lermineral och partiellt nedbrutet, fast organiskt material. Det totala utbytbara förrådet be-nämns utbyteskapacitet (eng. Cation Exchange Capacity, CEC).

Katjonbyteskapaciteten i en mark varierar med djup (horisont). Till skillnad från sulfat, som adsorberas mest i mineraljorden, är kapaciteten

Figur 8. Illustration av viktiga processer som påverkar

att adsorbera katjoner störst i de övre marklagren, på grund av den rikliga förekomsten av organiska föreningar som metaller kan binda till. Fördelningen med djup i Gårdsjön för t ex kalcium är ca 70 % i markens övre 15 cm, och 30 % djupare ned. De flesta andra baskatjoner har en liknande fördelning.

Försurningen har inneburit att aluminium och vätejoner via katjon-byte har trängt undan baskatjoner från markpartiklarna. Man säger där-för att basmättnadsgraden har minskat. I sydvästra Sverige har upp-skattningsvis 2 000–10 000 mekv baskatjoner per m2 _{trängts undan,}

med resultat att koncentrationen av baskatjoner ökat i markvatten-lösningen. På det sättet transporteras baskatjoner bort ur systemet ge-nom avrinning.

En återhämtning innebär att aluminium och vätejoner ersätts med baskatjoner på jonbytesplatserna vilket ger en ökad basmättnadsgrad. På sikt leder det till ett högre pH i markvattnet, och därmed lägre lös-lighet för aluminium och lägre aluminiumkoncentrationer i vattnet.

3.4 V

ITTRING

Kemisk vittring innebär en upplösning av mineral såsom fältspater, kvarts och glimmer i mark. Reaktionen sker i fasgränsytan mellan mineral och markvattnet. Det omgivande vattnet tillförs sedan de lösta reaktions-produkterna. Vittringshastigheten beror till viss del på markvätskans kemiska sammansättning, men styrs framför allt av mineralens egna egen-skaper. Kemisk vittring är i många stycken olik jonbytesreaktioner, ef-tersom vittringen är irreversibel, kinetiskt kontrollerad och mängden mineral i marken inte förändras över tidsrymder på många sekel.

Begreppet vittring omfattar mer än bara den kemisk vittringen. Vind, vatten och is påverkar den fysikaliska strukturen på de bergarter som mineralen bygger upp. Dessutom kan hyfer hos mykorrhiza-bildande svampar lösa upp mineral, och bilda gångar i mineralpartiklarna (Jongmans m fl, 1997).

Vid upplösningsreaktionen tillförs markvätskan buffertkapacitet. Detta sker med relativt konstant hastighet, från ett förråd som är mycket stort. Därför är den kemiska vittringen den process som avgör markens lång-siktiga motståndskraft mot försurning. Tillsammans med deposition av baskatjoner är vittringen också den kemiska process som står för den långsiktiga försörjningen av mineralnäringsämnen i alla markekosystem.

Vittringshastigheten i svenska skogsjordar uppskattas normalt till att ligga i intervallet 20–100 mekv per m2 _{och år. Vittringshastigheten har}

i många områden alltså varit väsentligt lägre än depositionen av försur-ande ämnen. I relation till depositionen av sulfat i Gårdsjön, utgör mäng-den baskatjoner från vittring ungefär 30 %, d v s endast 30 % av deposi-tionen buffras av vittring. Vittringshastigheten är avgörande för hur snabbt markens förråd av utbytbara katjoner kan återskapas.

3.5 S

VAVELTRANSPORTI MARK OCHVATTEN

I marken finns stora mängder svavel bundet i organiskt material och adsorberat till mineral. Det innebär att processer som påverkar omsätt-ningen av dessa fasta ämnen potentiellt kan ha stor påverkan på flödet av svavel genom marken. Mängden bundet svavel är flera storleks-ordningar större än svavelmängden i markvattnet.

Den mest stabila formen av svavel är sulfat, vilket är den viktigaste oorganiska formen av svavel i mark och vatten (Krouse och Grinenko, 1991). I vissa miljöer förekommer även sulfider, som kan vara ett stort problem och orsaka surstötar eller en mer permanent försurning. I från-varo av sulfider utgörs dock den största mängden av svavel i mark av organiska svavelföreningar. I Gårdsjön utgörs svavelpoolen av ca 85 % organiska svavelföreningar, medan 15 % föreligger tillgängligt som ad-sorberat sulfat (Torssander och Mörth, 1998). Dessa siffror är inte ovan-liga även sett i ett globalt perspektiv.

Figur 9 visar samspelet mellan några processer i svavlets kretslopp i marken.

Figur 9. Svavelomsättning i mark. Minskad svaveldeposition medför att sulfat frigörs från markens förråd tills en ny balans inträder. Nettomineralisering av organiskt svavel kan förlänga återhämtnings-förlopet avsevärt.

3.5.1 SULFATADSORPTION

I den del av marken där det har bildats sekundära mineral, B-horison-ten (rostjorden eller anrikningshorisonB-horison-ten), kan sulfat bindas till ytor genom adsorption. I den övre delen av marken där mängden organiskt material är stor är däremot sulfatadsorptionskapaciteten låg. I Gårdsjön återfinns 96 % av allt adsorberat sulfat i B-horisonten (Torssander och Mörth, 1998).

Det finns en jämvikt mellan hur mycket sulfat som finns i lösning och mängden adsorberat sulfat. Det innebär att svavel kommer att ten-dera att frigöras genom desorption då sulfatdepositionen minskar. Sulfat-adsorption sker på ett sådant sätt att då en ekvivalent SO₄2_{- adsorberas}

konsumeras samtidigt en ekvivalent H+ _{vid mineralytan. Sulfatadsorption}

buffrar därför markvattnet mot försurning, medan desorption buffrar markvattnet mot återhämtning. Man vet också att själva processen ad-sorption – dead-sorption är snabb och att hela den adsorberade mängden sulfat är tillgänglig och deltager i reaktionen (Karltun, 1994). Det se-nare har visats med olika isotoptekniker, där man har kunnat följa sulfat med olika isotopsammansättning. Det finns ingen anledning att tro att en desorptionskurva ser annorlunda ut än en adsorptionskurva. Pro-cessen skulle därmed vara fullständigt reversibel.

Hur mycket sulfat som kan adsorberas är kraftigt pH-beroende. En sänkning av pH leder till att marken kan adsorbera en större mängd sulfat.

Karltun m fl, (1995) har i omfattande undersökningar mätt sulfat-adsorption i svenska podsoler. Mätningarna gjordes i tre transekt över Sverige (tabell 3). Undersökningarna visade att i det sydliga transektet tycks marken vara mättad med sulfat. I detta område buffrar därför inte sulfatabsorptionen mot vidare försurning, men kommer att för-dröja återhämtningen vid minskad svaveldeposition under flera decen-nier. Den adsorberade mängden, 2 800 mekv per m2_{, motsvarar ca 50}

års svaveldeposition vid dagens relativt låga nivå.

Tabell 3. Adsorberat sulfat i svensk skogsmark (efter Karltun 1995).

TRANSEKT Antal Adsorberat Kapacitet Mängd 0–80 cm

lokaler mekv/kg mekv/m2

Sydlig: Hallandsås/Västervik 10 2,8 2,8 2 800 Mellan: Dalsland/Sundsvall 9 3,5 4,7 2 000 Nordlig: Gällivare/Boliden 6 2,0 4,5 900

Isotopstudier i takexperimentet i Gårdsjön visar att all sulfat i av-rinningen ännu efter flera år av minimal svaveldeposition utgörs av ”gam-malt” svavel, och att återhämtningen därigenom är fördröjd (Mörth och Torssander, 1995).

3.5.2 ORGANISKTSVAVEL

Den största mängden svavel i marken förekommer som organiska svavel-föreningar. De organiska föreningarna utgörs av aminosyror, enzymer etc. De viktigaste egenskaperna hos organiska svavelföreningar är hur stabila de är, och hur snabbt de omsätts i marken.

Studier med hjälp av stabila isotoper i Gårdsjön visar att ca 50 % av det sulfat som deponeras omsätts i organiska svavelföreningar i de övre marklagren (Torssander och Mörth, 1998). Sulfatet lakas alltså inte ut direkt, utan tar ”omvägen” via organiska föreningar. I djupare lager kan sedan organiska svavelföreningar fastläggas och ackumuleras i sta-bila former (Johnson och Mitchell, 1998).

Detta innebär att mikrobiella processer har stor betydelse för hur mycket svavel som lakas ut ur jordprofilen. En del av det övre mark-lagrets organiska svavel har en låg stabilitet och studier har visat att det finns en dynamisk jämvikt mellan hur mycket sulfat som immobiliseras och mineraliseras. Om denna dynamik förändras, t ex till följd av mins-kad svaveldeposition, ömins-kad temperatur eller förändrad kväveomsättning, kan endast några få procents nettomineralisering i markens svavelförråd förlänga hela återhämtningsförloppet avsevärt.

3.5.3 OXIDATIONOCHBAKTERIELLSULFATREDUKTION

Det finns även processer i svavlets kretslopp som inte direkt är knutna till jordprofilen. Två exempel är reduktion av sulfat i våtmarker, samt oxidation av sulfider i våtmarker eller vid ändringar i grundvattenytans nivå. Reduktion av svavel innebär att H+ _{i det omgivande vattnet}

kon-sumeras, medan oxidation frigör H+_.

Att svavel reduceras och därmed lagras som sulfider i våtmarker är en naturlig process. Sannolikt har denna ackumulering blivit större till följd av generellt högre svavelflöden i ekosystemen. Under torrperioder kan en liten del av detta svavel oxideras, och därmed ge en tillfällig pH-sänkning i vattendrag som dränerar våtmarken.

Det finns inget som tyder på att reduktionen eller oxidationen av svavel i våtmarker och grundvatten ökar eller minskar till följd av mins-kad deposition. Däremot kan dessa processer få en större roll vid en klimatförändring. Det finns därför all anledning att vara uppmärksam på vad som händer med svavel som är fastlagt i bl a våtmarker.

3.6 V

ATTENKEMISKAJÄMVIKTER

–

ANC OCH

p

H

Den kemiska sammansättningen i markvatten och i ytvatten beror, som betonats ovan, inte bara på depositionens storlek, utan även på växel-verkan mellan mark och vatten inom jordprofilen respektive i avrinnings-området. Efter att vattnet har transporterats genom marken är det dess totala innehåll av olika lösta ämnen som avgör avrinningens pH-värde och aluminiumhalt.

Förändringar i ett vattens buffertkapacitet, eller syraneutraliserande förmåga, används ofta som mått på försurning och kemisk återhämt-ning, både i ytvatten och i markvatten. Den engelska termen är Acid

Neutralising Capacity, ANC. ANC är en vidareutveckling av alkalinitets-begreppet där man dels kan ta hänsyn till inverkan av andra svaga syror än koldioxid, och dessutom kan räkna på buffertverkan för vatten som är mycket sura.

ANC kan definieras på två sätt. Den ena definitionen är att ANC är skillnaden mellan summan av katjoner till starka baser (eng. Base Cations, BC) och anjoner till starka syror (eng. Strong Acid Anions, SAA):

ANC = BC-SAA där

BC = [Na+_{] + [K}+ _{] + [Ca}2+_{] + [Mg}2+_]

SAA = [Cl– ]+ [NO₃– ]+ [SO₄2–_]

Koncentrationerna uttrycks i ekvivalenter per volymsenhet, till exempel mekv/l. En förskjutning mot lägre ANC ger surare vatten.

Genom att använda begreppet ANC kan man direkt se hur olika pro-cesser i marken bidrar till eller motverkar försurning respektive åter-hämtning. Exempelvis ser man att en process som frigör baskatjoner, dvs ökar BC men inte påverkar SAA ger ett ökat ANC. En sådan pro-cess är kemisk vittring. Däremot, en propro-cess som frigör sulfatjoner men som inte påverkar BC ger en minskning i ANC och därmed pH. En sådan process är desorption av adsorberat svavel, en annan är deposi-tion av svavelsyra.

Laddningsbalansen för vattnet används också för att ta fram den andra definitionen på ANC, nämligen skillnaden mellan anjoner till svaga syror och katjoner till svaga baser:

ANC = [HCO₃- ]+ [A- ] - [H+] - [Aln+]

där A- _{avser anjoner till organiska syror, och Al}n+ _{avser alla former av}

positivt laddade aluminiumjoner. I försurningskänsliga vatten kan alla övriga joner normalt försummas. Denna ekvation använder man för att beräkna pH för ett visst ANC, men även för att analysera orsakerna till att ett vatten har lågt pH.

Allvarligt försurade vatten har ofta ANC<0. Sådana vatten har lågt pH (normalt under pH 5,3), och signifikanta halter oorganiskt alumi-nium. Vatten med höga halter organiska syror kan ha låga pH-värden, utan att ha lågt ANC eller vara försurade.

Med hjälp av kemiska jämviktssamband kan man också konstruera diagram som visar inverkan av exempelvis halten av lösta organiska syror, mätt som löst organiskt kol (DOC) i vattnet. Ett sådant exempel finns i figur 10. Figuren visar bl a hur ökad halt av organiska syror ger ett lägre pH vid konstant ANC.

Figur 10. Vattenkemisk modellberäkning av pH i vatten som funktion av ANC, beräknat för tre olika halter av löst organisk kol, DOC. Diagrammet avser vatten med dubbelt så hög halt löst CO₂ som om vattnet vore i jämvikt med atmosfären (efter Warfvinge, 1997).

Den andra definitionen av ANC visar också att en ökning i ANC måste leda till en kombination av minskade aluminiumhalter i vattnet och ökat pH-värde. För teorin om hur ANC och pH är kopplade till halterna av lösta ämnen och till vattenkemiska buffertsystem hänvisas till Warfvinge (1997).

3.7 N

ÄRINGSUPPTAGOCHUTLAKNINGAV KVÄVE

I de allra flesta svenska skogsekosystem är kväve det näringsämne som reglerar primärproduktionen. Det innebär att i stort sett allt kväve som deponeras tas upp i ekosystemet, antingen i marken, i fältskiktet eller av träden.

Kväve deponeras i två former. Oxiderat kväve emitteras som NOx och

deponeras som NO3-. Reducerat kväve emitteras som NH3 och

depo-neras som NH₄+_.

Upptag av katjoner såsom NH₄+ _{och baskatjoner innebär att H}+

till-förs markvattnet. Upptag av anjoner, t ex NO3- innebär att OH- tillförs

markvattnet. Vid balanserat upptag av NO3- och baskatjoner innebär

tillväxten i sig alltså ingen försurning av markvattnet. Skörd innebär dock att baskatjoner inte återförs till marken vilket på sikt bidrar till minskande basmättnadgrad.

Depositionen av kväve har en försurande effekt om nitrat lakas ut ifrån marken, eller om kvävet har en gödslande effekt som leder till ökat baskatjonupptag. Behovet av kväve som näringsämne blir därmed den faktor som avgör om nitrat lakas ut eller ej. Man brukar därför säga att man nått kvävemättnad om depositionen överstiger nettoupptaget, vil-ket då leder till nitratutlakning och försurning.

Depositionen av kväve kommer inte minska lika snabbt som deposi-tionen av försurande svavel. En eventuell återhämtning betingad av minskad svaveldeposition kan, i värsta fall, bromsas upp om nitrat bör-jar lakas ut.

Hur stor är då risken att nitrat lakas ut? Adsorptionskapaciteten för nitrat i en mark är låg, och det finns därför inget förråd av nitrat som direkt kan mobiliseras. Utlakningen av oorganiskt kväve tycks istället hänga nära samman med hur labilt markens organiska kväve är. Ett mått på kväveföreningarnas stabilitet är C:N-kvoten, som är förhållandet mellan mängderna av organiskt kol respektive kväve i marken.

Figur 11 visar sambandet mellan markens C:N-kvot och utlakningen av främst nitrat från ett antal skogsekosystem i Europa. En lägre C:N-kvot är en indikation på att markens nedbrytande organismer har till-gång till kväve i mer lättillgänglig form än kväve bundet till organiskt material. Diagrammet visar att ju högre andelen av kväve är i förhål-lande till det kol det är bundet till (dvs ju lägre C/N-kvot), desto större är risken för läckage av nitrat. Risken för kväveutlakning är stor då C:N kvoten understiger 25.

Figur 11. Sambandet mellan markens C:N-kvot och utlakningen av oorganiskt kväve, främst nitrat (fritt efter Dise m fl, 1998).

I områden där kväve lakas ut minskar utlakningen normalt så snart de-positionen minskar. I svenska skogsekosystem som inte läcker nitrat, är det troligt att ”säkerhetsmarginalen” är ganska stor. Vi förväntar därför inte att kväveläckaget skall öka, under förutsättning att inte klimat-förändringar leder till ökad nettomineralisering av organiskt material i marken. I Gårdsjön, där C:N-kvoten är 35, har stora mängder kväve spridits på marken i särskilda experiment utan någon långvarig effekt på nitratutlakningen (Wright och van Breemen, 1995).

3.8 M

ARKANVÄNDNINGENSBETYDELSE

Markanvändningen har också betydelse för hur snabbt återhämtningen kommer att ske. I dagens produktionsskogar binds stora mängder kväve och baskatjoner i ved och barr, som sedan lämnar ekosystemen i form av kommersiell skogsråvara. Det är svårt att exakt säga hur skogsbru-kets försurande inverkan skall kvantifieras. Det beror på hur man vär-derar skogens upptag av kväve. Det är dock klart att uttaget av baskat-joner från skogsekosystemen har en försurande effekt. Om skogsbruket

utvecklas mot större uttag av biomassa utan att markerna kompenseras, t ex genom askåterföring, kommer återhämtningen att hämmas. Hel-trädsavverkning är alltså ett potentiellt hot mot återhämtningen från försurning. Speciellt viktigt är att de näringsrika barren inte avlägsnas.

Kalkning eller vitaliseringsgödsling av skogsmark är ett sätt att snabbt återställa markens baskatjonförråd i de övre marklagren som till viss del kan reparera de markkemiska förändringar som försurningen åstadkom-mit. Det tar dock flera decennier innan en kalkning ger signifikant på-verkan på djupare marklager.

3.9 R

UMSLIGVARIATION I AVRINNINGSOMRÅDEN

Vid närmare studier av avrinningsområden finner man ofta att det råder en stor rumslig variation i markens egenskaper, även inom små avrin-ningsområden. Marken är oftast tunnare och torrare på sluttningar jäm-fört med marken i närheten av vattendrag i dalsänkor. Processer som styr utveckling av markens kemiska och fysikaliska egenskaper är oftast kopplade till tillgången av vatten. Därför är skillnader i fuktighet av stor betydelse.

Avrinning representerar ett integrerat utflöde av vatten och ämnen från hela avrinningsområdet, men marktäcket i olika delar av avrinnings-området påverkar avrinningens sammansättning i olika stor utsträck-ning. De delar som ligger långt ifrån vattendraget kan ha begränsad betydelse för avrinningskemi eftersom de tidvis kan sakna hydrologisk koppling till vattendraget. Detta kan innebära att markprocesser inom inströmningsområden är mindre viktiga för avrinningens sammansätt-ning än de processer som pågår i marken i utströmsammansätt-ningsområdet intill vattendraget, även om dessa är rumsligt begränsade. Olika ämnen på-verkas också olika mycket av denna mekanism.

3.10 F

ÖRSURNINGENS OCHÅTERHÄMTNINGENSDYNAMIK

Ovanstående diskussion om processer i marksystemet kan sammanfat-tas genom att dela in försurnings- och återhämtningsprocessen i fyra faser:

• Före försurning • Under försurning • Försurat tillstånd

• Begynnande återhämtning

Före försurningen rådde en jämvikt mellan produktion och konsum-tion av ANC och de viktigaste lösta komponenterna i marksystemet, och därmed även i avrinningsområden. Därför var basmättnadsgraden stabil. Baskatjonhalten i avrinningen utgjordes av skillnaden mellan vitt-ringen plus depositionen, och nettoupptaget i vegetationen.

Stabil markkemi gav jämnt och högt ANC, och ofta ett högt pH-värde i avrinningen om inverkan av organiska syror var liten.

Då syradepositionen, främst av försurande svavel, ökade kring sekel-skiftet bröts stationäriteten. Den ökade tillförseln av sura ämnen till marksystemet orsakade genom jonbyte en minskning av mängden ut-bytbara katjoner. Detta ledde till ökade halter av baskatjoner i mark-vätskan, och förluster av baskatjoner från marksystemet. pH-värdet i marken hade ännu inte sjunkit påtagligt, och halterna av oorganiskt aluminium var därför fortsatt låga. En viss andel av sulfatet i depositio-nen adsorberades, vilket fördröjde försurningsförloppet.

Figur 12. Illustration av hur processer som buffrar marken och markvattnet mot försurning även buffrar mot återhämtning då depositionen minskar.

Försurat tillstånd uppnås efter en lång period av hög deposition. Då avtar jonbytesförrådets buffertförmåga, och systemet går mot en ny jäm-vikt. Då buffrande jonbytesreaktioner avtar faller pH-värdet i mark och avrinningen snabbt till stabilt låga nivåer. Halten av baskatjoner i avrinningen faller medan halten av aluminium i markvatten och avrin-ning ökar. Markens anjonbytare är mättade och kan inte adsorbera mer sulfat. Bäckar och sjöar uppvisar drag av kronisk försurning med ANC<0. Då depositionen minskar börjar återhämtningen i marken. Denna fördröjs av att sulfat desorberas, samt att förrådet av utbytbara baskatjo-ner fylls på. Båda dessa processer orsakar att H+ _{tillförs markvattnet}

från markens fasta ämnen. Därför minskar också baskatjonhalterna i markvätskan och i avrinningen. Eftersom den årliga vittringshastighe-ten är låg i jämförelse med mängden utbytbara katjoner och mängden adsorberat sulfat blir denna fas mycket långvarig. Inom överskådlig tid kommer dessutom depositionen av försurande ämnen att överskrida nedfallet under förindustriell tid, och det kommer ta mycket lång tid innan förråden av utbytbara baskatjoner har uppnått ursprunglig nivå. Därför blir den kemiska återhämtningen bara partiell. Den biologiska nyttan av den begränsade kemiska återhämtningen kan dock vara bety-dande.

4. S

VENSKA

EXPERIMENTELLA

STUDIER

FILIP MOLDAN & ANNA EK

Sambanden mellan luftföroreningar och försurning av mark- och yt-vatten kan betraktas som relativt välkända och väl etablerade. Däremot är vår förståelse av naturens återhämtning och de processer som styr återhämtningen när belastningen av försurande ämnen minskar, mer begränsad. Det beror delvis på att återhämtning från försurning är ett relativt sentida fenomen. Betydande minskningar av belastningen av försurande ämnen har skett sedan något decennium i stora delar av Sverige och någon återhämtning var dessförinnan inte möjlig.

När miljövervakningsdata visar att man kan skönja en återhämtning i vissa sjöar och vattendrag kan vi i närmare detalj studera denna viktiga process. Med hjälp av mätdata kan teorier om återhämtningsförloppet utvecklas och prövas och prognosmodeller utvecklas. Många av de geokemiska processer i mark och vatten som har stor betydelse i för-surningssammanhang (sulfatadsorption och jonbyte på markpartiklar, flöden av CO₂, mobilisering av aluminium eller buffring av organiska syror), är välkända och har utforskats under hela 1900-talet, men det är först nu vi kan sätta denna kunskap i samband med återhämtning av försurad mark och försurade sjöar.

Till grund för kravet att minska utsläppen av försurande luftförore-ningar ligger övertygelsen om att när utsläppen minskar, då sker en återhämtning tillbaka till ett mer naturligt tillstånd i mark, vattendrag och sjöar. Att en miljöförbättring (definierad som t ex förbättrad möj-lighet till biologiskt liv i sjöar och vattendrag) sker om belastningen av försurande ämnen minskar är för de flesta en självklarhet. Däremot är det betydligt svårare att förutsäga dels hur långt förbättringen kommer att nå, dels hur lång tid denna återhämtning kommer att ta. Den enda möjligheten vi har att få svar på dessa frågor är att bygga på vår kunskap om försurnings- och återhämtningsprocesserna och att använda resul-tat från miljöövervakning och fältexperiment för att ta fram och testa teorier och beräkningsmodeller för förloppen.

4.1 T

AKPROJEKTET I

G

ÅRDSJÖN

Taket i Gårdsjön

be-står av en träkon-struktion täckt med tunn men styv ge-nomskinlig plast. Det är byggt i en vuxen granskog på några meters höjd ovanpå marken. Vart och ett av de vuxna träden växer genom ett ut-klippt hål i plasten.

Taket är delat i ett antal sektioner som lutar så att de följer terrängen under taket. Uppfångat nederbördsvatten förs utanför takområdet ge-nom ett system av rännor.

Nederbörden ersätts med samma mängd konstgjord, ren nederbörd med hjälp av ett bevattningssystem installerat under taket. Den konstgjorda nederbörden består av avjoniserat vatten med tillsatser av framför allt havsvatten och kalium. Havsvattnet ersätter det havssalt som är natur-ligt förekommande i nederbörden i Gårdsjöområdet. Kalium måste till-sättas för att kompensera för den kaliumcirkulation som sker i skogen. Stora mängder kalium tas upp av trädens rötter och återförs genom trädkronan via krondropp till marken. Eftersom taket fångar upp detta krondropp måste kalium tillsättas vid bevattningen. Av samma skäl, dvs för att hålla igång den naturliga interncirkulationen av olika ämnen i skogen samlas periodvis den förna som faller på taket in och sprids på marken under taket.

Taket täcker helt ett litet naturlig format avrinningsområde på 6 300

m2

. I övervakningsprogrammet ingår regelbunden provtagning av avrin-ningsvatten i takområdets lägsta punkt. Detta är en mycket viktigt egen-skap i takförsöket då kemin i det insamlade avrinningsvattnet represen-terar förhållanden och förändringar i avrinningsområdet. Detta innebär också att insamlade mätvärden kan användas för massbalansberäkningar.