الحمل الحرج

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

في دراسة تلوث الهواء ، يُعرَّف الحمل الحرج بأنه "تقدير كمي للتعرض لملوث واحد أو أكثر ، والذي لا تحدث دونه آثار ضارة كبيرة على عناصر حساسة محددة من البيئة ، وفقًا للمعرفة الحالية". [ 1 ]

ركزت أبحاث تلوث الهواء المتعلقة بالأحمال الحرجة على ملوثات النيتروجين والكبريت . بعد انبعاث هذه الملوثات في الغلاف الجوي ، تترسب لاحقًا في النظم البيئية . يمكن أن يؤدي ترسب كل من الكبريت والنيتروجين إلى زيادة حموضة المياه السطحية والتربة . ومع انخفاض درجة حموضة الماء نتيجة زيادة الحموضة ، تتأثر صحة الأسماك واللافقاريات سلبًا. [ 2 ] قد يُغير الكبريت والنيتروجين، كعوامل مُحمِّضة، محتوى العناصر الغذائية في التربة عن طريق إزالة الكالسيوم وإطلاق الألومنيوم السام، مما يؤثر سلبًا على النباتات والحيوانات. [ 3 ] يمكن أن يعمل ترسب النيتروجين أيضًا كسماد في البيئة ويُغير التفاعلات التنافسية بين النباتات، مما يُفضل نمو بعض أنواع النباتات ويُثبط نمو أنواع أخرى، وقد يؤدي ذلك إلى تغييرات في تكوين الأنواع ووفرتها . يُساهم ترسب النيتروجين في إثراء العناصر الغذائية في النظم البيئية للمياه العذبة والساحلية والمصبات ، مما قد يُسبب ازدهار الطحالب السامة ونفوق الأسماك وفقدان التنوع البيولوجي . [ 4 ] [ 5 ] تؤثر ملوثات الهواء على خدمات النظام البيئي الأساسية مثل تنقية الهواء والماء، وتحلل وإزالة سمية المواد النفايات، وتنظيم المناخ.

عندما يتجاوز الترسيب الحمل الحرج لملوث ما في موقع معين، يُعتبر ذلك تجاوزًا للحمل الحرج، مما يعني أن الكائنات الحية معرضة لخطر متزايد من الضرر البيئي. بعض مكونات النظام البيئي أكثر حساسية للترسيب من غيرها؛ لذا، يمكن تحديد الأحمال الحرجة لمجموعة متنوعة من مكونات النظام البيئي واستجاباته، بما في ذلك (على سبيل المثال لا الحصر) تغيرات في الدياتومات، وزيادة في أنواع الأعشاب الغازية، وتغيرات في كيمياء التربة، وتدهور صحة الغابات، وتغير التنوع البيولوجي وانخفاضه، وتحمض البحيرات والجداول.

تختلف طرق حساب الأحمال الحرجة، من حيث التاريخ والمصطلحات والمنهجية، باختلاف المناطق والدول. وفيما يلي مناقشة للاختلافات بين المناهج المستخدمة في الدول الأوروبية والولايات المتحدة.

أوروبا

في الدول الأوروبية، استُخدمت الأحمال الحرجة، وما يشابهها من مفهوم المستويات الحرجة، على نطاق واسع ضمن اتفاقية الأمم المتحدة الاقتصادية لأوروبا لعام 1979 بشأن تلوث الهواء العابر للحدود بعيد المدى . فعلى سبيل المثال، يأخذ بروتوكول غوتنبرغ لعام 1999 الملحق باتفاقية تلوث الهواء العابر للحدود بعيد المدى في الحسبان تحمض المياه السطحية والتربة ، وتخصيب التربة، وتكوّن الأوزون على مستوى سطح الأرض، وانبعاثات ثاني أكسيد الكبريت ، والأمونيا ، وأكاسيد النيتروجين ، والمركبات العضوية المتطايرة غير الميثانية . وقد استُخدم مفهوم الأحمال الحرجة للتحمض والتخصيب، بينما استُخدمت المستويات الحرجة لتكوّن الأوزون على مستوى سطح الأرض .

لحساب الحمل الحرج، يجب أولاً تحديد النظام البيئي المستهدف، ثم تحديد عنصر حساس فيه (مثل معدل نمو الغابة). بعد ذلك، يتم ربط حالة هذا العنصر بمعيار كيميائي (مثل نسبة الكاتيونات القاعدية إلى الألومنيوم ، Bc/ Al ) وحد حرج (مثل Bc/Al=1) يجب عدم تجاوزه. وأخيرًا، يتم إنشاء نموذج رياضي (مثل نموذج توازن الكتلة البسيط ، SMB) لحساب مستويات الترسيب التي تؤدي إلى وصول المعيار الكيميائي إلى الحد الحرج بدقة. يُسمى مستوى الترسيب هذا بالحمل الحرج، ويُسمى الفرق بين مستوى الترسيب الحالي والحمل الحرج بالتجاوز.

في البداية، كانت الأحمال الحرجة تُحسب غالبًا كقيمة واحدة، مثل الحمل الحرج للحموضة. أما اليوم، فيُحسب الحمل الحرج عادةً كدالة ثنائية الأبعاد، حيث يُمثل المحور السيني الترسيب النيتروجيني (N) والمحور الصادي الترسيب الكبريتي (S). يُعد مفهوم الأحمال الحرجة مفهومًا لحالة الاستقرار ، ولذلك لا يتضمن أي معلومات حول المدة اللازمة لظهور التأثيرات. ومن الأمثلة المبسطة على الجوانب الديناميكية دالة الحمل المستهدف، وهي الحمل الذي يتعافى عنده المعيار الكيميائي قبل سنة محددة، تُسمى السنة المستهدفة. وبالتالي، تكون دالة الحمل المستهدف أقل من الحمل الحرج في السنوات المستهدفة القريبة، بينما تقترب دالة الحمل المستهدف من دالة الحمل الحرج في السنوات المستهدفة البعيدة.

يتضمن حساب وظائف الحمل الحرجة ووظائف الحمل المستهدفة العديد من التبسيطات، وبالتالي يمكن اعتباره مفهومًا للمخاطر: فكلما زاد التجاوز، زاد خطر حدوث آثار سلبية، وهناك خطر معين يتمثل في أن التجاوز الصفري سيؤدي إلى آثار سلبية.

الولايات المتحدة

في الولايات المتحدة، ورغم مناقشة جهاتٍ مختلفةٍ للأحمال الحرجة قبل عام 2000، إلا أن الجهود كانت متفرقةً وغير مترابطة. ولكن في عام 2010، وبعد سلسلةٍ من ورش العمل حول الأحمال الحرجة التي عُقدت بين عامي 2003 و2005، وتشكيل لجنةٍ مخصصةٍ في عام 2006، توحدت الجهود الوطنية من خلال إنشاء اللجنة العلمية للأحمال الحرجة للترسبات الجوية ( CLAD ) كجزءٍ من البرنامج الوطني للترسبات الجوية ( NADP ). وتضم CLAD مجموعةً متعددة الوكالات تشمل وكالاتٍ حكوميةً اتحاديةً وولائيةً، ومنظماتٍ غير حكوميةٍ، ومنظماتٍ بحثيةٍ بيئيةٍ، وجامعات. وتتمثل أهداف CLAD في: تسهيل تبادل المعلومات التقنية حول موضوعات الأحمال الحرجة مع جمهورٍ واسعٍ من الوكالات والجهات، وسد الثغرات في تطوير الأحمال الحرجة في الولايات المتحدة، وتوفير الاتساق في تطوير واستخدام الأحمال الحرجة في الولايات المتحدة، وتعزيز فهم مناهج الأحمال الحرجة من خلال تطوير مواد التوعية والتواصل.

تستخدم جهات إدارة الأراضي الفيدرالية، مثل إدارة المتنزهات الوطنية (مؤرشفة في 30 مارس 2017 على موقع Wayback Machine) ، وإدارة الغابات الأمريكية ، وإدارة الأسماك والحياة البرية الأمريكية ، الأحمال الحرجة لتحديد الموارد المعرضة للخطر، وتركيز جهود البحث والرصد، وتوجيه التخطيط وأنشطة إدارة الأراضي الأخرى، وتقييم الآثار المحتملة لزيادة الانبعاثات، ووضع استراتيجيات للحد من التلوث. وتعمل وكالة حماية البيئة الأمريكية على توسيع نطاق استخدام الأحمال الحرجة في التقييمات ووضع السياسات، بما في ذلك مراعاة الأحمال الحرجة عند وضع المعايير الوطنية لجودة الهواء المحيط .

اعتمدت الولايات المتحدة نهجين لتحديد الأحمال الحرجة: الأحمال الحرجة التجريبية وأحمال التوازن الكتلي في حالة الاستقرار. تُستمد الأحمال الحرجة التجريبية من ملاحظات استجابات النظام البيئي (مثل التغيرات في التنوع النباتي، ومستويات مغذيات التربة، أو صحة الأسماك) لمستويات ترسب محددة. تُنشأ هذه العلاقات باستخدام دراسات استجابة الجرعة أو عن طريق قياس استجابات النظام البيئي لتدرجات الترسب المتزايدة مكانيًا أو زمنيًا. أما أحمال التوازن الكتلي في حالة الاستقرار، فتُستمد من نماذج رياضية للتوازن الكتلي في ظل ظروف توازن مفترضة أو مُنمذجة. ويمكن تحقيق حالة الاستقرار في المستقبل البعيد. وتختلف النماذج المستخدمة لتحديد الأحمال الحرجة في حالة الاستقرار في درجة تعقيدها فيما يتعلق بتمثيل العمليات، ولكنها قد تشمل كيمياء الماء والتربة، ومعدلات تجوية التربة المعدنية، وبيانات الترسب، وبيانات الاستجابة البيئية.

آسيا

في آسيا، استُخدمت كلتا طريقتي توازن الكتلة، التجريبية والقائمة على حالة الاستقرار، لتقدير الأحمال الحرجة. [ 6 ] [ 7 ] حُدِّدت الأحمال الحرجة التجريبية ببساطة على أنها مستويات الترسيب التي سُجِّلت فيها آثار بيئية ضارة في الميدان. أما نموذج توازن الكتلة القائم على حالة الاستقرار، فيحسب الحمل الحرج للنظام البيئي على المدى الطويل من خلال تحديد قيم مقبولة للعناصر المتسربة منه.

على الرغم من أن الأحمال الحرجة التجريبية للنيتروجين قد تم تلخيصها بشكل جيد في أوروبا والولايات المتحدة، [ 4 ] [ 5 ] [ 2 ] إلا أن هناك شكوكًا كبيرة لا تزال قائمة في آسيا نظرًا لمحدودية الدراسات التجريبية وقصر مدتها، والتي استخدمت مستويات عالية نسبيًا من النيتروجين. [ 6 ] في مناطق (مثل شرق وجنوب الصين) حيث كان ترسب النيتروجين تاريخيًا مرتفعًا جدًا، وربما أعلى من الحمل الحرج الفعلي، قد تفشل الدراسات التجريبية في تحديد الأحمال الحرجة كميًا نظرًا لحدوث تغيرات كبيرة في النظام البيئي. علاوة على ذلك، يمكن أن تختلف قيم الأحمال الحرجة اختلافًا كبيرًا بناءً على الاستجابات البيولوجية أو الكيميائية المختلفة للنظام البيئي، مثل التغيرات الفسيولوجية، وانخفاض التنوع البيولوجي، وارتفاع معدل ترشيح النترات، والتغيرات في الكائنات الحية الدقيقة في التربة. تم تقييم الأحمال الحرجة التجريبية لبعض الغابات والمراعي في الصين، [ 6 ] لكن قيمها للعديد من النظم البيئية الأخرى لا تزال غير مُقَيَّمة. مع ظهور المزيد من التجارب الميدانية، سيتم تقدير الأحمال الحرجة بشكل أفضل في المستقبل القريب.

في جنوب وشرق آسيا، التي تضم الصين وكوريا واليابان والفلبين والهند الصينية وإندونيسيا وشبه القارة الهندية، حُسبت الأحمال الحرجة ورُسمت خرائطها لأول مرة كجزء من وحدة التأثير في النسخة الآسيوية من نموذج معلومات ومحاكاة تلوث الهواء الإقليمي (RAINS-Asia) استنادًا إلى منهجية توازن الكتلة في الحالة المستقرة. [ 8 ] بعد ذلك، حُسبت الأحمال الحرجة بدقة أعلى في العديد من الدول الآسيوية مثل اليابان وروسيا وكوريا الجنوبية والهند والصين. [ 7 ] على الرغم من تطبيق أساليب مماثلة في آسيا كما في أوروبا، فقد جرى تحسين منهجية توازن الكتلة في الحالة المستقرة من خلال مراعاة ترسب الكاتيونات القاعدية. استُخدمت الأحمال الحرجة لتوازن الكتلة في الحالة المستقرة لتحديد مناطق مكافحة الأمطار الحمضية ومناطق مكافحة تلوث ثاني أكسيد الكبريت في الصين. في المستقبل القريب، سيُستخدم مفهوم الأحمال الحرجة على نطاق أوسع لتوجيه استراتيجيات الحد من الانبعاثات.

مراجع

  1. ↑ نيلسون، ج. وب. غرينفيلت. 1988. الأحمال الحرجة للكبريت والنيتروجين. تقرير ورشة عمل اللجنة الاقتصادية لأوروبا التابعة للأمم المتحدة/مجلس الشمال، سكوكلوستر، السويد. مارس 1988.
  2. 1 2 غريفر، تي إل، تي جيه سوليفان، جيه دي هيريك، إم سي باربر، جيه إس بارون، بي جيه كوسبي، إم إي ديرهاك، آر إل دينيس، جيه-جيه بي دوبوا، سي إل غوديل، إيه تي هيرليهي، جي بي لورانس، إل ليو، جيه إيه لينش، وكيه جيه نوفاك. 2012. الآثار البيئية لتلوث الهواء بالنيتروجين والكبريت في الولايات المتحدة: ماذا نعرف؟ مجلة فرونتيرز إن إيكولوجي آند ذا إنفايرومنت 10: 365-372.
  3. ↑ دريسكول، سي تي، جي بي لورانس، إيه جيه بولجر، تي جيه بتلر، سي إس كرونان، سي إيجار، كي إف لامبرت، جي إي ليكنز، جيه إل ستودارد، وكيه سي ويذرز. 2001. الترسيب الحمضي في شمال شرق الولايات المتحدة: المصادر والمدخلات، وتأثيرات النظام البيئي، واستراتيجيات الإدارة. مجلة العلوم البيولوجية 51: 180-198.
  4. 1 2 بوبينك، ر.، ك. هيكس، ج. غالواي، ت. سبرانجر، ر. ألكيماد، م. أشمور، م. بوستامانتي، س. سيندربي، إ. ديفيدسون، ف. دينتينر، ب. إيميت، ج.-و. إريسمان، م. فين، ف. غيليام، أ. نوردين، ل. باردو، و و. دي فريس. 2010. التقييم العالمي لتأثيرات ترسب النيتروجين على تنوع النباتات الأرضية: دراسة تركيبية. التطبيقات البيئية 20: 30-59.
  5. باردو ، إل إتش، إم إي فين، سي إل غوديل، إل إتش غايزر، سي تي دريسكول، إي بي ألين، جيه إس بارون، آر بوبينك، دبليو دي بومان، سي إم كلارك، بي إيميت، إف إس غيليام، تي إل غريفر، إس جيه هول، إي إيه ليليسكوف، إل ليو، جيه إيه لينش، كيه جيه ناديلهوفر، إس إس بيراكيس، إم جيه روبن-أبوت، جيه إل ستودارد، كيه سي ويذرز، وآر إل دينيس. 2011. تأثيرات ترسب النيتروجين والأحمال الحرجة التجريبية للنيتروجين على المناطق الإيكولوجية في الولايات المتحدة. التطبيقات الإيكولوجية 21: 3049-3082.
  6. 1 2 3 ليو، إكس جيه، إل. دوان، جيه إم مو، إي زد دو، جيه إل شين، إكس كيه لو، واي. تشانغ، إكس بي تشو، سي إي هي، وإف إس تشانغ. 2011. ترسب النيتروجين وأثره البيئي في الصين: نظرة عامة. التلوث البيئي 159: 2251-2264.
  7. 1 2 دوان، ل.، كيو. يو، كيو. تشانغ، زد. وانغ، واي. بان، تي. لارسون، جيه. تانغ، وجيه. مولدر. 2016. الترسيب الحمضي في آسيا: الانبعاثات، والترسيب، وتأثيرات النظام البيئي. بيئة الغلاف الجوي 146: 55-69.
  8. ↑ هيتلينغ، جيه بي، إتش. سفيردروب، ودي. تشاو. 1995. اشتقاق الأحمال الحرجة لآسيا. تلوث المياه والهواء والتربة 85(4):2565-2570.