OCENA ZAWARTOŚCI AZOTANÓW W WODACH

Proceedings of ECOpole
Vol. 2, No. 2
2008
Małgorzata RAFAŁOWSKA1
OCENA ZAWARTOŚCI AZOTANÓW
W WODACH POWIERZCHNIOWYCH OBSZARU
SZCZEGÓLNIE ZAGROśONEGO ZANIECZYSZCZENIAMI
ZE ŹRÓDEŁ ROLNICZYCH
ESTIMATION OF THE NITRATE CONTENT IN THE SURFACE WATERS
OF AN AREA PARTICULARLY EXPOSED TO POLLUTION
FROM AGRICULTURAL SOURCES
Streszczenie: Celem badań była ocena stęŜeń i ładunków azotu azotanowego(V) oraz określenie sezonowych ich
zmian w wodach odpływających ze zlewni zakwalifikowanych do obszarów szczególnie naraŜonych na
zanieczyszczenia wód azotanami ze źródeł rolniczych. Uzyskane wyniki świadczą o tym, Ŝe intensyfikacja
rolniczego uŜytkowania terenu powoduje wyraźny wzrost stęŜeń azotu azotanowego(V) w wodach
powierzchniowych, szczególnie w wodach drenarskich. Największe stęŜenia N-NO3 występują zimą (średnio
17,38 mg·dm–3) w wodach drenarskich odpływających z obszaru intensywnie uŜytkowanego, a najmniejsze
w ciekach szczególnie wiosną i latem (0,13÷0,25 mg·dm–3). O ilości ładunku N-NO3 odpływającego ze zlewni
rolniczej decydują warunki meteorologiczne, rodzaj systemu melioracyjnego oraz intensywność uŜytkowania
zlewni. Zasadnicza część (około 45%) rocznego ładunku N-NO3 przypada na okres zimowy. Jest to skutkiem
intensywnego odpływu azotu wraz z wodami roztopowymi i opadowymi w okresie ograniczonej bioakumulacji.
Wyniki badań wskazują na potencjalny negatywny wpływ wód odpływających z terenów rolniczych, szczególnie
systemami drenarskimi na wody Jeziora Dobskiego. Ze względu na duŜe stęŜenia i ładunki azotanów w wodach
dopływających do jeziora moŜna ocenić je jako naraŜone na eutrofizację. Potwierdza to zasadność uznania tego
terenu za obszar, z którego odpływ azotu ze źródeł rolniczych naleŜy ograniczyć.
Słowa kluczowe: wody powierzchniowe, dreny, azotany, zanieczyszczenia rolnicze
Szereg studiów i badań wykazuje, Ŝe na obszarach wiejskich głównym źródłem
azotanów jest działalność rolnicza. Niewykorzystane w rolnictwie składniki nawozowe,
a szczególnie azot, mogą przenikać do wód podziemnych i powierzchniowych, powodując
ich zanieczyszczenie. Zanieczyszczenie to ma charakter obszarowy i moŜe dotyczyć nawet
70% powierzchni kraju, objętej uŜytkowaniem rolnym [1]. Jednym z pierwszych objawów
zanieczyszczenia środowiska wodnego przez rolnictwo jest pojawienie się znaczących,
często duŜych, ilości azotanów w wodach gruntowych na obszarach wiejskich [2-4].
Celem badań była ocena stęŜeń i ładunków azotanów oraz określenie sezonowych ich
zmian w wodach odpływających ze zlewni zakwalifikowanych do obszarów szczególnie
naraŜonych na zanieczyszczenia azotanami ze źródeł rolniczych.
Materiał i metody badań
Badania prowadzono w latach 2005-2007 w zlewni Jeziora Dobskiego. Badaniami
objęto cztery zlewnie cząstkowe Jeziora Dobskiego, zróŜnicowane pod względem
intensywności uŜytkowania, biorąc pod uwagę nawoŜenie (intensywne, średnio intensywne
i mało intensywne) oraz rodzaj systemu melioracyjnego (rowy i dreny):
1
Katedra Melioracji i Kształtowania Środowiska, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, pl. Łódzki 2,
10-756 Olsztyn, tel. 089 523 39 92, email: [email protected]
474
Małgorzata Rafałowska
1.
Intensywnie uŜytkowany obszar zlewni drenarskiej (521) o pow. 15,1 ha. W 2005 roku
uprawiano tam pszenŜyto ozime. Stosowane było nawoŜenie mineralne w ilości
N-61 kg·ha–1 oraz organiczne w postaci gnojowicy w ilości 20 m3·ha–1·rok–1. W 2006
roku pod uprawę jęczmienia jarego stosowano nawoŜenie w ilości: 98 kg N·ha–1.
W czerwcu 2006 roku podczas obserwacji stwierdzono, Ŝe została wylana gnojowica,
co było niezgodne z dobrymi praktykami rolniczymi, a właściwie ich zaprzeczeniem.
Na obszarze zlewni znajdują się budynki inwentarskie. W 2007 roku pod uprawę Ŝyta
ozimego zuŜyto 100 kg N·ha–1.
2. Średnio intensywnie uŜytkowany dział drenarski (523), połoŜony tuŜ obok zabudowań
wsi Doba i gospodarstwa rolnego. Rurociąg drenarski odprowadza wodę z pól
uprawnych nawoŜonych - 68 kg N·ha–1 w 2005 roku pod uprawę owsa, w 2006 roku
stosowano nawoŜenie w ilości: 88 kg N·ha–1 pod uprawę Ŝyta. RównieŜ w 2007 roku
pole obsiane było Ŝytem ozimym, na którym stosowano nawoŜenie w ilości:
140 kg N·ha–1. W pobliŜu tego działu drenarskiego znajdują się ogródki działkowe oraz
osiedle wiejskie. Występują tutaj gleby lekkie zaliczane do V klasy bonitacyjnej.
Obszar zlewni wynosi 41,7 ha.
3. Intensywnie uŜytkowana zlewnia cieku (528) obejmuje obszary zasilania zatoki Pilwa,
zlokalizowanej w zachodniej części Jeziora Dobskiego. Za pośrednictwem cieku
powierzchniowego odwadniany jest znaczny obszar 1616 ha, zalesiony w 57%.
W okresie od lipca do października 2005 roku stwierdzono zanik przepływu w tym
cieku, zaś w 2006 roku w miesiącach lipiec i sierpień. Grunty orne znajdujące się w tej
zlewni to głównie piaski gliniaste lekkie (klasa bonitacyjna IV b). Na gruntach ornych
w 2005 roku uprawiano pszenŜyto, w 2006 roku rzepak ozimy, a w 2007 roku pszenicę
ozimą. W 2005 roku stosowane było nawoŜenie: 130 kg N·ha–1 i wiosną gnojowica
w ilości 20 m3·ha–1, a w 2006 roku 206 kg N·ha–1. W 2007 roku pod uprawę pszenicy
ozimej stosowano nawoŜenie w ilości 130 kg N·ha–1.
4. Średnio intensywnie zagospodarowana zlewnia cieku (530) odwadniającego zachodnią
część zlewni zatoki Pilwa. Powierzchnia tego obszaru wynosi 109 ha i w 60% jest
pokryta przez lasy. W analizowanym okresie badawczym zaobserwowano tendencję do
okresowego zanikania przepływu wody w badanym cieku w okresie letnim
i jesiennym. W 2005 roku pod uprawę owsa stosowano tylko nawoŜenie mineralne na
poziomie 100 kg N·ha–1, a w 2006 i 2007 roku uprawiano Ŝyto, stosując odpowiednio
113 i 136 kg N·ha–1.
Zgodnie z wytycznymi wdraŜania Dyrektywy Azotanowej [5], zlewnie te wchodzą
w skład obszaru szczególnie naraŜonego, z którego odpływ azotu ze źródeł rolniczych
naleŜy ograniczyć.
Próbki wód do analiz laboratoryjnych pobierano raz w miesiącu w latach 2005-2007
i oznaczano w nich azot azotanowy(V) kolorymetrycznie z kwasem fenolodisulfonowym.
Wyniki i ich omówienie
Zmienność stęŜeń N-NO3 w wodach odpływających ze zlewni rolniczych jest
wypadkową wielu czynników. Do najwaŜniejszych naleŜą intensywność uŜytkowania,
rodzaj systemu melioracyjnego oraz warunki meteorologiczne. PowyŜsze czynniki
w analizowanym okresie badań powodowały duŜe zróŜnicowanie stęŜeń N-NO3 zarówno
między poszczególnymi latami, jak i w okresie danego roku (tab. 1). Stwierdzono równieŜ,
Ocena zawartości azotanów w wodach powierzchniowych obszaru szczególnie zagroŜonego …
475
Ŝe rolnicze uŜytkowanie zdrenowanych gruntów ornych w porównaniu do odwodnienia
ciekami powoduje ponad 7-krotny wzrost stęŜenia N-NO3 w odpływach melioracyjnych.
W ciągu całego okresu badań wystąpiło wyraźne wahanie sezonowe. Największe stęŜenie
N-NO3 stwierdzono zimą i latem (średnia z trzech lat wynosiła odpowiednio 17,38
i 16,63 mg·dm–3) w wodach drenu odwadniającego obszar intensywnie uŜytkowany. Tak
duŜe koncentracje azotanów(V) w ciągu trzyletniego okresu badań moŜna tłumaczyć
łatwością wymywania tego związku z podłoŜa i aktywnym udziałem w przemianach
biochemicznych.
Tabela 1
Średnie sezonowe stęŜenia N-NO3 [mg·dm–3] w dopływach do Jeziora Dobskiego z lat 2005-2007
Pora roku
Zima
Rodzaj dopływu
(sposób uŜytkowania)
521 dren (intensywny)
523 dren (średnio intensywny)
528 ciek (intensywny)
530 ciek (średnio intensywny)
Średnia
Wiosna
521 dren (intensywny)
523 dren (średnio intensywny)
528 ciek (intensywny)
530 ciek (średnio intensywny)
Średnia
Lato
521 dren (intensywny)
523 dren (średnio intensywny)
528 ciek (intensywny)
530 ciek (średnio intensywny)
Średnia
Jesień
521 dren (intensywny)
523 dren (średnio intensywny)
528 ciek (intensywny)
530 ciek (średnio intensywny)
Średnia
Rok
Średnia
521 dren (intensywny)
523 dren (średnio intensywny)
528 ciek (intensywny)
530 ciek (średnio intensywny)
2005
19,23
10,90
1,44
3,41
8,75
12,17
9,34
0,43
0,89
5,70
24,10
9,25
brak wody
brak wody
16,68
17,27
14,93
0,53
1,27
8,50
17,65
11,27
0,83
2,03
7,95
Rok
2006
13,90
14,60
0,48
1,14
7,53
7,41
15,83
0,17
0,47
5,97
8,88
15,50
0,13
brak wody
8,17
15,93
13,03
0,53
1,29
7,70
11,56
14,67
0,37
1,06
6,92
2007
19,00
8,39
3,08
3,89
8,59
11,90
5,79
0,16
0,61
4,62
16,90
12,15
0,13
brak wody
9,73
10,58
12,80
0,29
0,92
6,15
14,39
9,57
0,99
2,10
6,76
Średnia z lat
17,38
11,30
1,67
2,81
8,29
10,49
10,32
0,25
0,66
5,43
16,63
12,30
0,13
brak wody
9,68
14,59
13,59
0,45
1,16
7,45
14,53
11,84
0,73
1,73
7,21
W ciągu całego okresu badawczego najniŜszy poziom osiągało stęŜenie azotanów
w okresie lata średnio 0,13 mg·dm–3 w wodach dopływających do Jeziora Dobskiego
ciekiem (528). Wody te pochodzą ze zlewni stref mokradłowych oddzielających je od pól
uŜytkowanych rolniczo.
Zawartość azotanów w wodach systemów melioracyjnych odwadniających dany teren
jest bowiem wypadkową nie tylko warunków hydrologicznych i meteorologicznych, ale
takŜe intensywności rozwoju roślin [6]. Stąd uzasadnione jest mniejsze stęŜenie azotanów
w wodach zlewni rolniczej obserwowane w okresie intensywnego wzrostu roślin jako
skutek wyczerpywania się zapasów łatwo dostępnych form składników biogennych
w glebie i wodzie.
476
Małgorzata Rafałowska
W zaleŜności od warunków meteorologicznych (pora roku), intensywności produkcji
rolnej (nawoŜenie) i systemu odwodnienia obszaru odpływ N-NO3 kształtował się
w granicach średnio od poniŜej 0,02 kg·ha–1 latem (ciek) do 11,81 kg·ha–1 zimą (dren - tab.
2). NałoŜyły się na to dwa procesy: zmniejszony odpływ wód, a nawet okresowy zanik
przepływu latem oraz lepsze wykorzystanie azotu przez rośliny w okresie wegetacji.
Główna masa (około 45%) wynoszonego ładunku N-NO3 przypada na okres zimowy.
Wynika to z zasilania zlewni wodami roztopowymi, charakteryzującymi się zwiększoną
zawartością tej formy azotu. Wpływa na to równieŜ brak roślinności, a tym samym
niewystępowanie fitosorpcji m.in. związków azotu. Biorąc jednak pod uwagę roczny
odpływ N-NO3, najwyŜszy jego ładunek 26,65 kg·ha–1 stwierdzono w wodach z drenu
odwadniającego teren intensywnie uŜytkowany, zaś najniŜszy 2,32 kg·ha–1 w wodach cieku
odwadniającego teren intensywnie uŜytkowany. W ciągu roku, w porównaniu do cieków,
siecią drenarską odpływał średnio 10-krotnie większy ładunek N-NO3, było to zapewne
spowodowane intensywniejszym odwodnieniem i natlenieniem gleb oraz mniejszą sorpcją
biologiczną azotu w systemie drenarskim [7].
Tabela 2
Zmienność sezonowa i roczna [kg.ha–1·rok–1] odpływu jednostkowego N-NO3 z obszaru badawczego
Pora roku
Zima
Rodzaj dopływu
(sposób uŜytkowania)
521 dren (intensywny)
523 dren (średnio intensywny)
528 ciek (intensywny)
530 ciek (średnio intensywny)
Średnia
Wiosna
521 dren (intensywny)
523 dren (średnio intensywny)
528 ciek (intensywny)
530 ciek (średnio intensywny)
Średnia
Lato
521 dren (intensywny)
523 dren (średnio intensywny)
528 ciek (intensywny)
530 ciek (średnio intensywny)
Średnia
Jesień
521 dren (intensywny)
523 dren (średnio intensywny)
528 ciek (intensywny)
530 ciek (średnio intensywny)
Średnia
Rok
Średnia
521 dren (intensywny)
523 dren (średnio intensywny)
528 ciek (intensywny)
530 ciek (średnio intensywny)
2005
16,33
6,60
2,49
3,70
7,28
11,35
2,64
0,14
0,26
3,60
7,08
0,66
brak wody
brak wody
3,87
4,41
2,00
0,03
0,05
1,62
39,16
11,90
2,65
4,01
14,43
Rok
2006
2,53
1,60
0,02
0,06
1,05
3,19
1,10
0,01
0,01
1,08
0,78
0,33
< 0,01
brak wody
0,37
5,53
2,21
0,18
0,15
2,01
13,70
5,87
0,24
0,26
5,02
2007
16,59
3,82
3,96
3,41
6,94
8,10
0,89
0,02
0,05
2,26
0,90
0,84
< 0,03
brak wody
0,58
1,50
2,10
0,08
0,17
0,96
27,09
7,65
4,07
3,63
10,61
Średnia z lat
11,81
4,00
2,16
2,39
5,09
7,55
1,55
0,06
0,10
2,31
2,92
0,61
< 0,02
brak wody
1,18
3,81
2,10
0,09
0,12
1,53
26,65
8,47
2,32
2,63
10,02
Ocena zawartości azotanów w wodach powierzchniowych obszaru szczególnie zagroŜonego …
477
Wnioski
1.
2.
3.
4.
5.
O stęŜeniach i ładunku azotanów odpływających ze zlewni rolniczych decydują
warunki meteorologiczne i system melioracyjny, warunkujące ilość i dynamikę
odpływu wód oraz intensywność uŜytkowania terenu.
Drenowanie zwiększa odpływ wód 2-krotnie i azotanów 4-13-krotnie w stosunku do
odwadniania ciekami otwartymi.
Intensyfikacja rolniczego uŜytkowania terenu powoduje wyraźny wzrost stęŜeń azotu
azotanowego(V) w wodach powierzchniowych, szczególnie w wodach drenarskich.
Największe stęŜenia N-NO3 występują zimą (średnio 17,38 mg·dm–3) w wodach
drenarskich odpływających z obszaru intensywnie uŜytkowanego, a najmniejsze
w ciekach szczególnie wiosną i latem (0,13÷0,25 mg·dm–3).
Zasadnicza część (około 45%) rocznego ładunku N-NO3 przypada na okres zimowy.
Jest to skutkiem intensywnego odpływu azotu wraz z wodami roztopowymi
i opadowymi w okresie ograniczonej bioakumulacji. W okresie mroźnej zimy i suszy
letniej odpływy są minimalne z powodu okresowego zaniku przepływu wód.
Wyniki badań wskazują na potencjalny negatywny wpływ wód odpływających
z terenów rolniczych, szczególnie systemami drenarskimi na wody do Jeziora
Dobskiego. Ze względu na duŜe stęŜenia azotanów w wodach dopływających do
jeziora moŜna ocenić je jako naraŜone na eutrofizację. Potwierdza to zasadność
uznania tego terenu za obszar, z którego odpływ azotu ze źródeł rolniczych naleŜy
ograniczyć.
Podziękowanie
Praca została
nr N N305 1056 33
wykonana
w
ramach
projektu
badawczego
promotorskiego
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Sapek A.: ZagroŜenie zanieczyszczenia wód azotem w wyniku działalności rolniczej. Zesz. Probl. Post. Nauk
Roln., 1996, (440), 309-329.
Durkowski T.: Ocena wód gruntowych i powierzchniowych w bezpośredniej zlewni jeziora Miedwie na
podstawie badań monitoringowych w wybranych wsiach, [w:] Zintegrowany monitoring środowiska
przyrodniczego. Funkcjonowanie geoekosystemów Polski w warunkach zmian klimatu i róŜnokierunkowej
antropopresji. Pr. zbior. Kostrzewski A. i Kolander R. (Red.). UAM, GIOŚ, Poznań 2005, 261-271.
Koc J.: Wpływ intensywności uŜytkowania terenu na wielkość odpływu biogenów z obszarów rolniczych.
Rocz. Akad. Roln. Poznań 1998, 52(307), 51-63.
Pietrzak S. i Sapek A.: Monitoring jakości wody gruntowej w zagrodzie wiejskiej i jej otoczeniu. Zesz. Probl.
Post. Nauk Roln., 1998, (458), 495-504.
DYREKTYWA 1991: Dyrektywa Rady 91/676/EWG z dnia 12 grudnia 1991 r. w sprawie ochrony wód przed
zanieczyszczeniem powodowanym przez azotany pochodzące ze źródeł rolniczych.
Koc J., Solarski K. i Rochwerger A.: Wpływ systemu melioracyjnego na wielkość i sezonowość odpływu
azotanów z gleb uprawnych. J. Elementol., 2005, 10(2), 349-358.
Koc J. i Szymczyk S.: Wpływ intensyfikacji rolnictwa na odpływ z gleb azotu mineralnego. Zesz. Probl. Post.
Nauk Roln., 2003, (494), 175-181.
478
Małgorzata Rafałowska
ESTIMATION OF THE NITRATE CONTENT IN THE SURFACE WATERS
OF AN AREA PARTICULARLY EXPOSED TO POLLUTION
FROM AGRICULTURAL SOURCES
Summary: The aim of the research was to estimate the concentrations and loads of nitrate nitrogen(V) as well as
their seasonal changes in the waters flowing from the catchments qualified as areas in particular danger of nitrate
pollution from agricultural sources. The obtained results indicate that intensified agricultural utilisation of the area
causes a marked increase in the concentrations of nitrate nitrogen(V), in surface waters, particularly in drainage
waters. The highest concentrations of N-NO3 occur in winter (on average 17.38 mg·dm–3) in drainage waters
flowing from the intensively utilised area, and the lowest in watercourses, particularly in spring and summer
(0.13÷0.25 mg·dm–3). The load of N-NO3 flowing from the agricultural catchment depends on the meteorological
conditions, the type of drainage system and the intensity of the catchment utilisation. A substantial part (about
45%) of the yearly charge of N-NO3 occurs in wintertime. It is a result of an intensive inflow of nitrogen with the
thawing snow and precipitation in the period of limited bioaccumulation. The results of the research indicate
a potential negative influence of the waters flowing from agricultural areas, mostly through drainage systems, on
the waters of Dobskie Lake. Considering high concentrations and loads of nitrates in the waters flowing into the
lake, we can qualify it as exposed to eutrophication. This confirms the importance of regarding the area as one
where the flow of nitrogen from agricultural sources ought to be limited.
Keywords: surface waters, drains, nitrates, agricultural pollution