WODA-ŚRODOWISKO-OBSZARY WIEJSKIE 2009: t. 9 z. 4 (28)WATER-ENVIRONMENT-RURAL AREAS s. 87–101

www.imuz.edu.pl © Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach, 2009

AZOTANY W WODACH GRUNTOWYCH DORZECZA GÓRNEJ WISŁY

– PRÓBA OCENY ICH STĘŻENIA W ŚWIETLE WYTYCZNYCH DYREKTYWY AZOTANOWEJ

Marek KOPACZ, Stanisław TWARDY

Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach, Małopolski Ośrodek Badawczy w Krakowie

Słowa kluczowe: obciążenie zlewni azotem, odpływ gruntowy, stężenie NO3 w wodach gruntowych

S t r e s z c z e n i e

Celem pracy jest przedstawienie średnich wartości stężenia NO3 w płytkich wodach gruntowych oraz przeanalizowanie zależności między tymi stężeniami a odpływem gruntowym i obciążeniem zlewni azotem pochodzenia rolniczego. W pracy określono także szacunkowe wartości progowe w celu wyznaczania stężenia NO3 za pomocą wzorów podanych w Rozporządzeniu MŚ... [2002]. Stężenie azotanów w wodach gruntowych było zróżnicowane. Jego wartości zależały głównie od opadów, czyli w efekcie od odpływu gruntowego. Stężenie to było kształtowane bardziej przez wynik bilansu azotu niż obciążenie. Stwierdzono znaczne różnice w wartościach stężenia obliczanego za pomocą obu wzorów z wykorzystaniem obciążenia i bilansu N dla różnie użytkowanych i nawożo­nych obszarów rolniczych. Mimo, iż w pracy wyznaczono progowe wartości odpływu, istnieje po­trzeba indywidualnej analizy specyficznych obszarów w celu dopracowania metodyki obliczeniowej zawartej w ww. Rozporządzeniu MŚ.

WSTĘP

Stosowanie nawożenia mineralnego lub naturalnego w produkcji rolniczej stwarza zróżnicowane ilościowo i przestrzennie zagrożenia środowiska wodno- -glebowego. Szczególnie niebezpieczny jest tutaj azot, w tym jego jonowe formy azotanowe, które w wyniku swojej „ruchliwości” łatwo migrują w obrębie profilu

Adres do korespondencji: dr inż. M. Kopacz, Małopolski Ośrodek Badawczy IMUZ, ul. Ułanów 21b, 31-450 Kraków; tel. +48 (12) 411-81-46, e-mail: imuzkrak@kki.pl

88 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 9 z. 4 (28)

glebowego i przedostają się do wód gruntowych, a także powierzchniowych [SA­PEK, 1995]. Zagrożenia te są monitorowane zgodnie z wymogami Dyrektywy 91/676/EWG, zwanej powszechnie „Dyrektywą Azotanową”.

Polskimi przepisami wykonawczymi w tym zakresie są Rozporządzenia Mini­stra Środowiska w sprawie kryteriów wyznaczania wód wrażliwych na zanieczysz­czenia związkami azotu ze źródeł rolniczych [2002] oraz w sprawie szczegółowych wymagań, jakim powinny odpowiadać programy działań mających na celu ograni­czenie odpływu azotu ze źródeł rolniczych [2003].

Celem pracy jest przedstawienie średnich wartości stężenia NO3 w płytkich wodach gruntowych wyznaczonych za pomocą wzorów i założeń metodycznych zalecanych przez ww. Rozporządzenie MŚ [2002], analiza zależności między tymi stężeniami a odpływem gruntowym (wyznaczonym również metodą podanąw Rozporządzeniu MŚ) i obciążeniem zlewni azotem pochodzenia rolniczego oraz wyznaczenie warunków progowych potrzebnych w trakcie stosowania wzorów do obliczania stężenia NO3.

METODY BADAŃ

Do analizy wykorzystano dane z obszarów dorzecza górnej Wisły do przekroju w Zawichoście, opisujące wartości ładunku azotu pochodzenia rolniczego, bilansu azotu metodą „na powierzchni pola”, a także odpływu gruntowego z profilu gle­bowego o głębokości 0–90 cm, wyznaczonego na podstawie wytycznych z załącz­nika nr 4 ww. Rozporządzenia MŚ [Kryteria…, 2003]. Dane pozyskano na pod­stawie ankiet przeprowadzonych w poszczególnych gminach dorzecza, danych sta­tystycznych GUS, meteorologicznych IMGW, a także informacji z badań wła­snych, prowadzonych w IMUZ. Do analizy wybrano obszary o zmiennych uwa­runkowaniach meteorologicznych, w tym szczególnie opadowych, które w naj­większym stopniu decydują o wartości odpływu gruntowego.

Do wyznaczania stężenia azotanów w płytkich wodach gruntowych równieżwykorzystano założenia metodyczne zawarte w Rozporządzeniu MŚ. W załączniku nr 6 podano 3 rodzaje wzorów obliczeniowych, do których należy wykorzystywaćróżne dane wejściowe odnoszące się do formy azotu. W pierwszym ze wzorów wykorzystuje się wartość całkowitego ładunku azotu pochodzenia rolniczego wprowadzanego na powierzchnię użytków rolnych (określaną we wzorze jako do-pływ azotu). W drugim z nich bazuje się na bilansie azotu, a w trzecim uzależnia się stężenie azotanów od ilości azotu azotanowego wymywanego z profilu glebo­wego. We wszystkich wzorach czynnikiem decydującym o wartości stężenia NO3

jest odpływ gruntowy. Wartości odpływu, wyrażone w mm, przeliczono na odpływ w m3·ha–1·rok–1 w celu uzyskania zgodności jednostek danych zastosowanych w analizie porównawczej. Poniżej przedstawiono wzory z załącznika nr 6 Rozpo­rządzenia MŚ… [2002].

89 M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły…

4430 ⋅0,15doplyw _ azotu [kg N ⋅ ha−1 ⋅ rok−1 ]c = odplyw _ wody [ m3 ⋅ ha−1 ⋅rok−1 ]

(1)

4430 ⋅0,5bilans _ azotu [kg N ⋅ ha−1 ⋅ rok−1 ]c = (2)odplyw _ wody [ m3 ⋅ ha−1 ⋅rok−1 ]

0,5 NNO3 _ wymywany _ z _ gleby [kg N ⋅ ha−1 ⋅ rok−1 ]c = odplyw _ wody [ m3 ⋅ ha−1 ⋅rok−1 ]

(3)

gdzie: c − stężenie NO3 w wodach gruntowych; 4430 − współczynnik do przeliczenia kg N na mg NO3; 0,15; 0,5 − współczynniki określające, jaka część azotu dopływającego do gle­

by przemieści się do płytkich wód gruntowych.

W celu uzyskania wymienionych we wzorach parametrów w pierwszej kolej­ności zestawiono wartość rocznego opadu rzeczywistego za lata 2005 i 2006, a na­stępnie na podstawie wyznaczonej ewapotranspiracji przeliczono ją na opad netto [ALLEN, 1998; SMITH, 1992]. Kolejnym wyznaczonym czynnikiem była przeciętna polowa pojemność wodna PPW gleby, której wartość uzyskano, korzystając z za­łącznika nr 3 Rozporządzenia MŚ. Całkowitą PPW obliczono jako sumę iloczynów pojemności wodnej gleb zaliczanych do poszczególnych kategorii agronomicznych (gleby bardzo lekkie, lekkie, średnie i ciężkie) i procentowego udziału gleb w tych kategoriach na danym terenie (wyznaczonego na drodze interpolacji przestrzennej). Następnie wyznaczono odpływ wody z profilu glebowego. Jego wartość oblicza sięw dwóch wariantach w zależności od wartości opadu netto (załącznik nr 4 Rozpo­rządzenia MŚ). Jeżeli opad netto jest mniejszy od pojemności wodnej gleb, wów­czas stosuje się wzór:

odpływ wody (mm) = = opad netto (mm) · [opad netto (mm) : pojemność wodna gleb (mm)] (4)

W przypadku, gdy opad netto jest większy od polowej pojemności wodnej gleb:

odpływ wody (mm) = opad netto (mm) (5)

Obciążenie azotem pochodzenia rolniczego (dopływ N w kg·ha–1 UR), a także bilans „na powierzchni pola” zostały obliczone za pomocą programu „MacroBil” (opracowanie IUNG Puławy), z uwzględnieniem różnych parametrów z zakresu

90 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 9 z. 4 (28)

produkcji rolniczej (m.in.: nawożenie NPK, pogłowie zwierząt gospodarskich, ka­tegorie agronomiczne gleb, zawartość NPK oraz Mg w glebach itp.).

Przeanalizowano zależności między stężeniem NO3 w wodach gruntowych a ładunkiem N, odpływem gruntowym i bilansem N. Posłużyło to do zapropono­wania wartości progowych odpływu gruntowego do stosowania we wzorach z Roz­porządzenia MŚ… [2002].

WYNIKI BADAŃ

Średnie wartości obliczonego stężenia w poszczególnych zakresach przedsta­wiono w układzie gminnym na rysunku 1. Wyznaczone teoretycznie, potencjalne wartości średniego stężenia azotanów (za pomocą wzoru 1) w płytkich wodach gruntowych były zróżnicowane w zależności od wzniesienia n.p.m. Najniższe z nich odnotowano na obszarach górskich, gdzie nie przekraczały kilkunastu mg·dm–3. W pasie podgórskim oraz wyżynnym, łącznie z Wyżyną Lubelską, osią­gały wartość od kilkunastu do kilkudziesięciu mg·dm–3. Największe wartości stę­żenia obliczono dla północnej części dorzecza górnej Wisły (okolice Miechowa, Jędrzejowa, Kielc aż po Wyżynę Sandomierską), gdzie kształtowały się na pozio­mie 100–200 mg·dm–3 i więcej.

Rys. 1. Średnie stężenie NO3 (mg·dm–3) w wodach gruntowych na obszarze dorzecza górnej Wisły

Fig. 1. The average concentration of NO3 (mg·dm–3) in ground waters in the upper Vistula River basin

91 M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły…

Tak duże wartości stężenia NO3 w wodach gruntowych nie oznaczają jeszcze, że dany obszar zalicza się do szczególnie wrażliwego na azotany pochodzenia rol­niczego. Decyduje o tym wiele dodatkowych czynników, spośród których najważ­niejszym jest wartość ładunku azotu wprowadzanego na powierzchnię użytków rolnych (170 kg·ha–1 UR), stężenie NO3 w wodach powierzchniowych (50 mg·dm–3) oraz stan eutrofizacji tych wód.

Rozkład stężenia bezpośrednio korelował z wartościami odpływu gruntowego, który z kolei zależał od opadu atmosferycznego i wynosił od kilku do nawet 1000 mm w Tatrach i Bieszczadach, w terenach podgórskich ok. 100–350 mm, a w pół ­nocnej części dorzecza w roku badawczym wyniósł zaledwie od kilku do kilku­dziesięciu mm [Kryteria…, 2003]. Tak duża wartość odpływu w górach wynika z nieuwzględnienia spływu powierzchniowego we wzorach podawanych w Rozpo­rządzeniu. Dlatego też najwyższe wartości obliczone dla pasma wysokich gór kar­packich (Tatry, Beskidy, Bieszczady) należałoby skorygować, uwzględniając war-tość tego spływu.

Z kolei, w warunkach najniższych wartości opadów atmosferycznych, opad netto niejednokrotnie osiągał wartości ujemne. Oznacza to, że w praktyce odpływ gruntowy nie występował.

Wyznaczone parametry stanowiły średnią z całego roku kalendarzowego, co w warunkach stosowania omawianej metodyki nie odzwierciedla w pełni rzeczy­wistości. Natomiast bilansowanie tych parametrów w krótszych okresach, np. mie­sięcznych czy dekadowych, jest trudne ze względu na potrzebę posługiwania siębardzo szczegółowymi danymi.

Wykorzystane wzory do obliczania stężenia azotanów w wodach gruntowych zawierają w mianowniku wartość odpływu gruntowego. Jeżeli założymy, że w da­nym roku wystąpiła susza, to wyznaczone wartości stężenia są niewiarygodnie du­że i nie występują w warunkach naturalnych. Obrazuje to tabela 1., w której zesta­wiono skrajne wartości stężenia, w warunkach zróżnicowanego odpływu grunto­wego.

Jak wykazują liczne badania w zakresie stężenia azotanów w wodach grunto­wych, jego wartości w warunkach rzeczywistej gospodarki rolnej są dość znacznie zróżnicowane i zależą od bardzo wielu czynników. Wystarczy przytoczyć liczne i szczegółowe badania publikowane przez prof. Sapka i jego zespół (wg SAPKA [1995]). Według tego autora maksymalne stężenie azotanów w wodach grunto­wych (w warunkach różnych wartości przesiąku oraz ilości wymywanego azotu) sięgały nawet 200 mg N-NO3·dm–3, tj. aż 886 mg NO3·dm–3. Autor podaje jednak, że w praktyce w Polsce maksymalnie ulega wymyciu 50 kg azotu azotanowego spod upraw rzepaku i buraków cukrowych, czyli w warunkach średniego przesiąku równego 100 mm rocznie stężenie N-NO3 w wodach gruntowych wynosi do 50 mg, tj. ok. 220 mg NO3·dm–3. Stężenie w wodach gruntowych spod zagrody osią­gało maksymalnie 140 mg N-NO3·dm–3, tj. 620 mg NO3·dm–3, a w studniach nawet ok. 370 N-NO3, czyli ponad 1600 mg NO3·dm–3 [SAPEK, 1995].

92 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 9 z. 4 (28)

Tabela 1. Wybrane wartości odpływu oraz stężenia NO3 w wodach gruntowych w gminach dorzecza górnej Wisły

Table 1. Selected values of the outflow and concentration of NO3 in ground waters in communes of the upper Vistula River basin

Województwo Voivodship

Gmina Commune

Odpływ z profilu glebowego, mm Outflow from

soil profile, mm

Stężenie NO3

Concentration of NO3

mg·dm–3

Małopolskie Zakopane 969 6,0 Małopolskie Kościelisko 911 6,5 Podkarpackie Lutowiska 894 5,3 Małopolskie Gródek n. Dunajcem 347 17,6 Podkarpackie Jasło 347 19,1 Małopolskie Łososina Dolna 346 15,6 Świętokrzyskie Lipnik 4 1 9941)

Małopolskie Trzyciąż 2 3 0241)

Świętokrzyskie Wilczyce 1 9 2371)

Małopolskie Iwanowice, Słomniki, Gołcza, Miechów 0–0,2 poza zakresem Podkarpackie Radomyśl n. Sanem, Gorzyce out of range Świętokrzyskie Ożarów, Wojciechowice, Zawichost 1) Wartości niewystępujące w warunkach rzeczywistych. 1) Values not existing under natural conditions.

W przypadku studni przyzagrodowych oraz samych zagród istotnym elemen­tem zanieczyszczającym mogą być położone w pobliżu nieszczelne płyty gnojowe oraz nieuporządkowana gospodarka wodno-ściekowa w obrębie zagrody. W in­nych badaniach SAPEK i SAPEK [2007] podają, że stężenie NO3 w wodzie grunto­wej w pobliżu gnojowni sięgało nawet 164 mg NO3·dm–3, a rejestrowane na po­dwórzu gospodarstwa w Falentach aż 180 mg NO3·dm–3.

IGRAS [2005] podaje natomiast znacznie wyższe skrajne wartości: w rowach melioracyjnych zarejestrowano 602 mg NO3·dm–3, a w wodach drenarskich nawet 734 mg NO3·dm–3. Stężenie azotanów w wodach gruntowych bezpośrednio pod uprawami rolniczymi jest jednak niższe. DURKOWSKI, BURCZYK i KRÓLAK [2007] podają, że zależy ono między innymi od poziomu nawożenia oraz położenia zwier­ciadła wody gruntowej. Największe ich wartości zarejestrowano pod gruntem or­nym (102 mg NO3·dm–3) oraz pastwiskiem (105 mg NO3·dm–3). ILNICKI [2004] oraz SMOROŃ, KOPEĆ i MISZTAL [1996] największe stężenie NO3 odnotowali pod czarnym ugorem (średnio w okresie zimowym ok. 100, a w grudniu i styczniu na­wet 140 i 142 mg NO3·dm–3). W badaniach lizymetrycznych stwierdzono maksy­malne stężenie NO3 w wodach odciekających z profilu glebowego do 75–80 mg·dm–3 [JAGUŚ, TWARDY, 2006]. Zbliżone wartości tego stężenia potwierdzajątakże inne badania [DOMAGAŁA, 1989; MISZTAL, 2000; SAPEK, PIETRZAK, 2000]. Cytowane stężenia są wartościami chwilowymi, a więc związanymi z momentem

93 M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły…

poboru próbek i terminem ich analiz, natomiast obliczone w niniejszej pracy sąwartościami średnimi dla całego roku kalendarzowego.

Dla obszaru Polski można przyjąć, że występujące w warunkach rzeczywistych maksymalne wartości stężenia azotanów w wodach gruntowych pod uprawami nie przekraczają 150–200 mg·dm–3. Stężenie występujące w wodach gruntowych pod zagrodami, szczególnie w warunkach złej gospodarki wodno-ściekowej, jest wie­lokrotnie większe i osiąga wartości 900–1600 mg·dm–3 NO3. Nie można zatem wy­znaczyć jednoznacznej granicy maksymalnej wartości stężeń NO3. Można jednak na podstawie badań empirycznych wykluczyć wartości skrajnie wysokie, których nawet nie spotyka się w literaturze.

Istotne jest więc określenie progowych wartości odpływu, dla których obliczo­ne stężenie jest wiarygodne. Teoretyczną zależność między wartością odpływu gruntowego a stężeniem NO3, obliczonym za pomocą trzech wzorów, przedstawio­no na rysunku 2. Do obliczeń przyjęto wartości obciążenia azotem pochodzenia rolniczego (96 kg N·ha–1 UR), bilansu azotu (22,5 kg N·ha–1 UR), które były śred­nimi obliczonymi dla całego dorzecza górnej Wisły, a także ilość azotu wymytego z gleby na poziomie 20 kg N-NO3·ha–1 UR jako średnią wartość występującąw Polsce [SAPEK, 1995]. Na osi odciętych (rys. 2) zaznaczono wartości odpływu gruntowego odpowiadającego maksymalnym wartościom stężenia azotanów, które występują w warunkach rzeczywistych. Wartości obliczonego stężenia NO3 za pomocą wzorów (1) i (2) są porównywalne, natomiast obliczone wg wzoru (3) sąkilka tysięcy razy mniejsze (rys. 2). Wskazuje to na ewidentny błąd we wzorze (3) z Rozporządzenia MŚ, w którym – jak można przypuszczać – zabrakło współczyn­nika do przeliczenia azotu w kg na stężenie azotanów w mg.

W przypadku upraw rolniczych dla wartości odpływu poniżej 45–50 mm, a na pewno już od 25–35 mm, należy rozważyć zasadność stosowania wzorów z Rozpo­rządzenia MŚ… [2002], ewentualnie zastosować inne pośrednie metody oszaco­wania stężenia. Należy zaznaczyć, że ze względu na wspomniane zróżnicowanie stężenia azotanów w wodach gruntowych oraz wielość czynników wspomniane propozycje należy traktować jako wstępne.

Porównano zależności między obciążeniem i bilansem azotu a obliczonym stę­żeniem w warunkach różnych wartości odpływu gruntowego (rys. 3, 4). W obu przypadkach ściślejsze korelacje obliczono, gdy zakres stężenia ograniczono do max. 200 mg NO3·dm–3. Znacznie ściślejsze korelacje stwierdzono w przypadku wyznaczania stężenia NO3 za pomocą wzoru (2), uwzględniającego wartość bilan­su azotu (rys. 3, 4). Zależności te pośrednio wskazują na potrzebę indywidualnego doboru formuły matematycznej do obliczeń stężenia azotanów.

Ponadto stwierdzono też, że w przypadku zbliżonych (lub uśrednionych) wyni­ków bilansu różnice w wartościach stężenia NO3 obliczonego za pomocą jednego i drugiego wzoru wynoszą ok. 27%. Wartość bilansu obliczona została dla kon­kretnych danych, uzyskanych podczas badań prowadzonych w dorzeczu górnej Wisły. W przypadku, gdy wynik bilansu w stosunku do obciążenia azotem jest

100

94 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 9 z. 4 (28)

Rys. 2. Teoretyczna zależność między odpływem gruntowym a stężeniem NO3 w wodach gruntowych, obliczona za pomocą 3 wzorów zamieszczonych w Rozporządzeniu MŚ... [2002]

Fig. 2. Theoretical relationship between the ground outflow and concentration of NO3 in ground waters calculated with 3 equations published in the Order of the Minister of Environment [2002]

mniejszy, np. 2-krotnie i wynosi 10 kg N na ha UR, różnice stężenia NO3 obliczo-nego za pomocą wzorów (1) i (2), sięgają już blisko 290% (rys. 2). Sytuacja taka może wystąpić, gdy obliczamy stężenie NO3 dla terenów z dużym udziałem użyt-ków zielonych, gdzie – mimo niemałego obciążenia azotem – następuje lepsze jego wykorzystanie, a w związku z tym wynik bilansu jest mniejszy. Niższa wartośćbilansu dotyczy również obszarów o mniejszym zużyciu nawozów mineralnych, specyficznej strukturze pogłowia zwierząt gospodarskich itp. Należy wówczas rozważyć indywidualnie, który rodzaj wzoru będzie lepiej odzwierciedlał stan fak-tyczny.

Przykładem wspomnianych niedokładności wzorów mogą być dane zamiesz-czone w tabeli 2. Zawierają one wartości podstawowych parametrów, opisujących produkcję rolniczą w dorzeczu górnej Wisły, uśrednione dla województw. W więk-szości przypadków różnice w obliczonych wartościach stężenia za pomocą wzorów (1) i (2) nie były duże, jednak w przypadku województwa śląskiego wartość stęże-nia obliczona wg wzoru (2) (na podstawie bilansu N) była kilkudziesięciokrotnie mniejsza niż obliczona wg wzoru (1) (na podstawie obciążenia N).

0 0

1 10

10

00

1000

0 10

0000

10

0000

0

0,01 0,1 1 10 100

Odpływ gruntowy mm Ground outflow mm

Stęż

enie

NO

3 mg*

dm-3

Con

cent

ratio

n of

NO

3 mg*

dm-3

wg wzoru 1 (obciążenie N 96 kg·ha-1 UR) acc. to formula 1 (load N 96 kg·ha-1 AL.) wg wzoru 2 (bilans N 22,5 kg·ha-1 UR) acc. to formula 2 (Balance N 22,5 kg·ha-1 AL) wg wzoru 3 (N z gleby 20 kg·ha-1 UR) acc. to formula 3 (N from soil 20 kg·ha-1 AL.) gdy wynik bilansu N 10 kg·ha-1 UR if result of balance N 10 kg·ha-1 AL.

25 355 6,5

200

45 50

150

4000

95

Stężenie NO 3 Concentration of NO 3 [mg*dm-3

]

stęż

enia

do

200

mg?

dm-3

200

3500

pełn

y za

kres

stężeń

full

rang

e of

con

cent

ratio

ns

3000

2500

y

= 0,

0017

x2,25

R =

0,3

3 20

00

1500

1000

500 0

stężenie NO3 Concentration of NO 3 [mg*dm-3]

conc

entr

atio

ns u

p to

200

mg?

dm-3

150

100

y =

0,04

7x1,

39

R =

0,3

9

50 0 40

60

80

10

0 12

0 14

0 30

50

70

90

11

0 13

0 15

0

Obc

iąże

nie

N [k

g*ha

-1 U

R] L

oad

of N

[kg*

ha-1

AL]

O

bciąże

nie

N [k

g*ha

-1 U

R] L

oad

of N

[kg*

ha-1

AL]

Rys

. 3. Z

ależ

nośc

i mię

dzy

obciąż

enie

m N

a stęż

enie

m N

O3 (

oblic

zony

m w

g w

zoru

1) w

wod

ach

grun

tow

ych

Fig.

3. T

he re

latio

nshi

ps b

etw

een

the

load

of N

and

con

cent

ratio

n of

NO

3 (ca

lcul

ated

acc

ordi

ng to

equ

atio

n 1)

in g

roun

d w

ater

s

M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły …

4000

96

Stężenie NO3 Concentration of NO3 [mg*dm-3

]

stęż

enia

do

200

mg?

dm-3

200

pełn

y za

kres

stężeń

full

rang

e of

con

cent

ratio

ns35

00

3000

2500

2000

y =

1,22

x1,

11

R =

0,50

15

00

1000

500

Stężenie NO3 Concentration of NO 3 [mg*dm-3

]

conc

entra

tions

up

to 2

00 m

g?dm

-3

150

y =

1,30

x0,

92

R =

0,66

10

0 50 0 0

0 1

0 20

30 40

50

0 1

0 20

30 40

50

Bila

ns N

[kg*

ha-1

UR] B

alan

ce o

f N [k

g*ha

-1 A

L]

Bila

ns N

[kg*

ha-1 U

R] B

alan

ce o

f N [k

g*ha

-1 A

L]

Rys

. 4. Z

ależ

nośc

i mię

dzy

bila

nsem

N a

stęż

enie

m N

O3 (

oblic

zony

m w

g w

zoru

1) w

wod

ach

grun

tow

ych

Fig.

4. T

he re

latio

nshi

ps b

etw

een

N b

alan

ce a

nd c

once

ntra

tion

of N

O3 (

calc

ulat

ed a

ccor

ding

to e

quat

ion

1) in

gro

und

wat

ers

Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 9 z. 4 (28)

97 T

abel

a 2.

Wyb

rane

par

amet

ry p

rodu

kcji

roln

icze

j w d

orze

czu

górn

ej W

isły

(w u

kład

zie

woj

ewód

ztw

)

Tab

le 2

. Sel

ecte

d pa

ram

eter

s of a

gric

ultu

ral p

rodu

ctio

n in

the

uppe

r Vis

tula

Riv

er b

asin

(in

voiv

odsh

ip sc

hem

e)

Para

met

r Pa

ram

eter

Je

dnos

tka

Uni

t Lu

bels

kie

Mał

opol

skie

Po

dkar

pack

ie

Śląs

kie

Świę

to-

krzy

skie

Dor

zecz

e

górn

ej W

isły

The

uppe

r Vis

tula

R

iver

bas

in

Obc

iąże

nie

N

kg·h

a–1 U

R

98,0

98

,8

92,3

76

,7

98,9

96

Lo

ad o

f N

kg·h

a–1 A

L B

ilans

N „

na p

owie

rzch

ni p

ola”

kg·h

a–1 U

R

28,1

27

,1

17,2

1,

6 26

,2

22,5

B

alan

ce o

f N „

on th

e fie

ld su

rfac

e”

kg·h

a–1 A

L O

dpły

w z

pro

filu

gleb

oweg

om

m

121

268

286

511

55

254,

2 O

utflo

w fr

om so

il pr

ofile

Stęż

enie

NO

3 (ob

liczo

ne n

a po

d-m

g·dm

–3

53,8

24

,5

21,4

10

,0

119,

5 25

,0

staw

ie o

bciąże

nia

N)

Con

cent

ratio

n of

NO

3 (ca

lcul

ated

fr

om th

e lo

ad o

f N)

Stęż

enie

NO

3 (ob

liczo

ne n

a po

d-m

g·dm

–3

51,4

22

,4

13,3

0,

7 10

5,5

19,6

st

awie

bila

nsu

N)

Con

cent

ratio

n of

NO

3 (ca

lcul

ated

fr

om th

e ba

lanc

e of

N)

Udz

iał w

pow

ierz

chni

cał

kow

itej

%

Con

tribu

tion

to th

e to

tal a

rea

– uż

ytki

roln

e

55,9

55

,0

44,9

39

,5

64,0

54

,9

agr

icul

tura

l lan

ds

– gr

unty

orn

e43

,0

35,0

32

,5

18,6

49

,6

39,7

a

rabl

e la

nds

– uż

ytki

zie

lone

11

,8

19,2

11

,8

20,2

11

,7

13,7

gr

assl

ands

M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły …

98 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 9 z. 4 (28)

Tylko 21 gmin z 2 powiatów tego województwa leży w obrębie dorzecza gór­nej Wisły. Są to gminy o odmiennej strukturze pogłowia zwierząt gospodarskich (znacznie mniej jest tutaj owiec) w stosunku do średnich w województwie, mniej­szy jest także udział gruntów ornych, więcej jest natomiast użytków zielonych, a także odnotowuje się tu mniejsze zużycie nawozów mineralnych i naturalnych. Jest to kilka z wielu przyczyn małej wartości wyniku bilansu azotu. Dane te rów­nież potwierdzają potrzebę weryfikacji użyteczności poszczególnych wzorów do obliczeń stężenia NO3 i dostosowania do specyfiki danego regionu i prowadzonej na nim produkcji rolniczej.

Warto również podkreślić, że wzoru (2), uwzględniającego w obliczeniach wartość bilansu N, nie można wykorzystać, gdy wynik tego bilansu jest równy lub bliski zeru, a także gdy jest ujemny. Wydaje się to oczywiste, jednak ustawodawca nie przewidział żadnych warunków progowych w tym zakresie.

We wszystkich wzorach do obliczania stężenia NO3 w wodach gruntowych elementem wpływającym na wynik w największym stopniu jest wartość odpływu gruntowego. Potwierdzają to dane przedstawione na rysunku 5., na którym wyzna­czono krzywą zależności między odpływem gruntowym a stężeniem NO3 dla fak­tycznych wartości obciążenia N, obliczonych dla poszczególnych gmin w obrębie dorzecza górnej Wisły. Zależności dla konkretnej wartości ładunku N (średniej dla całego dorzecza) podano natomiast na rysunku 2.

y = 7481,4x-1,04

R = 0,98

1

10

100

1000

10000

stęż

enie

NO

3 co

ncen

trat

ion

of N

O 3 [m

g*dm

-3 ] stężenie concentration NO3 [mg*dm-3]

zależność potęgowa exponential relation

200150

1 10 35 45 100 1000 Odpływ Outflow [mm]

Rys. 5. Relacja odpływ – stężenie NO3 (obliczone dla gmin dorzecza górnej Wisły) w wodach odciekających z profilu glebowego

Fig 5. The relationship between the runoff and NO3 concentrations (calculated for upper Vistula River basin) in waters percolating from the soil profile

99 M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły…

Mimo zróżnicowania wartości obciążenia azotem w poszczególnych gminach i regionach dorzecza, współczynnik korelacji odpływ–stężenie był bardzo wysoki i wynosił 0,98. Tymczasem współczynniki korelacji między stężeniem i obciąże­niem N czy wynikiem bilansu N były znacznie mniejsze (rys. 3, 4).

PODSUMOWANIE

Uzyskane w pracy wyniki, dotyczące średnich wartości stężenia azotanów w płytkich wodach gruntowych, są danymi teoretycznymi, obliczonymi na podsta­wie zacytowanych wzorów z załącznika nr 6 do Rozporządzenia MŚ... [2002].

Stosowanie wspomnianych wzorów w szerokiej praktyce wymaga jednak do­precyzowania szczegółowych parametrów, zarówno dotyczących obszaru, jak i charakteru produkcji, dla których stężenie to ma być wyznaczane.

Istotną kwestią jest właściwy dobór wzoru. Zawarte w Rozporządzeniu MŚ... [2002] trzy formuły matematyczne nie są uwarunkowane żadnymi wartościami progowymi lub innymi wytycznymi, który wzór i w jakich warunkach można za­stosować. Jak wykazała przeprowadzona analiza, różnice w uzyskanych warto­ściach stężenia azotanów wyznaczonych wg tych wzorów (dla tego samego obsza­ru i uwarunkowań produkcyjnych) są bardzo duże. W wielu przypadkach należało­by przeanalizować stosunek wartości obciążenia azotem pochodzenia rolniczego do wyniku bilansu tego azotu. Dopiero na tej podstawie – kierując się doświadcze­niem oraz korzystając z dodatkowych danych (np. pomiarów kontrolnych stężeńNO3 w terenie) – można podjąć decyzję, co do wyboru odpowiedniego wzoru obli­czeniowego.

Ponadto w warunkach suszy hydrologicznej, kiedy wartość odpływu grunto­wego niejednokrotnie spada do zera, a nawet może przyjmować ujemne wartości (deficyt wodny), stosowanie wszystkich trzech proponowanych wzorów jest niece­lowe. Progiem liczbowym w tym zakresie jest minimalny odpływ na poziomie przynajmniej 25–35 mm. W przypadku mniejszych wartości odpływu należałoby dokonać analizy porównawczej z danymi uzyskanymi np. z pomiarów „in situ”.

Osobną kwestią jest ponowne przeanalizowanie wzoru (3) z załącznika nr 6 Rozporządzenia MŚ... [2002], w którym – jak się wydaje – został popełniony błąd, gdyż prawdopodobnie zabrakło w liczniku współczynnika przeliczeniowego o war-tości 4430.

Stężenie azotanów pochodzenia rolniczego w płytkich wodach gruntowych w głównej mierze jest kształtowane czynnikami hydrologiczno-meteorologicz­nymi. Opad i odpływ mają tutaj bowiem najistotniejsze znaczenie, co potwierdza wysoki współczynnik korelacji z wartościami stężenia. Odpływ z kolei bezpośred­nio zależy od opadów atmosferycznych, choć modyfikowany jest także wartościąewapotranspiracji, czynnikami termicznymi, a także rodzajem gleb i upraw.

100 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 9 z. 4 (28)

Konkludując można stwierdzić, że stosowanie podanych w Rozporządzeniu MŚ... [2002] wzorów do obliczania stężenia NO3 wymaga doprecyzowania założeńwstępnych, w szczególności warunków progowych dotyczących odpływu grunto­wego, proporcji obciążenia i wyniku bilansu azotu, a także uwzględnienia innych czynników, w tym struktury użytkowania ziemi, struktury zasiewów, pogłowia zwierząt gospodarskich, obszarów zabudowy wiejskiej itp.

Powyższa analiza świadczy o potrzebie modyfikacji stosowanych wzorów na drodze badań doświadczalnych i dostosowania ich do indywidualnych warunków fizyczno-geograficznych, jak np. obszary górskie, podgórskie czy nizinne [KON­DRACKI, 2000]. Istotne jest też, uwzględnienie występujących form produkcji rol­niczej, zwłaszcza niskonakładowych, a także lokalnych uwarunkowań klimatycz­nych i środowiskowych.

LITERATURA

ALLEN R. G., 1998. Crop evapotranspiration, Guidelines for computing crop water requirements, FAO Irrig. Drain. Paper no 56 ss. 300.

DOMAGAŁA R., 1989. Dynamika zmian jakości wody w procesie drenażu w terenach podgórskich. Kraków: P.Krak. pr. dokt. maszyn. ss. 89.

DURKOWSKI T., BURCZYK P., KRÓLAK B., 2007. Stężenie wybranych składników chemicznych w wo­dach gruntowych i roztworze glebowym w małej zlewni rolniczej. Woda Środ. Obsz. Wiej. t. 7 z. 1(19) s. 5–15.

Dyrektywa Rady z dn. 12 grudnia 1991 r. dotycząca ochrony wód przed zanieczyszczeniami powo­dowanymi przez azotany pochodzenia rolniczego nr 91/676/EWG. Dz. Urz. U. E. (L) nr 375/1991.

IGRAS J., 2005. Zawartość składników mineralnych w wodach drenarskich z użytków rolnych w Pol­sce. Puławy: IUNG-PIB rozpr. habil. ss. 95.

ILNICKI P., 2004. Polskie rolnictwo a ochrona środowiska. Poznań: Wydaw. AR ss. 485. JAGUŚ A., TWARDY S., 2006. Wpływ zróżnicowanego użytkowania łąki górskiej na plonowanie runi

i cechy jakościowe odpływających wód. Falenty. Kraków: Wydaw. IMUZ ss. 88. KONDRACKI J., 2000. Geografia regionalna Polski. Warszawa: Wydaw. PWN ss 440. Kryteria wyznaczania wód i obszarów wrażliwych na zanieczyszczenie związkami azotu pochodzą ­

cymi ze źródeł rolniczych. Opracowanie monograficzne, 2003. Pr. zbior. Red. S. Twardy. Kra­ków: Wydaw. IMUZ, RZGW ss. 94.

MISZTAL A., 2000. Odpływ wody i ewapotranspiracja w warunkach zróżnicowanego rolniczego użyt­kowania gleby górskiej w rejonie Małych Pienin. Rozpr. Habil. Falenty: Wydaw. IMUZ ss. 119.

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 23 grudnia 2002 r. w sprawie kryteriów wyznaczania wód wrażliwych na zanieczyszczenia związkami azotu ze źródeł rolniczych. Dz. U. 2002 nr 241 poz. 2093.

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 23 grudnia 2002 r. w sprawie szczegółowych wymagań, jakim powinny odpowiadać programy działań mających na celu ograniczenie odpływu azotu ze źródeł rolniczych. Dz.U. 2003 nr 4 poz. 44.

SMITH M., 1992. Cropwat – A computer program for irrigation planning and management. Irrig. Dra­in. Paper no 46 ss. 126.

SAPEK A., 1995. Wpływ rolnictwa na jakość gleby. Rolnictwo polskie a jakość wody. Przysiek: ODR- -RCEE s. 7–21.

M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły… 101

SAPEK A., PIETRZAK S., 2000. Bilans fosforu i potasu w gospodarstwach nastawionych na produkcjęzwierzęcą jako podstawa do zaleceń nawozowych. Dobre praktyki w rolnictwie. Przysiek: ODR-RCEE s. 5–31.

SAPEK A., SAPEK B., 2007. Zmiany jakości wody i gleby w zagrodzie i jej otoczeniu w zależności od sposobu składowania nawozów naturalnych. Zesz. Edukac. 11. Falenty: Wydaw. IMUZ ss. 114.

SMOROŃ S., KOPEĆ S., MISZTAL A., 1996. Dynamika azotanów w wodach infiltrujących przy różnych uprawach rolniczych. Zesz. Probl. Post. Nauk. Rol. z. 440 s. 367–374.

Marek KOPACZ, Stanisław TWARDY

NITRATES IN GROUND WATERS OF THE UPPER VISTULA RIVER BASIN – AN ATTEMPT TO ASSESS THEIR CONCENTRATIONS

IN THE LIGHT OF THE NITRATE DIRECTIVE GUIDELINES

Key words: concentrations of NO3 in ground water, ground outflow, N load to catchment basin

S u m m a r y

The aim of the work was to show mean concentrations of NO3 in ground waters and to analyse the relationships between concentrations, groundwater outflow and load of N from agricultural activ­ity. Approximate threshold values to calculate NO3 concentration based on equations published in the Order of the Minister of Environment were also given in the paper. The concentrations of NO3 in ground waters were differentiated and depended mainly on precipitation and groundwater outflow. Nitrate concentrations depended more on nitrogen balance than on N load. There were significant differences between NO3 concentrations calculated with the two equations (the first used balance, the second – N load) for differently used and fertilized agriculture areas. Threshold values of groundwa­ter outflow were estimated in the paper; there is, however, a need of individual analysis of specific areas to optimise the equations given in the Minister’s Order.

Recenzenci: dr hab. Józef Mosiej, prof. SGGW prof. dr hab. Janina Zbierska

Praca wpłynęła do Redakcji 23.04.2009 r.