AZOTANY W WODACH GRUNTOWYCH DORZECZA GÓRNEJ WISŁY PRÓBA OCENY ICH STĘŻENIA W ŚWIETLE WYTYCZNYCH DYREKTYWY AZOTANOWEJ

Transkrypt

1 WODA-ŚRODOWISKO-OBSZARY WIEJSKIE 2009: t. 9 z. 4 (28) WATER-ENVIRONMENT-RURAL AREAS s 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 NO 3 w wodach gruntowych S t r e s z c z e n i e Celem pracy jest przedstawienie średnich wartości stężenia NO 3 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 NO 3 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, Kraków; tel. +48 (12) , imuzkrak@kki.pl

2 88 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 9 z. 4 (28) glebowego i przedostają się do wód gruntowych, a także powierzchniowych [SA PEK, 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 NO 3 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 podaną w Rozporządzeniu MŚ) i obciążeniem zlewni azotem pochodzenia rolniczego oraz wyznaczenie warunków progowych potrzebnych w trakcie stosowania wzorów do obliczania stężenia NO 3. 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 również wykorzystano założenia metodyczne zawarte w Rozporządzeniu MŚ. W załączniku nr 6 podano 3 rodzaje wzorów obliczeniowych, do których należy wykorzystywać różne 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 dopływ 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 NO 3 jest odpływ gruntowy. Wartości odpływu, wyrażone w mm, przeliczono na odpływ 1 w m 3 ha 1 rok w celu uzyskania zgodności jednostek danych zastosowanych w analizie porównawczej. Poniżej przedstawiono wzory z załącznika nr 6 Rozporządzenia MŚ [2002].

3 M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły 89 c = ,15doplyw _ azotu [kg N ha 1 rok 1 ] odplyw _ wody [ m 3 ha 1 rok 1 ] (1) c = ,5bilans _ azotu [kg N ha 1 rok 1 ] odplyw _ wody [ m 3 ha 1 rok 1 ] (2) c = 0,5 NNO 3 _ wymywany _ z _ gleby [kg N ha 1 rok 1 ] odplyw _ wody [ m 3 ha 1 rok 1 ] (3) gdzie: c stężenie NO 3 w wodach gruntowych; 4430 współczynnik do przeliczenia kg N na mg NO 3 ; 0,15; 0,5 współczynniki określające, jaka część azotu dopływającego do gleby 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 się w 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

4 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 NO 3 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 mg dm 3 i więcej. Rys. 1. Średnie stężenie NO 3 (mg dm 3 ) w wodach gruntowych na obszarze dorzecza górnej Wisły Fig. 1. The average concentration of NO 3 (mg dm 3 ) in ground waters in the upper Vistula River basin

5 M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły 91 Tak duże wartości stężenia NO 3 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 NO 3 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 mm, a w północnej 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 wartość 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 się bardzo 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-NO 3 dm 3, tj. aż 886 mg NO 3 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-NO 3 w wodach gruntowych wynosi do 50 mg, tj. ok. 220 mg NO 3 dm 3. Stężenie w wodach gruntowych spod zagrody osiągało maksymalnie 140 mg N-NO 3 dm 3, tj. 620 mg NO 3 dm 3, a w studniach nawet ok. 370 N-NO 3, czyli ponad 1600 mg NO 3 dm 3 [SAPEK, 1995].

6 92 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 9 z. 4 (28) Tabela 1. Wybrane wartości odpływu oraz stężenia NO 3 w wodach gruntowych w gminach dorzecza górnej Wisły Table 1. Selected values of the outflow and concentration of NO 3 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 NO 3 Concentration of NO 3 mg dm 3 Małopolskie Zakopane 969 6,0 Małopolskie Kościelisko 911 6,5 Podkarpackie Lutowiska 894 5,3 Małopolskie Gródek n. Dunajcem ,6 Podkarpackie Jasło ,1 Małopolskie Łososina Dolna ,6 Świętokrzyskie Lipnik ) Małopolskie Trzyciąż ) Świętokrzyskie Wilczyce ) 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 NO 3 w wodzie gruntowej w pobliżu gnojowni sięgało nawet 164 mg NO 3 dm 3, a rejestrowane na podwórzu gospodarstwa w Falentach aż 180 mg NO 3 dm 3. IGRAS [2005] podaje natomiast znacznie wyższe skrajne wartości: w rowach melioracyjnych zarejestrowano 602 mg NO 3 dm 3, a w wodach drenarskich nawet 734 mg NO 3 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 NO 3 dm 3 ) oraz pastwiskiem (105 mg NO 3 dm 3 ). ILNICKI [2004] oraz SMOROŃ, KOPEĆ i MISZTAL [1996] największe stężenie NO 3 odnotowali pod czarnym ugorem (średnio w okresie zimowym ok. 100, a w grudniu i styczniu nawet 140 i 142 mg NO 3 dm 3 ). W badaniach lizymetrycznych stwierdzono maksymalne stężenie NO 3 w wodach odciekających z profilu glebowego do mg dm 3 [JAGUŚ, TWARDY, 2006]. Zbliżone wartości tego stężenia potwierdzają także inne badania [DOMAGAŁA, 1989; MISZTAL, 2000; SAPEK, PIETRZAK, 2000]. Cytowane stężenia są wartościami chwilowymi, a więc związanymi z momentem

7 M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły 93 poboru próbek i terminem ich analiz, natomiast obliczone w niniejszej pracy są wartościami 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 mg dm 3. Stężenie występujące w wodach gruntowych pod zagrodami, szczególnie w warunkach złej gospodarki wodno-ściekowej, jest wielokrotnie większe i osiąga wartości mg dm 3 NO 3. Nie można zatem wyznaczyć jednoznacznej granicy maksymalnej wartości stężeń NO 3. 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 NO 3, 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-NO 3 ha 1 UR jako średnią wartość występującą w 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 NO 3 za pomocą wzorów (1) i (2) są porównywalne, natomiast obliczone wg wzoru (3) są kilka 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 mm, a na pewno już od 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 NO 3 dm 3. Znacznie ściślejsze korelacje stwierdzono w przypadku wyznaczania stężenia NO 3 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 NO 3 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

8 94 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 9 z. 4 (28) 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. 0,01 0, Odpływ gruntowy mm Ground outflow mm 5 6, Stężenie NO 3 mg*dm -3 Concentration of NO 3 mg*dm -3 Rys. 2. Teoretyczna zależność między odpływem gruntowym a stężeniem NO 3 w wodach gruntowych, obliczona za pomocą 3 wzorów zamieszczonych w Rozporządzeniu MŚ... [2002] Fig. 2. Theoretical relationship between the ground outflow and concentration of NO 3 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 NO 3 obliczonego za pomocą wzorów (1) i (2), sięgają już blisko 290% (rys. 2). Sytuacja taka może wystąpić, gdy obliczamy stężenie NO 3 dla terenów z dużym udziałem użytków zielonych, gdzie mimo niemałego obciążenia azotem następuje lepsze jego wykorzystanie, a w związku z tym wynik bilansu jest mniejszy. Niższa wartość bilansu 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 faktyczny. Przykładem wspomnianych niedokładności wzorów mogą być dane zamieszczone w tabeli 2. Zawierają one wartości podstawowych parametrów, opisujących produkcję rolniczą w dorzeczu górnej Wisły, uśrednione dla województw. W większości przypadków różnice w obliczonych wartościach stężenia za pomocą wzorów (1) i (2) nie były duże, jednak w przypadku województwa śląskiego wartość stężenia obliczona wg wzoru (2) (na podstawie bilansu N) była kilkudziesięciokrotnie mniejsza niż obliczona wg wzoru (1) (na podstawie obciążenia N).

9 M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły pełny zakres stężeń full range of concentrations 2500 y = 0,0017x 2, R = 0, stężenia do 200 mg?dm -3 concentrations up to 200 mg?dm -3 y = 0,047x 1,39 R = 0,39 0 Stężenie NO 3 Concentration of NO 3 [mg*dm -3 ] stężenie NO3 Concentration of NO 3 [mg*dm-3] Obciążenie N [kg*ha-1 UR] Load of N [kg*ha -1 AL] Obciążenie N [kg*ha-1 UR] Load of N [kg*ha -1 AL] Rys. 3. Zależności między obciążeniem N a stężeniem NO 3 (obliczonym wg wzoru 1) w wodach gruntowych Fig. 3. The relationships between the load of N and concentration of NO 3 (calculated according to equation 1) in ground waters

10 96 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 9 z. 4 (28) pełny zakres stężeń full range of concentrations y = 1,22 x 1,11 R = 0, stężenia do 200 mg?dm -3 concentrations up to 200 mg?dm -3 y = 1,30 x 0,92 R = 0,66 Stężenie NO3 Concentration of NO3 [mg*dm -3 ] Stężenie NO3 Concentration of NO 3 [mg*dm -3 ] Bilans N [kg*ha -1 UR] Balance of N [kg*ha -1 AL] Bilans N [kg*ha -1 UR] Balance of N [kg*ha -1 AL] Rys. 4. Zależności między bilansem N a stężeniem NO 3 (obliczonym wg wzoru 1) w wodach gruntowych Fig. 4. The relationships between N balance and concentration of NO 3 (calculated according to equation 1) in ground waters

11 M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły 97 Tabela 2. Wybrane parametry produkcji rolniczej w dorzeczu górnej Wisły (w układzie województw) Table 2. Selected parameters of agricultural production in the upper Vistula River basin (in voivodship scheme) Parametr Parameter Jednostka Unit Lubelskie Małopolskie Podkarpackie Śląskie Świętokrzyskie Dorzecze górnej Wisły The upper Vistula River basin Obciążenie N kg ha 1 UR 98,0 98,8 92,3 76,7 98,9 96 Load of N kg ha 1 AL Bilans N na powierzchni pola 28,1 kg ha 1 UR Balance of N on the field surface kg ha 1 AL Odpływ z profilu glebowego mm Outflow from soil profile 27,1 17,2 1,6 26,2 22, ,2 Stężenie NO3 (obliczone na pod- mg dm 3 53,8 24,5 21,4 10,0 119,5 25,0 stawie obciążenia N) Concentration of NO 3 (calculated from the load of N) Stężenie NO 3 (obliczone na pod- mg dm 3 51,4 22,4 13,3 0,7 105,5 19,6 stawie bilansu N) Concentration of NO 3 (calculated from the balance of N) Udział w powierzchni całkowitej % Contribution to the total area użytki rolne 55,9 55,0 44,9 39,5 64,0 54,9 agricultural lands grunty orne 43,0 35,0 32,5 18,6 49,6 39,7 arable lands użytki zielone 11,8 19,2 11,8 20,2 11,7 13,7 grasslands

12 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 NO 3 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 NO 3 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 NO 3 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. stężenie NO 3 concentration of NO 3 [mg*dm -3 ] stężenie concentration NO3 [mg*dm-3] zależność potęgowa exponential relation y = 7481,4x -1,04 R = 0, Odpływ Outflow [mm] Rys. 5. Relacja odpływ stężenie NO 3 (obliczone dla gmin dorzecza górnej Wisły) w wodach odciekających z profilu glebowego Fig 5. The relationship between the runoff and NO 3 concentrations (calculated for upper Vistula River basin) in waters percolating from the soil profile

13 M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły 99 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 stężeń NO 3 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 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 wartości 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 wartością ewapotranspiracji, czynnikami termicznymi, a także rodzajem gleb i upraw.

14 100 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 9 z. 4 (28) Konkludując można stwierdzić, że stosowanie podanych w Rozporządzeniu MŚ... [2002] wzorów do obliczania stężenia NO 3 wymaga doprecyzowania założeń wstępnych, 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 [KON DRACKI, 2000]. Istotne jest też, uwzględnienie występujących form produkcji rolniczej, zwłaszcza niskonakładowych, a także lokalnych uwarunkowań klimatycznych i środowiskowych. LITERATURA ALLEN R. G., Crop evapotranspiration, Guidelines for computing crop water requirements, FAO Irrig. Drain. Paper no 56 ss DOMAGAŁA R., Dynamika zmian jakości wody w procesie drenażu w terenach podgórskich. Kraków: P.Krak. pr. dokt. maszyn. ss. 89. DURKOWSKI T., BURCZYK P., KRÓLAK B., Stężenie wybranych składników chemicznych w wodach gruntowych i roztworze glebowym w małej zlewni rolniczej. Woda Środ. Obsz. Wiej. t. 7 z. 1(19) s 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., Zawartość składników mineralnych w wodach drenarskich z użytków rolnych w Polsce. Puławy: IUNG-PIB rozpr. habil. ss. 95. ILNICKI P., Polskie rolnictwo a ochrona środowiska. Poznań: Wydaw. AR ss JAGUŚ A., TWARDY S., Wpływ zróżnicowanego użytkowania łąki górskiej na plonowanie runi i cechy jakościowe odpływających wód. Falenty. Kraków: Wydaw. IMUZ ss. 88. KONDRACKI J., Geografia regionalna Polski. Warszawa: Wydaw. PWN ss 440. Kryteria wyznaczania wód i obszarów wrażliwych na zanieczyszczenie związkami azotu pochodzącymi ze źródeł rolniczych. Opracowanie monograficzne, Pr. zbior. Red. S. Twardy. Kraków: Wydaw. IMUZ, RZGW ss. 94. MISZTAL A., Odpływ wody i ewapotranspiracja w warunkach zróżnicowanego rolniczego użytkowania gleby górskiej w rejonie Małych Pienin. Rozpr. Habil. Falenty: Wydaw. IMUZ ss Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 23 grudnia 2002 r. w sprawie kryteriów wyznaczania wód wrażliwych na zanieczyszczenia związkami azotu ze źródeł rolniczych. Dz. U nr 241 poz 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 nr 4 poz. 44. SMITH M., Cropwat A computer program for irrigation planning and management. Irrig. Drain. Paper no 46 ss SAPEK A., Wpływ rolnictwa na jakość gleby. Rolnictwo polskie a jakość wody. Przysiek: ODR- -RCEE s

15 M. Kopacz, S. Twardy: Azotany w wodach gruntowych dorzecza górnej Wisły 101 SAPEK A., PIETRZAK S., Bilans fosforu i potasu w gospodarstwach nastawionych na produkcję zwierzęcą jako podstawa do zaleceń nawozowych. Dobre praktyki w rolnictwie. Przysiek: ODR-RCEE s SAPEK A., SAPEK B., Zmiany jakości wody i gleby w zagrodzie i jej otoczeniu w zależności od sposobu składowania nawozów naturalnych. Zesz. Edukac. 11. Falenty: Wydaw. IMUZ ss SMOROŃ S., KOPEĆ S., MISZTAL A., Dynamika azotanów w wodach infiltrujących przy różnych uprawach rolniczych. Zesz. Probl. Post. Nauk. Rol. z. 440 s 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 NO 3 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 NO 3 in ground waters and to analyse the relationships between concentrations, groundwater outflow and load of N from agricultural activity. Approximate threshold values to calculate NO 3 concentration based on equations published in the Order of the Minister of Environment were also given in the paper. The concentrations of NO 3 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 NO 3 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 r.