NA ZAWARTOŚĆ AZOTU W JEZIORZE SYMSAR INFLUENCE OF AGRICULTURAL DEVELOPMENT ON THE CONTENT OF NITROGEN IN LAKE SYMSAR

Transkrypt

1 Angela Potasznik, Marcin Sidoruk Ilona Świtajska, Żaneta Banaszek EPISTEME 18/2013, t. 3 s ISSN WPŁYW ROLNICZEGO ZAGOSPODAROWANIA ZLEWNI NA ZAWARTOŚĆ AZOTU W JEZIORZE SYMSAR INFLUENCE OF AGRICULTURAL DEVELOPMENT ON THE CONTENT OF NITROGEN IN LAKE SYMSAR Abstrakt. Jezioro Symsar o głębokości 9,6 m usytuowane jest na Pojezierzu Olsztyńskim w gminie Lidzbark Warmiński. W zlewni bezpośredniej o powierzchni 2,1 km 2 dominują lasy, zwłaszcza w północno wschodniej części jeziora. Jezioro jest zbiornikiem przepływowym, które zasila głównie rzeka Symsarna oraz mniejsze cieki takie jak rów melioracyjny Tolknicka Struga oraz ciek leśny. Celem badań jest ocena wpływu rolnictwa dominującego w zlewni na stężenia azotu w jeziorze Symsar. Najwyższe stężenie N-NO 3 występowało w wodach cieku leśnego (0,33 mg dm -3 ). Wody Tolknickiej Strugi charakteryzowały się najwyższą koncentracją N-NH 4 (0,08 mg dm -3 ) ze względu na dopływ mechanicznie oczyszczonych ścieków z osiedla mieszkaniowego Klutajny. W cieku tym obserwuje się największą zawartość mineralnej formy azotu w stosunku do azotu ogólnego (27,1%). W wodach rzeki Symsarna obserwuje się redukcję formy organicznej i wzrost formy mineralnej do ok. 6,1%. Słowa kluczowe: azot, biogeny, jezioro, rolnictwo Summary. Lake Symsar has a depth of 9.6 m, and is located on Olsztyn Lake District in community Lidzbark Warmiński. On 2.1 km 2 area of direct catchment are dominated by forests, especially in the north eastern part of the lake. The lake is a flow basin which feeding mainly of river Symsarna and smaller courses. It powered by drainage ditch Tolknicka Struga and forest stream. Aim of this study is a valuation of agriculture dominance in the catchment area on the concentration of nitrogen in the lake Symsar. The highest concentration of N-NO 3 was in the waters of the forest stream (0,33 mg dm -3 ). Water of Tolknicka Struga was characterized by the highest concentration of N-NH 4 (0,08 mg dm -3 ) which are dropped mechanically discharged waste water from a housing estate Klutajny. In this waster was observed the highest content of mineral form of nitrogen in the total nitrogen (27.1%). In the waters of the river Symsarna was observed reduction of organic form nitrogen and increased of mineral form to about 6.1%. Key words: nitrogen, nutrients, lake, agriculture 225

2 Angela Potasznik, Marcin Sidoruk, Ilona Świtajska, Żaneta Banaszek WSTĘP Decydujący wpływ na jakość wód powierzchniowych i podziemnych ma sposób zagospodarowania zlewni. Rozwój rolnictwa wiąże się z obszarowym oraz punktowym zanieczyszczeniem wód powierzchniowych. Masowe zużycie nawozów chemicznych i składowanie odpadów rolniczych spowodowały akumulacje azotu w środowisku wodnym [Zho i in. 2010a]. Badania wykazały, że produkcja rolna jest jednym z podstawowych działań człowieka wpływających na dopływ azotu do zbiorników wodnych. Globalnie ok. 1, ton azotu jest uwalniane przez rok działalności rolniczej [Vitousek i in. 1997, Zho i in. 2010b]. Azot jest składnikiem, który jest niezbędny dla funkcjonowania roślin, jednak w przypadku jego nadmiaru w glebie w wyniku spływu powierzchniowego może się przedostawać do wód powierzchniowych potęgując proces eutrofizacji. Eutrofizacja jest to zjawisko przeżyźniania, co prowadzi do stopniowego zarastania zbiornika, a w konsekwencji całkowitego jego zaniku [Kajak 1998]. Celem badań była analiza wpływu rolniczego zagospodarowania zlewni na zawartość azotu w Jeziorze Symsar. MATERIAŁ I METODY Badania dotyczące wpływu rolniczego zagospodarowania zlewni na zawartość azotu w jeziorze Symsar prowadzone były od marca 2011 do lutego 2012 r. Jezioro Symsar jest typowym zbiornikiem przepływowym o powierzchni 135,5 ha, głębokości maksymalnej wynoszącej 9,6 m i objętości 6649,5 tys. m 3. Jezioro jest ostatnim zbiornikiem ciągu rzeki Symsarny przed jej dopływem do Łyny. Oprócz rzeki Symsarna, jezioro zasilają również mniejsze cieki między innymi Tolknicka Struga, do której dopływają mechanicznie oczyszczone ścieki z osiedla mieszkaniowego Klutajny. Zlewnia bezpośrednia jeziora Symsar składa się głównie z lasów (45%) położonych w północnowschodniej części akwenu. Pozostałą część obszaru zasilania stanowią grunty orne (40%), użytki zielone (5%) oraz liczne domki letniskowe, które wraz z zabudowaniami zajmują ok. 10% powierzchni zlewni. Jezioro według badań Sidoruka i Potasznik [2011] posiada III klasę jakości wód i III kategorie podatności na degradacje. W ramach 226

3 Wpływ rolniczego zagospodarowania zlewni na zawartość azotu w jeziorze symsar badań pobierane były co miesiąc próbki wody (łącznie 12 prób) do pojemników polietylowych o pojemności 5 dm 3. Rys. 1. Lokalizacja punktów poboru prób. Po utrwaleniu i przetransportowaniu do laboratorium Katedry Melioracji i Kształtowania, w pobranych próbach przeprowadzono analizy chemiczne według metod podanych przez Hermanowicza i in. [1999]: Azot azotanowy (III), kolorymetrycznie z kwasem sulfanilowym; Azot azotanowy (V), kolorymetrycznie z kwasem fenylodwusulfanilowym; Azot amonowy, metodą Nesslera; Azot Kiejdahla, metodą Kiejdahla. 1. WYNIKI I DYSKUSJA Głównym źródłem azotu w jeziorach są spływy powierzchniowe, dopływ biogenów rzekami, depozycja atmosferyczna oraz resuspensja osadów. Analiza koncentracji poszczególnych form azotu w badanej wodzie (tab.1) wykazała, że największymi stężeniami N-NO 2 charakteryzowały się wody rzeki Symsarny (0,0192±0,04 mg dm -3 ) przy 227

4 Angela Potasznik, Marcin Sidoruk, Ilona Świtajska, Żaneta Banaszek współczynniku zmienności wynoszącym 202,9%, natomiast najniższymi stężeniami azotu azotanowego (III) charakteryzowały się wody jeziora Symsar (0,0067±0,01 mg dm -3 ). Azot azotanowy (V) może być związkiem pochodzenia rolniczego lub ściekowego, a na jego zawartość w wodzie znaczący wpływ wywiera intensyfikacja rolnictwa w obrębie zlewni. Największe średnie koncentracje azotu azotanowego (V) występowały w wodach cieku leśnego (0,33±0,79 mg dm 3 ), a wartość współczynnika zmienności wynosiła 236,8%. Natomiast najniższe stężenia występowały w wodzie dopływającej rzeką Symsarną (0,16±0,14 mg dm 3 ). Azot amonowy jest związkiem, którego głównym źródłem w wodzie są ścieki surowe i wstępnie oczyszczone. Według Ignatowicz i Struk-Sokołowskiej [2004] azot amonowy charakteryzuje się wyższymi stężeniami w okresie pozawegetacyjnym, gdy nie jest intensywnie pobierany przez rośliny, co powoduje zahamowanie procesu nitryfikacji. Badania Yang i in. [2010] ukazują, że największe koncentracje występują w okresach deficytu opadów atmosferycznych. Największe stężenie azotu amonowego i azotu ogólnego obserwowano w wodach Tolknickiej Strugi i wynosiły kolejno 0,48±0,65 mg dm -3 i 2,60±0,33 mg dm -3, na co wpływ mógł mieć dopływ ścieków po mechanicznym oczyszczaniu. Najniższymi stężeniami tych związków odznaczały się wody dopływu rzeki Symsarny (0,08±0,07 mg dm -3 i 1,73±0,23 mg dm -3 ), przy współczynniku zmienności na poziomie 82,7 i 14,2%. Po przepłynięciu przez jezioro obserwowano wzrost stężenia o 15,8%. Tab.1. Stężenia związków azotu azotanowego (III), (V). azotu amonowego oraz azotu ogólnego w poszczególnych dopływach i odpływie oraz w samym jeziorze [mg dm -3 ]. N-NO 2 Próba Min Max Średnia Odchylenie standardowe Współczynnik zmienności [%] Dopływ Symsarna 0,0052 0,0605 0,0192 0,04 202,9 Tolnicka Struga 0,0077 0,0207 0,0131 0,01 68,9 Ciek leśny 0,0032 0,0261 0, ,02 166,5 Odpływ Symsarna 0,0036 0,0220 0,0090 0,01 143,3 Jezioro 0,0016 0,0154 0,0067 0,01 146,1 228

5 Wpływ rolniczego zagospodarowania zlewni na zawartość azotu w jeziorze symsar Próba Min Max Średnia Odchylenie standardowe Współczynnik zmienności [%] N-NO 3 Dopływ Symsarna 0,08 0,28 0,16 0,14 89,4 Tolnicka Struga 0,12 0,31 0,23 0,14 60,2 Ciek leśny 0,09 1,21 0,33 0,79 236,8 Odpływ Symsarna 0,06 0,43 0,19 0,26 132,9 Jezioro 0,05 0,52 0,20 0,33 162,3 N-NH 4 Dopływ Symsarna 0,03 0,13 0,08 0,07 82,7 Tolnicka Struga 0,20 1,12 0,48 0,65 135,9 Ciek leśny 0,16 0,35 0,26 0,13 49,9 Odpływ Symsarna 0,05 0,60 0,19 0,39 200,5 Jezioro 0,06 0,39 0,17 0,23 135,0 N ogólny Dopływ Symsarna 1,36 2,05 1,73 0,25 14,2 Tolnicka Struga 2,27 3,12 2,60 0,33 12,6 Ciek leśny 1,03 3,79 1,93 0,99 51,2 Odpływ Symsarna 1,46 2,22 1,75 0,26 14,7 Jezioro 1,56 2,09 1,79 0,19 10,5 Na podstawie analizy wyników badań wód dopływających do jeziora Symsar jak i samego zbiorniku stwierdzono, że azot występował głównie w formie organicznej stanowiąc 72,8-85,1% azotu całkowitego (ryc.1). Największy udział formy organicznej stwierdzono w wodach dopływu Symsarny (85,1%), a najmniejszy Tolknickiej Strugi (72,8%). Analizując zawartość azotu mineralnego można stwierdzić, że największy udział miała zawartość N-NO 3 (31,0-61,3%) oraz azotu amonowego, którego udział kształtował się na poziomie 32,1-67,2%. Po przepłynięciu wód rzeki przez jezioro Symsar w odpływie ze zbiornika stwierdzono zwiększenie się udziału azotu mineralnego z 15 do 21%. Jeziora stanowią swoiste układy ekologiczne, których funkcjonowanie zależy od przepływu wody oraz przemieszczania materii ze zlewni, co prowadzi do jej akumulacji w zbiorniku wodnym [Bajkiewicz - Grabowska i Mikulski 1996]. Średni przepływ rzeki Sym- 229

6 Angela Potasznik, Marcin Sidoruk, Ilona Świtajska, Żaneta Banaszek Ryc. 1. Procentowy udział ładunków azotu mineralnego i organicznego w poszczególnych dopływach, odpływie i w jeziorze Symsar. sarny, który wynosił 1,07 m 3 s -1 powodował wprowadzenie do zbiornika znaczących ilości biogenów. Badania Durowskiego i in. [2006] ukazują, że największe stężenia związków azotu obserwowane są w wodach niewielkich cieków, które bezpośrednio uchodziły do jeziora Miedwie. Podobną zależność można było zaobserwować w przypadku jeziora Symsar. Największe zagrożenie stanowią cieki, które przepływają przez tereny zagospodarowane rolniczo (rzeka Symsarna) lub drobne cieki przepływające przez wsie pozbawione infrastruktury sanitarnej (Klutajny). Średnie stężenie azotu ogólnego w wodzie Jeziora Symsar wynosiło 1,84 mg dm 3. W przeliczeniu na całą objętość jeziora zawartość N og wynosiło kg. Oprócz dopływu biogenów wodami rzecznymi zagrożenie dla wód powierzchniowych mogą stanowić spływy obszarowe oraz opady atmosferyczne. WNIOSKI 1. Największe stężenie N-NO 3 stwierdzono w wodach cieku leśnego i kształtowało się ono na poziomie 0,33±0,79 mg dm 3, natomiast najniższymi stężeniami azotu azotanowego (V) charakteryzowały się wody rzeki Symsarny (0,0192±0,04 mg dm -3 ). 2. Wody dopływu rzeki Symsarna odznaczały się najniższą zawartością N-NH 4 i azotu ogólnego kształtującą się na poziomie 0,08±0,07 mg dm -3 i 1,73±0,23 mg dm -3, natomiast ze względu na do- 230

7 Wpływ rolniczego zagospodarowania zlewni na zawartość azotu w jeziorze symsar pływ mechanicznie oczyszczonych ścieków w wodach Tolnickiej Strugi stwierdzono najwyższe koncentrację i średnio wynosiły 0,48±0,65 mg dm -3 i 2,60±0,33 mg dm W wodach rzeki Symsarny dopływającej do jeziora azot występował głównie w formie organicznej stanowiąc 85% azotu ogólnego. Po przepłynięciu przez jezioro obserwowano redukcję formy organicznej (do 79%) i wzrost udziału formy mineralnej (o ok. 6,1%). 4. Największą zawartość mineralnej formy azotu w stosunku do sumy azotu ogólnego obserwowano w wodach Tolnickiej Strugi (27,1%), a najmniejszą w dopływie rzeki Symsarny (14,8%). Na zwiększony udział formy mineralnej azotu w dopływie Tolknickiej Strugi wpływ mógł wywierać dopływ mechanicznie oczyszczonych ścieków z miejscowości Klutajny. LITERATURA 1. Bajkiewicz Grabowska, Mikulski Z., Hydrologia ogólna. Wydawnictwo Naukowe PWN: 330, 2. Durowski T., Burczyk P., Królak B Ocena odpływu składników nawozowych ze zlewni rolniczych jeziora Miedwie w okresie restrukturyzacji rolnictwa. Woda-Środowisko - Obszary wiejskie, t.6, z. 2 (18): 51-63, 3. Hermanowicz W., Dojlido J., Dożańska W., Koziorowski B., Zerze J Fizyczno-chemiczne badanie wody i ścieków. Arkady, Warszawa: 88 89, 4. Ignatowicz K., Struk-Sokołowska J., Sezonowe wahania zanieczyszczeń agrotechnicznych w rzece Narwi ze szczególnym uwzględnieniem herbicydów fenoksyoctowych. Rocznik Ochrony Środowiska, 6: , 5. Kajak Z, Hydrobiologia limnologia. Ekosystemy wód śródlądowych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa: , 6. Sidoruk M., Potasznik A., Stan trofii jeziora Symsar i możliwości jego poprawy. Inżynieria Ekologiczna Nr. 26: Vitousek P.M., Aber J.D., Howarth R.W., Likens G.E., Matson A., Schindler D.W., Schlesinger W.H., Tilman D.G Human alteration of the global nitrogen cycle: sources and consequences. Ecol. Appl. 7: , 8. Yang R., Hayashi K., Zhu B., Feiyue L., Yan X Atmospheric NH 3 and NO 2 concentration and nitrogen deposition in an agricultural 231

8 Angela Potasznik, Marcin Sidoruk, Ilona Świtajska, Żaneta Banaszek catchment of Eastern China. Science of the Total Environmental 408: , 9. Zho Y.H., Deng X.Z., Zhan J.Y., Xi B.D., Lu Q. 2010a. Progress on preventing and controlling strategies of the lake eutrophication in China. Environmental Sciences&Technology, 33 (3): Zho Y.H., Deng X.Z., Lu Q., Huang W. 2010b. Regional Rural Development, Nitrogen Input and Output in Farming Grazing System and its Environmental Impacts A Case Study of the Wuliangsuhai Catchment. Procedia Environmental Sciences 2: Adres do korespondencji: mgr. inż. Angela Potasznik, dr inż. Marcin Sidoruk mgr. inż. Ilona Świtajska, mgr. inż. arch. kraj. Żaneta Banaszek Uniwersytet Warmińsko Mazurski w Olsztynie Wydział Kształtowania Środowiska i Rolnictwa Katedra Melioracji i Kształtowania Środowiska angela.potasznik@uwm.edu.pl Opiekun naukowy: dr hab. inż. Sławomir Szymczyk 232