Reakcja strefy nadrzecznej na kontrolowaną dostawę azotu eksperyment terenowy w zlewni Chwalimskiego Potoku (Pomorze Zachodnie)

Transkrypt

1 Grażyna Szpikowska Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu Stacja Geoekologiczna w Storkowie grania@amu.edu.pl Reakcja strefy nadrzecznej na kontrolowaną dostawę azotu eksperyment terenowy w zlewni Chwalimskiego Potoku (Pomorze Zachodnie) Przemiany społeczno-polityczne w Polsce pod koniec XX w. i związany z nimi kryzys gospodarki rolnej sprawił, że na Pomorzu Zachodnim część ziem rolniczych o najsłabszych glebach została zalesiona, część, po wyłączeniu z uprawy, podlegała naturalnej sukcesji roślinności zielnej, a następnie krzewów i drzew. Przystąpienie Polski do Unii Europejskiej i wynikające z tego dopłaty bezpośrednie do działalności rolniczej spowodowały ponowne zainteresowanie uprawą odłogowanej ziemi. Od kilku lat na Pomorzu Zachodnim trwa intensywne przywracanie odłogom dawnych funkcji rolniczych. W aktualnych warunkach intensyfikacji rolnictwa można się spodziewać zwiększenia wpływu upraw na jakość wód. Ryzyko eutrofizacji wód ograniczają w pewnym stopniu regulacje prawne dotyczące zarówno wielkości dawek nawozowych jak i ochrony miejsc naturalnej retencji składników nawozowych. Celem badań podjętych w zlewni Chwalimskiego Potoku (podsystem zlewni górnej Parsęty) jest określenie reakcji strefy nadrzecznej niewielkiego cieku nizinnego na bezpośrednią dostawę nawozów azotowych. Przeprowadzone badania mają charakter eksperymentu i stanowią uszczegółowienie realizowanego od kilkunastu lat problemu badawczego dotyczącego obiegu wody i substancji rozpuszczonych w geoekosystemie młodoglacjalnej zlewni źródliskowej (Kostrzewski i in. 2013). W zaplanowanych badaniach przyjęto następujące założenie metodologiczne: w strefie nadrzecznej funkcjonują naturalne mechanizmy chroniące wody podziemne i powierzchniowe przed zanieczyszczeniem składnikami biogennymi pochodzenia nawozowego. Głównym mechanizmem usuwania azotu z wód jest zachodzącą w warunkach deficytów tlenowych i dostępności materii organicznej denitryfikacja - proces mikrobiologicznej redukcji azotanów do wolnego azotu, który w tej formie jest całkowicie usuwany z obiegu (Burt, Haycock 1996, Puchalski 1999, Żurek 2002). Z kolei dostępność tlenu umożliwia utlenianie jonów amonowych (nitryfikacja). Zaplanowany eksperyment w założeniu miał sprawdzić ewentualną odporność strefy nadrzecznej na zwiększoną dostawę azotu pochodzącego z nawożenia. Eksperymentem objęto zagłębienie wytopiskowe o powierzchni 0,2 ha, położone w centralnej części zlewni Chwalimskiego Potoku, przecięte symetrycznie przez koryto cieku (ryc. 1). Zagłębienie charakteryzuje się wysokim poziomem wód podziemnych i dużą

2 produkcją biomasy, jest tym samym predysponowane do pełnienia funkcji strefy nadrzecznej sprzyjającej retencji składników biogennych. Dotychczasowe badania funkcjonowania strefy nadrzecznej Chwalimskiego Potoku (Michalska 2001, Szpikowska 2006, Szpikowska 2009) wskazują na jej skuteczność, przejawiającą się redukcją stężeń nieorganicznych form azotu w wodach podziemnych zasilających potok. Do tej pory nie stwierdzono przełamania bariery buforowej skutkującego znaczącym wzrostem stężeń azotu w wodach podziemnych strefy nadrzecznej Chwalimskiego Potoku. Ryc. 1. Lokalizacja stanowisk pomiarowych w strefie nadrzecznej Chwalimskiego Potoku (2-14 piezometry w strefie nadrzecznej, 1 piezometr referencyjny) Eksperyment wykonano dwukrotnie: w roku 2014 (Szpikowska 2014) i w roku Niniejsze opracowanie dotyczy badań przeprowadzonych w roku System pomiarowy obejmował: 13 piezometrów w obrębie strefy nadrzecznej, 1 piezometr powyżej strefy nadrzecznej (referencyjny), przekrój hydrometryczny na Chwalimskim Potoku w górnej części zlewni (wejście do strefy nadrzecznej objętej eksperymentem), przekrój hydrometryczny zamykający zlewnię (wyjście). Przebieg eksperymentu: pobór próbek i zbadanie chemizmu wód podziemnych i powierzchniowych w punktach pomiarowych jw. oraz wysiew w obrębie wytopiska 90 kg saletry amonowej (NH 4 NO 3 ), co odpowiada dawce 150 kg N ha -1 (maksymalna

3 dopuszczalna dawka azotu przewidziana dla gruntów ornych w Programie Rolnośrodowiskowym (Rozp. M.R. i R.W. DZ.U. Nr 33), monitoring hydrologiczny i hydrochemiczny w punktach pomiarowych jw.: poziom i temperatura wody, tlen rozpuszczony, przewodność elektrolityczna właściwa, ph, jony azotanowe, jony amonowe, jony azotynowe. Pomiary terenowe i badania pobranych próbek wód wykonywano w nawiązaniu do dynamiki zmian obserwowanych parametrów: w początkowej fazie codziennie, później co kilka-kilkanaście dni (ryc.2). Eksperyment zakończono, kiedy w większości stanowisk pomiarowych stężenia azotu wróciły do wartości początkowych. Ryc. 2. Terminy pomiarów wykonywanych w ramach eksperymentu terenowego w zlewni Chwalimskiego potoku na tle wysokości opadów atmosferycznych w pierwszym półroczu roku hydrologicznego 2015 W trakcie eksperymentu w poszczególnych punktach pomiarowych obserwowano podobny przebieg zmienności stężeń azotu azotanowego, amonowego i azotynowego w wodach podziemnych, charakteryzujący się gwałtownym wzrostem stężeń wkrótce po wysianiu nawozów, na co miały wpływ warunki opadowe okresu poprzedzającego, czyli wysokie opady deszczu w grudniu i na początku stycznia oraz wystąpienie opadów w pierwszych dniach eksperymentu (ryc. 2). W ich efekcie w strefie nadrzecznej występował wysoki poziom wód podziemnych, a miejscami woda stagnowała na powierzchni, co umożliwiło szybkie rozpuszczanie nawozu. W kolejnych dniach w większości stanowisk pomiarowych obserwowano systematyczny spadek stężeń azotu, który przebiegał z różną szybkością w zależności od miejsca. Wielkość wzrostu stężenia składników nawozowych w poszczególnych punktach była silnie zróżnicowana. Stężenia w wodach podziemnych strefy nadrzecznej przed rozpoczęciem eksperymentu były niskie, a maksymalne wartości wynosiły

4 - odpowiednio: N-NO 3-0,58 mg dm -3, N-NH + 4-0,55 mg dm -3 i N-NO - 2-0,006 mg dm -3. W trakcie eksperymentu obserwowano silne zróżnicowanie wartości maksymalnych stężeń poszczególnych form azotu w wodach strefy nadrzecznej ukazujące zróżnicowaną przestrzennie reakcję na dostawę nawozów. W niektórych miejscach stężenia wzrosły nieznacznie, w innych silnie. Najwyższe odnotowane stężenia w wodach podziemnych strefy nadrzecznej mieściły się w przedziałach: 0,4-31,57 mg dm -3 (N-NO - 3 ), 0,26-7,46 mg dm -3 (N- NH + 4 ) i 0,006-0,3 mg dm -3 (N-NO - 2 ). W największym stopniu wzrosły stężenia azotu azotanowego. Relacje pomiędzy stężeniami azotu azotanowego i amonowego wskazują na wydajniejszy, w stosunku do denitryfikacji azotanów, proces retencji jonów amonowych, które mogą podlegać utlenianiu i /lub sorpcji w podłożu. Na wszystkich stanowiskach, oprócz produktów rozpuszczania saletry amonowej (NO - 3 i NH + 4 ), pojawiły się jony azotynowe, które nie były obecne w wodach przed wysiewem nawozu lub występowały w znikomych ilościach. Ich obecność jest efektem częściowej nitryfikacji jonów amonowych. W przypadku wód rzecznych w profilu hydrometrycznym górnym (wejście) obserwowano wyrównany poziom stężeń poszczególnych form azotu przed i w czasie trwania eksperymentu. W profilu hydrometrycznym dolnym (wyjście) po wprowadzeniu nawozu stężenie N-NO - 3 wzrosło z 4,6 do 10,1 mg dm -3, stężenie N-NH + 4 z 0,07 do 1,38 mg dm -3, N-NO - 2 z 0,009 do 0,05 mg dm -3. Przeprowadzony eksperyment wykazał zróżnicowaną przestrzennie reakcję strefy nadrzecznej na dostawę nawozów azotowych. Oznacza to silną zależność efektywności redukcji azotu w strefie nadrzecznej od bardzo lokalnych uwarunkowań takich jak poziom zwierciadła wód podziemnych, warunki redoks oraz charakter osadów, który determinuje możliwość sorpcji niektórych składników oraz filtracji wody wraz ze składnikami rozpuszczonymi. Znaczące podwyższenie zawartości azotu w wodach podziemnych w stosunku do poziomu wyjściowego oznacza przełamanie bariery buforowej strefy nadrzecznej spowodowane dostawą nadmiernej ilości składników nawozowych. Eksperyment wykazał również, że wysiew nawozów w strefie nadrzecznej niesie ryzyko gwałtownego zanieczyszczenia wód rzecznych. Sytuacja taka może mieć miejsce po wysianiu nawozu na silnie uwodnione podłoże, co przyspiesza jego rozpuszczanie. Szybkiej dostawie do koryta rzecznego sprzyjają też opady atmosferyczne, zwłaszcza obfite, które mogą generować spływ nasycony. W zależności od swojej struktury wewnętrznej strefy nadrzeczne wykazują mniejszą lub większą efektywność retencji/redukcji azotu. Bezpośrednia dostawa na powierzchnię strefy nadrzecznej związków azotu w postaci nawozów mineralnych, nawet w ilościach dopuszczanych przepisami, może prowadzić do przełamania właściwości buforujących i wprowadzenia do wód podziemnych i powierzchniowych wysokiego ładunku azotu.

5 Literatura Burt T.P., Haycock N.E., Linking Hillslopes to Floodplains. W: Floodplain Processes. Kostrzewski A., Szpikowska G., Szpikowski J., Funkcjonowanie młodoglacjalnej zlewni źródliskowej Chwalimskiego Potoku. W: A. Kostrzewski, J. Szpikowski, Z. Zwoliński (red.) Funkcjonowanie geoekosystemów zlewni rzecznych 6 wpływ antropopresji na funkcjonowanie dolin i zlewni rzecznych, Poznań Storkowo. Materiały konferencyjne, Michalska G., Dostawa atmosferyczna, krążenie i odpływ nutrientów ze zlewni rolniczej (Chwalimski Potok, górna Parsęta). W: M. Jóźwiak, A. Kowalkowski (red.) ZMŚP, Funkcjonowanie i Monitoring Geoekosystemów z uwzględnieniem zanieczyszczenia powietrza, Bibl. Monitoringu Środowiska, Puchalski W., Funkcjonowanie dolin rzecznych jako złożonych systemów ekologicznych. W: A. Kostrzewski (red.) Funkcjonowanie geoekosystemów zlewni rzecznych 2. Bogucki Wyd. Nauk., Poznań, Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z dn. 26 lutego 2009 r. Dz. U. Nr 33. Szpikowska G., Denudacja chemiczna w zlewni młodoglacjalnej (Chwalimski Potok, Górna Parsęta). Rozprawa doktorska pod kierunkiem prof. dr hab. A. Kostrzewskiego w Zakładzie Geoekologii Instytutu Paleogeografii i Geoekologii UAM, Poznań. Szpikowska G., Retencja nutrientów w strefie nadrzecznej Chwalimskiego Potoku (górna Parsęta, Pomorze Zachodnie). W: A. Kostrzewski, J. Szpikowski (red.) Funkcjonowanie geoekosystemów zlewni rzecznych 5. Rozwój Dolin rzecznych w warunkach zmian klimatu i zróżnicowanej antropopresji. Materiały konferencyjne, Kołobrzeg , Szpikowka G., Retencja azotu w strefie nadrzecznej - eksperyment terenowy w zlewni Chwalimskiego Potoku (Pomorze Zachodnie). W: J. Zbierska (red.) Gospodarowanie w dolinach rzecznych na obszarach Natura Materiały konferencyjne, Poznań , 65. Żurek A., Azotany w wodach podziemnych. Biuletyn PIG 400,