DYNAMIKA SKŁADNIKÓW BIOGENICZNYCH W RZECE SŁUPI OCENA ZDOLNOŚCI SAMOOCZYSZCZANIA RZEKI

Transkrypt

1 S ł u p s k i e P r a c e B i o l o g i c z n e 5 28 DYNAMIKA SKŁADNIKÓW BIOGENICZNYCH W RZECE SŁUPI OCENA ZDOLNOŚCI SAMOOCZYSZCZANIA RZEKI BIOGENS DYNAMICS IN THE SŁUPIA RIVER SELF-PURIFICATION ABILITY OF THE RIVER Anna Jarosiewicz*, Karolina Dalszewska Akademia Pomorska Zakład Ekologii Wód Instytut Biologii i Ochrony Środowiska ul. Arciszewskiego 22b, 76-2 Słupsk * jarosiewicza@poczta.onet.pl ABSTRACT The aim of this paper was to determine the seasonal nutrient changes in the Słupia River (Pomeranian Province). Nitrogen, phosphorus and oxygen content were estimated seasonally in 25 and 26. Moreover, the self-purification ability of a selected 4.3 km part of Słupia has been investigated by taking samples along the course of the river (6 measurement sites). It was observed that the nutrients concentration in the river was dependent on the intensity of biological processes in the river and on the hydrological and meteorological processes in the river basin. Along the course of Słupia, there was observed a self-purification process which was significant for oxygen and, in winter, for ammonium and phosphorus. Słowa kluczowe: rzeka, azot, fosfor, samooczyszczanie Key words: river, nitrogen, phosphorus, self-purification WPROWADZENIE Woda jest najbardziej ruchliwym elementem środowiska przyrodniczego, w którym nieustannie krąŝy. Równocześnie zasoby wodne naraŝone są na niekorzystne zmiany ich jakości, które mogą zachodzić na róŝnych etapach cyklu hydrogeologicznego, co prowadzi do zuboŝenia tych zasobów, obniŝenia ich parametrów jakościowych, a co za tym idzie do ograniczenia moŝliwości ich wykorzystania przez człowieka. Jakość wód rzecznych to parametr bardzo złoŝony czasowo i przestrzennie. Jest ona uzaleŝniona od warunków meteorologicznych i hydrologicznych. Mają na nią wpływ cechy geograficzne, geochemiczne i fizjograficzne zlewni oraz, a często przede wszystkim, poziom antropopresji (Lahermo 1995, Neal i Heathwaite 25). Cechą charakterystyczną rzek jest to, iŝ przepływ materii i energii dokonuje się w jednym kierunku w dół systemu, 63

2 a procesy zachodzące w rzece są funkcją drogi przebywanej przez wodę. (Chełmicki 21, Allan 1998). Substancje rozpuszczone, w tym przede wszystkim składniki biogeniczne, wytworzone w jednym miejscu są transportowane na pewną odległość zanim zostaną ewentualnie powtórnie wykorzystane. Wiele procesów, takich jak przemiany chemiczne jednych związków w drugie, przemiany fizyczne, np. adsorpcja czy desorpcja oraz biologiczne pobieranie i uwalnianie, wywiera wpływ na wielkość i szybkość transportu substancji rozpuszczonych z biegiem rzeki. Transport ten zachodzi równieŝ w podłoŝu, a wymiana między wodami interstycjalnymi a wodą rzeczną moŝe bardzo silnie oddziaływać na dynamikę substancji rozpuszczonych (Allan 1998, Wetzel 21). Celem niniejszej pracy było prześledzenie dynamiki zmian składników biogeniczych w wybranym odcinku rzeki Słupi i próba oszacowania stopnia samooczyszczania wód rzeki poprzez określenie zachodzących wzdłuŝ wybranego odcinka zmian stęŝenia badanych składników. 64 TEREN I METODY BADAŃ Teren prowadzonych badań obejmował wyselekcjonowany odcinek rzeki Słupi (tab. 1) o długości 4,3 km, zlokalizowany w Leśnym Dworze koło Dębnicy Kaszubskiej (powiat słupski). Odcinek ten znajduje się w środkowym biegu rzeki, charakteryzującym się piaszczysto-gliniastymi utworami moreny dennej i glinami zwałowymi, w kompleksie duŝych lasów. Długość wybranego odcinka rzeki podyktowana została koniecznością wydzielenia fragmentu cieku wodnego bez dopływów i punktowych źródeł zanieczyszczeń. Jedynie spływy obszarowe z pastwisk i lasu oraz depozycja atmosferyczna stanowiły potencjalne źródło dostawy składników odŝywczych na tym terenie. W obrębie ustalonego odcinka rzeki wyznaczono sześć stanowisk pomiarowych (ryc. 1), oddalonych od siebie o,7-1,1 km. Badania prowadzone były od listopada 25 do sierpnia 26 roku. Z kaŝdego stanowiska za pomocą czerpaka pobierano próby wody do analiz laboratoryjnych. Bezpośrednio Charakterystyka rzeki Słupi Characteristic of the Słupia River Powierzchnia zlewni 1623 km 2 Długość rzeki Główne dopływy Źródło Ujście WaŜniejsze miejscowości UŜytkowanie zlewni: Lasy Rolnictwo Źródło: RZGW ,6 km Tabela 1 Table 1 Stropna, Struga, Bytowa, Boruja, Jutrzenka, Kamienica, Brodek, Kwacza, Kamieniec, Bagienica, Graniczna, Skotawa, Warblewska Struga, Głaźna, Siemianicka Struga, Gnilna Torfowiska w pobliŝu wsi Sierakowska Huta na Pojezierzu Kaszubskim, na wysokości 178 m n.p.m. Morze Bałtyckie, teren portu Ustka Bytów, Dębnica Kaszubska, Słupsk, Ustka 74 km 2 (43,3%) 776 km 2 (47,8%)

3 Słupsk Dębnica Kaszubska Bytów rz. Skotawa Nadleśnictwo Leśny Dwór 6 rz. Słupia stanowisko pomiarowe Ryc. 1. Obszar badań i lokalizacja stanowisk pomiarowych Fig. 1. Research area and location of measurements sites po poborze, jeszcze w terenie, w kaŝdej z próbek mierzono temperaturę i przewodnictwo. Wodę z czerpaka przelano do szklanych butelek ze szlifem o średniej pojemności 1 ml. Woda z tych butelek była wykorzystana do badania zawartości rozpuszczonego tlenu metodą Winklera (Hermanowicz i in. 1976). Pozostała część pobranej wody została zabezpieczona do dalszych analiz prowadzonych juŝ w warunkach laboratoryjnych. Oznaczanie stęŝenia biogenów odbywało się kaŝdorazowo w dniu pobrania próbek. Badania obejmowały oznaczenie stęŝenia azotu amonowego, azotanów, azotu całkowitego, fosforu mineralnego i całkowitego. Metodykę oznaczeń fizykochemicznych oparto na opracowaniu Hermanowicza i in. (1976). Wszystkie oznaczenia kolorymetryczne wykonano, uŝywając spektrofotometru Metertech, SP-83 plus. Zmienność sezonowa WYNIKI I DYSKUSJA Przeprowadzone badania wykazały wyraźną sezonową zmienność jakości wód rzeki Słupi na jej wyselekcjonowanym odcinku (ryc. 2-4). Dla wszystkich badanych parametrów zaobserwowano związek zmiany ich stęŝenia z porami roku. W sezonie zimowym uzyskiwane wartości były zazwyczaj wyŝsze niŝ w miesiącach letnich. Przykładowo, średnie 65

4 66

5 stęŝenie azotu całkowitego (ryc. 2A), obliczone dla wszystkich 6 stanowisk w styczniu było prawie 4,5 raza większe niŝ pod koniec maja i wynosiło odpowiednio 1,968 mg N/dm 3 i,455 mg N/dm 3. Podobnie stęŝenie azotu azotanowego (ryc. 2D) zmieniało się od około,7 mg N/dm 3 w sezonie zimowym do,5 mg N/dm 3 w sierpniu. W przypadku stęŝenia jonów amonowych (ryc. 2C) wahania pomiędzy poszczególnymi miesiącami nie były tak wyraźne, jak dla azotu całkowitego czy jego azotanowej formy. Średnie wartości azotu mieściły się w granicach od,62 mg N/dm 3 w listopadzie do,141 mg N/dm 3 w sierpniu. Trudno jest w tym przypadku mówić o zmienności sezonowej. Od listopada do maja oscylowały one wokół wartości,88 mg N/dm 3. Jedynie w sierpniu 26 roku nastąpił wyraźny wzrost jego stęŝenia od średniej wartości równej,141 mg N/dm 3. StęŜenie fosforu (ryc. 3) w wodach rzeki Słupi równieŝ było podporządkowane porom roku, przy czym jego maksimum było przesunięte w porównaniu do maksimów azotowych A A) 1,4 1,2 stęŝenie P całkowitego, mgp/dm 3 Ptot, mg mgp/dm 3 1,,8,6,4,2, Min.-Maks. Min-Maks % 25%-75% Mediana B B),3,25 stęŝenie fosforanów, mgp/dm 3 P-PO4, P-PO4, mg mgp/dm P/dm 3,2,15,1,5, Min.-Maks. Min-Maks % 25%-75% Mediana Ryc. 3. Sezonowe zmiany stęŝenia poszczególnych form fosforu (mg P/dm 3 ) w badanym odcinku rzeki Słupi Fig. 3. Seasonal changes of the phosphorus content (mg P/dm 3 ) in selected area of the Słupia River 67

6 i przypadało na przełom zimy i wiosny. Wynosiło ono w przypadku fosforu całkowitego około,8 mg P/dm 3, a dla jego mineralnej formy około,15 mg P/dm 3. NajniŜsze stęŝenia obydwu jego form odnotowano w okresie letnio-jesiennym i wynosiły one odpowiednio około,4 mg P/dm 3 (fosfor całkowity) i,4 mg P/dm 3 (fosfor mineralny). Zarówno w przypadku azotu, jak i fosforu dominowała ich forma organiczna. Azot organiczny stanowił średnio około 65% azotu całkowitego, a w jego formie mineralnej z wyjątkiem sezonu letniego dominowały azotany (8%). W sierpniu natomiast przewaŝała forma amonowa (7% formy mineralnej). W przypadku fosforu na całej długości badanego odcinka przewaŝała forma organiczna, która średnio stanowiła ponad 85% fosforu całkowitego. Wody rzeki Słupi charakteryzowały się dobrym natlenieniem powyŝej 1%. Średnie wartości stęŝenia tlenu rozpuszczonego (ryc. 4), obliczone dla wszystkich 6 stanowisk, zmieniały się w zakresie od 9,8 mg O 2 /dm 3 w sierpniu do 16,8 mg O 2 /dm 3 w marcu, przy czym najwyŝsze wartości jego stęŝenia odnotowywane były w miesiącach zimowych. 24 tlen rozpuszczony, mg O2, mg O2/dm 3 tlen stęŝenie rozpuszczony, tlenu rozpuszczonego, mgo2/dm Min.-Maks. Min-Maks % 25%-75% Mediana Ryc. 4. Sezonowe zmiany stęŝenia tlenu rozpuszczonego (mg O 2 /dm 3 ) w badanym odcinku rzeki Słupi Fig. 4. Seasonal changes of the oxygen (mg O 2 /dm 3 ) in selected area of the Słupia River Omawiane sezonowe zmiany obecności poszczególnych form składników odŝywczych w rzece Słupi uzaleŝnione są w duŝym stopniu od warunków hydrologicznych i meteorologicznych. Sytuacja hydrologiczna jest waŝna zarówno dla eksportu azotu, jak i fosforu. Obfite deszcze lub gwałtowne roztopy wnoszą ładunki azotu i fosforu, przy czym pierwszy ze składników z powodu jego wypłukiwania z gleby, drugi natomiast głównie ze względu na erozję tejŝe. Jest to bardzo istotne przede wszystkim wtedy, gdy mamy do czynienia z obszarem wykorzystywanym rolniczo (Chełmicki 21, Taylor i in. 1997). Szczególnie dobre warunki do powstawania spływów istnieją w czasie, gdy pokrywa roślinna nie jest dobrze wykształcona i grunt jest przemarznięty. Szacuje się, Ŝe średnia emisja azotu ze spływów obszarowych dla zlewni rzek przymorza wynosi 3,13 kg N/ha rocznie. W przypadku fosforu jest to wartość równa,15kg P/ha rocznie (Taylor i in. 1997). RóŜna rozpuszczalność azotu i fosforu (azot dobrze rozpuszczalny, fosfor słabo rozpuszczal- 68

7 ny) z nawozów powoduje, Ŝe w okresach nawoŝenia obserwuje się w rzekach wzrost zawartości związków azotowych przy równoczesnym braku wzrostu zawartości związków fosforu (Chełmicki 21, Neal i Heathwaite 25). Istotna jest takŝe bezpośrednia dostawa materii wraz z opadami, a dotyczy to przede wszystkim azotu azotanowego i amonowego. Kajak (1998) podaje, Ŝe jeden nawalny deszcz moŝe wprowadzić do wód nawet około 3% rocznego ładunku azotu. Według Taylora i in. (1997), na obszarze zlewni rzek przymorza średnia ilość azotu wprowadzanego wraz z opadami atmosferycznymi wynosi około,8 kg N/ha/rok. Zawartość związków fosforu jest w wodach opadowych znacznie mniejsza niŝ azotu i kształtuje się na poziomie,7 kg P/ha rocznie. Na wyŝsze stęŝenie azotu w okresie zimowym ma takŝe wpływ większa emisja azotu w zimie. Związki azotu wydzielane są do atmosfery głównie w wyniku procesu spalania. Tlenki azotu łączą się w atmosferze z parą wodną i opadają na ziemię jako opad mokry i w postaci suchej depozycji (Bogdanowicz 24). StęŜenie biogenów w rzece uzaleŝnione jest równieŝ od intensywności procesów metabolicznych organizmów Ŝywych. W sezonie letnim w ekosystemie wodnym następuje intensywne pobieranie składników pokarmowych przez fitoplankton. Przyswajalne związki fosforu i azotu na skutek intensywnej produkcji pierwotnej są szybko asymilowane i wbudowywane w biomasę organizmów. Większa dostępność światła oraz wyŝsza temperatura sprzyjają tym procesom i intensyfikują je (Mainstone i Parr 22, Wetzel 21). Wzrostowi koncentracji fosforu cząsteczkowego związanego w biomasie fitoplanktonu towarzyszy z reguły spadek stęŝenia rozpuszczonego fosforu w wodzie. W związku z niŝszym przepływem rzeki w okresie letnim (średni przepływ Słupi w sezonie letnim wynosi 7,98 m 3 /s, a w sezonie zimowym 1,42 m 3 /s) intensywniej zachodzi równieŝ proces sedymentacji. Zjawisko to dotyczy głównie ograniczania ilości fosforu, zarówno jego formy mineralnej, jak i organicznej (Mainstone i Parr 22). Samooczyszczanie Oprócz obserwacji sezonowej zmienności biogenów w rzece Słupi, badania miały równieŝ na celu zaobserwowanie procesu samooczyszczania wód rzeki. Ze względu na złoŝoność zjawiska (Jarosiewicz 27) określenie intensywności oraz zdolności wód do samoodnowy jest bardzo trudne. Z tego teŝ powodu załoŝeniem badań było jedynie stwierdzenie, czy na odcinku rzeki długości 4,3 km jakość wody będzie na tyle róŝna, aby móc stwierdzić, Ŝe zachodzi w niej proces samooczyszczania. Przeprowadzone analizy wykazały (ryc. 5-7), Ŝe nie wszystkie parametry i nie w kaŝdym terminie ulegały poprawie. Jedynie stęŝenie tlenu rozpuszczonego (ryc. 5), niezaleŝnie od terminu poboru prób, wzrastało wraz z biegiem rzeki, a róŝnice pomiędzy pierwszym a ostatnim stanowiskiem wynosiły od 15 do 23% w sezonie wiosenno-letnim do około 35% w miesiącach zimowych. W przypadku poszczególnych form azotu (ryc. 6), najwidoczniejszy spadek jego stęŝenia obserwować moŝna było dla formy amonowej, w miesiącach zimowych sięgający nawet 1%. StęŜenie azotanów było stabilne na wyselekcjonowanym odcinku rzeki, z wyjątkiem pomiarów zimowych, kiedy to początkowo wzrosło (stanowiska 2-3), a następnie spadło do wartości wyjściowej. Zmiany zawartości azotu całkowitego miały łagodny przebieg, a kierunek tych zmian uzaleŝniony był od pory roku. W miesiącach zimowych odnotowywano niewielki spadek stęŝenia azotu, sięgający 15% w stosunku do pierwszego stanowiska, wiosną natomiast wzrost o około 2%. W przypadku fosforu całkowitego (ryc. 7), z wyjątkiem sierpnia, następował spadek jego stęŝenia w granicach 69

8 steŝenie stęŝenie O2, mgo2/dm Ryc. 5. Zmiany stęŝenia tlenu rozpuszczonego (mg O 2 /dm 3 ) wraz z biegiem rzeki Słupi Fig. 5. Changes of the oxygen content (mg O 2 /dm 3 ) along the course of the Słupia River od 5 do 35%. Zawartość mineralnej formy fosforu kształtowała się na podobnym poziomie bądź lekko rosła. Jedynie w listopadzie stwierdzono spadek stęŝenia fosforanów. Zachodzące w rzece zmiany tłumaczyć moŝna zarówno licznymi procesami fizycznymi, jak i biologicznymi. Spadek stęŝenia jonów amonowych przez wielu autorów tłumaczony jest jego nitryfikacją i biologiczną asymilacją (Bratli i in. 1999, Cooper i in. 1919, Vagnetti i in. 23, Wetzel 21). W omawianym przypadku zapewne większe znaczenie miał proces nitryfikacji, ze względu na to, iŝ spadek odnotowywany był w sezonie zimowym. Potwierdzeniem tego spostrzeŝenia moŝe być obserwowany w tym samym okresie wzrost stęŝenia N-NO 3 między początkowymi stanowiskami, pomiędzy którymi obserwowano z kolei najintensywniejszy spadek stęŝenia N-NH 4 (ryc. 6). Spadek stęŝenia fosforu całkowitego wzdłuŝ biegu rzeki jest typowym zjawiskiem obserwowanym w naturalnych procesach oczyszczania (Bratli i in. 1999, Vagnetti i in. 23). Jest on wynikiem asymilacji biologicznej połączonej z sedymentacją. Fosfor organiczny zostaje zazwyczaj zmineralizowany do fosforanów, następnie moŝe zostać uwsteczniony na skutek adsorpcji fizycznej lub chemisorpcji. Przy sprzyjających warunkach hydrologicznych (powolny przepływ) fosfor moŝe teŝ ulec procesowi sedymentacji. Prawdopodobnie w omawianym przypadku procesy fizykochemiczne dominowały nad biologicznymi. W przypadku fosforu poprawa jakości była obserwowana, podobnie jak dla azotu, równieŝ w miesiącach zimowych. Wprawdzie dla procesu sedymentacji bardziej sprzyjające warunki panują w okresie letnim (prędkość opadania cząstek wzrasta wraz z temperaturą wody i spadkiem prędkości przepływu), jednakŝe to właśnie w miesiącach zimowych obserwowano znaczne ilości duŝych, łatwo opadających cząstek niesionych z wodą. Na podstawie uzyskanych wyników moŝna stwierdzić, Ŝe analizowany odcinek rzeki znajduje się, zgodnie z podziałem zaproponowanym przez Wimple a (Starmach i in. 1976), na granicy stref odnowy i wody czystej (Jarosiewicz 27). Wskazują na to wysokie, wzrastające z biegiem rzeki stęŝenie tlenu rozpuszczonego oraz zachodzący proces nitryfikacji. NajbliŜsze źródła zanieczyszczeń znajdują się około 1 km od pierwszego stanowiska badanego odcinka. Są to oczyszczalnia w Gałęźni Wielkiej i oczyszczalnia w Motarzynie. 7

9 stęŝenie steŝenie Ntot, Ntot, mg mgn/dm ,5 2 1,5 1, steŝenie stęŝenie N-NO3, mgn/dm3 3 1,8,6,4, stęŝenie steŝenie N-NHO3, N-NH3, mgn/dm 3,3,25,2,15,1, Ryc. 6. Zmiany stęŝenia poszczególnych form azotu (mg N/dm 3 ) wraz z biegiem rzeki Słupi Fig. 6. Changes of the nitrogen content (mg N/dm 3 ) along the course of the Słupia River 71

10 3 stęŝenie steŝenie Ptot, Ptot, mg P/dm3 mgp/dm 3 W Gałęźni Wielkiej za pomocą metody biologicznej oczyszcza się ścieki bytowo- -gospodarcze. Oczyszczalnia ta wprowadza do Słupi 2 m 3 ścieków na dobę. Oczyszczalnia w Motarzynie wprowadza do Słupi 6 m 3 /d ścieków bytowo-gospodarczych oczyszczanych metodą mechaniczną. Odległość między badanym odcinkiem a źródłami zanieczyszczeń moŝe być na tyle duŝa, by na jej długości zaszły juŝ intensywniejsze procesy samooczyszczania charakterystyczne dla bardziej zanieczyszczonych stref. Wielu autorów wskazuje, Ŝe proces samooczyszczania intensywniej zachodzi w okresie letnim (Cooper i in. 1919, Bratli i in. 1999, Vagnetti i in. 23), ze względu na większą dostępność światła oraz wyŝszą temperaturę, sprzyjającą procesom Ŝyciowym i intensyfikującą je. Procesy te przyspieszają z kolei asymilację i mineralizację materii organicznej. W omawianych badaniach sytuacja była odmienna. Proces samoodnowy zachodził wyraźniej w sezonie zimowym. Prawdopodobnie w tym przypadku w złoŝonym procesie popra- steŝenie stęŝenie P-PO4, mgp/dm N/dm 3 1, , ,8,6,4,2, , ,15,1,5 Ryc. 7. Zmiany stęŝenia poszczególnych form fosforu (mg P/dm 3 ) wraz z biegiem rzeki Słupi Fig. 7. Changes of the phosphorus content (mg P/dm 3 ) along the course of the Słupia River 72

11 wy jakości wód dominowały sedymentacja oraz rozcieńczanie, przy czym źródłem wody czystej nie były powierzchniowe dopływy rzeczne, ale prawdopodobnie wody podziemne oraz spływy powierzchniowe z bezpośredniej zlewni o charakterze leśnym. LITERATURA Allan J.D Ekologia wód płynących. PWN, Warszawa. Bogdanowicz R. 24. Hydrologiczne uwarunkowania transportu wybranych związków azotu i fosforu Odrą i Wisłą oraz rzekami Pomorza do Bałtyku. UG, Gdańsk. Bratli J.L., Skiple A., Mjelde M Restoration of lake Borrevannet self-purification of nutrients and suspended matter through natural reed-belts. Wat. Sci. Tech., 4: Chełmicki W. 21. Woda. Zasoby, degradacja, ochrona. PWN, Warszawa. Cooper A.E., Cooper E.A., Heward J.A On the self-purification of rivers and streams. Biochem. J., 4: Hermanowicz W., DoŜańska W., Dojlido J., Kosiorowski B Fizyczno-chemiczne badanie wody i ścieków. Arkady, Warszawa. Jarosiewicz A. 27. Proces samooczyszczania w ekosystemach rzecznych. Słupskie Pr. Biol., 4: Kajak Z Hydrobiologia limnologia. Ekologia wód śródlądowych. PWN, Warszawa. Lahermo P The hydrogeochemical comparison of streams and lakes in Finland. Appl. Geochemistry, 1: Mainstone C.P., Parr W. 22. Phosphorus in rivers ecology and management. Sci. Total Environ., : Neal C., Heathwaite A.L. 25. Nutrient mobility within river basins: a European perspective. J. Hydrol., 34: Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej w Gdańsku Starmach K., Wróbel S., Pasternak K Hydrobiologia. PWN, Warszawa. Taylor R., Bogacka T., Makowski Z Emisja azotu i fosforu z obszaru Polski do wód powierzchniowych. Wiadomości IMGW, 3: Vagnetti R., Miana P., Fabris M., Pavoni B. 23. Self-purification ability of resurgence stream. Chemosphere, 52: Wetzel R.G. 21. Limnology. Lake and river ecosystems. Elsevier Academic Press, San Diego. 73