GOSPODAROWANIE AZOTEM I FOSFOREM ORAZ GAZOWE STRATY AZOTU W WIELKOOBSZAROWYM GOSPODARSTWIE ROLNYM

Transkrypt

1 43 FOLIA UNIVERSITATIS AGRICULTURAE STETINENSIS Folia Univ. Agric. Stetin. 2005, Agricultura 244 (99): Piotr BURCZYK, Stefan PIETRZAK 1, Renata GAMRAT 2 GOSPODAROWANIE AZOTEM I FOSFOREM ORAZ GAZOWE STRATY AZOTU W WIELKOOBSZAROWYM GOSPODARSTWIE ROLNYM NITROGEN AND PHOSPHORUS MANAGEMENT AND GASOUS LOSSEES OF NITROGEN FROM LARGE AREA FARM Instytut Melioracji i UŜytków Zielonych w Falentach, Zachodniopomorski Ośrodek Badawczy ul. Czesława 9, Szczecin 1 Instytut Melioracji i UŜytków Zielonych w Falentach Raszyn 2 Katedra Ochrony i Kształtowania Środowiska, Akademia Rolnicza ul. Słowackiego 17, Szczecin Abstract. In this paper surplus of nutrients on large area farm were estimated using farm gate balance method, also an appreciation ammonia (NH 3 ) and nitrous oxide (N 2 O) emission were calculated. Most of nitrogen input the farm with mineral fertilizers but left with sold crops. Nitrogen surplus was highest in 2001 (202.1 kg N ha -1 ) and lowest in 2002 (99 kg N ha -1 ). Nitrogen effectiveness varied from 29.6 to 47.0%. Phosphorus balance was more stable, highest surplus 6.4 kg P ha -1 was noted in 2000 comparing to 2.8 kg P ha -1 in Effectiveness of phosphorus use was high and varied from 75.7 to 97.7%. The main source of ammonia emission was livestock production. Within a years ammonia emission from livestock decreased but emission from crop production increased four times between and decreased in 2002 below the level noted in Nitrous oxide emission varied from 5.42 to 7.79 kg N 2 O-N ha -1. Słowa kluczowe: azot, bilans, fosfor, gazowe straty azotu, gospodarstwo rolne, składniki mineralne. Key words: balance, farm, gaseous nitrogen losses, nitrogen, nutrients, phosphorus. WSTĘP Gospodarstwo rolne jest podstawową jednostką organizacyjną, w której realizowany jest proces produkcji Ŝywności, surowców rolnych i pasz dla zwierząt. Proces ten angaŝuje duŝe ilości składników mineralnych, spośród których tylko niewielka część zostaje wykorzystana produkcyjnie na wytworzenie produktów roślinnych czy zwierzęcych. Znaczna ich część ulega rozproszeniu w środowisku naturalnym, w następstwie czego dochodzi do zanieczyszczania wód i atmosfery. W przypadku wód szczególną rolę w ich zanieczyszczaniu składnikami mineralnymi odgrywają związki azotu i fosforu. Pierwiastki te, występując w nadmiernych ilościach w wodach powierzchniowych, prowadzą do ich eutrofizacji, co objawia się gwałtownym rozwojem fitoplanktonu przewaŝnie glonów. W efekcie eutrofizacji następuje degradacja wód powierzchniowych oraz powaŝnie ogranicza moŝliwość ich wykorzystania do celów bytowych i gospodarczych. Z kolei wody podziemne, jeśli stęŝenie azotanów jest w nich zbyt duŝe, stają się nieprzydatne jako źródło wody do picia.

2 44 P. Burczyk i in. W zanieczyszczeniu atmosfery istotną rolę odgrywają ulatniające się z produkcji rolnej takie gazy, jak amoniak (NH 3 ) i podtlenek azotu (N 2 O). Amoniak powraca z atmosfery na powierzchnię ziemi w opadzie suchym i mokrym; jest sorbowany przez wody powierzchniowe, glebę, rośliny. Następstwem nadmiernej podaŝy azotu z atmosfery moŝe być m.in.: zakwaszanie gleby, eutrofizacja, zwiększenie wraŝliwości upraw na czynniki stresowe. Podtlenek azotu trafia z gleby do atmosfery jako produkt procesów nitryfikacji i denitryfikacji. NaleŜy on do głównych gazów odpowiedzialnych za efekt cieplarniany, przyczynia się równieŝ do niszczenia strefy ozonowej (Sapek 2001). Względy środowiskowe, a zarazem ekonomiczne wskazują na daleko idącą potrzebę rozwoju badań nad obiegiem składników nawozowych w rolnictwie. Celem pracy była ocena nadmiaru azotu i fosforu oraz gazowych strat azotu, w postaci amoniaku i podtlenku azotu, generowanych w wielkoobszarowym gospodarstwie rolnym o intensywnym systemie produkcji. OBIEKT I METODY Badania przeprowadzono w wielkoobszarowym gospodarstwie rolnym, w województwie zachodniopomorskim, w gminie Warnice, połoŝonym w bezpośrednim sąsiedztwie jeziora Miedwie (które jest głównym źródłem wody pitnej dla Szczecina). Rejon ten zwany jest Równiną Pyrzycko-Stargardzką. Dominującym elementem morfologicznym są tu równiny i wzniesienia morenowe odpowiadające morenom dennym zlodowacenia bałtyckiego krajobraz młodoglacjalny. Jest to obszar zastoiska ze schyłku plejstocenu; średnie wysokości wynoszą 30 m n.p.m. MiąŜszość osadów zastoiskowych w centralnych partiach zastoiska wynosi maksymalnie 10 m. Gospodarstwo zajmuje się zarówno produkcją roślinną, jak i zwierzęcą. Podstawą produkcji zwierzęcej jest hodowla bydła i drobiu; dominuje produkcja mleka (do 300 krów mlecznych) i jaj (do 27 tys. sztuk drobiu). Gospodarstwo obejmuje 997 ha uŝytków rolnych połoŝonych na glebach brunatnych właściwych i czarnych ziemiach zdegradowanych, w tym 699 ha gruntów ornych i 219 ha uŝytków zielonych. Uprawiana jest głównie pszenica ozima (na prawie 300 ha), jęczmień oraz buraki cukrowe (na 125 ha) i rzepak ozimy. Urodzajne gleby (większość II i III klasy bonitacyjnej) oraz dobra agrotechnika pozwalają na uzyskiwanie duŝych plonów, w korzystnych latach często dwukrotnie przekraczających średnią krajową dla zbóŝ. Plony pszenicy ozimej wynosiły w dobrych latach ponad 8 t na hektar, jęczmienia powyŝej 6 t, rzepaku ozimego ponad 4 t, a buraków cukrowych nawet około 50 t. DuŜe plony wymagają dobrego zasilenia w składniki nawozowe dochodzącego do 228 kg azotu dla najbardziej intensywnych upraw pszenicy ozimej i rzepaku ozimego. Azot stosowany jest głównie doglebowo w postaci 32-procentowego roztworu saletrzano-mocznikowego (RSM). Z uwagi na zasobność gleby w fosfor i potas w ostatnich latach stosuje się zmniejszone dawki nawozów potasowych i fosforowych do 55 kg K ha -1 i 16 kg P ha -1 pod rzepak ozimy i buraki cukrowe oraz do 37 kg K ha -1 i 10 kg P ha -1 pod zboŝa. Badania prowadzone w gospodarstwie objęły wykonanie bilansów azotu i fosforu w latach oraz oszacowanie emisji amoniaku i podtlenku azotu dla lat Do oszacowania

3 Gospodarowanie azotem i fosforem oraz gazowe straty azotu emisji wybrano amoniak ze względu na jego dominujący udział w stratach azotu z produkcji zwierzęcej oraz podtlenek azotu jako jeden z głównych gazów odpowiedzialnych za niszczenie warstwy ozonowej. Bilanse azotu i fosforu sporządzono metodą u wrót gospodarstwa, zalecaną przez PARCOM (Paris Commission) do ogólnej oceny gospodarowania, na podstawie rejestru tych składników wnoszonych do gospodarstwa i z niego wynoszonych w roku kalendarzowym (Pietrzak 1997; Schroder i in. 2003). Wnoszenie składników mineralnych do gospodarstwa następowało w wyniku: zakupu nawozów mineralnych, pasz treściwych i innych, zboŝa, zwierząt hodowlanych, opadów atmosferycznych, N biologicznego. Z kolei ich wynoszenie następowało w wyniku sprzedaŝy na zewnątrz gospodarstwa produktów: roślinnych (ziarna zbóŝ, buraków cukrowych) i zwierzęcych (Ŝywca, mleka, jaj). Nadmiar składników mineralnych określono na podstawie róŝnicy między wniesioną i wyniesioną ilością azotu i fosforu. Efektywność wykorzystania składników mineralnych obliczono jako stosunek wynoszenia do wnoszenia i wyraŝono w procentach. Emisję amoniaku oszacowano, na podstawie liczby zwierząt utrzymywanych w gospodarstwach i stosowanej w nich ilości nawozów azotowych, wykorzystując wskaźniki emisji amoniaku z produkcji roślinnej oraz zwierzęcej (Pietrzak 2001). Do oszacowania emisji podtlenku azotu wykorzystano zaproponowaną przez IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) metodę, z uwzględnieniem korekty polegającej na wprowadzeniu urealnionych, w stosunku do warunków krajowych, wskaźników ilości odchodów wydalanych w róŝnych systemach utrzymania zwierząt i ilości azotu w odchodach zwierząt wydalanych w ciągu roku oraz na zmianie sposobu obliczania plonu suchej masy upraw polowych (innych niŝ roślin motylkowych) opisanej w pracy Pietrzaka i in. (2002). WYNIKI Wykonane bilanse wskazują, Ŝe głównymi źródłami wnoszenia azotu i fosforu do gospodarstwa były nawozy mineralne oraz pasze i materiał siewny. Natomiast składniki te wynoszone były głównie w produktach roślinnych (tab. 1). Tabela 1. Bilans azotu i fosforu w gospodarstwie w latach Table 1. Nitrogen and phosphorus balance on farm scale ( ) Wyszczególnienie Specification Azot Nitrogen [kg N ha -1 rok year] Fosfor Phosphorus [kg P ha -1 rok year] Wnoszenie Input nawozy mineralne mineral fertilizers pasze i materiał siewny fodder and seeds zwierzęta gospodarskie farm animal , opady atmosferyczne deposition ,4 0,8 0,7 mikroorganizmy glebowe soil microorganism rośliny motylkowate papilionaceous plants 0 0,1 Razem wnoszenie Summary input , ,4 18,8 20 Wynoszenie Input produkty roślinne plant product produkty zwierzęce animal product Razem wynoszenie Summary output Nadmiar Excess ,1 99 6,4 2,8 0,4 Efektywność Effectivity [%] 46,3 29, ,7 85,1 97,7

4 46 P. Burczyk i in. Nadmiar azotu w gospodarstwie w roku 2001 zwiększył się, w porównaniu z rokiem 2000, o prawie 80 kg N ha -1 osiągając najmniejszą wartość w roku kg N ha -1. Natomiast nadmiar fosforu w tym okresie zmniejszył się o 6 kg P ha -1. Zmiany nadmiaru N i P były proporcjonalne do ilości zastosowanych nawozów. W tym samym czasie zanotowano zmniejszenie wykorzystania azotu o prawie 17 punktów procentowych i ponowny wzrost w roku Zwiększenie wykorzystania fosforu wzrastało corocznie o ponad 9-12 punktów procentowych. Emisja amoniaku w gospodarstwie w latach wahała się w zakresie od 28 do 37 kg NH 3 -N ha -1 (tab. 2). Dominujący w niej udział (w zakresie 58-88%) miała emisja NH 3 z produkcji zwierzęcej. Tabela 2. Emisja amoniaku w gospodarstwie w latach Table 2. Ammonia emission from farm ( ) Wyszczególnienie Specification Emisja amoniaku z produkcji roślinnej Ammonia emission from plant production Emisja amoniaku z produkcji zwierzęcej Ammonia emission from animal production Emisja całkowita Total emission Wartość emisji Emission [kg NH 3-N ha -1 rok year] ,5 6,1 8,0 15,5 5,6 26,5 26,3 21,3 21,3 22,8 30,0 32,3 29,3 36,8 28 Emisja podtlenku azotu kształtowała się w przedziale od 5,4 do 7,8 kg N 2 O-N ha -1 (tab. 3). Spośród róŝnych źródeł emisji w największym stopniu na jej poziom wpływały straty N 2 O z zastosowanych nawozów azotowych, azotu traconego w wyniku wymycia, resztek roślinnych i obornika na składowisku. Tabela 3. Emisja podtlenku azotu w gospodarstwie w latach Table 3. Nitrogen dioxide emission from farm ( ) Wartość emisji Emisssion Źródło Source [kg N -1 rok 2O-N ha -1 year] Emisja bezpośrednia Direct emission 3,2 3,3 3,3 4,2 2,75 nawozy mineralne mineral fertilizers 1,0 1,2 1,5 2,4 1,11 nawozy naturalne organic fertilizers 0,7 0,65 0,5 0,45 0,47 biologiczne wiązanie N 2 Biological N 2 fixation 0,25 0, resztki roślinne plant residues 0,95 0,93 0,97 1,03 0,99 gleby organiczne organic soils 0,35 0,35 0,35 0,35 0,18 Emisja z produkcji zwierzęcej Emission from animal production 1,86 1,74 1,32 1,19 1,24 odchody na pastwisku excreta on pasture 0,22 0,23 0,25 0,25 0,24 obornik na pryzmie manure 1,65 1,51 1,08 0,94 0,01 gnojowica w zbiorniku slurry Emisja pośrednia Indirect emission 1,61 1,71 1,75 2,38 1,43 azot z opadów atmosferycznych nitrogen from deposition 0,27 0,28 0,26 0,33 0,22 wymycie azotanów nitrogen leaching 1,34 1,44 1,49 2,05 1,2 Całkowita emisja Total emission 6,67 6,71 6,37 7,79 5,42 DYSKUSJA Obiektem badań było wielkoobszarowe gospodarstwo rolne połoŝone w pobliŝu jeziora Miedwie będącego rezerwuarem wody pitnej dla Szczecina. Niestety jakość wód jeziora nie jest najlepsza. Mieści się ono w III klasie czystości ze względu na zawartość fosforu ogólnego, a w II klasie

5 Gospodarowanie azotem i fosforem oraz gazowe straty azotu ze względu na zawartość azotu amonowego przy dnie. Wartości zasolenia i stęŝenie fosforanów przy dnie są od kilku lat wartościami pozaklasowymi. Największe ilości składników mineralnych docierają z wodami dopływów (głównie rzeką Płonia), następnie z opadem atmosferycznym, wodami gruntowymi oraz ze spływem powierzchniowym. Ładunki pierwiastków biogennych, uwalnianych w trakcie prowadzonej przez gospodarstwo działalności, stanowią potencjalne zagroŝenie dla czystości wód tego jeziora. Z tego powodu niezbędne jest prowadzenie w nim szczególnie starannej gospodarki azotem i fosforem, by nie doprowadzić do nadmiernego wzbogacenia wód tymi składnikami. Z analizy bilansów wynika, Ŝe w gospodarstwie w sposób zrównowaŝony prowadzana jest gospodarka fosforem. Namiar tego składnika w analizowanym okresie nie był duŝy, a wykorzystanie było duŝe. Marcinkowski i Sapek (1998), posługując się tą samą metodą, stwierdzali nadmiar fosforu dochodzący do 55 kg ha -1 i wykorzystanie wynoszące 16,6-63%, czyli znacznie mniejsze. NaleŜy więc sądzić, Ŝe nadmiar fosforu z produkcji rolnej gospodarstwa nie stanowi zagro- Ŝenia dla jakości wód jeziora. Problemy tego typu moŝe natomiast stwarzać nadmiar azotu. Struktura wynoszenia składników nawozowych z gospodarstwa wskazuje, Ŝe dominującym w niej kierunkiem produkcji jest produkcja roślinna (średnio w obydwu latach około 80% N i P było wynoszone w produktach roślinnych). W tego rodzaju gospodarstwach, nadmiar azotu jest generalnie mniejszy niŝ w gospodarstwach specjalizujących się w produkcji zwierzęcej (Simon, Le Corre 1992). W badanym gospodarstwie natomiast nadmiar N w gospodarstwie w 2000 roku był duŝy (123 kg N ha -1 ), a w 2001 roku nawet bardzo duŝy (202,1 kg N ha -1 ). Doluschitz i in. (1992), stosując metodę u wrót gospodarstwa, stwierdzili największy nadmiar azotu (średnio 176 kg N ha -1 ) w gospodarstwach specjalizujących się w produkcji materiału selekcyjnego na potrzeby hodowli zwierząt, następnie w gospodarstwach o kierunku produkcji mieszanym (109 kg N ha -1 ), nastawionych na produkcję roślin pastewnych (90 kg N ha -1 ) oraz towarowych upraw roślinnych (84 kg N ha -1 ). Natomiast Buciene i in. (2003), stosując tę samą metodę, stwierdzili dodatni bilans dla azotu (+75 kg N ha -1 przy wykorzystaniu 38%), fosforu (+3 kg P ha -1 przy wykorzystaniu 77%) i potasu (+56 kg K ha -1 przy wykorzystaniu 23%). Efektywność wykorzystania azotu w gospodarstwie była zdecydowanie niezadowalająca w 2001 r. (wynosiła około 30%), chociaŝ zbliŝona do średnich notowanych w regionie (Burczyk i in. 2001; Pietrzak 2002). NaleŜy stwierdzić, Ŝe obrót azotu w tym gospodarstwie powinien być znacznie usprawniony. Przyczyniłoby się do tego z pewnością ograniczenie emisji amoniaku. Udział tej emisji w nadmiarze N stanowił około 24% w 2000, ponad 18% w 2001 i ponad 28% w 2002 roku. W kaŝdym roku około 20 kg azotu (w przeliczeniu na hektar uŝytków rolnych) ulatniało się w formie amoniaku z produkcji zwierzęcej, co przy stosunkowo niewielkiej obsadzie zwierząt w gospodarstwie jest wielkością znaczną. Wynik ten sugeruje potrzebę poprawy praktyk postępowania z nawozami naturalnymi. Pietrzak (2001) notował emisję wynoszącą od 25 do 28,9 kg NH 3 -N ha -1 rok dla gospodarstw specjalizujących się w produkcji mleka, natomiast emisja z gospodarstw o mieszanym kierunku produkcji wynosiła 9,4 kg NH 3 -N ha -1 rok, czyli była ponaddwukrotnie mniejsza. Wartość jednostkowa emisji podtlenku azotu w gospodarstwie (6,4 kg N 2 O-N ha -1 ) była w 2000 roku prawie 2,5 raza większa od średniej krajowej (Pietrzak i in. 2002). Nie są to ilości duŝe, jednak, biorąc pod uwagę zdolności N 2 O do rozkładu ozonu, bardzo istotne. Ze względu

6 48 P. Burczyk i in. na problem globalnego ocieplenia naleŝy dąŝyć do zmniejszenia emisji tego gazu z rolnictwa. Jak podają Oenema i in. (1998), moŝna to osiągnąć w wyniku stosowania dobrych praktyk rolniczych. Autorzy ci jako przykład podają eksperymentalne gospodarstwo De Marke w Holandii, w którym emisja podtlenku azotu wynosiła 6 kg N 2 O-N ha -1 w warunkach osiągania wysokich wydajności produkcyjnych, przy zachowaniu jednak przyjaznych dla środowiska metod gospodarowania. WNIOSKI 1. Sporządzone bilanse wykazały, Ŝe w badanym gospodarstwie gospodarka fosforem prowadzona jest w sposób zrównowaŝony i Ŝe jego nadmiar nie przekroczył 6,4 kg P ha -1 rok W gospodarstwie w wyniku działalności rolniczej generowane są znaczne nadmiary azotu wynoszące od 99 do 200 kg N ha -1 rok Straty azotu z gospodarstwa mogą wpływać na pogorszenie jakości wód gruntowych i powierzchniowych. Istnieje potrzeba optymalizacji gospodarowania tym składnikiem. PIŚMIENNICTWO Atmospheric emission inventory guidebook Technical Report. Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg 30: 450. Buciene A., Svedas A., Antanaitis S Balances of the major nutrients N, P and K at the farm and field level and some possibilities to improve comparisons between actual and estimated crop yields. Europ. J. Agron. 20: Burczyk P., Sobieraj R., Woroniecki T Obieg i bilans składników nawozowych w gospodarstwach rolnych a zagroŝenie środowiska. InŜ. Ekol. 5: Doluschitz R., Weleck H., Zaddies J Stickstoffbilanzen landwirtschaftlicher Betriebe Einstieg in eine okologische Buchfuhrung? Berichte uber Landwirtschaft 70: Durkowski T., Burakiewicz B., Burczyk P Ocena wnoszenia azotu w wodach powierzchniowych do jeziora Miedwie w latach [w: Materiały z Międzynarodowej Konferencji], Falenty IMUZ, Fallenty: Marcinkowski T., Sapek A Phosphorus in agriculture and water quality protection. Conference proceeding. IMUZ, Falenty: Oenema O., Gebauer G., Rodriguez M., Sapek A., Jarvis S.C., Corre W.J., Yamulki S Controlling nitrous oxide emissions from grassland livestock production sytems. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 52: Pietrzak S Metoda bilansowania składników nawozowych w gospodarstwie rolnym. Mater. Instr. IMUZ 116: 22. Pietrzak S Emisja amoniaku do atmosfery ze źródeł rolniczych. InŜ. Ekol. 5: Pietrzak S Ocena potencjalnych strat azotu na podstawie bilansu w gospodarstwach rolnych o zróŝnicowanym udziale uŝytków zielonych. Woda Środowisko Obszary Wiejskie Rozpr. Nauk. Monogr. 2: 58. Pietrzak S., Sapek A., Oenema O Emisja podtlenku azotu (N 2 O) ze źródeł rolniczych w Polsce. Nawoz. NawoŜ. 1: Sapek A Ocena ryzyka środowiskowego wynikającego z emisji podtlenku azotu z rolnictwa [w: Obieg pierwiastków w przyrodzie]. Inst. Ochr. Środ. [b.m.]: Schroeder J., Arts H.F.M., Berge H.F.M. ten, Keulen H. van, Neeteson J.J An evaluation of whole-farm nitrogen balances and related indices for efficient nitrogen use. Europ. J. Agron. 20: Simon J.C., Le Corre L Le bilan apparent de l azote á l échelle du l exploitation agricole: méthodologie, exemples de résultats. Fourrages 129: