ROCZNIKI GLEBOZNAW CZE T. XLIV NR 1/2 W ARSZAW A 1993: 73-80 JÓZEF MOSIEJ, JACEK TUSIŃSKI WSTĘPNA OCENA MIGRACJI AZOTU MINERALNEGO W GLEBACH UŻYTKÓW ZIELONYCH NAWADNIANYCH ŚCIEKAMI KOM UNALNYMI Katedra Melioracji Rolnych i Leśnych SGGW w Warszawie W STĘP Warunkiem wysokiej efektywności nawożenia na obszarach intensywnie użytkowanych jest prawidłowy układ stosunków wilgotnościowych i nawozowych w profilu glebowym. Optymalna wilgotność gleby sprzyja lepszemu wykorzystaniu składników pokarmowych przez rośliny, a wysoki poziom nawożenia zwiększa efektywność nawodnień. Jednocześnie przy nawodnieniach pojawia się niebezpieczeństwo zwiększenia infiltracji i ewentualnego wymywania składników mineralnych poza warstwę korzeniowat gleby. Największym stratom może podlegać azot w formie azotanowej jako składnik nie sorbowany przez glebę, następnie potas, wolniej azot w formie amonowej, a najwolniej fosfor. Dlatego też na obszarach nawadnianych konieczne jest przeprowadzenie takich zabiegów agrotechnicznych, które sprzyjałyby nie tylko zwiększeniu ilości dostępnego azotu, ale również ograniczyłyby jego straty, szczególnie w procesie wymywania [7]. Różnice w prędkościach w y mywania mogą powodować zmniejszenie optymalnej zawartości składników mineralnych w glebie, a w konsekwencji spadek plonów i zanieczyszczenie środowiska przyrodniczego [3]. Celem badań było wyjaśnienie ewentualnych negatywnych skutków stosowania wysokich dawek nawozów mineralnych na nawożonych i nawadnianych ściekami komunalnymi użytkach zielonych w dolinie rzeki Ner. Założono, że interpretacja wyników analiz chemicznych na tle przebiegu wilgotności gleby, warunków meteorologicznych, terminów nawożenia i nawodnień umożliwi wstępną jakościową ocenę wpływu nawodnień stokowych na przemieszczanie się składników mineralnych w głąb gleby. Pozwoli również na ocenę ewentu-
74 J. Mosiej, J. Tusiński alnych strat składników nawozowych w wyniku ich wymywania poza ryzosferę. W niniejszej pracy ograniczono się jedynie do wstępnej analizy wpływu nawodnień i wysokich dawek nawozów na bilans azotu i przemieszczanie się azotu mineralnego w formie azotanowej. M ETODYKA BADAŃ Badania polowe prowadzono w latach 1985-1989 na użytkach zielonych w RZD Puczniew [4,6] nawadnianych stokowo ściekami komunalnymi rzeki Ner. Doświadczenie założono w celu oceny kształtowania się składników bilansu wodnego pod wpływem nawodnień [4,6]. Na tych samych kwaterach w okresie wegetacji w 1989 roku wykonano równolegle jednoroczne badania nad kształtowaniem się bilansu składników nawozowych pod wpływem zmian składników bilansu wodnego. Wyniki tego jednorocznego doświadczenia przedstawiono w niniejszej pracy. W czterech stałych punktach, zlokalizowanych na wariantach nawożonych NPK i 3 N+PK (1 N - 100 kg/ha, P - 50 kg P20 5 na lha, К - 120 kg K20 na lha) oraz na kwaterach nawadnianych (blok II) i nie nawadnianych (blok 0), pobierano próbki gleby (średnio 3 razy w ciągu 1 odrostu traw) z następujących warstw profilu glebowego: 0-10, 10-20, 30-40 i 50-60 cm. W próbkach oznaczono zawartość N-NO3 i N-NH4 potencjometrycznie przy użyciu elektrod jonoselektywnych w wyciągu wodnym oraz ilość P i К metodą Egnera-Riehma. Jednocześnie w ciągu całego okresu wegetacji prowadzono obserwacje meteorologiczne i pomiary składników bilansu wodnego na kwaterach nawadnianych i nie nawadnianych. Wielkość poszczególnych składników bilansu wodnego określono metodą pomiarów bezpośrednich [4,6]. Pobierane i analizowane były również próby wody ze studzienek obserwacyjnych i wód odpływających z kwater po nawodnieniach. Przy ustalaniu poziomu nawożenia mineralnego uwzględniono ilości N, P i К wprowadzane zwodami rzeki Ner. Roczne dawki nawozowe stosowano po 1/3 na każdy pokos. W doświadczeniu określono również wysokość plonu oraz zawartość podstawowych składników mineralnych w plonie. W skład runi łąkowej w doświadczeniu wchodzą gatunki traw charakterystyczne dla terenów nawadnianych ściekami. Około 80% porostu stanowiły: wyczyniec łąkowy, kupkówka pospolita, rajgras wyniosły, perz właściwy i wiechlina zwyczajna. WYNIKI BADAŃ Wilgotność w 0-50 cm warstwie gleby na kwaterach nawadnianych (rys.l) przez prawie cały okres wegetacji kształtowała się w przedziale optymalnym dla roślin [4]. Optymalna wilgotnośćspowodowała istotne zwiększenie plonów w porównaniu z plonami z kwatery nie nawadnianej (rys.2), gdzie wilgotność kształtowała się poniżej dolnej granicy optymalnego uwilgotnienia [5,6]. Op-
Migracja azotu mineralnego 75 R y s.l. D y n a m ik a sk ła d n ik ó w b ilan su w o d n eg o w w a rstw ie 0-5 0 cm i az o tu a z o ta n o w e g o (N -N O 3) na tle w a ru n k ó w m e te o ro lo g ic z n y c h na w a ria n c ie n aw ad n ian y m ; P - o p a d a tm o s fe ry c z n y (m m ), t - te m p e ra tu ra p o w ie trz a (C ), d - d aw k i p o le w o w e (m m ), Z - z a p a s w o d y w w a rstw ie (m m ), E T R - e w a p o tra n sp ira c ja rz e c z y w is ta (m m /d o b a ), q - w y m ia n a w ilg o c i (m m /d o b a ), h - g łę b o k o ść z w ie rc ia d ła w o d y (cm ), P P W - p o ło w a p o je m n o ść w o d n a, W P H W R - w ilg o tn o ść p u n k tu h am o w a n ia w z ro stu roślin F ig. 1. D y n a m ic s o f w a te r b alan ce co m p o n e n ts in 0-5 0 cm layer an d n itrates (N -N O 3) d u rin g v e g e ta tio n p erio d in 1989 u n d e r irrig atio n a g a in st th e b ack g ro u n d o f the co u rse o f m e te o ro lo g ie c o n d itio n s: P - p re c ip ita tio n (m m ), d - irrig a tio n rate (m m ), Z - total w a te r co n ten t in the la y e r (m m ), E T R - a c tu al é v a p o tra n s p ira tio n (m m /d a y ), q - soil m o istu re flu x (m m /d a y ), h - g ro u n d w a te r level (cm ), P P W - field w a te r c a p a c ity, W P IT W R - point o f beginning unvailable m oisture
76 J. Mosiej, J. Tusiński R y s.2. D y n a m ik a sk ła d n ik ó w b ilansu w o d n e g o w w a rstw ę 0-5 0 cm i az o tu a z o ta n o w e g o (N -N O 3) na tle p rz e b ie g u w a ru n k ó w m e te o ro lo g ic z n y c h na w a ria n c ie bez n aw o d n ie n. O z n a c z e n ia ja k na rys. 1 F ig.2. D y n a m ic s o f w a te r b alan ce c o m p o n e n ts in 0-5 0 cm la y er and n itrate s (N -N O 3) d u rin g v e g e ta tio n p erio d in 1989 w ith o u t irrig a tio n a g a in st the b ack g ro u n d o f the co u rse o f m e te o ro lo g ie c o n d itio n s. E x p la n a tio n s se e F ig. 1
Migracja azotu mineralnego 7 7 tymalna wilgotność gleby na kwaterach nawadnianych sprzyjała zwiększeniu zawartości azotanów w wierzchniej warstwie gleby. Jednocześnie większa wilgotność powodowała przemieszczanie się azotanów do głębszych warstw profilu glebowego. Zawartość azotanów w warstwie 50-60 cm na wariantach nawadnianych była wyższa niż na nie nawadnianych, ale nie na tyle, aby sta- Tabela 1 Wielkości składników bilansu azotu mineralnego (N-NO3 + N-NH4) w okresie wegetacji 1989 dla zróżnicowanego użytkowania łąk w dolinie rzeki Ner ; kg/ha Value of particular elements of nitrogen balance (N-NO3 + N-NH4) during vegetation period in 1989 for grasslands in the Ner river valley; kg/ha Wariant-Variant Pokos-Cut Plon s.m. Yield of d. m. [q/ha] Składniki bilansu azotu, [kg N/ha] Elements of nitrogen balance kg per ha Zp Zk N D P S=Zk-Zp +P-N-D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Bez nawodnień I 21,3 140 163 33 _ 39 +29 Without irrigation 270 243-21 N+PK II 19,9 163 128 33-37 -31 243 231-7 III 2,9 128 145 33 _ 5-11 231 305 +46 okres weg. 44,1 140 145 100 _ 81-14 vegetation 270 305 +16 Bez nawodnień I 26,9 175 147 100 _ 66-62 Without irrigation 311 217-128 3N+PK II 29,5 147 123 100-72 -52 217 243 _2 III 3,8 123 229 100 _ 9 +15 243 382 +48 0 kres weg. 60,2 175 229 300 _ 147-99 vegetation 311 382-82 Nawodnienie I 62,2 172 141 33 53 138 +20 Irrigation 309 211-47 N + PK II 49,4 141 114 33 56 109-7 211 259 +68 III 38,1 114 202 33 44 84 +94 259 381 + 128 okres weg. 149,7 172 202 100 153 331 +108 vegetation 309 381 +150
7H J. Mos i ej, J. Tus i ńs ki 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Nawodnienie I 52,7 170 194 100 53 119-12 Irrigation 314 271-78 3N + PK II 46.0 194 142 100 56 104-104 271 247 +76 III 26,8 142 249 100 44 60 +23 247 367 +36 okres weg. 125,5 170 249 300 153 283-91 vegetation 314 367-117 Dane w liczniku dotyczą warstwy 0-25 cm, a w mianowniku - warstwy 0-45 cm - data in the numarator 0-25 cm layer, data in the denominator 0-45 cm layer Zp, Zk - zapasy początkowe i końcowe - initial and final reserves N - dawka wniesiona z nawozami - rate with fertilizer P- ilość wyniesiona z plonem - total uptake by the crop I) - dawka wniesiona z wodą - rate with water S - różnica bilansowa - balance differerence nowić groźbę eutrofizacji wód gruntowych. Dla szczegółowszego przeanalizowania zjawisk związanych z przemieszczaniem się azotu (tab. 1) zestawiono składniki bilansu azotu obliczone według następującego równan ia : Zk - Zp = N + D - P + S gdzie: Zl>} Zk - zapasy początkowe i końcowe azotu mineralnego w formach N-NO3 i N-NH4 w określonej warstwie [N w kg/ha], N - ilość azotu wniesiona w postaci nawozów mineralnych [N w kg/ha], D - ilość azotu wprowadzona ze ściekami w czasie nawodnień [N w kg/ha], P - ilość azotu wyniesiona z plonem [N w kg/ha], 5 - różnica bilansowa (jeśli S jest ujemne, to zachodzą straty w bilansie azotu m.in. na wymywanie poza warstwę bilansową, jeśli S dodatnie, to jest nadwyżka nieuwzględnionych przychodów nad stratami), [N w kg/ha]. Powyższe równanie jest bardzo uproszczone, nie uwzględnia bowiem azotu dostarczanego z opadami atmosferycznymi, azotu mineralnego uruchamianego przez mikroorganizmy glebowe z substancji organicznej oraz strat azotu powstałego w procesie denitryfikacji. Wstępna analiza wyników (tab. 1) pozwala stwierdzić, że największe straty azotu zaobserwowano na kwaterach nawożonych wysokimi dawkami tego składnika (N w ilości 100 kg/ha w okresie każdego pokosu) i to zarówno w warstwie 0-25 cm, jak i 0-45 cm. Z punktu widzenia gospodarczego i środowi
Migracja azotu mineralnego 79 skowego najkorzystniejsze warunki wegetacji panowały na kwaterze nawadnianej i nawożonej niewielką dawką azotu (100 kg/ha rocznie). Na tym w a riancie otrzymano bowiem maksymalny plon, bilans azotu był dodatni, a zapasy azotu mineralnego (N-NO3 i N-NH4) w warstwie 0-25 cm na koniec okresu wegetacji zwiększyły się o 10%. Natomiast na kwaterze nawadnianej i nawożoną wysokądawkąazotu (N - 300 kg/ha) straty sięgają25% wniesionych dawek. Nastąpiło również zwiększenie zapasów azotu mineralnego o 45% w warstwie gleby 0-25 cm w porównaniu z początkiem okresu wegetacji. Zjawisko kumulowania się azotu na koniec okresu wegetacji może być niekorzystne dla środowiska, ponieważ azotany w okresie jesiennym mogą być wymyte do wód gruntowych. Znaczne straty azotu na kwaterze nawadnianej i nawożonej wysoką dawką azotu (N - 300 kg/ha) spowodowane były wymywaniem azotanów poza warstwę korzeniową, przejściem azotu mineralnego w formy niedostępne oraz denitryfikacją. Zagrożenie środowiska związane z nawożeniem azotem wywołane jest przede wszystkim niebilansowaniem się ilości wnoszonych składników z ilością wynoszonych z plonami. Średnio dla okresu wegetacji zawartość azotu mineralnego (w formie azotanowej i amonowej) zawartego w wodach gruntowych i w odpływie z kwatery nawadnianej kształtowała się na poziomie N ok. 20,5 mg/dm3. Jeżeli uwzględni się, że obliczona z równania bilansu wodnego wielkość odpływu z warstwy 0-50 cm wynosiła 196 mm (rys. 1), to przybliżona ilość wymywanego azotu mineralnego (N) z warstwy korzeniowej kształtuje się na poziomie ok. 40 kg/ha. Określona w ten sposób wielkość strat azotu na wymywanie stanowi ok. 10% ilości wniesionej w postaci nawozów i w ściekach komunalnych użytych do nawodnień. WNIOSKI 1. Analiza wyników jednorocznego doświadczenia wskazuje, że dodatkowe nawożenie mineralne użytków zielonych w dolinie rzeki Ner dawką N w ilości 100 kg/ha oraz nawadnianych ściekami komunalnymi w sumie N ok. 250 kg/ha wpływa bardzo korzystnie na efektywność nawodnień. 2. Wyższa dawka nawożenia (w sumie N ok. 450 kg/ha) nie zwiększa plonów, ale powoduje kumulowanie się azotu mineralnego na koniec okresu wegetacji. 3. Zagęszczenie roślin w łanie i zwartość systemu korzeniowego runi łąkowej powodują zwiększenie sorpcji mineralnych związków azotu wnoszonych zarówno w postaci nawozów mineralnych, jak i rozpuszczonych w ściekach komunalnych. 4. Wyniki doświadczenia potwierdzają korzystne działanie runi łąkowej w ograniczaniu migracji biogenów do wód powierzchniowych, a więc zapobieganiu ich eutrofizacji. 5. Niezbilansowane nawożenie mineralne może być przyczyną zanieczyszczenia środowiska, gdyż nagromadzone w glebie i niewykorzystane przez
80 J. Mosiej, J. Tusiński rośliny związki biogenne są wymywane do wód gruntowych w wyniku infiltracji wody opadowej lub nawodnień ściekami. LITERATURA [1] Kopeć S., 1980: Ograniczające działanie użytków zielonych na wypłukiwanie składników pokarmowych z gleby. Wiad. Mel. i Łąk. 11: 311-312. [2] Kostuch R., 1991: Użytki zielone a filtracja zanieczyszczeń w środowisku wodnym. Aura nr2: 10-12. [3] Lavricenko V.M. i in., 1982: Poteri pitatelnyh vescestv pri infiltracji osadkov i orositelnoj vody. (W:) Kompleksnoe meliorativnoje regulirovanie pocvennyh processov. Sb. Nauc. Trud. MGMI: 14-23. [4] Mosiej J., 1992: Zmiany składników bilansu wodnego profilu glebowego pod wpływem nawodnień. Zesz. Nauk. ATR w Bydgoszczy nr 180, Rolnictwo /32/: 185-192. [5] Mosiej J. i in., 1990: Efficiency of mineral fertilization ofirriated grassland in the Ner river val ley. Proc. 13th General Meeting EGF, Banska Bystrica: 492-495. [6] Somorowski C. i in., 1991: Wpływ nawodnień ściekami na plonowanie i elementy bilansu wodnego gleby użytków zielonych w doli nie rzeki Ner. Zesz. Nauk. AR Kraków, nr 249: 81-101. [7] Sudnicyn I.I., Vasileva M.I., 1989: Dinamika soderzżnija nitratov v dernovo-podzolistoj poeve pod mnogoletnimi travami. Pocvovedenie nr 3: 66-72. J. MOSIEJ, J. TUSIŃSKI ATTEMPT OF ASSESSMENT NITRATE NITROGEN MIGRATION IN SOILS OF GRASSLAND IRRIGATED BY MUNICIPAL SEWAGE Department of Land and Forest Reclamation, Warsaw Agricultural University Summary Results of field investigation on the effect of surface irrigation on nitrogen content dynamics in the rhizosphere are presented in the paper. Optimum moisture of the rhizosphere results in a more intensive nitrogen uptake by plants and in distribution of the nitrates nitrogen in the soil profile. Praca wpłynęła do redakcji w lutym 1992 r. DrJ. Mosiej Katedra Melioracji Rolnych i Leśnych Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie 02-766 Warszawa, Nowoursynowska 166