OF PHOSPHORUS EXPORT FROM RURAL CATCHMENT BASINS TO SURFACE WATER
4. Ilość fosforu trafiającego do wód ze zlewni
Fosfor ze zlewni rolniczych odprowadzany jest w zróżnicowanych ilościach, uzależnionych od czynników, o których była mowa w części dotyczącej koncentra-cji fosforu w wodach. W odniesieniu do ilości fosforu odprowadzanego z wodami, znacznie większe znaczenie przypisuje się warunkom klimatycznym, a przede wszystkim ilości opadów i ich rozkładowi w ciągu roku.
Ilość fosforu odprowadzanego ze zlewni zależy od wielu czynników. Podsta-wowym rozpatrywanym kryterium jest z reguły sposób użytkowania terenu. Dla
131
różnych typów użytkowania zlewni przeciętne wartości podawane w literaturze zawierają się w szerokim zakresie wartości, można jednak zauważyć pewne prawi-dłowości odzwierciedlające się w postaci przeciętnych ładunków dla różnych ty-pów użytków (tab. 3).
Ze zlewni uprawianych ornie odpływ fosforu kształtuje się przeciętnie na poziomie 0,60 kg·ha-1·rok-1, ale maksymalnie może osiągać wartość nawet 5,0 kg·ha-1·rok-1 [Koc i in. 1999; Kajak 2001]. Według Falkowskiego i in. [1996], w warunkach klimatu umiarkowanego, z wodą gruntową fosfor wymywany jest w ilości 0,01÷0,20 kg·ha-1·rok-1 z trwałych łąk i lasów, natomiast dla gruntów ornych wartości te są średnio 5--krotnie wyższe.
Tabela 3. Stężenie fosforu ogółem (Pog) i fosforanowego (P-PO4) w wodach odprowadzanych ze zlewni o różnym sposobie użytkowania [kg·ha-1·rok-1]
Użytkowanie
terenu Charakterystyka obiektu
Stężenie
Źródło Pog P-PO4
1 2 3 4 5
Grunty orne odpływy drenarskie, gleby
średnio-zwięzłe, przeciętny poziom nawożenia 0,14 0,08 Szyperek, Szym-czyk 2005 odpływy drenarskie, gleby lekkie,
przeciętny poziom nawożenia 0,08 0,06 zlewnia o glebach lekkich i średnich,
odwadniana drenami 0,27 0,12
Koc, Solarski 2004 zlewnia o glebach lekkich i średnich,
odwadniana rowami 0,16 0,05
pola uprawne – rowy 0,16 0,06 Koc, Szymczyk 2003
pola uprawne – dreny 0,30 0,17 rowy – gleby ciężkie 0,13 0,05
Koc, Szymczyk 2003
rowy – gleby średnie 0,17 0,06 rowy – gleby lekkie 0,18 0,08 dreny – gleby ciężkie 0,16 0,08 dreny – gleby średnie 0,34 0,18 dreny – gleby lekkie 0,40 0,23
odpływy drenarskie z gleb zwięzłych 0,30 0,10 Szymczyk, Cymes 2004
zlewnia odwadniana rowem, gleby
lekkie 0,71 0,24
Glińska-Lewczuk, Kobus 2004 ciek odpływający ze zlewni o glebach
zwięzłych, z udziałem zabudowy 1,20 0,30
Koc, Sidoruk 2005 ciek odpływający ze zlewni o glebach
średnio zwięzłych 0,40 0,10 Użytki
zielone odpływy drenarskie z gleb zwięzłych 0,40 0,20 Szymczyk, Cymes 2004
132
Tabela 3, cd.1 2 3 4 5
Lasy
i mokradła potok leśny, gleby lekkie 0,16 0,11
Koc i in. 2000 strumienie w zlewni zalesionej,
o glebach lekkich 0,13 0,09
las mieszany na glebach lekkich 0,25 0,14 Szymczyk, Gliń-ska-Lewczuk 2004 ciek odwadniający zlewnię leśną
o glebach średnio zwięzłych 0,20 0,10 Koc, Sidoruk 2005 cieki odpływające z borów sosnowych
na glebach lekkich 0,50 0,10
Koc, Sidoruk 2005
zlewnie leśne dorzecza Narwi 0,66 0,30 Grabińska i in. 2004
potok odwadniający las na glebach
lekkich 0,49 0,27
Glińska-Lewczuk, Koc 2003 ciek odwadniający tereny podmokłe
i nieużytki 0,90 0,20
Koc, Sidoruk 2005
Zlewnie mieszane
obszary rolnicze – intensywne
użyt-kowanie 1,06 0,40
Grabińska i in. 2004
tereny rolniczo-leśne 0,50 0,33 tereny leśno-rolnicze 0,59 0,35 zlewnia leśno-rolnicza, z udziałem
aglomeracji miejskiej 1,27 – Grabińska i in. 2005
zlewnie rolniczo-leśne z udziałem
te-renów bagiennych i jezior 0,13 –
zlewnia rolniczo-leśna, odwadniana
rowem 0,97 0,62
Glińska-Lewczuk, Kobus 2004
Zależność między intensywnością rolniczego użytkowania a ładunkiem fosforu odprowadzanym z wodami drenarskimi stwierdzili Szyperek i Szymczyk [2005]. Z badanych przez nich obiektów odpływało w skali wielolecia ponad 2-krotnie więcej fosforu przy bardziej intensywnym użytkowaniu terenu. Tę samą zależność, cho-ciaż z nieco mniejszą skalą dysproporcji, między poziomami denudacji chemicznej fosforu z gruntów intensywnie i średnio intensywnie użytkowanych, stwierdzili Koc i Szymczyk [2003]. Wyższe ładunki wraz ze wzrostem poziomu nawożenia notowano w odniesieniu zarówno do fosforu ogólnego, jak i do jego form mineral-nych. Prawidłowość powyższa występowała także niezależnie od sposobu odpro-wadzania wód ze zlewni (dreny/rowy otwarte). Wyższy poziom denudacji che-micznej z gleb intensywnie użytkowanych odwadnianych drenami stwierdził także Koc [1998]. Intensyfikacja nawożenia powodowała 2-krotny wzrost ładunku fosfo-ru odpływającego z gleb lekkich i 3-krotny w przypadku gleb ciężkich, przy czym z gleb ciężkich intensywnie użytkowanych odpływało mniej fosforu niż z gleb lek-kich o przeciętnym poziomie nawożenia.
133
W warunkach Równiny Sępopolskiej, z gleb zwięzłych fosfor ogółem odpływał w różnych hydrologicznie latach w ilości 0,20÷0,60 kg·ha-1·rok-1, w tym w formie fosforanowej 0,10÷0,20 kg·ha-1·rok-1 [Szymczyk, Cymes 2004]. Największe straty fosforu zanotowano w roku bardzo wilgotnym z użytków zielonych (0,60 kg·ha-1·rok-1), przy ilości 0,20 kg·ha-1·rok-1 z gruntów ornych. Taka zależność, odmienna od po-wszechnego poglądu dotyczącego wpływu sposobu użytkowania terenu na odpływ składników ze zlewni, mogła być spowodowana zarówno słabszym wykorzysta-niem fosforu przez roślinność trawiastą w warunkach nadmiernego uwilgotnienia, jak i łatwiejszym uruchamianiem fosforu w warunkach niedoboru tlenu w glebie. Stosunkowo niewielki odpływ z gleb zwięzłych użytkowanych jako grunty orne, może być także wynikiem dużej pojemności sorpcyjnej i pojemności wodnej takich gleb. W związku z tym notowane wartości denudacji chemicznej fosforu z takich gleb osiągają wartości zaledwie 0,10÷0,20 kg·ha-1·rok-1, podczas gdy dla gleb lek-kich typowe są wartości odpływu na poziomie 0,40÷0,50 kg P·ha-1·rok-1 [Koc 1998].
Na ilość fosforu odpływającego ze zlewni może mieć wpływ także sposób od-prowadzania wód z systemów melioracyjnych. Odwadnianie użytków rolnych po-woduje przyspieszony odpływ wody gruntowej poza zlewnię, a tym samym migra-cję rozpuszczonych składników. Zależność ta dotyczy zwłaszcza gleb lekkich, cha-rakteryzujących się znaczną dynamiką migracji wody w układzie pionowym [Koc i in. 1999; Lipiński 2003; Koc, Szymczyk 2003]. Według Koca i Solarskiego [2004] sto-sowanie systemu drenów skutkowało odpływem ponad 2-krotnie wyższych ładunków fosforu (0,27 kg·ha-1·rok-1) w porównaniu z rowami otwartymi (0,12 kg·ha-1·rok-1). Również badania odpływów prowadzone przez Koca i Szymczyka [2003] potwier-dzają tę zależność. Wody odprowadzane drenami były obciążone ładunkiem 0,303 kg·ha-1·rok-1, co stanowiło wartość o 37% wyższą niż notowana w przypad-ku rowów otwartych, przy czym stężenia wykazywały zależność odwrotną, tzn. wyższe wartości występowały w wodach rowów.
Według badań Szymczyka i Cymesa [2004] orne użytkowanie gleb zwięzłych zmeliorowanych w porównaniu z użytkami zielonymi o podobnym rodzaju gleb, powodowało zmniejszony odpływ fosforu (zarówno ogółem, jak i form mineral-nych), podczas gdy łatwo rozpuszczalne formy biogenów (N-NH4 i N-NO3) wyno-szone były w zwiększonych ilościach z gruntów ornych.
W zlewniach badanych przez Koca i Sidoruka [2005] największe ilości fosforu odprowadzane były z obszarów rolniczych z zabudową rozproszoną (1,20 kg·ha-1·rok-1). W tej zlewni zanotowano również największy ładunek mineralnych form fosforu (0,30 kg·ha-1·rok-1). Znaczny ładunek (0,90 kg·ha-1·rok-1), w którym prawie 80% stanowiły organiczne formy fosforu, odpływał z terenów podmokłych. Mniejsze było obciążenie wód pochodzących ze zlewni leśnych. Zanotowano tu znaczną roz-bieżność – ze zlewni leśnej o glebach średnio zwięzłych odpływało 0,2 kg·ha-1·rok-1, a z boru sosnowego na glebach lekkich – 0,5 kg·ha-1·rok-1 (tab. 3).
134
Obszary leśne są postrzegane jako charakteryzujące się najmniejszym stopniem zagrożenia wód pod kątem dopływu zanieczyszczeń ze zlewni. Prowadzone na ten temat badania tylko częściowo potwierdzają tę tezę. Ilość fosforu odprowadzanego ze zlewni leśnych kształtuje się bowiem na różnym poziomie, niekiedy przekracza-jącym wartości stwierdzane dla zlewni rolniczych (tab. 3). Według badań prowa-dzonych przez Szymczyka i Glińską-Lewczuk [2004] ze zlewni lasu mieszanego średnio odpływało 0,25 kg·ha-1·rok-1, przy zróżnicowaniu od 0,15 do 0,35 kg·ha-1·rok-1 w róż-nych hydrologicznie latach. Stosunkowo wysokie ładunki fosforu, odprowadzane ze zlewni leśnych, takie jak podawane przez Koca i Sidoruka [2005] oraz Glińską-Lewczuk i Koca [2003] wartości 0,50 kg·ha-1·rok-1, dotyczą lasów iglastych na gle-bach lekkich, które oddziałują na spływające wody zakwaszająco.
Wpływ sposobu użytkowania terenu na ilość fosforu odpływającego ze zlewni uwidacznia się również w przypadku systemów hydrograficznych większych niż zlewnie cząstkowe. Badania prowadzone w zlewni Narwi [Grabińska i in. 2005] wykazały, że największy transport fosforu poza zlewnię występuje na obszarach obejmujących znaczny udział terenów rolniczych intensywnie zagospodarowanych lub duże skupiska ludności. Najmniejsze ładunki fosforu notowano natomiast w zlewniach z rozległymi powierzchniami trawiastymi, bagiennymi lub jeziorami (tab. 3).
Badania prowadzone w różnych zlewniach [Koc, Szymczyk 2003; Grabińska i in. 2005] wskazują, że odpływ fosforu z wodami wykazuje charakter sezonowy, skorelowany z objętością wody migrującej ze zlewni. Największy udział w rocz-nym odpływie zgodnie z tą zależnością wykazują okresy zimowy i wczesnowio-senny, związany z odpływem wód roztopowych. Badania Koca i in. [2003] doty-czące migracji substancji ze zlewni rolniczych wskazują, że odpływy w półroczu zimowym i letnim charakteryzowały się podobną koncentracją fosforu, natomiast 50-90% ładunku odprowadzanego ze zlewni w ciągu roku przypadało na półrocze zimowe. Tym samym potwierdza się teza, że z obszarów rolniczych fosfor w dużej części odpływa w związku z procesami erozyjnymi. Nie jest to jednak regułą, gdyż w zlewniach o małej denudacji (ograniczanej np. dzięki istnieniu trwałej roślinno-ści) może przeważać migracja rozpuszczalnych frakcji fosforu z odpływem pod-ziemnym [Heathwaite, Dils 2000].
Wielkość ładunków fosforu odprowadzanych ze zlewni różni się zatem dość znacznie w poszczególnych omawianych tutaj przypadkach. Na uwagę zasługuje jednak jeszcze jeden aspekt migracji fosforu w zlewniach, tj. jego dostawa z opa-dami atmosferycznymi. Drogą tą, będącą wynikiem biogeochemicznego obiegu fosforu, w warunkach północno-wschodniej Polski na każdy hektar dostaje się średnio 1,10 kg·rok-1, w tym 50% stanowią formy mineralne [Glińska-Lewczuk, Koc 2003; Szymczyk, Glińska-Lewczuk 2004]. W różnych hydrologicznie latach wartości te wahały się od 0,40 do 1,57 kg·ha-1·rok-1. Podobne wartości (Pog 1,30 kg·ha-1·rok-1 i 0,60 kg·ha-1·rok-1 w formie P-PO4) podają Szymczyk i Cymes [2004] dla warunków Równiny Sępopolskiej. Wielkość odpływu fosforu dla
więk-135
szości zlewni jest zatem znacznie mniejsza niż ilość dostarczana na obszar zlewni z opadami atmosferycznymi. Potwierdza to pogląd, że na terenach pozarolniczych (pozbawionych nawożenia) opady atmosferyczne obciążone zanieczyszczeniami z naturalnego i antropogenicznego obiegu pierwiastków, mogą stanowić podstawowe źródło biogenów [Sapek 1998; Szymczyk, Glińska-Lewczuk 2004]. Dostawa at-mosferyczna (zwłaszcza tlenków siarki i azotu) jest przyczyną wzmożenia proce-sów ługowania gleb, przez co wpływa na ładunek substancji odpływających ze zlewni [Walna i in. 1998; Glińska-Lewczuk, Koc 2003]. W przypadku zlewni le-śnej, seminaturalnej, stwierdzono natomiast, że wskaźnik odpływu fosforu kształtu-je się na poziomie 0,96, co oznacza stan równowagi z dominacją procesów bio-akumulacji tego pierwiastka [Koc i in. 2000].
5. Podsumowanie
Obieg fosforu nie kończy się na poziomie zlewni elementarnych, a właściwie dopiero tutaj zaczyna się migracja tego składnika w ujęciu globalnym. W dalszym swoim cyklu biogeochemicznym fosfor stanowi czynnik eutrofizacji zbiorników wodnych, do których trafia. W tym scenariuszu następuje trwała akumulacja mate-rii, w tym fosforu w osadach dennych (przede wszystkim w postaci połączeń orga-nicznych) [Holtan i in. 1988]. W systemach rzeczno-jeziornych fosfor może podle-gać retencji w poszczególnych elementach systemu (akwenach jeziornych lub od-cinkach rzek) lub podlegać retencji ujemnej, w warunkach, kiedy uprzednio zaku-mulowany fosfor zostaje uruchamiany [Bajkiewicz-Grabowska 2005].
Odprowadzony poza zlewnie fosfor może zatem ulegać akumulacji w ekosys-temach wód śródlądowych lub z odpływem rzecznym dostawać się do mórz. Za po-średnictwem rzek, przepływających przez obszar Polski, do Morza Bałtyckiego tra-fiało w ostatnim dziesięcioleciu rocznie średnio 11,94 tys. ton fosforu [GUS 2006], przy czym w poszczególnych latach wielkość ta zmieniała się w zakresie 8,1÷15,5 tys. ton rocznie. Wielkość ta, w przeliczeniu na współczynnik odpływu, kształtowa-ła się na poziomie 0,36 kg·ha-1·rok-1 i była w dużym stopniu skorelowana z wiel-kością odpływów wód (rys. 1). Uwzględniając tę zmienność, można stwierdzić, że mimo znacznej poprawy jakości ścieków oczyszczonych odprowadzanych do rzek oraz stopniowej eliminacji źródeł rozproszonych (nieskanalizowanych osiedli wiej-skich), obciążenie fosforem odpływów ze zlewni nie zmniejszyło się w znaczącym stopniu. Świadczy to o decydującym udziale w ładunku fosforu trudnych do elimi-nacji źródeł obszarowych.
Badania prowadzone w różnych zlewniach pozwalają na zaproponowanie uśrednionych wskaźników odpływu fosforu ze zlewni, szczególnie dla obszarów młodoglacjalnych, na których prowadzono badania omawiane w niniejszej pracy.
136
Rys. 1. Jednostkowe ilości fosforu [kg·ha-1·rok-1
] odprowadzane do Morza Bałtyckiego z wodami wybranych rzek Polski w 2005 r. oraz wskaźniki odpływu z obszaru Polski
w różnych latach na tle ilości opadów i wielkości odpływu wody
(wartości obliczone na podstawie danych z opracowania Ochrona środowiska, GUS 2006)
Wartości odpływu fosforu uwzględniają intensywność użytkowania (tab. 4). Wyznaczenie takich wskaźników wydaje się jednak niezwykle trudnym zadaniem, gdyż, jak pokazują badania, nie istnieją jednoznaczne zależności pomiędzy sposo-bem użytkowania terenu, gospodarką wodną, czynnikami klimatycznymi a odpły-wem fosforu. Wskaźniki te, po uwzględnieniu ich orientacyjnego charakteru, mogą posłużyć do obliczeń szacunkowej ładunku fosforu dostającego się ze zlewni do zbiorników wodnych.