OF PHOSPHORUS EXPORT FROM RURAL CATCHMENT BASINS TO SURFACE WATER
3. Koncentracje fosforu w wodach odpływających z obszarów rolniczych
Fosfor w wodach obszarów rolniczych występuje najczęściej w niewielkich koncentracjach w porównaniu do innych makroskładników. Stężenie tego składnika w wodach gruntowych lub odprowadzanych ze zlewni rolniczych nie przekracza 1 mg P·dm-3 [Kajak 2001]. Wody gruntowe pochodzące z piezometrów zlokalizo-wanych w północno-wschodniej Polsce (tab. 1) z reguły zawierały stężenia fosforu ogólnego w zakresie od 0,20 do 0,60 mg P·dm-3, w tym udział form mineralnych wynosił <50%. Większość wyników oscylowała w zakresie bliskim średniej, wyno-szącej 0,36 mg P·dm-3. Na podstawie tych danych nie można stwierdzić wyraźnych różnic pomiędzy różnymi sposobami użytkowania terenu, co potwierdzają także inne prowadzone na ten temat badania [Igras 2001; Bartoszewicz 2005]. W skraj-nych przypadkach wody gruntowe mogą zawierać znacznie większe stężenia oma-wianego pierwiastka (tab. 1). Wskazują na to badania prowadzone w zlewniach o silnej antropopresji [Czyżyk 1996; Igras 2001].
Wody gruntowe stanowią pierwsze ogniwo obiegu fosforu w zlewniach rolni-czych. Wody te podlegają migracji w układzie zarówno pionowym, jak i pozio-mym, w rezultacie przemieszczając się do cieków i zbiorników wodnych, lub też stanowią źródło zasilania wód podziemnych głębszych poziomów. Podczas migra-cji w profilu glebowym w wodach tych rozpuszczeniu ulegają różne substancje, stąd często są to wody o bardzo wysokim stopniu zanieczyszczenia. Stanowią za-tem potencjalne zagrożenie dla stanu jakościowego wód powierzchniowych, do których mogą trafiać za pośrednictwem dopływu podziemnego [Lossow, Więcław-ski 1991; Bartoszewicz 2001; Fic, MioduszewWięcław-ski 2003]. Szczególnym zagrożeniem dla jakości wód gruntowych obszarów rolniczych są okresy pozostawania gleby bez okrywy roślinnej poza okresem wegetacyjnym lub po zbiorach, kiedy dochodzi do wzmożonego odpływu składników w głąb profilu glebowego [Józefczyk i in. 2001; Szymczyk 2004].
Według Cymesa i Szymczyka [2004] wody gruntowe w zlewni rolniczej o gle-bach ciężkich na Równinie Sępopolskiej charakteryzują się zbliżonymi koncentra-cjami fosforu na gruntach ornych i użytkach zielonych, uprawianych naprzemiennie kośnie i pastwiskowo. Stosunkowo niskie koncentracje fosforu w wodzie gruntowej gleb użytkowanych ornie autorzy przypisują dobremu wykorzystaniu tego składni-ka, a zwłaszcza formy fosforanowej, przez rozwijające się rośliny uprawne. Dre-nowanie gruntów, przy obu omawianych formach użytkowania, nie wpłynęło na-tomiast na poziom fosforu. Stwierdzono nieco wyższe stężenia fosforu ogółem na drenowanych użytkach zielonych (0,30 mg P·dm-3) w porównaniu z glebami wyłą-czonymi z użytkowania (0,24 mg P·dm-3). Forma fosforanowa występowała w podwyższonych ilościach w wodach gruntowych terenów zdrenowanych, zarówno na użytkach zielonych, jak i na gruntach ornych. Cytowani autorzy zwracają uwa-gę, że stężenie fosforu w wodach gruntowych jest zależne również od konfiguracji
127
terenu. Najwyższe koncentracje w tym układzie notowano w warunkach płytko za-legających wód gruntowych u podnóża stoku – 0,42 mg P·dm-3, przy 0,25 i 0,21 mg P·dm-3 odpowiednio na zboczu i wierzchowinie wzgórza. Badania Fiedlera i in. [2005] wskazują, że zależność ta może kształtować się inaczej – największe stę-żenia fosforanów notowane były w środkowych partiach zbocza. Zmienność stężeń fosforu ogółem w warunkach analizowanych przez Cymesa i Szymczyka [2004], mimo wyraźnych różnic wynikających ze sposobu użytkowania i konfiguracji tere-nu, była jednak znacznie mniejsza w porównaniu ze zróżnicowaniem mineralnych form azotu notowanych w tych samych warunkach.
Tabela 1. Stężenie fosforu ogółem (Pog) i fosforanów (P-PO4) w wodach gruntowych (piezometry) różnych użytków [mg P·dm-3] według badań prowadzonych w Katedrze Melioracji i Kształtowania Środowiska UWM (wartości średnie roczne lub wieloletnie)
Użytkowanie
terenu Charakterystyka obiektu
Stężenie
Źródło Pog P-PO4
Grunty orne gleby zwięzłe, zdrenowane, średni
po-ziom nawożenia 0,23 0,05 Cymes, Szym-czyk 2004 grunty orne o różnej charakterystyce 0,28 – Koc i in. 2003
gleba lekka 0,29 0,09 Szymczyk
2004
gleba zwięzła 0,33 0,11
zlewnia o glebach średnio zwięzłych 0,36 0,12 Szyperek 2005 Użytki zielone gleby zwięzłe – czarne ziemie i gleby
brunatne, zdrenowane 0,28 0,08
Cymes, Szym-czyk 2004 łąka, gleba organiczna 0,33 0,15 Szymczyk
2004
łąka, gleba lekka 0,37 0,12
użytek zielony w zagłębieniu
tereno-wym, w sąsiedztwie oczka wodnego 0,43 0,18 Szyperek 2005 Zlewnie rolnicze gleby w sąsiedztwie zagrody wiejskiej
– 20 m od zabudowań 0,54 0,26 Szymczyk 2004 – 60 m od zabudowań 0,33 0,13
wody gruntowe dorzecza Narwi 5,60 3,98 Grabińska i in. 2004
Szyperek i Szymczyk [2005], badając zlewnie rolnicze użytkowane ornie, stwierdzili odwrotnie proporcjonalną zależność koncentracji związków fosforu w wodach drenarskich do ilości opadów w danym roku hydrologicznym. Potwierdza to tezę, że fosfor w okresach o intensywnej filtracji wody w glebie ulega procesowi rozcieńczenia. Najwyższe koncentracje fosforu notowano w sezonach suchych lub bardzo suchych, niezależnie od sposobu użytkowania terenu i rodzaju gleb w zlew-ni. W porach roku ubogich w opady notowano 2-krotnie wyższe koncentracje fos-foru ogólnego, a w przypadku fosforanów były to wartości nawet 7-krotnie wyższe niż w sezonach wilgotnych.
Efekt rozcieńczania skutkujący zwiększeniem ilości fosforu w wodach o mniej-szym wskaźniku odpływu jednostkowego wody uwidocznił się w zlewniach
bada-128
nych przez Koca i Szymczyka [2003]. Znacznie większe koncentracje były noto-wane w wodach odpływających systemami odwadniającymi składającymi się z drenów niż w wodach odprowadzanych rowami melioracyjnymi. Podobną zależ-ność stwierdził Durkowski [1998]. Inne wyniki na ten temat podaje Igras [2005], według którego woda w rowach melioracyjnych zawierała czterokrotnie większe koncentracje niż notowane w wodach drenarskich. Ta odmienna zależność mogła być powodowana wzmożonym transportem fosforanów wraz z koloidami glebo-wymi, dostającymi się do rowów za pośrednictwem spływów powierzchniowych.
Tabela 2. Stężenie fosforu ogółem (Pog) i fosforanów (P-PO4) [mg P·dm-3] w wodach odpływających różnych użytków (wartości średnie roczne lub z wielolecia)
Użytkowanie
terenu Charakterystyka obiektu
Stężenie
Źródło Pog P-PO4
1 2 3 4 5
Grunty orne
odpływy drenarskie z gleb zwięzłych 0,16 0,06 Szymczyk, Cymes 2004
zlewnia o glebach lekkich i średnich,
odwadniana drenami 0,17 0,11
Koc, Solarski 2004
zlewnia o glebach lekkich i średnich,
odwadniana rowami 0,16 0,10
rowy – gleby ciężkie 0,18 0,11 Koc, Szymczyk 2003
rowy – gleby średnie 0,20 0,12 rowy – gleby lekkie 0,20 0,14 dreny – gleby ciężkie 0,09 0,06 dreny – gleby średnie 0,24 0,15 dreny – gleby lekkie 0,20 0,12
pola uprawne – rowy 0,19 0,12 Koc, Szymczyk 2003
pola uprawne – dreny 0,17 0,11 odpływy drenarskie, gleby średnie,
średni poziom nawożenia 0,20 0,12
Szyperek, Szym-czyk 2005 odpływy drenarskie, gleby lekkie,
przeciętny poziom nawożenia 0,20 0,11 ciek ze zlewni o glebach średnio
zwięzłych 0,30 0,08
Koc, Sidoruk 2005
zlewnia odwadniana rowami, gleby
lekkie 1,36 0,76
Glińska-Lewczuk, Kobus 2004 Użytki
zielone odpływy drenarskie z gleb zwięzłych 0,27 0,09 Szymczyk, Cymes 2004
129
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
zlewnie leśne w dorzeczu Narwi 0,17 Grabińska i in. 2005
ciek odwadniający zlewnię leśną o
gle-bach średnio zwięzłych 0,20 0,08 Koc, Sidoruk 2005 cieki odpływające z borów sosnowych na
glebach lekkich 0,33 0,06
ciek odwadniający tereny podmokłe
i nieużytki 0,34 0,06
Koc, Sidoruk 2005
potok odwadniający las na glebach
lek-kich 0,36 0,20
Glińska-Lewczuk, Koc 2003 Zlewnie
mieszane
zlewnie rolnicze dorzecza Narwi 0,24 Grabińska i in. 2005
zlewnie rolniczo-leśne 0,09
zlewnie leśno-rolnicze poniżej aglomera-cji miejskiej
0,16
cieki odwadniające zlewnię rolniczą
z rozproszoną zabudową 0,25 0,07
Koc, Sidoruk 2005
zlewnie intensywnie użytkowane 2,06 Koc, Szymczyk 2003
zlewnie średnio intensywnie użytkowane 0,27
Wody przemieszczające się w zlewniach w układzie poziomym w postaci spływu powierzchniowego i podziemnego składają się na wielkość odpływu ze zlewni. Woda, a wraz z nią rozpuszczone zanieczyszczenia, jest odprowadzana ze zlewni elementarnych systemem cieków lub rowów i drenów w warunkach odpły-wów regulowanych. Koncentracja fosforu w wodach odpływających ze zlewni jest na tym etapie zależna od hydrologicznych uwarunkowań odpływu wody. Przyspie-szony odpływ wody w systemach melioracyjnego odwodnienia gruntów powoduje często, że koncentracje fosforu są stosunkowo niskie, co jest wynikiem rozcieńcza-nia przy zwiększonej ilości odpływu wody.
Odpływy charakteryzujące zlewnie zalesione, bez gwałtownych wezbrań wio-sennych, zapobiegają erozyjnemu wynoszeniu z gleb składników mineralnych, w tym szczególnie fosforu [Glińska-Lewczuk, Koc 2003]. Z tego względu wiele ba-dań wskazuje, że w ciekach odwadniających zlewnie leśne występują relatywnie małe koncentracje większości zanieczyszczeń, w tym fosforu (tab. 2).
Stężenie fosforu w wodach drenarskich odpływających z gleb zwięzłych, w okresie obejmującym różne lata pod względem przebiegu warunków meteorolo-gicznych, wahało się od 0,14 do 0,29 mg P·dm-3, w tym formy mineralne wahały się w zakresie od 0,05 do 0,12 mg P·dm-3 [Szymczyk, Cymes 2004]. Wyraźnie większe wartości stwierdzono dla użytków zielonych (średnio 0,27 mg P·dm-3) w po-równaniu z gruntami ornymi (0,16 mg P·dm-3). W znacznie mniejszym stopniu
na-130
tomiast różnice koncentracji fosforu ujawniły się w poszczególnych latach (zróżni-cowanie na poziomie 16 i 35%, Pog oraz 20 i 70% P-PO4 odpowiednio dla użytków zielonych i gruntów ornych). Mniejsze stężenia fosforu stwierdzono w roku bardzo wilgotnym, co mogło być rezultatem rozcieńczenia w warunkach zwiększonej infil-tracji wód w profilu glebowym.
Obserwacje prowadzone w Wielkopolsce przez Falkowskiego i in. [1996] wy-kazały że na zmniejszenie koncentracji fosforu w ciekach przepływających przez zlewnie rolnicze ma wpływ obecność w zlewni terenów zajętych przez zbiorowiska łąkowe. W wodach rzeki Samicy koncentracja na odcinku zlewni łąkowej wynosiła w okresie letnim 0,139 mg P·dm-3 i jesienią 0,038 mg P·dm-3, natomiast fragment otoczony gruntami ornymi charakteryzował się wartościami 0,376 i 0,071 mg P·dm-3 w analogicznych okresach.
Według badań prowadzonych przez Koca i Solarskiego [2004] na Pojezierzu Olsztyńskim, wody odprowadzane drenami i rowami otwartymi zawierały podobne średnie koncentracje fosforu (dreny 0,17 mg P·dm-3, rowy 0,16 mg P·dm-3), w przeciwieństwie do mineralnych form azotu. W wodach drenarskich notowano bo-wiem 13-krotnie większe koncentracje azotanów niż w wodzie rowów, natomiast wody rowów cechowały się 2-krotnie większymi wartościami stężenia azotu amo-nowego.
W badaniach dotyczących dopływów powierzchniowych do jezior [Koc, Sidoruk 2005] największe stężenia fosforu stwierdzono w wodach odpływających ze zlewni o charakterze seminaturalnym, tj. ze zlewni bagiennych oraz leśnych (tab. 2). Zlewnie rolnicze charakteryzowały się jednak znacznie szybszym odpływem wody, co powodowało rozcieńczenie składników i w efekcie notowano mniejsze koncen-tracje fosforu w tych wodach. Badania te wskazują, że znajomość stężenia fosforu, bez określenia ładunku odpływającego z wodami, nie stanowi informacji o stopniu zagrożenia wód zanieczyszczeniami pochodzącymi ze zlewni.
Koncentracje fosforu w wodach odpływających ze zlewni w dużym stopniu leżą od poziomu nawożenia, stosowanego na użytkach rolnych. Przykład takiej za-leżności podają Falkowski i in. [1996] dla rzeki Struga w Wielkopolsce, która pod wpływem nawożenia pól w zlewni gnojowicą została wzbogacona z 0,070 mg P·dm-3 do 0,507 mg P·dm-3 poniżej terenów nawożonych (średnia z 2 lat obserwacji).