Zarządzanie azotem i fosforem w produkcji rolnej a ochrona jakości

Zarządzanie azotem i fosforem w produkcji rolnej a ochrona
jakości zasobów wodnych
Stefan Pietrzak
www.itp.edu.pl
Konferencja „Rolnicze i pozarolnicze źródła zanieczyszczenia wód przyczyną eutrofizacji Bałtyku”; Polski Klub Ekologiczny, Wydział Budownictwa i
Inżynierii Środowiska, Katedra Inżynierii Wodnej SGGW w Warszawie, Global Water Partnership Polska, Coalition Clean Baltic, Oikos; Warszawa: SGGW
– Centrum Wodne, 17 kwietna 2015 r.
Plan prezentacji
1.
Wprowadzenie
2.
Obieg składników nawozowych w gospodarstwie
3.
Zarządzanie azotem i fosforem w gospodarstwie jako element
ochrony jakości wody
4.
Podsumowanie
Wprowadzenie do problematyki zarządzania składnikami nawozowymi
Straty azotu w gospodarstwie („nieszczelana rura”)
Gospodarstwo rolne jest
podstawową jednostką
organizacyjną
rolnictwie, w której
realizowany jest proces
produkcji pasz,
surowców do przemysłu
oraz żywności.
Źródło: adaptowane : Davidson & Mosier,
12th N Workshop, 2003
Proces ten angażuje duże ilości składników nawozowych, z których tylko część zostaje
przetworzona na produkty roślinne i zwierzęce. Część, która zostaje niewykorzystana w
produkcji rolnej ulega rozproszeniu w środowisku i między innymi przedostaje się do wód
powierzchniowych i podziemnych. Ładunek niewykorzystanych składników zwany
nadmiarem, nadwyżką albo stratami określa się na podstawie różnicy między ich ilością
wnoszoną do gospodarstwa i z niego wynoszoną.
Wprowadzenie do problematyki zarządzania składnikami nawozowymi cd.
v
Ze względu na ekonomikę produkcji rolnej, a zarazem ze względu na ochronę
środowiska – w tym ochronę jakości zasobów wodnych korzystne jest, gdy nadmiary
składników nawozowych - zwłaszcza azotu i fosforu, powstające w gospodarstwie są
małe, a ich wykorzystanie duże. Uzyskanie tych efektów w znacznej części zależy od
decyzji podejmowanych przez rolnika.
Model bilansu składników nawozowych metodą „u bramy gospodarstwa” [Pietrzak, 2013]
Nadmiar NP = przychód NP- rozchód NP
Efektywność wykorzystania NP = rozchód NP/przychód NP
v
Rolnik powinien świadomie sterować przepływem składników nawozowych w
gospodarstwie i kształtować go w pożądanym kierunku. Takie działanie określa się
mianem zarządzania składnikami nawozowymi (ang. nutrient management).
Wprowadzenie do problematyki zarządzania składnikami nawozowymi cd.
v
Zarządzanie składnikami nawozowymi to nauka i praktyczna umiejętność bezpośrednio
sprzęgająca takie czynniki jak gleba, rośliny uprawne, warunki pogodowe i hydrologiczne z
praktykami uprawowymi, irygacyjnymi oraz ochroną gleby i wody w celu optymalizacji
wykorzystania składników nawozowych, wydajności i jakości upraw oraz rentowności
produkcji rolnej, przy jednoczesnym ograniczeniu rozproszenia składników nawozowych
mogących negatywnie oddziaływać na środowisko [Źródło: Delgado J.A., Lemunyon J. 2006. Nutrient management. s. 1157-1160. Rattan
Lal, Editor. Marcel Decker, New York. Encyclopedia of Soil Science. ss. 1924].
v
Zarządzanie składnikami nawozowymi to innowacyjne i oparte na podstawach naukowych
podejście, które ukierunkowane jest ochronę środowiska, wzrost produkcji rolnej, wzrost
rentowności produkcji rolnej i jej zrównoważony rozwój. Koncepcja ta zakłada zastosowanie
odpowiedniego źródła nawozów, w odpowiednich dawkach, w odpowiednim czasie i w
odpowiednim miejscu [Żródło: The Fertilizer Institute. http://www.nutrientstewardship.com/about ].
v
Zarządzanie składnikami nawozowymi to umiejętne stosowanie nawożenia roślin uprawnych i
innych praktyk produkcyjnych w celu efektywnego rozwoju upraw i ochrony jakości wody
Źródło: The Mississippi State University Extension Service. http://msucares.com/crops/soils/nutrient.html.
v
Celem referatu jest przedstawienie roli i znaczenia zarządzania składnikami nawozowymi, a w
szczególności azotem i fosforem w produkcji rolnej, w aspekcie ochrony jakości wody.
Obieg składników nawozowych w gospodarstwie, jako klucz do zrozumienia
istoty zarządzani nimi
v
Podstawę dokonywanych rozważań nad
teorią i praktyką zarządzania składnikami
nawozowymi w gospodarstwie rolnym
stanowi obieg tychże składników, czyli ich
przemieszczanie w układzie:
gleba→roślina→zwierzę→gleba.
Zakupione
pasze
Pasza
Pasza dla
zwierząt
Zwierzęta
Produkty
zwierzęce
Odchody
Ziemiopłody
Azot z naw ozów
v
Naw ozy
naturalnych
Zakupione
Do analizy i oceny obiegu składników
mineralne
dostępny dla roślin
naw ozy naturalne
Nawozy
Gleba
nawozowych wykorzystuje się odpowiednie
naturalne
Wiązanie N
przez rośliny
modele odwzorowujące faktyczne kierunki
bobowate
Straty z pól
Straty z nawozów naturalnych
przepływu tych składników, środowiska ich
podczas składowania
Straty
transformacji oraz granice systemu, w
Model przepływu azotu w gospodarstwie prowadzących chów bydła [Źródło: Kohn i in., 1997]
obrębie których one się przemieszczają.
v
Skuteczność zarządzania składnikami nawozowymi może być oceniana za pomocą wskaźników
bazujących na kryteriach środowiskowych i produkcyjnych. Jako syntetyczne wskaźniki jakości
zarządzania mogą być stosowane w szczególności nadwyżki azotu i fosforu (kryterium
środowiskowe) oraz efektywność wykorzystania tych składników (kryterium produkcyjnośrodowiskowe).
Schemat przepływu składników nawozowych w gospodarstwach
ukierunkowanych na produkcję mleka na Podlasiu
Źródło: Pietrzak, 2005
Przykład dynamiki zmian zawartości azotu w czasie, obrazujący ryzyko
wymywania i synchronizację między podażą azotu mineralnego w glebie i jego
pobraniem przez rośliny
Zawartość azotu mineralnego w glebie i pobieranie azotu przez
rośliny, kg/ha
300
Azot pobrany przez rośliny
Azot mineralny w glebie
Dojrzewanie roślin
250
Nawożenie
200
Spadek azotu mineralnego
spowodowany wymywaniem
i pobieraniem azotu przez
rośliny
Zbiór
Spadek
spowodowany
pobraniem azotu
przez rośliny
150
Spadek spowodowany
pobraniem azotu
przez rośliny
Wzrost zawartości azotu w glebie
w wyniku mineralizacji
materii organicznej gleby
i rozkładu resztek pożniwnych
100
Nawożenie
50
Nowy zasiew zbóż.
Niewielkie pobranie azotu
Wejście rośliny w fazę
szybkiego poboru azotu z gleby
0
Sty
Lut
Mar
Kwi
Maj
Cze
Lip
Się
Wrz
Paz
Lis
Gru
Miesiące
Źródło: ADAS 2007. Diffuse nitrate pollution from agriculture – strategies for reducing nitrate leaching. ADAS report to
Defra – supporting paper D3 for the consultation on implementation of the Nitrates Directive in England July 2007 ss. 52
Matematyczny model obiegu składników nawozowych w gospodarstwie
IM
Zakupione pasze
FP
Pasze
dostępne dla
zwierząt (F)
1-FP
HF
Straty podczas
przechowywania
i żywienia
zwierząt
1-HF
Nawozy,
depozycja,
wiązanie
biologiczne N2
Ziemiopłody
(H)
EX
Sprzedane
ziemiopłody
Sprzedane
produkty zwierzęce
(P)
SH
Nawozy
naturalne
(M)
MS
1-MS
1-SH
Gleba (S)
Straty podczas
przechowywania
i stosowania
O
I
Oznaczenia:
(
)
HF ´ (1 - EX )
=
(1 - IM )
IM +
- (1 - FP ) ´ MS
HF ´ (1 - EX ) ´ SH
FP +
EX ´ 1 - IM
v
H - ilości składników w zebranych ziemiopłodach, kg·ha-1;
v
F - ilości składników dostarczonych zwierzętom w paszach i ściółce, kg·ha-1;
v
P - ilości składników w sprzedanych produktach zwierzęcych, kg·ha-1;
v
M - ilości składników w wydalonych odchodach zwierząt, kg·ha-1;
v
S - ilości składników wprowadzonych na użytki rolne, kg·ha-1;
v
SH, HF, FP i MS - współczynnikami konwersji, wyrażają sprawność (wydajność) procesu przemieszczania się składników
nawozowych wewnątrz gospodarstwa;
v
IM i EX - parametry charakteryzujące w liczbach względnych ilości składników, odpowiednio wnoszone do gospodarstwa w
zakupionych paszach oraz wynoszone z niego w sprzedanych produktach roślinnych;
v
O/I - efektywność wykorzystania składników nawozowych w całym gospodarstwie;
v
O – rozchód składników nawozowych z gospodarstwa, kg składnika·ha-1·rok-1;
v
I – przychód składników nawozowych do gospodarstwa, kg składnika·ha-1·rok-1.
Źródło: [Schröder i in., 2003]
Wartości graniczne współczynników konwersji
Współczynnik
konwersji
Kierunek przepływu składnika:
FP
Wartości przeciętne
uzyskiwane w warunkach
praktycznych w Holandii*
Możliwe do uzyskania
maksymalne graniczne
wartości **
N
P
N
P
z paszy i ściółki do mleka i mięsa
0,18
0,22
0,30
0,40
MS
z wydalonych odchodów do nawozów
naturalnych wprowadzanych do gleby
0,80
1,00
0,90
1,00
SH
z gleby do ziemiopłodów
0,53
0,60
0,90
1,00
HF
z zebranych ziemiopłodów do paszy
gospodarskiej
0,71
0,75
0,90
1,00
Źródło:
* na podstawie Jarvis, Aarts, 2000;
**na podstawie Schröder, Bannik, Kohn, 2003.
Analiza obiegu azotu i fosforu w 4. gospodarstwach zajmujących się
produkcja mleka na Podlasiu w oparciu o model Schrödera i in. [2003]
Współczynnik
konwersji
Kierunek przepływu składnika:
FP
Uzyskane wartości
N
P
z paszy i ściółki do mleka i mięsa
0,26
0,31
MS
z wydalonych odchodów do nawozów naturalnych
wprowadzanych do gleby
0,70
1,00
SH
z gleby do ziemiopłodów
0,66
0,62
HF
z zebranych ziemiopłodów do paszy gospodarskiej
0,71
0,75
IM
do gospodarstwa w zakupionych paszach
0,20
0,27
EX
z gospodarstwa w sprzedanych produktach roślinnych
0,003
0,003
18,5
26,7
Efektywność O/I, %
Źródło: Pietrzak, 2005
Potencjalne możliwości zwiększenia wykorzystania azotu i fosforu w gospodarstwach poprzez
poprawę efektywności procesu przepływu tych składników między elementami łańcucha:
gleba→ziemiopłody→pasza→zwierzę→gleba, na przykładzie 4. gospodarstwach zajmujących się
produkcja mleka na Podlasiu
Wykorzystując model Schrödera i in. [2003] to dokonano symulacji zmian efektywności wykorzystania
azotu i fosforu w całym gospodarstwie (O/I) w zależności od zmiany wartości współczynników konwersji:
SH, HF, FP i MS. Dla potrzeb analizy przyjęto cztery poziomy zmian wskazanych współczynników:
v 0 – odpowiadający wyznaczonym wartościom współczynników konwersji;
v I - odpowiadający wyznaczonym wartościom współczynników konwersji powiększonym o ⅓ różnicy
między wartościami granicznymi, a wyznaczonymi;
v II - odpowiadający wyznaczonym wartościom współczynników konwersji powiększonym o ⅔ różnicy
między wartościami granicznymi, a wyznaczonymi;
v III – odpowiadający górnym granicznym wartościom współczynników konwersji.
Symulacje wykonano w dwóch wariantach – w pierwszym analizowano wpływ zmian pojedynczego
współczynnika konwersji, przy założeniu, że pozostałe nie ulegają zmianie, a w drugim – efekt
jednocześnie występujących zmian wszystkich współczynników konwersji.
28,0
60,0
27,6
56,0
55,0
26,0
50,0
24,0
22,0
21,2
20,8
Wykorzystanie P, %
Wykorzystanie N , %
24,9
45,0
40,4
40,0
35,0
20,0
32,2
30,0
18,0
26,7
18,5
25,0
26,7
20,0
16,0
0
I
II
III
Założony poziom zmiany współczynników
konwersji
SH
HF
FP
MS
Symulowane wykorzystanie azotu w zależności od zwiększenia
jednego ze współczynników konwersji
0
I
II
III
Założony poziom zmiany współczynników
konwersji
SH
HF
FP
MS
Symulowane wykorzystanie fosforu w zależności od zwiększenia
jednego ze współczynników konwersji
Źródło: Pietrzak, 2005
Potencjalne możliwości zwiększenia wykorzystania azotu i fosforu w gospodarstwach poprzez poprawę
efektywności procesu przepływu tych składników między elementami łańcucha:
gleba→ziemiopłody→pasza→zwierzę→gleba, na przykładzie 4. gospodarstw zajmujących się
produkcją mleka na Podlasiu
100,0
100,0
Stosując model Schrödera i in. [2003] dokonano symulacji
zmian efektywności wykorzystania azotu i fosforu w całym
90,0
gospodarstwie (O/I) w zależności od zmiany
Wykorzystanie N i P, %
80,0
wartości współczynników konwersji: SH, HF, FP i MS. Dla
potrzeb analizy przyjęto cztery poziomy zmian wskazanych
70,0
67,2
współczynników:
v 0 – odpowiadający wyznaczonym wartościom
60,0
53,9
50,0
30,0
20,0
v I - odpowiadający wyznaczonym wartościom
43,7
40,0
współczynników konwersji;
współczynników konwersji powiększonym o ⅓ różnicy
37,2
26,7
między wartościami granicznymi, a wyznaczonymi;
v II - odpowiadający wyznaczonym wartościom
26,4
współczynników konwersji powiększonym o ⅔ różnicy
18,5
między wartościami granicznymi, a wyznaczonymi;
10,0
v III – odpowiadający górnym granicznym wartościom
współczynników konwersji.
0,0
0
I
II
III
Założony poziom zmiany w spółczynników
konw ersji
N
P
Symulowane wykorzystanie azotu i fosforu w zależności od zmiany
wartości wszystkich współczynników konwersji jednocześnie
Źródło: Pietrzak, 2005
Wpływ poprawy wykorzystania N i P na nadmiar N i P
131,3
Nadmiar N, kg N/ha
30,0
100,0
25,0
80,0
18,5
53,5
10,0
20,0
5,0
0,0
0,0
Stan rzeczywisty
Nadmiar
Stan możliwy do uzyskania
Wykorzystanie
120,0
16,1
Nadmiar P, kg P/ha
16,0
100,0
14,0
12,0
100,0
80,0
10,0
60,0
8,0
6,0
4,0
20,0
15,0
40,0
18,0
35,0
Wykorzystanie N, %
36,0
120,0
60,0
Przykład:
40,0
40,0
26,7
2,0
20,0
Wykorzystanie P, %
140,0
W przeciętnych gospodarstwach rolnych
specjalizujących się w produkcji mleka na
Podlasiu wykorzystanie azotu wynosi zaledwie
18,5%, a fosforu 26,7%, przy wielkości
nadwyżek odpowiednio - 131,3 kg N·ha-1 i 16,1
kg P·ha-1. Jeśliby w tych gospodarstwach
zwiększyć wykorzystanie N i P do wielkości,
które Jarvis i Aarts [2000] uważają za
technicznie osiągalne tj. w kolejności do 36% i
100%, to zmniejszyłyby one nadmiary azotu o
77,8 kg N·ha-1 i 16,1 kg P·ha-1, i tym samym
znacznie zmniejszyłby one negatywne
oddziaływanie na jakość wody i innych
komponentów środowiska. W ekwiwalentnych
do tych wskaźników ilościach, zmalałyby
zarazem w tych gospodarstwach potrzeby w
zakresie zakupu nawozów i pasz.
0,0
0,0
0,0
Stan rzeczywisty
Nadmiar
Stan możliwy do uzyskania
Wykorzystanie
Źródło: Pietrzak, 2008
v
Zarządzanie azotem i fosforem w gospodarstwie rolnym jest drogą do poprawy
efektywności wykorzystania tych składników w produkcji rolnej.
v
Poprawa efektywności wykorzystania składników nawozowych w gospodarstwie
rolnym = zmniejszenie zanieczyszczenia zasobów wodnych azotem i fosforem.
Fot: Z. Kowalewski
v
Zarządzanie składnikami na poziome gospodarstwa rolnego w praktyce odbywa się
przez wybór i zastosowanie konkretnych praktyk produkcyjnych. Wymaga ono
zrozumienia istoty obiegu składników nawozowych i jego uwarunkowań, kompetencji,
zdecydowania, precyzji działania i odpowiednich rozwiązań technologicznych.
Priorytetowe środki zaradcze w zakresie ograniczenia strat
azotu i fosforu z rolnictwa w aspekcie ochrony jakości wody
1.
2.
3.
Uprawa traw na gruntach ornych
Pokrywa roślinna gruntów ornych jesienią i zimą
Zarządzanie uprawą gleby
3.1. Zredukowanie uprawy płużnej
3.2. Przesunięcie uprawy płużnej z jesieni na wiosnę
4. Zarządzanie nawożeniem
4.1. Dostosowanie łącznie stosowanych dawek z nawozów mineralnych i naturalnych
4.2. Obliczanie bilansu składników nawozowych w gospodarstwie - i/lub na powierzchni pola
4.3. Unikanie stosowania nawozów mineralnych i naturalnych w okresach podwyższonego ryzyka
4.4. Nie stosowanie lub ograniczenie stosowania nawozów fosforowych na gleby o wysokiej zasobności w ten składnik
5. Ulepszone technologie stosowania nawozów naturalnych i mineralnych
5.1. Dawki dostosowane do miejsca (precyzyjne nawożenie oparte o system GPS)
5.2. Jednoczesny siew i nawożenie tą samą maszyną
5.3. Szybkie przykrycie glebą zastosowanych nawozów naturalnych i mineralnych za pomocą kultywatorów i bron talerzowych
5.4. Pasmowe i doglebowe wprowadzanie płynnych nawozów naturalnych
5.5. Roztrząsacze obornika z systemem rozdrabniania i rozrzucania obornika w kierunku wzdłużnym
5.6. Stosowanie nawozów naturalnych i emisja amoniaku – ogólne zalecenia
6. Unikanie stosowania nawozów mineralnych i naturalnych na obszarach wysokiego ryzyka
7. Środki mające na celu optymalizację pH gleby i poprawę struktury gleby (wapnowanie gleby)
8. Żywienie dostosowane do zapotrzebowania zwierząt
8.1. Żywienie fazowe
8.2. Zmniejszenie pobierania azotu i fosforu w paszy
8.3. Dodawanie fitazy do paszy
8.4. Żywienie na mokro i kontrolowana fermentacja pasz
9. Ograniczenia strat amoniaku w budynkach inwentarskich
10. Przechowywanie nawozów naturalnych
11. Tworzenie sztucznych mokradeł w celu przechwytywania składników nawozowych ze spływu powierzchniowego
11.1. Stawy sedymentacyjne
11.2. Sztuczne mokradła
12. Strefy buforowe wzdłuż zbiorników i cieków wodnych i podatnych na erozję pól
Środki zaradcze wyselekcjonowane w ramach projektu Baltic Compass
Źródło: Pietrzak, 2012
Produkcyjne i środowiskowe konsekwencje zakwaszenia gleb w Polsce
Ocena zakwaszenia gleb
Zakres pH
Współczynnik utraty plonu, %
<4,5
25
Kwaśne
4,6–5,5
15
Lekko kwaśny
5,6–6,5
5
Obojętne
6,6–7,2
1
Zasadowe
>7,2
2
Bardzo kwaśne
Współczynnik
utraty plonu w
zależności od
zakresu pH gleb
Źródło: Kopiński J, Nieróbca A., Ochal P., 2013 na podstawie Grzebisz i in., 2005
Produkcja roślinna potencjalnie utracona z powodu nieuregulowanego odczynu gleb, wynosi
rocznie średnio 4,3 j.zb.·ha–1 UR w dobrej kulturze [Kopiński, Nieróbca, Ochal, 2013]
Przyjmując założenia:
Źródło: Kopiński J, Nieróbca A., Ochal P., 2013.
Próba oceny wpływu warunków pogodowych i
zakwaszenia gleb w Polsce na kształtowanie
produkcyjności roślinnej. Woda-ŚrodowiskoObszary Wiejskie. T. 13. Z. 2 (42) s. 53–63
Ø
jednostka zbożowa = 100 kg zboża
Ø
w 100 kg ziarna zbóż jest 1,8 kg N i 0, 35 kg P, stąd w uproszczeniu: 4,3 j.zb.·ha-1 zawiera 7,74 kg N·ha-1 i
1,634 kg P·ha-1;
Ø
powierzchnia gruntów ornych będących w dobrej kulturze wynosiła w roku 2011 - 14,8 mln ha [MRiRW];
(za jednostkę zbożową przyjmuje się przeciętną wartość energetyczną i białkową 100 kg zbóż);
można obliczyć, że:
w Polsce z powodu nieuregulowanego odczynu gleb nie wykorzystuje się z jej zasobów 114,6 tys. ton azotu i 24,2
tys. ton fosforu rocznie – co przyczynia się do zanieczyszczenia zasobów wodnych
Wnioski i uwagi
v
Zarządzanie składnikami nawozowymi, a głównie azotem i fosforem jest
jednym z najważniejszych czynników warunkujących wyniki produkcyjne
gospodarstwa rolnego i jego wpływ na środowisko (jest podstawowym
elementem decydującym o efektywności wykorzystania składników
nawozowych i wielkości ich strat).
v
Strategia ochrony wód przed zanieczyszczeniem azotem i fosforem ze źródeł
rolniczych powinna być oparta na wdrożeniu dostosowanego do uwarunkowań
krajowych systemu zarządzania tymi składnikami w gospodarstwach rolnych.
v
Istnieje potrzeba upowszechnienia nowoczesnego podejścia w zakresie
zarządzania składnikami nawozowymi wśród doradców i rolników. Zadanie to
powinno być podejmowane w szerszym zakresie przez placówki naukowe.
Wnioski z wystąpienia prof. dr hab. Sławomira Podlaskiego z Katedry Fizjologii Roślin SGGW na
zebraniu plenarnym Komitetu Uprawy Roślin PAN w dniu 18 listopada 2013 roku w Warszawie
v
Wnioski – naukowy stan i perspektywy agronomii
§
Agronomia w sensie naukowym powinna coraz bardziej odchodzić od wąsko pojętych
badaniach technologicznych.
§
Przyszłość badań (agronomicznych) leży w tworzeniu dużych zespołów badawczych
gromadzących specjalistów z badań aplikacyjnych i podstawowych rozwiązujących szerokie
problemy badawcze.
v
Wnioski - dydaktyka w zakresie rolnictwa i agronomii – perspektywy
§
Zamiast nauczania(teaching) kolejnych przedmiotów po sobie - uczenie(learning)
problemowe, gleba-roślina, woda-gleba, woda-roślina, postęp biologiczny - postęp
technologiczny, gleba-roślina-maszyna, itp.
§
Zwiekszyć nacisk na zaznajomienie studentów z problematyką dotyczącą nieprodukcyjnej
roli rolnictwa – tu znajdują się przyszłe miejsca pracy.
Źródło: Podlaski S. 2013. Stan i perspektywy rozwoju nauk rolniczych w zakresie agronomii /prezentacja/.
http://agrobiol.sggw.pl/fizjologia/media/KUR%20Kopia%2032.pdf
Dziękuję za uwagę
Literatura dostępna u autora:
[email protected]