VÍZGAZDÁLKODÁS ÉS SZENNYVIZEK 3.4 6.1 A mezőgazdasági vegyszerek mozgása a felszíni vízlefolyás hatására Tárgyszavak: fókuszált vízgyűjtés; vízlefolyás; műtrágya. A mezőgazdasági vidékeken a felszíni morfológia fontos szerepet játszik a vegyszerek talajvízbe kerülésében. A felszíni vízlefolyás a földfelszíni mélyedést körülvevő vízgyűjtő területről összegyűjti és elszállítja a mezőgazdasági műveletek során alkalmazott vegyszerek egy részét a mélyedésbe, ezáltal ezek koncentrációja és áramlása a talajvízhez fokozottabb a mélyebben fekvő területen a körülöttük elhelyezkedő magasabb területhez képest. A vizsgálatban néhány előre kiválasztott mezőgazdasági vegyszer nitrát, klorid, szulfát és atrazin felszíni vízlefolyás hatására történő mozgását értékelik. (Ez a kísérlet egyben egy kiterjedtebb kutatási munka része, amelyben az átmeneti hordalékfelhalmozódásnak, a felszíni morfológiának és az altalaj (felszín alatti terület) heterogenitásának hatásait értékelik a víz és mezőgazdasági vegyszerek talajvízhez történő áramlására.) A kísérlet során feltételezték, hogy a felszíni lefolyás bemutatására a földfelszínre juttatott víz nem szivárog azonnal a talajba, hanem lefolyik a szomszédos alacsonyabb szintmagasságra. A vizsgálati eredményeket az alábbi hipotézisek segítségével értékelik: 1. a két terület közötti hordalékhozam különbsége megközelítően arányos az alacsonyabban fekvő területre lefolyó vízmennyiséggel; 2. a mezőgazdasági vegyszerek koncentrációja és áramlása a talajvízszintnél jelentősebb az alacsonyabb területen, mint a körülötte elhelyezkedő magasabb fekvésű helyen. A vizsgálati terület elhelyezkedése A kísérlet céljára kijelölt, topográfiai szempontból magas és alacsony fekvésű, kukoricával beültetett homokos terület egymástól megközelítően 78 m távolságra helyezkedett el, szintmagasságuk 1,4 m-ben különbözött.
A kémiai anyagok telítetlen zónán keresztüli szállításának értékelésében nyomjelzőként az alábbi vegyszereket alkalmazták: nitrogénműtrágya (231,2 kg/hektár mennyiségben) főként karbamid formájában; klorid kálium-klorid műtrágyából (46,4 kg/hektár); szulfát cink-szulfát, ammónium-szulfát és káliummagnézium-szulfát műtrágyából (13,4 kg/hektár); illetve atrazin gyomirtó szer (1,7 kg/hektár). A magasan és alacsonyan fekvő területen a talajtakaró (aktív talajréteg) 0,4 m és 0,8 m vastagságú, szervesanyag-tartalma mindkét esetben kevesebb, mint 1%. Az alacsonyabb területen feltehetően azért alakul ki vastagabb talajtakaró, mert a finomabb, apróbb talajrészecskéket a vízlefolyások a mélyedésekbe szállítják. A glaciális folyólerakódások a földfelszín alatti 2 m mélységben hasonlóak mindkét helyen, összetételük megközelítően 95% homok, illetve 5% iszap és agyag. A telítetlen zóna üledékeinek jellemzőiben a két szintmagasság között az alábbi fontos különbségeket figyelték meg: 1. a telítetlen zóna üledékei durvább szemcséjűek az alacsony terület 1,5 m alatti mélységében; 2. az alacsony elhelyezkedésű terület szerves széntartalma jelentősebb (1. táblázat); 3. a telítetlen zóna üledékei a magasabban fekvő területen sokkal egyenletesebb talajszerkezetűek; 4. apró, finom szemcsés rétegek csak a magasabb terület telítetlen zónájában fordulnak elő. A hidrográfiai analízis és a telítetlen zóna vízháztartási egyensúlya alapján az átlagos hordalék a magasan fekvő területen 22 cm, az alacsony elhelyezkedésű területen pedig 36 cm volt. A hordalék és az átnedvesített réteg határának gyorsabb mozgása a magasabb helyen három tényezőnek tulajdonítható: 1. felszíni vízlefolyás az alacsony területre; 2. iszapos homokrétegek, amelyek megakadályozzák a víz függőleges szállítását a magasan fekvő területen; 3. durvább szemcsés leülepedések az alacsony terület 1,5 m-nél nagyobb mélységeiben. A vizsgálat módszerei A kísérlet folyamán egy lineáris mozgású öntözőberendezés segítségével 16,5 cm vizet juttattak mindkét területre négy óra alatt. Az öntözőberendezést közvetlenül a kukoricaföldek fölött helyezték el mozgatás nélkül, s ennek következtében a víz csak egy körülbelül 10 m széles területre folyhatott. Becslések alapján az öntözés segítségével a felszíni vízlefolyás az alacsony területre egy 80 m-nyi hosszú sáv mentén mozgott a vízgyűjtő terület középső részén keresztül (megközelítően 800 m 2 terület).
1. táblázat A magasabban és alacsonyabban elhelyezkedő terület felső két méteréből származó talajminták jellemzőinek statisztikai adatai Változók (egység) Minták Átlag- Standard Medián- Miniszáma érték deviáció érték mum a) magasan fekvő terület Iszap- és agyagtartalom (%) 158 2,00 1,76 1,56 0,09 11,2 d 50 szemcseméret (mm) 158 0,205 0,029 0,209 0,095 0,355 d 10 szemcseméret (mm) 177 0,098 0,019 0,098 0,023 0,173 Térfogatsűrűség (g/cm 3 ) 124 1,57 0,046 1,57 1,41 1,73 Volumetrikus nedvességtartalom 124 0,087 0,020 0,081 0,058 0,145 Porozitás 124 0,409 0,018 0,406 0,346 0,470 Telítettség (szaturáció) 124 0,213 0,055 0,195 0,136 0,392 Szervesszéntartalom 24 0,232 0,246 0,120 0,040 0,900 Telített vízáteresztő képesség laboratóriumi analízisekből (cm/s) 16 0,005 0,002 0,005 0,001 0,007 Mélység a talajvízszintig a földfelszín alatt (m) n.a. 4,38 n.a. n.a. n.a. n.a. Földfelszín lejtése lefolyásgyűjtők 20 45 m emelkedése (m/m) 5 0,008 0,006 0,006 0,003 0,015 Változók (egység) Minták Átlag- Standard Medián- Miniszáma érték deviáció érték mum b) alacsonyan fekvő terület Iszap- és agyagtartalom (%) 141 3,77 2,85 2,67 0,19 11,5 Maximum Maximum d 50 szemcseméret (mm) 141 0,322 0,177 0,243 0,101 0,993 d 10 szemcseméret (mm) 152 0,131 0,109 0,098 0,014 0,870 Térfogatsűrűség (g/cm 3 ) 98 1,56 0,054 1,57 1,28 1,74 Volumetrikus nedvességtartalom 98 0,150 0,059 0,142 0,062 0,421 Porozitás 98 0,412 0,021 0,409 0,342 0,517 Telítettség (szaturáció) 98 0,364 0,135 0,337 0,155 0,815 Szervesszéntartalom 28 0,420 0,383 0,265 0,030 1,29 Telített vízáteresztő képesség laboratóriumi analízisekből (cm/s) 11 0,008 0,006 0,005 0,002 0,022 Mélység a talajvízszintig a földfelszín alatt (m) n.a. 2,94 n.a. n.a. n.a. n.a. Földfelszín lejtése lefolyásgyűjtők 20 45 m emelkedése (m/m) 6 0,015 0,006 0,018 0,008 0,023 n.a. = nem alkalmazható
A felszíni vízlefolyás mennyiségi meghatározásához vízgyűjtőket telepítettek a kukoricasorok közé, ötöt a magas, hatot pedig az alacsony területen (1. ábra). A vízgyűjtőkből lefolyt vizet a földbe épített tárolókba irányították, ebből történt a mintavételezés a kémiai analízis számára. A földfelszín dőlésének (lejtésének) mediánértéke a lefolyó víz gyűjtői mellett a magas elhelyezkedésű területen 0,006, az alacsony területen pedig 0,017. magasan elhelyezkedő terület alacsonyan elhelyezkedő terület kukoricatelepítés talaj felszínén elfolyó víz vízbeszivárgás 4 méter vízbeszivárgás 4 méter átnedvesedett felső réteg 3 méter talajvízszint telítetlen zóna iszapos homokrétegek háromnézet dimenziós átnedvesedett felső réteg 3 méter talajvízszint telítetlen zóna magyarázat X talajnedvesség-mérő (18 darab mind a két helyen) liziméter (hat darab mind a két helyen) kanócos mintavevő (kettő darab mind a két helyen) lefolyó víz gyűjtője (öt darab a magas és hat darab az alacsony területen) 16,5 cm-es víz kiöntözése mindkét helyen lineáris mozgású öntözőberendezéssel 1. ábra A magasan, illetve alacsonyan elhelyezkedő terület háromdimenziós konceptuális ábrázolása. Bármilyen adott időpontban az öntözéssel létrehozott átnedvesített felső réteg vastagabb az alacsonyan, mint a magasan fekvő területen.
A kísérlet folyamán nyomon követték a víz és mezőgazdasági vegyszerek mozgását a telítetlen zónán keresztül. A vízmintákat a telítetlen zóna mintavételezési berendezéséből és a talajvízkutakból gyűjtötték a vizsgálat előtt, alatt és után 1 órás időközönként. A telítetlen zónában lizimétert installáltak a magasan fekvő területen 0,8 m, 1,8 m, 2,6 m és 2,8 m, az alacsonyan elhelyezkedő területen pedig 0,8 m, 1,8 m, 2,4 m és 2,5 m mélységben (1. ábra); a kissé eltérő elhelyezést a talajban levő heterogenitás indokolja. A telítetlen zónában kanócos mintavevőket is alkalmaztak, a magasan fekvő területen 0,8 m és 1,5 m, az alacsony területen pedig 0,8 m és 1,6 m mélységben. Ez utóbbi szintmagasságnál a 0,8 m mélységben elhelyezett kanócos mintavevő nem működött. A talajnedvességet 0,2 m, 0,4 m, 0,6 m, 0,8 m, 1,0 m, 1,5 m, 2,0 m, 2,5 m és 3,0 m mélységben installált időtartomány-reflektométerrel (TDR) mérték (1. ábra). A lehulló csapadékot minden egyes helyen önbillenő csapadékmérő alkalmazásával határozták meg. Az oldott kationokat induktív csatolású plazma tömegspektroszkópia, az anionokat ionkromatográfia alkalmazásával analizálták. Az atrazint és metabolitjait (deetil-atrazin és deizopropil-atrazin) gázkromatográfia/tömegspektrometria segítségével határozták meg. A kémiai anyagok talajvízhez áramlásának értékeléséhez a kísérlet folyamán a tömegkiegyenlítés számítását két eljárással végezhették; egyrészt a talajvízszintnél levő koncentráció alapján az úgynevezett telített zóna módszerrel, másrészt pedig a telítetlen zónában észlelhető koncentráció alapján a telítetlen zóna módszerrel. A vizsgálati eredmények értékelése Az alacsonyan elhelyezkedő területen a felszíni vízlefolyást a hat elhelyezett gyűjtőből öttel mérték, mivel az egyik vízgyűjtő számára az elfolyó víz nem volt hozzáférhető. A lefolyó víz össztérfogata az öt gyűjtőben 0,25 l-től 80,2 l-ig változott. A maximálisan lefolyó mennyiség egységnyi területenként megközelítően 0,06 l/min/m 2 volt, mediánértéke 0,003 l/min/m 2. Ezt a mediánértéket figyelembe véve az öntözővíz alkalmazásának 240 perce alatt körülbelül 600 l vizet szállítottak a 800 m 2 -nyi területről az alacsony mélyedésekbe. Ha feltételezik, hogy az elfolyó víz egyenletesen beszivárgott a 200 m 2 -nyi mélyedésbe, a 2,3 m 3 térfogat megközelítően 1,2 cm további vizet jelent, ami az elfolyás következtében a víz alkalmazási területéről beszivárog az alacsony területre. A talajnedvesség-méréseken alapuló számított vízháztartási értékek alátámasztják a feltételezést, hogy a vízgyűjtésben tapasztalható különbség a két terület között körülbelül ekvivalens a vízlefolyással az alacsony területre. A kísérleti eredmények alapján az alacsonyan fekvő területen 9,5 cm víz (a 16,5 cm felhasznált víznek 58%-a) érte el a talajvízszintet, a magasabban elhelyezkedő területen pedig 8,0 cm (a 16,5 cm felhasznált víznek 48%-a). A két terület közötti 1,5 cm-es különbséget nagyrészt az alacsony területre lefolyó 1,2
cm-nyi víz indokolja. Az alacsony fekvésű területen az elfolyó víz 7%-ot, a megfigyelt vízgyűjtés pedig 13%-ot képviselt az összes felhasznált víz menynyiségéből. 2. táblázat A vizsgált mezőgazdasági vegyszerek átlagos koncentrációi a magasan és alacsonyan elhelyezkedő területen Minta Elhelyezkedés Magasan fekvő terület Klorid Nitrát-nitrogén Szulfát Atrazin + metabolitok a (µg/l) Lefolyás UZ 5,36 (20) 6,20 (20) 36,0 (20) 7,06 (20) WT 5,94 (8) 16,9 (8) 6,35 (8) 139 (5) Minta Elhelyezkedés Alacsonyan fekvő terület Klorid Nitrát-nitrogén Szulfát Atrazin + metabolitok a (µg/l) Lefolyás 3,04 (14) 0,24 (14) 6,49 (14) UZ 1,69 (31) 9,82 (31) 23,0 (31) 3,06 (13) WT 10,7 (11) 30,9 (11) 9,00 (11) 67,3 (7) a deetil atrazin és deizopropil atrazin Zárójelben a minták száma; lefolyás: az összes minta átlaga a felszíni vízlefolyásból az adott helyen; UZ: az összes minta átlaga a telítetlen zónából; WT: az összes minta átlaga a talajvízszintből (a földfelszín alatt 4,2 m-re a magasan fekvő területen, illetve a földfelszín alatt 2,8 m-re az alacsony elhelyezkedésű területen); : mintát nem gyűjtöttek. Az alacsony területen a klorid-, nitrát- és szulfátkoncentráció a lefolyó vízben kisebb volt, mint a talajvízszint közelében, ez arra utal, hogy a talajvízszintet elérő vegyszereknek nem a felszínen lefolyó víz az elsődleges forrása. A klorid, nitrát és atrazin + metabolitok koncentrációi észrevehetően nagyobbak voltak a talajvízszintnél, mint a telítetlen zónában (2. táblázat; 2. és 3. ábra); ennek oka azonban ismeretlen. A szulfátkoncentráció a talajvízszintnél nem követte ezt a tendenciát, ez nyilvánvalóan a telítetlen zónában megfigyelhető nagyobb szorpciónak és az ebből következő mobilizáció hiányának tulajdonítható. Homokos talajon a szulfátok könnyen leülepednek vagy adszorbeálódnak a talaj szerves anyagaihoz, agyagfrakciókhoz, vas-oxidokhoz.
az öntözőberendezéssel felhordott víz 16,5 cm-e klorid magasan fekvő terület az öntözőberendezéssel felhordott víz 16,5 cm-e alacsonyan elhelyezkedő terület klorid mg/l mg/l nitrát nitrogén nitrát nitrogén mg/l mg/l µg/l szulfát atrazin + metabolitok mg/l µg/l mg/l szulfát atrazin + metabolitok volumetrikus nedvességtartalom talajnedvesség volumetrikus nedvességtartalom 0,05 talajnedvesség megjegyzés: kémiai nyomjelzőket nem alkalmaztak a kísérlet megkezdése előtt 2. ábra A vizsgált mezőgazdasági vegyszerek koncentrációi a telítetlen zóna 1,8 méteres mélységénél elhelyezett liziméterekből összegyűjtött mintákban. Az adott mélységnél meghatározott kémiai koncentrációk a kísérlet folyamán a telítetlen zóna egészére vonatkozó koncentrációkat reprezentálják. A talaj nedvességtartalmának 1,5 m mélységnél bekövetkező változása az ábra legalsó részén látható.
az öntözőberendezéssel felhordott víz 16,5 cm-e klorid magasan fekvő terület az öntözőberendezéssel felhordott víz 16,5 cm-e alacsonyan elhelyezkedő terület klorid mg/l mg/l mg/l µg/l mg/l nitrát nitrogén szulfát atrazin + metabolitok µg/l mg/l mg/l nitrát nitrogén szulfát atrazin + metabolitok a földfelszín alatti vízszint, m talajvízszint a földfelszín alatti vízszint, m 2,91 talajvízszint megjegyzés: kémiai nyomjelzőket nem alkalmaztak a kísérlet megkezdése előtt 3. ábra A vizsgált mezőgazdasági vegyszerek koncentrációi a talajvízszintnél. A vízszint ingadozása a kísérlet folyamán az ábra legalsó részén látható. A klorid, szulfát és atrazin + metabolitok a magasabb terület telítetlen zónájában, a nitrátok pedig az alacsonyabban fekvő területen jelentek meg nagyobb koncentrációban. A kloridok és nitrátok koncentrációi mind a magas, mind az alacsony elhelyezkedésű terület telítetlen zónáján belül a mélységgel növekedtek. A magasabb területen ez a jelenség részben a vékony rétegek jelenlétének tulajdonítható, amelyek vízszintes irányban iszapos homokrétegszintekből állnak, s ezek gátolják a víz és oldott anyagok mozgását.
A klorid, nitrát és atrazin + metabolitok koncentrációja az alacsony terület telítetlen zónáján belül a vizsgálati idő múlásával csökken (2. ábra), ez valószínűleg a vegyszereknek a telítetlen zónából a beszivárgó lefolyó víz által végbemenő hígulásának és kimosásának tulajdonítható (2. táblázat). A hígítóhatás további bizonyítéka látható a talaj nedvességtartalmára vonatkozó adatokban, amelyek alapján az alacsony területen a kísérlet első 24 óráján belül az átnedvesített réteg határa a teljes telítetlen zónán keresztül gyorsan mozog, ez a talajvízszint maximális emelkedését eredményezi a kísérlet kezdete után körülbelül 12 órával (3. ábra). A magasan fekvő területen a klorid- és nitrátkoncentráció enyhén növekedik, viszont az atrazin + metabolitok mennyisége 1,8 m mélységnél több, mint kétszeresére nő, csúcsértékét a kísérlet kezdete után 24 36 órával éri el. Az átnedvesített réteg határa a magas terület telítetlen zónáján keresztül kevésbé gyorsan mozgott, mint az alacsony helyen. A vegyszerek szállításának ideje a telítetlen zónán keresztül megközelítően 30 50%-kal hosszabb volt a magas, mint az alacsony területen (3. ábra). Statisztikai számítások alapján a klorid-, nitrát- és szulfátkoncentrációk a talajvízszintnél jelentősen nagyobbak az alacsony, mint a magas területen, míg az atrazin + metabolitok koncentrációja a magasabb fekvésnél nagyobbak (2. táblázat és 3. ábra). Az alacsonyan fekvő területen az öntözővíz első alkalmazása után 48 órán belül a talajvízszintnél a kloridkoncentrációk körülbelül 15 mg/l, a nitrátkoncentrációk 35 mg/l mennyiséggel növekedtek, szemben a magas területen tapasztalható csekély változással mindkét ion esetében. A nitrátkoncentrációk a magas területen a kísérlet végén még mindig növekedtek, ebből levonható az a következtetés, hogy a vizsgálat eredményeinek pontosabb értékeléséhez a mintákat hosszabb időtartamig kellett volna gyűjteni. A szulfátkoncentrációk jelentéktelen változása feltehetően a szorpciónak köszönhető mindkét terület telítetlen zónáján belül. Az atrazin + metabolitok koncentrációja a talajvízszintnél nagyobb volt a magas területen valószínűleg a telítetlen zónában bekövetkező enyhébb szorpció következtében; az alacsonyan fekvő területen az öntözővíz első alkalmazása után 32 órával érték el csúcsértéküket. A talajvízszintnél észlelhető megnövekedett oldott anyag koncentráció a telítetlen zónán keresztül mozgó vízgyűjtés és vízlefolyás által a vegyszerek talajban végbemenő mobilizációjának a következménye. A 3. táblázatban látható, hogy a klorid és nitrát számított tömegáramlása a talajvízszintnél levő koncentrációk alapján nagyobb az alacsonyan, mint a magasan fekvő területen. A szulfátáramlások számított értékei mindkét területen megegyeztek. Az atrazin + metabolitok áramlása a magas területen jelentősebb volt, ezt valószínűleg az okozta, hogy ezek a vegyszerek nagyobb szorpcióval és koncentrációkkal rendelkeztek a telítetlen zónában a kísérletet megelőzően. A talajvízszintnél levő koncentrációk alapján végzett áramlásszámítások sokkal pontosabbak a telítetlen zónánál észlelhető koncentrációk segítségével
végrehajtott számításoknál, mivel a talajvízszintnél mért adatok hitelesebben tükrözik a telített zónát elérő vegyszerek mennyiségét, míg a koncentrációk a telítetlen zónában csak részben tükrözik a szorpciót. 3. táblázat A vizsgált mezőgazdasági vegyszerek számított tömegáramlása a talajvízszinthez Módszer Magasan fekvő terület Klorid Nitrát Szulfát Atrazin + metabolitok a Klorid Alacsonyan fekvő terület Nitrát Szulfát Atrazin + metabolitok a UZ 4,65 5,05 29,0 0,005 1,54 8,76 21,5 0,003 WT 0,24 4,00 0,40 0,268 7,00 12,0 0,40 0,028 Átlag 2,45 4,53 14,7 0,137 10,5 10,4 11,0 0,016 a deetil atrazin és deizopropil atrazin Az adatok kg/hektár mértékegységűek; UZ: számítások a telítetlen zóna koncentrációi alapján; WT: számítások a talajvízszintnél tapasztalható koncentrációk alapján. Összefoglalás A kísérlet eredményei alapján a mezőgazdasági vegyszerek koncentrációinak és áramlásainak a két szintmagasság közötti eltéréseit leghatározottabban az alacsonyabban fekvő területre történő felszíni vízlefolyás befolyásolta. Ez a folyamat az alacsonyabb szintmagasságnál kettős szerepet játszott, egyrészt hígította a vegyszerek koncentrációit a telítetlen zónában, másrészt növelte a koncentrációkat a talajvízszintnél. (Molnár Kinga) Delin, G.N.; Landon, M.K.: Effects of surface run-off on the transport of agricultural chemicals to ground water in a sandplain setting. = The Science of the Total Environment, 295. k. 1 3. sz. 2002. aug. 5. p. 143 155. Delin, G. N.; Landon, M. K. stb.: Effects of topography and soil properties on recharge at two sites in an agricultural field. = Journal of American Water Resource Association, 6. k. 2000. p. 1401 1416. Landon, M. K.; Delin, G. N. stb.: Comparison of the stable-isotopic composition of soil water collected from suction lysimeters, wick samplers, and cores in a sandy unsaturated zone. = Journal of Hydrology, 224. k. 1999. p. 45 54.