Rosnąca populacja przyczyniła się do intensyfikacji rolnictwa, a ta spowodowała liczne zmiany w środowisku naturalnym – od przekształcenia krajobrazu po zanieczyszczenie wód mórz i oceanów biogenami. Intensywne nawożenie, brak stref buforowych i degradacja ekosystemów wodnych spowodowały, że procesy samooczyszczania się wód nie były wstanie sprostać tak dużej ilości biogenów, głównie azotu i fosforu. W efekcie wiele wód powierzchniowych uległo przeżyźnieniu (szybka eutrofizacja), której konsekwencjami są m.in. toksyczne zakwity sinic i strefy beztlenowe występujące nie tylko w zbiornikach śródlądowych, ale także w morzach i oceanach od Zatoki Chesapeake (koło Waszyngotnu) i Zatokę Meksykańską w Ameryce Północnej, przez nasze Morze Bałtyckie, aż po Morze Południowochińskie. Jak zmierzyć się z tym problemem? Jednym z rozwiązań jest ochrona i odbudowa obszarów podmokłych, którym poświęcony jest dzisiejszy tekst.
Naturalne i tworzone przez człowieka obszary podmokłe (te drugie zwane z ang. constructed wetlands) zapewniają wiele różnorodnych korzyści m.in. przeciwdziałanie powodzi, akumulacja węgla (w tym dwutlenku węgla) i procesy oczyszczania wód. Większość badań analizujących efektywność oczyszczania zapewnianą przez te systemy skupia się na pojedynczych systemach, analizując różne czynniki wpływające na efektywność oraz efektywność usuwania poszczególnych zanieczyszczeń od biogenów, przez pochodne leków, po różne grupy substancji priorytetowych. Mniej natomiast jest badań analizujących ich efektywność w większej skali. Ostatnio trafiłem na artykuł, którzy przeanalizował tą szerszą skalę dla całych Stanów Zjednoczonych. W dalszej części przedstawię najważniejsze wnioski z tej publikacji.
W oparciu o bazy danych i literaturę zebrano informacje do dalszego modelowania i oceny potencjału obszarów podmokłych w usuwania azotanów (ostatnie formy jonów azotu rozpuszczonych w wodzie, które mogą być wbudowane w rośliny i inne organizmy samożywne, lub w procesie denitryfikacji zapewnianej przez bakterii zamienione w formę azotu gazowego). Podstawowe informacje do dalszych analiz jakie zebrano to:
- Gęstość obszarów podmokłych w zlewniach – gęstość wyrażona w % powierzchni zlewni
- Oszacowana efektywności usuwania azotanów [w %]
- Nadwyżka związków azotu wymywana z powierzchni zlewni do wód [kilogram azotu na hektar na rok]
Powyższe informacje zostały następnie zestawione razem i powstała mapa oszacowanej efektywności usuwania azotu przez istniejące obszary podmokłe.
Jednakże obszary podmokłe nie zawsze istnieją tam, gdzie byłby najbardziej potrzebne, gdzie wymywane są znaczne ilości azotanów – obszarów podmokłych jest tam niewiele lub ich efektywność jest niewystarczająca do usunięcia nadmiarowy ilości azotu. Aby poprawić efektywność usuwania azotu przeanalizowano trzy scenariusze:
Scenariusz 1 – Losowe zwiększanie powierzchni obszarów podmokłych – nie dedykowane źródłom zanieczyszczenia azotanami.
Scenariusz 2 – tworzenie obszarów podmokłych poza obszarami rolniczymi, aby nie zmniejszać powierzchni upraw.
Scenariusz 3 – ukierunkowane tworzenie obszarów podmokłych w oparciu o dane z powyższych map.
Dla każdego analizowano koszty i wzrost efektywności usuwania azotu, gdy zwiększymy istniejącą powierzchnię obszarów podmokłych. W analizie tej wykazano, że już przy 5% zwiększeniu powierzchni tych obszarów, zaznacza się wyraźna różnica pomiędzy tymi scenariuszami – przy niewielkiej różnicy kosztów, mamy znaczącą różnicę w efektywności usuwania azotu.
Przy zwiększeniu powierzchni obszarów podmokłych o 15% zarówno koszty ich utworzenia jak i efektywność usuwania azotu rosną liniowo, ale nachylenie tych linii jest zupełnie inne. Najwyższe koszty są dla scenariusza 3 – dwa razy większe niż dla scenariusza 2, ale efektywność scenariusza 3 jest ponad 40 krotnie większa niż dla 2.
W publikacji autorzy podają dokładniejsze liczby dla 10% wzrostu powierzchni obszarów podmokłych:
Scenariusz 1 – wzrost usuwania azotu o 187 tysięcy ton (± 97) przy rocznych kosztach około 550 milionów $US.
Scenariusz 2 – wzrost usuwania azotu o 20 tysięcy ton (± 10) przy rocznych kosztach około 400 milionów $US.
Scenariusz 3 – wzrost usuwania azotu o 809 tysięcy ton (± 395) przy rocznych kosztach około 800 milionów $US i utracie około 2% powierzchni obszarów rolnych.
Porównując łączne koszty uzyskania efektów scenariusza 3 autorzy wskazują wartość około 3,3 miliarda $US, prawie dwa razy więcej, niż dla scenariusza 2, ale efektywność usuwania azotu jest 40 razy większa. Koszty mogą wydawać się duże, ale trzeba pamiętać, że to działania podjęte w kluczowych miejscach, które pozwalają usuwać nadmiar azotu jak najbliżej źródła. Przykładowo w stanie Iowa, gdzie uprawia się głównie kukurydzę i szacuje się, że ten stan odpowiada za 11-52% ładunków azotu trafiających do Zatoki Meksykańskiej, roczne koszty działań mających poprawić jakość wody wynoszą 1,4 miliarda $US (w kosztach tych są ograniczenie stosowania nawozów, sadzenie roślin okrywowych zmniejszających erozje i wymywanie biogenów z gleby, budowa bioreaktorów oraz rekultywacja terenów podmokłych).
Wyniki te dobrze obrazują potrzebę odpowiedniego podejścia do zarządzania zasobami wody, w tym ochrony ich jakości. Odpowiednie rozeznanie problemów i ukierunkowane działanie u źródła daje znacznie lepsze efekty w stosunku do nakładów finansowych.
Więcej informacji – mapy i wykresy zarówno dla całego obszaru USA jak i poszczególnych regionów (zlewni rzek) znajdziecie w publikacji naukowej z Nature:
Cheng, F.Y., Van Meter, K.J., Byrnes, D.K., Basu. N.B. 2020. Maximizing US nitrate removal through wetland protection and restoration. Nature 588, 625–630. https://doi.org/10.1038/s41586-020-03042-5
Więcej o obszarach podmokłych pisałem m.in. w tekście OCZYSZCZALNIE HYDROFITOWE – o nauce ludzkim językiem
Dziękuję wszystkim, którzy wspierają moją pracę, a szczególnie Patronom, którzy poprzez darowizny wspierają dalszy rozwój mojej wodnej pasji. Możesz do nich dołączyć zostając moim Patronem lub Mecenasem
tutaj więcej informacji
