AKTUALITY ŠUMAVSKÉHO VÝZKUMU s. 82 86 Srní 2. 4. dubna 2001 Koncentrace živin (N, P) v tocích v povodí nádrže Lipno a jejich závislost na struktuře krajinného krytu Josef Hejzlar 1, Jiří Žaloudík 2 & Vladimír Rohlík 3 1 Hydrobiologický ústav AV ČR a Biologická fakulta JU, Na sádkách 7, CZ 370 05 České Budějovice, 2 Ústav ekologie krajiny AV ČR, Na sádkách 7, CZ 370 05 České Budějovice, 3 Povodí Vltavy s.p., z. Horní Vltava, Litvínovická silnice 5, CZ 371 21 České Budějovice Úvod Koncentrace P a N v tocích závisí na zdrojích v povodí, které lze rozdělit na difúzní a bodové. Přírodní pozadí koncentrací P v odtoku z povodí závisí především na horninovém složení podloží (např. na Šumavě z povodí na žulách odtékají vyšší koncentrace P než z povodí na svorech; KOPÁČEK & al. 1998) a na procesech v půdě (ze zamokřených organických půd se vyplavuje více P než z minerálních, dobře aerovaných půd, KOPÁČEK & HEJZLAR 1998). Antropogenní zdroje mohou zvyšovat přírodní koncentrační pozadí P v tocích i o několik řádů. Nejdůležitějším antropogenním zdrojem P jsou komunální odpadní vody vypouštěné do toků a povrchové splachy, případně i průsaky ze zemědělské půdy. Dusík se na rozdíl od fosforu z podloží neuvolňuje a jeho odtok je řízen procesy probíhajícími v půdě. Koncentrace N v přírodním odtoku z půdy jsou závislé zejména na přísunu atmosférickou depozicí a na schopnostech vegetace a půdních organismů dusík využívat a zabudovávat do biomasy a půdní organické hmoty. Lidská činnost dokáže koncentrace N v odtoku z povodí, obdobně jako je tomu u fosforu, významně zvyšovat. Dusík je přítomen v komunálních odpadních vodách, ale hlavně uniká ve formě dusičnanového N ze zemědělských půd. Ztráty ze zemědělské půdy závisí na poměru hnojení a odstraňování N ze systému v podobě vyprodukované biomasy a dále na způsobu obhospodařování, zejména na způsobu řízení mineralizačních procesů v půdě. Koncentrace P a N v podélném profilu určitého toku jsou určovány jednak postupným mísením vody přitékající do koryta toku z bočních přítoků popř. břehovou infiltrací a dále intenzitou retenčních procesů, které jsou řízeny faktory abiotickými (např. sedimentací nebo sorpcí) i biologickými (např. příjmem organismů) a které mohou působit dočasně (zabudovávání biomasy a její opětovný rozklad) nebo trvale (depozice na údolních nivách). Znalosti přírodního pozadí koncentrací živin v tocích, antropogenních příspěvků k hladině živin různých typů zdrojů a retence živin na jejich cestě vodotečemi od zdrojů do koncového profilu jsou nezbytným předpokladem pro návrhy opatření při řízení jakosti vody odtékající z povodí. Cílem tohoto příspěvku je ukázat výsledky analýzy zdrojů živin v tocích v povodí nádrže Lipno, které byly dále uplatněny ve scénářové studii možností variantního řešení snížení eutrofizace lipenské nádrže (HEJZLAR & al. 2000, HEJZLAR & al. 2001). V příspěvku jsou kvantifikovány (i) koncentrace a odnosy živin z povodí nádrže Lipno v rámci přírodního pozadí, (ii) příspěvky zemědělského využívání krajiny a komunálního znečištění ke koncentracím živin v odtoku z povodí a (iii) retence živin ve vodotečích mezi zdrojovými místy v povodí a vlastní nádrží. 82
Metodika Povodí nádrže Lipno na Vltavě (plocha 952 km 2, rozsah nadmořských výšek 705,5 1362 m n. m., délka údolnice ~76 km), se rozkládá v horských a podhorských částech Šumavy. Morfologické a hydrologické poměry povodí popisuje např. NOVÁK (1968). V období 1998 1999 bylo v povodí nádrže vzorkováno celkem 25 profilů: Vltava, Kvilda; Kaplický p., 0,8 ř.km; Vltava, Lenora; Řasnice, ústí do Vltavy; Volarský p., 3,5 ř.km; Vltava, Chlum; Studená Vltava, Černý Kříž; Vltava, Pěkná; Želnavský p., 0,4 ř.km; Novopecký p. 0,2 ř.km, Smrčinský p., 1,0 ř.km; Pernecký p., 1,2 ř.km; Slatinka, 0,3 ř.km; Hamerský p., ústí; Ostřice, 0,2 ř.km; Olšina, 0,5 ř.km; Černý p. v Černé v P., 0,1 ř.km; Pestřice, 0,2 ř.km; Rothovský p., 0,15 ř.km; Lukavický p., 0,6 ř.km; Černý p., 0,2 ř.km; Náhlovský p., 0,6 ř.km; Výtoňský p., ústí; Lipový p., ústí; Slupečný p., 0,1 ř.km. Četnost vzorkování byla 6 během období sledování u všech profilů kromě profilu Vltava, Pěkná, který byl vzorkován v pravidelných měsíčních intervalech. Látkové toky živin v jednotlivých profilech byly vypočteny z průměrných měsíčních průtoků a měsíčních koncentrací získaných interpolací naměřených dat. Průtoky ve vzorkovaných profilech byly odvozeny z průtoku v profilu Vltava, Pěkná, poskytnutého ČHMÚ České Budějovice, na základě poměru ploch povodí daného profilu a plochy povodí příslušející profilu Vltava, Pěkná. Analýza struktury krajinného krytu povodí byla provedena pomocí dálkového průzkumu Země (na základě interpretace družicového snímku Landsat 5 TM z 10. srpna 1998 a dalších podkladů), v rámci účelového geografického informačního systému, obsahujícího potřebné tématické údaje o povodí. Úplný popis zdrojových dat a způsoby jejich zpracování jsou uvedeny ve studii HEJZLAR & al. (2000). Zatížení toků v povodí nádrže živinami od trvale bydlících obyvatel a rekreantů bylo vypočteno na základě specifických lidských produkcí P a N do komunálních odpadních vod s respektováním jejich časového vývoje v posledním desetiletí a účinnosti odstraňování P a N v různých typech čistíren odpadních vod (RAK & al. 1993, NESMĚRÁK 1994, HEJZLAR & al. 2000). Výsledky a diskuse Krajinný kryt, demografické ukazatele a další charakteristiky povodí nádrže Lipno Plošně nejrozsáhlejšími kategoriemi struktury krajiny identifikovanými podle družicového snímku z r. 1998 byly lesní porosty (66,9 %) a louky a pastviny (23,9 %). Vodní plochy zaujímaly 4,7 %, z této hodnoty však 97 % připadalo na vlastní lipenskou nádrž. Pole spolu s kulturními loukami zaujímaly 2,9 % celkové plochy povodí, sídla a technogenní plochy 0,9 %, mokřady 0,5 % a těžba rašeliny 0,1 %. Odhad počtu trvalého obyvatelstva v povodí nádrže Lipno činil 16,5 tis., z toho v české části povodí 12,5 tis., v německé cca 4 tis. a v rakouské 0,1 tis.. Rekreační kapacita v české části povodí byla v polovině 90. let kolem 20,2 tisíc lůžek, z toho v povodí vlastního vzdutí nádrže 14,8 tis. lůžek a v povodí nad vzdutím nádrže 5,4 tisíc lůžek. Z čistíren odpadních vod (ČOV) odtékalo v období 1998-1999 ročně do recipientů 3,4 t a 15,9 t. Kapacitně tyto čistírny pokrývaly téměř 85% trvalých obyvatel povodí nádrže a nejméně 40 % celkové lůžkové kapacity rekreačních zařízení. V povodí nádrže se nacházelo celkem 4535 velkých dobytčích jednotek (VDJ; = 1 ks skotu anebo 1 kůň, 5 prasat, 5 ovcí, 250 slepic) hospodářských zvířat. Mezi chovanými zvířaty zcela převládal skot. Způsob chovu byl převážně pastevní se zimním ustájením. Hospodář- 83
Tabulka 1. Matice korelačních koeficientů závislostí mezi vybranými charakteristikami dílčích povodí a průtokově váženými koncentrace živin v odtoku. Statisticky významné vztahy jsou vyznačeny tučně pro P>0,95 a tučně podtrženě pro P>0,99. Parametr Sídla, Louky, Pole, Obyvatelstvo, NH 4 -N, NO 3 -N,, -P,, % % % km -2 mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l Sídla, % 1.00 Louky, % 0.44 1.00 Pole, % 0.08 0.20 1.00 Obyvatelstvo, km -2 0.84 0.35 0.11 1.00 NH 4 -N, mg/l 0.38 0.51-0.03 0.63 1.00 NO 3 -N, mg/l 0.35 0.08 0.52 0.16-0.01 1.00, mg/l 0.40 0.23 0.58 0.25 0.14 0.97 1.00 -P, mg/l 0.85 0.54 0.15 0.88 0.53 0.06 0.15 1.00, mg/l 0.66 0.62 0.21 0.80 0.70-0.01 0.16 0.89 1.00 ská zvířata ročně vyprodukovala v exkrementech přibližně 60 t a 300 t. Ve srovnání s množstvím živin vypouštěných do recipientů z ČOV se jedná o řádově větší množství, ale pokud jsou exkrementy důsledně recirkulovány v podobě organických hnojiv (hnůj, močůvka, kejda) přes zemědělskou půdu, nemusí k úniku živin do vodních toků prakticky docházet. Koncentrace živin v tocích a jejich vztahy ke způsobu využití povodí Profily v jednotlivých vzorkovaných subpovodích zahrnovaly široké spektrum od toků ovlivněných pouze přirozeným odnosem živin z neobhospodařovaných přírodních oblastí přes toky ovlivněné zemědělským využíváním krajiny po silně znečištěné toky komunálními odpadními vodami (tab. 1). Korelační analýzou byla otestována existence statisticky významných vztahů mezi vybranými kategoriemi krajinného krytu, potenciálními ukazateli znečištění a koncentrací živin v odtoku. Matice korelačních koeficientů je pro vybrané ukazatele uvedena v tab. 1. Koncentrace i -P byly statisticky velmi významně korelovány (P>0,99) s procentuálním zastoupením ploch sídel (pozitivně), lesů (negativně), luk a pastvin (pozitivně), hustotou obyvatelstva (pozitivně) a komunálními zdroji fosforu i dusíku (pozitivně). Odnosy fosforu nekorelovaly se zastoupením polí ani s množstvím hospodářských zvířat. Na základě těchto výsledků byly vypočteny složené závislosti pomocí vícerozměrné lineární regrese: (mg l -1 ) = 0,023 + 0,0222*Sídla + 0,00152*Louky (R 2 = 0,57) (1) -P (mg l -1 ) = 0,010 + 0,0189*Sídla + 0,000425*Louky (R 2 = 0,76) (2) kde: Sídla představují procento ploch sídel a technogenních ploch v povodí a Louky představují procento luk a pastvin v povodí, obojí získané analýzou krajinného krytu pomocí DPZ a GIS. Z regresních rovnic vyplývá, že koncentrace a -P v pozaďovém přírodním odtoku v povodí Lipna jsou 0,023±0,016 mg l -1 a 0,010±0,006 mg l -1 (v závorce uvedeny průměrné hodnoty ± standardní chyba odhadu) Tyto hodnoty jsou v dobré shodě s poznatky o pozaďových odtokových koncentracích fosforu na Šumavě z jiných lokalit (KO- PÁČEK & al. 1998) Koncentrace jednotlivých forem dusíku byly v korelační analýze závislé na poněkud odlišných parametrech než koncentrace fosforu. Odnos NH 4 -N byl statisticky významně (P>0,95) korelován s procentem plochy lesa (negativně) a velmi významně (P>0,99) s plochou luk a pastvin, hustotou populace a komunálními zdroji fosforu i dusíku (se všemi pozi- 84
tivně). Odnos NO 3 -N byl velmi významně a pozitivně korelován pouze s plochou polí a kulturních luk. Odnos byl velmi významně a pozitivně korelován s plochami polí a kulturních luk a významně korelován s plochou sídel a technogenních ploch (pozitivně) a s plochou lesa (negativně). Vícerozměrnou lineární regresí byly na základě těchto výsledků sestaveny následující závislosti: (mg l -1 ) = 1,46 + 0,306*Sídla + 0,0972*Pole (R 2 = 0,46) (3) NO 3 -N (mg l -1 ) = 0,72 + 0,266*Sídla + 0,0899*Pole (R 2 = 0,37) (4) kde význam parametru Sídla je shodný jako v předchozím případě u fosforu a Pole představují sumární procentické zastoupení ploch polí a kulturních luk. Pozaďové přírodní koncentrace a NO 3 -N vyplývající z těchto rovnic jsou 1,5±0,2 mg l -1 a 0,7±0,2 mg l -1. Zdroje živin v povodí nádrže Lipno a retence živin v tocích Množství celkového P a N, která se dostávala do recipientů v povodí lipenské nádrže v období 1998 1999, byla stanovena na základě údajů o počtech obyvatel a rekreantů, jejich napojení na kanalizaci a účinnosti čištění (komunální bodové zdroje) a z regresních vztahů (1) a (3), ve kterých byl parametr Sídla položen rovný nule (difúzní zdroje). Podle těchto odhadů se v průměru dostávalo do toků 38 t ročně. Podíl komunálních odpadních vod byl 36%, přičemž na prací prostředky připadala z tohoto podílu přibližně třetina a na lidskou fyziologickou produkci dvě třetiny.v rámci plošných zdrojů hrálo větší roli zatěžování toků fosforem z luk a pastvin (tři pětiny) než přírodní pozadí (dvě pětiny). Část fosforu z uvedeného množství se až do nádrže nedostala, ale byla zadržena během transportu v tocích. Odhad retence byl proveden porovnáním zdrojů fosforu v dílčím povodí nad profilem Vltava, Pěkná se skutečným stanoveným látkovým tokem v tomto profilu a činil 28 %. Obdobným způsobem byla vypočtena retence pro období 1991 1997, ve kterém byly k dispozici údaje o látkovém toku v profilu Pěkná (HEJZLAR 1998). V tomto období se retence pohybovala v rozmezí 23 29 %. Odhad zdrojů dusíku v letech 1998 1999 činil 780 t ročně. Podíl komunálních odpadních vod byl 8 %. V rámci difúzních zdrojů představovalo hlavní zdroj dusíku přírodní pozadí (77 %), kdežto odtok z polí a kulturních luk se podílel 15 %. Odhad retence dusíku během transportu v tocích, provedený stejnou metodou jako odhad retence fosforu, činil 15 % pro období 1998 1999 a pro období 1991 1997 se pohyboval v rozmezí 10 20 %. Závěry Odhady koncentrací živin v tocích v povodí nádrže Lipno v rámci přírodního pozadí byly: -P 0,010±0,006 mg l -1 (průměr ± standardní chyba odhadu při P = 95 %), celkový P 0,023±0,016 mg l -1, dusičnanový N 0,7±0,2 mg l -1, amoniakální N 0,02±0,01 mg l -1 a celkový N 1,5±0,3 mg l -1. Komunální bodové i difúzní zdroje velmi výrazně zvyšovaly koncentrace -P i celkového P a amoniakálního dusíku v odtoku z dílčích povodí. Přítomnost luk a pastvin v subpovodích zvyšovala statisticky průkazně, i když ve srovnání s komunálními zdroji velmi mírně, koncentrace P. Orná půda a kulturní louky v subpovodích způsobovaly velký nárůst koncentrací dusičnanového a celkového N. Odhady průměrné roční retence v tocích nad nádrží Lipno byly pro celkový P 26±3% a pro celkový N 15±5%. Poděkování. Tato práce vznikla za podpory GA ČR grant č. 103/98/0281, GA AV ČR grant č. S6017004 a Povodí Vltavy a.s. smlouva č. 820159/1999. 85
Literatura HEJZLAR J., 1998: Jakost vody v nádrži Lipno v letech 1991 1997 a prognóza jejího dalšího vývoje. Hydrobiologický ústav AV ČR, České Budějovice, 31. HEJZLAR J., ŽALOUDÍK J., HLADÍK M. & ZNACHOR P., 2000: Zhodnocení jakosti vody v nádrži Lipno a bilance živin v období 1998 1999. Hydrobiologický ústav AV ČR, České Budějovice, 33. HEJZLAR J., HLADÍK M., RŮŽIČKA M. & ROHLÍK V., 2001: Scénářová studie pro snížení eutrofizace nádrže Lipno. (tento sborník) KOPÁČEK J. & HEJZLAR J., 1998: Water chemistry of surface tributaries to the acidified mountain lakes in the Bohemian Forest. Silva Gabreta, 2: 175 197. KOPÁČEK J., VESELÝ J. & HEJZLAR J., 1998: Bedrock and soil compositions: Crucial factors governing phosphorus input and trophic status of forest lakes in Bohemian Forest. Acta Universitatis Carolinae Geologica, 42: 55 59. NESMĚRÁK I., 1994: Města a obce jako zdroj celkového fosforu. VTEI 36: 45 52. NOVÁK M., 1968: Údolní nádrž Lipno geograficko-limnologická studie. VÚV Praha, Práce a studie, sešit č. 122, Praha, 162 s. RAK M. (ED.), 1993: Odhad bilance do toků vypouštěných nutrientů a těžkých kovů z bodových zdrojů znečištění v povodí Labe v letech 1991/92. ASTACUS, Praha. 86