Περιβαλλοντικές επιπτώσεις μεγάλης δυναμικότητας κτηνοτροφικών εκμεταλλέυσεων στο γειτνιάζον μεσογειακό οικοσύστημα

Abstract

Μία από τις κυριότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις των πτηνο-κτηνοτροφικών μονάδων μεγάλης δυναμικότητας (Concentrated Animal Feeding Operations, CAFOs), είναι η υποβάθμιση του γειτνιάζοντος επιφανειακού εδάφους, εξαιτίας της ατμοσφαιρικής εναπόθεσης αμμωνιακού αζώτου (ΝΗ3-Ν), το οποίο εκπέμπεται από τα διάφορα στάδια της ζωικής παραγωγής. Επίσης η πάγια τακτική της εδαφικής εφαρμογής των επεξεργασμένων ζωολυμάτων (εντός του οικοπέδου των CAFOs) προκαλεί υποβάθμιση των υπογείων υδάτων, ιδιαίτερα όταν τα εδάφη έχουν αμμώδη υφή (μεγάλη υδατοδιαπερατότητα). Τα παραπάνω δεδομένα προέρχονται από έρευνες που εκπονήθηκαν σε ψυχρές περιοχές της βόρειας Ευρώπης και βόρειας Αμερικής. Στις περιοχές αυτές οι αέριες εκπομπές ΝΗ3-Ν από τα CAFOs είναι σαφώς μικρότερες από αυτές που παρατηρούνται σε θερμότερα κλίματα (π.χ. Μεσογειακά οικοσυστήματα), ενώ το έδαφος είναι όξινο με συμπαγές βραχώδες υπόστρωμα. Τα εδάφη στο Μεσογειακό χώρο και ιδιαίτερα στην Ελλάδα, είναι ως επί το πλείστον ουδέτερα ή ελαφρώς αλκαλικά, με εντόνως διαρρηγμένα βραχώδη υποστρώματα. Στα εδάφη με pH άνω του 7, το αμμωνιακό άζωτο διαφεύγει ευκολότερα στην ατμόσφαιρα και με αυτόν τον τρόπο αποτρέπεται η εδαφική συσσώρευση αζώτου. Όμως είναι πολύ πιθανόν η εικόνα αυτή να ανατρέπεται όταν η ποσότητα του εναποτιθέμενου ΝΗ3-Ν είναι υψηλή. Οι επιπτώσεις της ατμοσφαιρικής εναπόθεσης ΝΗ3-Ν, εκπεμπόμενου από CAFOs, στα γειτνιάζοντα εδάφη και η υποβάθμιση των υπογείων υδάτων από την εδαφική εφαρμογή ζωολυμάτων (ιδιαίτερα όταν υπάρχει γεωλογικό ρήγμα στο πεδίο εφαρμογής), δεν έχει ερευνηθεί επαρκώς υπό συνθήκες πεδίου στα Μεσογειακά οικοσυστήματα και αυτός είναι ο στόχος της παρούσας διατριβής. Επιλέχθηκαν δύο χοιροτροφικές μονάδες μεγάλης δυναμικότητας (Intensive Hog Farming Operations, IHFOs). H πρώτη βρίσκεται σε παράκτια ασβεστολιθική περιοχή του Λατζιμά Ρεθύμνης, ενώ η δεύτερη βρίσκεται σε ημιορεινή ασβεστολιθική περιοχή της Κυνουρίας Αρκαδίας. Τα δύο αυτά CAFOs επιλέχθηκαν με βάση τα εξής κριτήρια: - Έχουν πολύ υψηλή δυναμικότητα (> 1.000 ζωικές μονάδες). - Είναι απομονωμένες από άλλες πηγές ρύπανσης. - Διαθέτουν σύγχρονα συστήματα επεξεργασίας αποβλήτων. Δείγματα επιφανειακού εδάφους (0-30 cm βάθος) ελήφθησαν σε διάφορες αποστάσεις και κατευθύνσεις από τα όρια των δύο χοιροτροφικών μονάδων. • Δεκατρείς κύκλοι δειγματοληψίας πραγματοποιήθηκαν πλησίον του IHFO στο Λατζιμά Ρεθύμνης (Μάρτιος 2009 - Οκτώβριος 2010). Τα εδαφικά δείγματα αναλύθηκαν: - Ως προς τις τιμές του pΗ και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας (ΗΑ), - ως προς τις συγκεντρώσεις του ανταλλάξιμου ΝΗ4+-Ν, ΝΟ3--Ν, Ca2+, Mg2+, Κ+, Na+, Al3+, Fe3+ και Μη2+, - ως προς τις συγκεντρώσεις του υδατοδιαλυτού ΝΗ4+-Ν, Ca2+, Mg2+, Κ+, Na+, Al3+, Fe3+/Fe2+ και Μη2+ και - ως προς τις συγκεντρώσεις του ολικού Ca, Mg, Κ, Na, ΑΙ, Fe και Μη. • Εννέα κύκλοι δειγματοληψίας πραγματοποιήθηκαν πλησίον του IHFO στην Κυνουρία Αρκαδίας (Ιανουάριος 2011 - Δεκέμβριος 2011). Τα εδαφικά δείγματα αναλύθηκαν: - Ως προς τις τιμές του pH και της ΗΑ και - ως προς τις συγκεντρώσεις του ανταλλάξιμου NH4+-N και NO3--N. Δείγματα υπόγειου ύδατος ελήφθησαν πλησίον του IHFO στο Λατζιμά Ρεθύμνης από το παρακείμενο δίκτυο 7 γεωτρήσεων, το οποίο χρησιμοποιείται για ύδρευση και άρδευση και είναι σε λειτουργία από τη δεκαετία του 1970. • Δεκαοκτώ κύκλοι δειγματοληψίας πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια τριών ετών (Μάρτιος 2009 - Φεβρουάριος 2012). Τα δείγματα υπόγειου ύδατος αναλύθηκαν: - Ως προς τις τιμές της ΗΑ και - ως προς τις συγκεντρώσεις των ΝΗ4+-Ν, ΝΟ2--Ν, ΝΟ3--Ν, SO42-, Κ+, Na+, Cl-, ΡΟ43--Ρ, Ca2+, Mg2+, Fe3+/Fe2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+ και Νί2+, καθώς τα στοιχεία N, S, K, Na, Cl, P, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn και Ni περιέχονται στα επεξεργασμένα ζωολύματα. Τα πιο ενδιαφέροντα συμπεράσματα που σχετίζονται με τις αζωτούχες ενώσεις (ΝΗ4+-Ν, ΝΟ3--Ν), το pH, την ΗΑ και το Ca, Mg, K, Na, Al, Fe και Mn στο επιφανειακό Μεσογειακό έδαφος είναι τα εξής: 1. Οι υψηλές εκπομπές ΝΗ3-Ν από τα CAFOs, οδηγούν σε υψηλές εδαφικές συγκεντρώσεις ανταλλάξιμου και υδατοδιαλυτού Ν πλησίον των ορίων της μονάδας (ανεξάρτητα του προσανατολισμού), μέσω της διαδικασίας της ξηρής ή/και υγρής εναπόθεσης του ΝΗ3-Ν. Στο Λατζιμά Ρεθύμνης παρατηρείται αύξηση της εδαφικής συγκέντρωσης του ανταλλάξιμου Ν έως ~ 3.036 %, ενώ στην Κυνουρία Αρκαδίας έως ~ 184 %, προσεγγίζοντας τα όρια των μονάδων κατά την κύρια κατεύθυνση των ανέμων (0,47 - 14,74 mmol ανταλλάξιμου N Kg-1 εδάφους στο Λατζιμά Ρεθύμνης και 2,57 - 7,3 mmol ανταλλάξιμου N Kg-1 εδάφους στην Κυνουρία Αρκαδίας). 2. Οι μέσες εδαφικές συγκεντρώσεις του ανταλλάξιμου ΝΗ4+-Ν και ΝΟ3--Ν, συσχετίζονται γραμμικά εξαιτίας της ταχείας νιτροποίησης του εναποτιθέμενου ΝΗ3-Ν στο έδαφος. 3. Οι μέσες εδαφικές συγκεντρώσεις του ανταλλάξιμου ΝΗ4+-Ν και ΝΟ3--Ν, τείνουν να αυξάνουν πιο έντονα προσεγγίζοντας τα όρια του CAFO κατά την κύρια κατεύθυνση των ανέμων. 4. Η διαφορά δυναμικότητας των CAFOs, όταν οι εδαφικές και κλιματολογικές συνθήκες είναι παραπλήσιες, ευθύνεται για τις διαφορές στις εδαφικές συγκεντρώσεις του ανταλλάξιμου Ν, που παρατηρείται στις ίδιες αποστάσεις από τα όρια της εκάστοτε μονάδας. 5. Η νιτροποίηση του ΝΗ4+-Ν, η οποία λαμβάνει χώρα μετά από την εναπόθεση του εκπεμπόμενου ΝΗ3-Ν, προκαλεί μείωση του επιφανειακού εδαφικού pH (μείωση 0,9 μονάδων στο Λατζιμά Ρεθύμνης και μείωση 0,4 μονάδων στην Κυνουρία Αρκαδίας). Επίσης η συσσώρευση του ΝΗ4+-Ν και NO3--Ν, είναι ο κύριος λόγος της αύξησης της ΗΑ του επιφανειακού εδάφους (αύξηση 128 μS cm-1 στο Λατζιμά Ρεθύμνης και αύξηση 39 μS cm-1 στην Κυνουρία Αρκαδίας). 6. Οι μέσες συγκεντρώσεις του ανταλλάξιμου ΝΗ4+-Ν και οι μέσες τιμές του pH και της ΗΑ στο επιφανειακό έδαφος, συσχετίζονται γραμμικά αποδεικνύοντας το σημαντικότατο ρόλο του ΝΗ4+-Ν στη μεταβολή αυτών των παραμέτρων. 7. Η υψηλή ατμοσφαιρική εναπόθεση ΝΗ3-Ν στα επιφανειακά εδάφη πλησίον των ορίων του CAFO, οδηγεί σε έκπλυση των Ca2+, Mg2+ και Κ+, σε κινητοποίηση των Al3+, Fe3+ και Mn2+ και σε απώλεια δομής των εδαφικών ορυκτών. 8. Οι μέσες συγκεντρώσεις του ανταλλάξιμου ΝΗ4+-Ν και οι μέσες συγκεντρώσεις των ανταλλάξιμων Ca2+, Mg2+, Κ+, Al3+, Fe3+ και Mn2+ στο επιφανειακό έδαφος, συσχετίζονται γραμμικά αποδεικνύοντας τον κύριο ρόλο του ΝΗ4+-Ν στην έκπλυση των βασικών κατιόντων και στην κινητοποίηση των μη βασικών κατιόντων. 9. Όταν το CAFO γειτνιάζει με τη θάλασσα, οι συγκεντρώσεις του εδαφικού Na δεν μεταβάλλονται σε συνάρτηση με την απόσταση από τα όρια της μονάδας, εξαιτίας της ατμοσφαιρικής εναπόθεσης NaCl. 10. Η ατμοσφαιρική εναπόθεση του εκπεμπόμενου ΝΗ3-Ν δεν φαίνεται να προκαλεί μείωση της εδαφικής γονιμότητας, λόγω της επαρκούς διαθεσιμότητας των βασικών κατιόντων στο εδαφοδιάλυμα. 11. Οι μειωμένες εδαφικές συγκεντρώσεις του ανταλλάξιμου Ca2+ (έως 39 %), Mg2+ (έως 61 %) και Κ+ (έως 48 %), καθώς και οι αυξημένες εδαφικές συγκεντρώσεις του ανταλλάξιμου Al3+ (έως 109 %), Fe3+ (έως 22 %) και Mn2+ (έως 113 %) προσεγγίζοντας τα όρια του CAFO, κατά την κύρια κατεύθυνση των ανέμων, στο Λατζιμά Ρεθύμνης είναι το σημαντικότερο συμπέρασμα της παρούσας διατριβής. Αποτελεί την πρώτη πειραματική απόδειξη ότι η υπερβολικά υψηλή εναπόθεση ΝΗ3-Ν (λαμβάνοντας υπ’ όψιν την δυναμικότητα της μονάδας) μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την εδαφική συγκέντρωση των βασικών και μη βασικών κατιόντων σε ασβεστολιθικό αλκαλικό επιφανειακό έδαφος της Ελλάδας. Τα πιο ενδιαφέροντα συμπεράσματα που σχετίζονται με την ΗΑ, το ΝΗ4+-Ν, ΝΟ2--Ν και ΝΟ3--Ν, τα ιόντα SO42-, Κ+, Na+ και Cl-, το ΡΟ43--Ρ, καθώς και τα ιόντα Ca2+, Mg2+, Fe3+/Fe2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+ και Νί2+ του υπόγειου ύδατος σε Μεσογειακά οικοσυστήματα είναι τα εξής: 1. Όταν η επιφάνεια εφαρμογής των επεξεργασμένων ζωολυμάτων (εντός των CAFOs) είναι πολύ μικρή και περικλείει γεωλογικό ρήγμα, παρατηρείται σημαντική αύξηση της ΗΑ και των συγκεντρώσεων των ΝΗ4+-Ν, ΝΟ3--Ν, SO42-, K+, Na+, Cl-, PO43--P, Ca2+ και Mg2+ στα ύδατα των γεωτρήσεων προς τις οποίες ευνοείται η υπόγεια ροή των ρυπασμένων επιφανειακών υδάτων. Στο Λατζιμά Ρεθύμνης παρατηρείται αύξηση της ΗΑ έως ~ 141 % (814 - 1.965 μS cm-1) και αύξηση των συγκεντρώσεων των ΝΗ4+-Ν, ΝΟ3--Ν, SO42-, K+, Na+, Cl-, PO43--P, Ca2+ και Mg2+ έως ~ 14.667 % NH4+-N (0,06 - 8,86 mg l-1), έως ~ 950 % NO3--N (2,8 - 29,4 mg l-1), έως ~ 250 % SO42- (28 - 98 mg l-1), έως ~ 544 % K+ (2,3 - 14,8 mg l-1), έως ~ 245 % Na+ (27,2 - 93,7 mg l-1), έως ~ 291 % Cl- (73,4 - 287 mg l-1), έως ~ 800 % PO43--P (0,2 - 1,8 mg l-1), έως ~ 141 % Ca2+ (80,8 - 194,5 mg l-1) και έως ~ 174 % Mg2+ (18,4 - 50,4 mg l-1). 2. Μεγαλύτερες συγκεντρώσεις ΝΗ4+-Ν, ΝΟ3--Ν, SO42-, K+ και PO43--P, παρατηρούνται κατά τη διάρκεια της χειμερινής περιόδου στα ύδατα των επηρεασμένων γεωτρήσεων, εξαιτίας των κατακρημνίσεων οι οποίες υποβοηθούν στην έκπλυση του περιεχoμένου στα ζωολύματα, Ν, S, Κ και P. 3. Οι συγκεντρώσεις των ΝΟ2--Ν, Fe3+/Fe2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+ και Ni2+ στα ύδατα όλων των γεωτρήσεων, ήταν εξαιρετικά χαμηλές και δεν προέκυψαν διαφοροποιήσεις μεταξύ θερινής και χειμερινής περιόδου, εξαιτίας της ταχύτατης νιτροποίησης του ΝΗ4+-Ν σε ΝΟ3--Ν, η οποία ευνοείται σε Μεσογειακά οικοσυστήματα και την εύκολη προσρόφηση των βαρέων μετάλλων στα αλκαλικά εδάφη.

One of the main environmental impacts of Concentrated Animal Feeding Operations (CAFOs) is surface soil degradation due to the atmospheric deposition of NH3-N, which is emitted from the various stages of the process. Additionally, the discharge of treated animal wastewater on surface soil (within CAFO borders) leads to ground water degradation, especially when water permeability of these soils is very high. These findings were proved by previous studies, carried out in cold regions of north Europe and North America. In these regions the gaseous emissions of NH3-N from CAFOs are lower than those observed in warmer regions (e.g. Mediterranean ecosystems), while the soil is acidic with solid bedrock. The Mediterranean soils are usually neutral or slightly alkaline, with eroded bedrock. In these soil types, the ammonium nitrogen evaporates easily and therefore the accumulation of soil N is suspended. However, when the amount of the deposited NH3-N is excessive, this effect may stop. The impacts of atmospheric deposition of NH3-N, emitted from CAFOs, on vicinal soils and the degradation of groundwater due to the application of treated animal wastewater on surface soil (especially when there is a geological fault within CAFO borders), have not been investigated sufficiently under field conditions in Mediterranean ecosystems. This is the objective of the current thesis. Two Intensive Hog Farming Operations (IHFOs) were selected. The first IHFO is located at a coastal area with limestone soil, with sea to the north and hills to the south (Latzimas Rethymnon). The second IHFO is located at a semi-mountainous area with limestone soil (Kynouria Arcadia). The selection of these CAFOs was based on the following criteria: - High capacity (>1,000 animal units). - Isolation from other NH3-N sources. - Possession of modern wastewater treatment systems. Soil samples of the upper mineral soil (0-30 cm) were taken in various distances and directions from the IHFOs boundaries. • Thirteen sampling cycles were carried out close to IHFO in Latzimas Rethymnon (March 2009 - October 2010). The soil samples were analysed on: - pH and electrical conductivity (EC) values. - Concentrations of exchangeable NH4+-N, NO3--N, Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Al3+, Fe3+ and Mn2+. - Concentrations of water soluble NH4+-N, Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Al3+, Fe3+/Fe2+ and Mn2+. - Concentrations of total Ca, Mg, K, Na, Al, Fe and Mn. • Nine sampling cycles were carried out close to IHFO in Kynouria Arcadia (January 2011 - December 2011). The soil samples were analysed on: - pH and EC values. - Concentrations of exchangeable NH4+-N and NO3--N. Groundwater samples were taken from a 7 drillings close to IHFO boundaries in Latzimas Rethymnon. The drillings have been in operation since the 1970's. • Eighteen sampling cycles were carried out in the duration of 3 years (March 2009 - February 2012). The groundwater samples were analysed on: - EC values. - Concentrations of NH4+-N, NO2--N, NO3--N, SO42-, K+, Na+, Cl-, PO43--P, Ca2+, Mg2+, Fe3+/Fe2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+ and Ni2+. The most interesting conclusions, concerning soil NH4+-N, NO3--N, pH, EC, Ca, Mg, K, Na, Al, Fe and Mn in Mediterranean ecosystems, are: 1. High emission of NH3-N from CAFOs leads to high soil concentration of exchangeable and water soluble N at increasing proximity to the industry boundaries, through the process of dry or/and wet deposition of ΝΗ3-Ν. 2. Exchangeable NO3--N and exchangeable NH4+-N concentrations were correlated linearly, throughout the study site, due to rapid nitrification of deposited NH3-N on the soil. 3. Soil concentrations of exchangeable NO3--N and NH4+-N tend to increase more severely close to the farm boundaries that receive the prevailing winds. 4. The difference in CAFO capacity, when soil and climatic conditions are similar, leads to different soil concentrations of exchangeable N at same distances from the boundaries of each CAFO. 5. The nitrification of the deposited NH3-N leads to surface soil pH reduction. The accumulation of NH4+-N and NO3--N on surface soils leads to soil EC increase. 6. pH and EC values are correlated linearly with exchangeable NH4+-N concentrations in the surface soils indicating the major role of NH4+-N in the alteration of these soil parameters. 7. High NH3-N deposition on the surface soils close to CAFO boundaries leads to base cation depletion, non base cation mobilization and loss of mineral structure. 8. Soil exchangeable NH4+-N and soil exchangeable Ca2+, Mg2+, K+, Al3+, Fe3+ and Mn2+ concentrations were correlated linearly, throughout the study site, indicating the major role of NH4+-N in base cation depletion and non base cation mobilization. 9. When CAFO is adjacent to sea, the soil Na concentrations are not correlated with distance between the sampling positions and the CAFO boundaries, due to the atmospheric deposition of NaCl. 10. Atmospheric deposition of NH3-N which is emitted from CAFOs does not lead to reduction of soil fertility due to the adequate availability of base cations in soil solution. 11. The decreased concentrations of exchangeable Ca2+, Mg2+ and K+ and the increased concentrations of exchangeable Al3+, Fe3+ and Mn2+ at close proximity to the farm boundaries (according to prevailing wind directions) is the key finding of this study. This is the first experimental evidence that excessive atmospheric deposition of NH3-N (taking into consideration the CAFO capacity) can affect the exchangeable Ca2+, Mg2+, K+, Al3+, Fe3+ and Mn2+ concentration of limestone alkaline surface soils in Greece. The most interesting conclusions, concerning groundwater EC, NH4+-N, NO2--N, NO3--N, SO42-, K+, Na+, Cl-, PO43--P, Ca2+, Mg2+, Fe3+/Fe2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+ and Ni2+ in Mediterranean ecosystems, are: 1. When treated animal wastewater is discharged on small plots with geological fault (within CAFO borders), there is a significant increase of groundwater EC values and groundwater ΝΗ4+-Ν, ΝΟ3--Ν, SO42-, K+, Na+, Cl-, PO43--P, Ca2+ and Mg2+ concentrations in drillings which are affected by the subsurface flow of contaminated surface waters. 2. Higher concentrations of NH4+-N, NO3--N, SO42-, K+ and PO43--P in waters of drillings, which are affected by wastewater soil application, are observed during winter season. This happens due to precipitation, which assists in leaching of N, S, K and P contained in animal wastewater. 3. The groundwater concentrations of NO2--N, Fe3+/Fe2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+ and Ni2+ in all drillings are extremely low and no differences between summer and winter seasons are observed. These happen due to the rapid nitrification of NH4+-N to NO3--N, which is favored in Mediterranean ecosystems and the strong absorption of heavy metals in alkaline soils.