Kalkulator do bilansowania NPK w skali gospodarstwa rolnego

PRODUKTY i METODY „EnviAgri”

Kalkulator do bilansowania NPK w skali gospodarstwa rolnego –BILANS SKŁADNIKÓW NAWOZOWYCH METODĄ „U BRAMY GOSPODARSTWA”

Wstęp

Gospodarstwo rolne jest podstawową jednostką organizacyjną w rolnictwie. Produkowana jest w nim żywność oraz surowce dla przemysłu. W procesie produkcji rolnej angażuje się duże ilości składników nawozowych, z których tylko część zostaje przetworzona na produkty roślinne i zwierzęce. Część niewykorzystana, czy też tracona w produkcji, jest kumulowana w glebie bądź migruje do wód powierzchniowych i podziemnych oraz do atmosfery. Straty składników nawozowych wywołują negatywne skutki gospodarcze (zmniejszenie produkcji, większe nakłady na środki produkcji) oraz stwarzają zagrożenie dla środowiska naturalnego. Dla środowiska szczególnie niebezpieczne są związki azotu i fosforu rozpraszane na skutek produkcji rolnej w następstwie takich zjawisk, jak:

• spływ powierzchniowy,

• spływ podpowierzchniowy (śródpokrywowy),

• erozja wodna i wietrzna (przenoszenie przez wodę i wiatr związków azotu i fosforu wraz
  z cząstkami gleby);

• wymywanie (przesiąk);

• emisje gazowych form azotu: amoniak, tlenki azotu (II i IV) i ich depozycja (wnoszenie)
  z opadami atmosferycznymi.

Straty składników nawozowych są zjawiskiem nieuniknionym, jednak zarówno
ze względu na wymogi ochrony środowiska, jak i ekonomikę produkcji należy je w jak największym stopniu ograniczać. Istnieje zatem potrzeba kształtowania warunków prowadzenia produkcji w gospodarstwie rolnym w sposób zapewniający efektywne gospodarowanie składnikami nawozowymi, w czym pomocne mogą być bilanse składników nawozowych, wykonywane metodą „u bramy gospodarstwa”. Na ich postawie, a zwłaszcza na podstawie bilansu azotu i fosforu, można wyciągnąć wiele praktycznych wniosków służących zmniejszeniu presji produkcji rolnej na środowisko oraz poprawie ekonomii gospodarowania. To ostatnie wynika m.in. z faktu, że efektywniejsze wykorzystanie składników nawozowych przyczynia się w konsekwencji do mniejszych wydatków
na nawozy mineralne bądź pasze. W związku z powyższym, uzasadnione jest szerokie upowszechnienie wymienionej metody, przede wszystkim wśród wykwalifikowanych rolników i doradców rolniczych.

Bilanse składników nawozowych metodą „u bramy gospodarstwa” są najczęściej obliczane w odniesieniu do azotu, fosforu i potasu. Reguły ich sporządzania są takie same,
z tym, że w przypadku azotu obejmują one więcej elementów (co wynika z większej liczby źródeł wnoszenia azotu do gospodarstwa, np. przez rośliny bobowate (motylkowate).

Ogólna koncepcja bilansu składników nawozowych metodą „u bramy gospodarstwa”

Metoda bilansowania składników nawozowych metodą „u bramy gospodarstwa” została opisana w pracy Pietrzaka [2013]. Dla potrzeb projektu „EnviAgri”, metodę tą zmodyfikowano wprowadzając w niej zmiany polegające w szczególności na: /i/ znowelizowaniu i rozszerzeniu zakresu wskaźników zawartości NPK w nawozach mineralnych, w paszach przemysłowych oraz ich uaktualnieniu w opadzie atmosferycznym, /ii/ rozbudowie bazy zawartości NPK w ziemiopłodach poprzez dodanie w niej nowych gatunków roślin, /iii/ udoskonaleniu metody obliczania wnoszenia azotu przez rośliny bobowate oraz zmiany stanu składników nawozowych w materiałach i surowcach do produkcji rolnej oraz produktach wytwarzanych w ciągu roku.

Koncepcja bilansu składników nawozowych metodą „u bramy gospodarstwa” polega na wyznaczeniu różnicy między ilością składników wnoszonych do gospodarstwa a ilością składników z niego wyprowadzanych, tj. między stronami bilansu tworzącymi jego przychód i rozchód - rys. 1.

Rys. 1. Schemat bilansu składników nawozowych metodą „u bramy gospodarstwa”. Źródło: opracowanie własne

Przychód stanowi masa składników nawozowych wnoszonych do gospodarstwa w wyniku:

1. zakupu:

• nawozów mineralnych;

• pasz przemysłowych;

• zwierząt do chowu;

• innych środków do produkcji rolnej, np.: nawozów naturalnych, słomy, materiału siewnego;

2. wiązania biologicznego przez rośliny bobowate w uprawach polowych i na trwałych użytkach zielonych (dotyczy azotu);

3. opadu atmosferycznego;

4. wiązania przez glebowe drobnoustroje niesymbiotyczne (dotyczy azotu).

Rozchód stanowi natomiast masa składników nawozowych wynoszonych z gospodarstwa w wyniku:

1. sprzedaży produktów:

• roślinnych (zboża, ziemniaki, buraki cukrowe, rzepak, owoce, warzywa i in.),

• zwierzęcych (zwierzęta żywe, mleko, jaja, wełna i in.);

2. zdarzeń losowych, jak upadki zwierząt (w sytuacji przekazania ich do utylizacji), zniszczenie plonu (np. w wyniku pożaru czy zmycia przez wodę).

Różnica między ilością składników nawozowych wprowadzoną do gospodarstwa i z niego wyprowadzoną tzn. między ich przychodem i rozchodem nazywana jest nadmiarem, nadwyżką albo saldem bilansu (niekiedy też stratami). Nadmiar składników nawozowych informuje, jaka ich ilość nie została wykorzystana do wytworzenia produktów rolnych w gospodarstwie i uległa rozproszeniu do środowiska.

Równanie bilansu składników nawozowych „u bramy gospodarstwa” w ujęciu matematycznym można zapisać następująco:

gdzie:

• M_wno - ilość składników wniesionych do gospodarstwa, kg;

• M_wyn - ilość składników wyniesionych z gospodarstwa z produktami rolnymi, kg;

• M_str - nadmiar składników, kg.

W równaniu bilansu:

gdzie:

• m_n - ilość składników wniesiona z nawozami mineralnymi, kg;

• m_p - ilość składników wniesiona z paszami przemysłowymi, kg;

• m_x - ilość składników wniesiona w innych zakupionych środkach do produkcji rolnej, kg;

• m_o - ilość składników wniesiona z opadem atmosferycznym, kg;

• m_m - ilość azotu (nie dotyczy fosforu i potasu) wniesionego przez rośliny bobowate, kg;

• m_g - ilość azotu (nie dotyczy fosforu i potasu) wniesionego przez niesymbiotyczne mikroorganizmy glebowe, kg;

• m_s - ilość składników wyniesionych w sprzedanych produktach, kg;

• m_v - ilość składników wyniesionych w wyniku zdarzeń losowych, kg.

Z powyższego wynika wzór na nadmiar składników nawozowych:

lub:

Wartości parametrów równania są wyznaczane w odniesieniu do roku kalendarzowego, w oparciu o dane pośrednie określające strumienie dopływu składników nawozowych do gospodarstwa oraz dane dotyczące masy towarowej produktów rolnych wyprowadzonych poza nie, przy wykorzystaniu zestawu wskaźników służących do konwersji surowych danych mierzalnych do postaci wyrażających je ilością N, P i K. Sposób prowadzenia w tym zakresie obliczeń podano poniżej.

Obliczanie masy składników nawozowych wnoszonych do gospodarstwa

1. Ilość składników wnoszonych w nawozach mineralnych

Ilość azotu, fosforu lub potasu wniesionych do gospodarstwa w nawozach mineralnych, oblicza się sumując iloczyny masy zakupionych nawozów przez odpowiadającą im zawartość N, P lub K w nawozie.

2. Ilość składników wnoszonych z paszami przemysłowymi

Ilość składników nawozowych wniesionych z paszami przemysłowymi oblicza się, sumując iloczyny masy zakupionych pasz i odpowiadające im, zawartości azotu fosforu i potasu w paszy.

3. Ilość składników wnoszonych w zakupionych zwierzętach do chowu

Ilość azotu, fosforu lub potasu, które zostały wniesione do gospodarstwa w zakupionych zwierzętach do chowu, oblicza się, sumując iloczyny masy zakupionych zwierząt i odpowiadające im zawartości N, P lub K w organizmach zwierząt.

4. Ilość składników wnoszonych w nawozach naturalnych

Ilość azotu, fosforu lub potasu, które wniesiono do gospodarstwa w nawozach naturalnych, oblicza się, sumując iloczyny masy zakupionych nawozów i odpowiadającej im zawartości N, P lub K w nawozie.

5. Ilość składników wnoszonych w innych zakupionych materiałach do produkcji rolnej

Do innych zakupywanych przez gospodarstwa rolne produktów i surowców zawierających składniki nawozowe należą m.in.: pasze objętościowe (np. siano, kiszonki), pasze białkowe (np. soja, rzepak, otręby), pasze energetyczne (np. śruty zbożowe, wysłodki buraczane), materiał siewny, słoma. Ilość składników w nich wniesionych oblicza się, sumując iloczyny masy zakupionych produktów (surowców) i odpowiadającej im zawartości N, P i K.

6. Ilość składników wnoszonych w opadzie atmosferycznym

Masę składników nawozowych wnoszonych do gospodarstwa w opadzie atmosferycznym oblicza się, mnożąc powierzchnię użytków rolnych gospodarstwa przez ładunek N, P i K wnoszonych na hektar powierzchni w opadzie atmosferycznym.

7. Ilość azotu wnoszonego przez rośliny motylkowate

Ilość azotu zasymilowanego przez bakterie brodawkowe oblicza sie jako sumę iloczynów powierzchni upraw roślin motylkowatych w gospodarstwie, plonu ich części nadziemnych (w zielonej masie) i wskaźnika symbiotycznego wiązania azotu.

8. Ilość azotu wnoszonego przez mikroorganizmy glebowe

Masę azotu wnoszonego przez drobnoustroje niesymbiotyczne oblicza się, mnożąc powierzchnię użytków rolnych gospodarstwa przez wskaźnik charakteryzujący ilość azotu wnoszonego przez te drobnoustroje.

Obliczanie ilości składników nawozowych wynoszonych z gospodarstwa

9. Ilość składników wynoszonych w sprzedanych produktach zwierzęcych

Ilość składników wynoszonych z gospodarstwa w sprzedanych produktach zwierzęcych oblicza się, sumując iloczyny masy sprzedanych zwierząt i produktów zwierzęcych przez odpowiadającą im zawartości składników nawozowych.

10. Ilość składników wynoszonych w sprzedanych produktach roślinnych

Ilość składników wynoszonych z gospodarstwa w sprzedanych produktach roślinnych oblicza się, sumując iloczyny masy sprzedanych ziemiopłodów przez odpowiadającą im zawartości składników nawozowych.

Do masy składników wynoszonych z gospodarstwa w sprzedanych produktach rolnych należy dodać ewentualną masę składników wynoszonych w wyniku zdarzeń losowych nieprzewidywalnych i niezależnych od woli człowieka). Mogą to być upadki zwierząt (padłe zwierzęta oddaje się do utylizacji), zniszczenie plonu przez pożar czy jego zmycie przez wody powodziowe, gdy następuje wyniesienie składników nawozowych poza gospodarstwo. Ilości wyniesionych w ten sposób składników oblicza się, sumując iloczyny masy produktów utraconych w wyniku wypadków losowych i odpowiadające im zawartości N, P i K, jak w przypadku produktów sprzedanych.

Zmiana stanu składników nawozowych w materiałach i surowcach do produkcji rolnej oraz produktach wytwarzanych w ciągu roku

11. Zmiana ilości N, P i K w nawozach w ciągu roku (nawozy mineralne i naturalne)

12. Zmiana ilości N, P i K w paszach w ciągu roku (pasze treściwe, soczyste, objętościowe, zboże)

13. Zmiana ilości N, P i K zakumulowanych w inwentarzu w ciągu roku

W celu oszacowania zmiany ilości składników nawozowych w będących na stanie gospodarstwa nawozach, paszach czy inwentarzu należy:

• obliczyć różnicę masy wymienionych zasobów produkcyjnych na końcu i na początku roku;

• wyniki odejmowania uzyskane dla poszczególnych zasobów pomnożyć przez odpowiednią zawartość N, P i K.

Obliczanie nadmiaru azotu, fosforu i potasu oraz efektywności wykorzystania tych składników

14. Nadmiar i efektywność wykorzystania N, P i K

Po oszacowaniu wszystkich składowych bilansu kalkulator oblicza całkowite nadmiary azotu, fosforu i potasu, nadmiary jednostkowe tych składników jako stosunek nadmiaru całkowitego do powierzchni użytków rolnych gospodarstwa oraz efektywność ich wykorzystania. Efektywność wykorzystania składników nawozowych jest to wyrażony w procentach stosunek ich ilości wyniesionej z gospodarstwa i ilości wniesionej do niego. Efektywność tę oblicza się w celu określenia, w jakim stopniu wprowadzone do gospodarstwa składniki nawozowe są zużywane bezpośrednio na cele produkcyjne.

Interaktywna aplikacja (kalkulator) do bilansowania NPK w skali gospodarstwa rolnego

W oparciu o omówioną wyżej metodę, naukowcy z Instytutu Oceanologii Polskiej Akademii Nauk w Sopocie stworzyli interaktywne narzędzie (kalkulator) do bilansowania NPK w skali gospodarstwa rolnego. Działa ono jako niezależna aplikacja przeznaczona do obliczania przychodu i rozchodu składników odżywczych, a następnie wylicza nadwyżkę lub deficyt danego składnika (N, P, K) oraz oblicza efektywność wykorzystania tych składników w gospodarstwie. Program zawiera potrzebne do realizacji obliczeń wskaźniki. Użytkownik wprowadza do kalkulatora:

• obszar gospodarstwa w hektarach (bezpośrednie obliczenia w kalkulatorze oraz szacowanie ilości azotu dostarczanego przez mikroorganizmy glebowe);

• nazwę województwa, w którym funkcjonuje gospodarstwo (służy do szacowania ilości azotu dostarczanego z opadem atmosferycznym);

• dane dotyczące masy surowców wnoszonych do gospodarstwa rolnego, takich jak nawozów mineralne, pasze przemysłowe; zwierzęta do chowu, innych środki do produkcji rolnej, np.: nawozy naturalnych, słoma, materiału siewny;

• powierzchnię, rodzaj i udział %-owy roślin bobowatych (motylkowych) w uprawie (jeśli występują);

• dane dotyczące ilość produktów wynoszonych z gospodarstwa w sprzedawanych produktach zwierzęcych i roślinnych;

• dane dotyczące zmiana stanu magazynowego nawozów w ciągu roku nawozów i pasz oraz zmiany stanu inwentarza.

Po wybraniu każdego parametru i wybranej ilości dane są automatycznie ustawiane na wejściu (przychód, rozchód) i wyjściu (nadwyżka lub deficyt).

Interpretacja wyników bilansów N i P sporządzonych metodą „u bramy gospodarstwa”

Ocenę wyników bilansowania azotu metodą „u bramy gospodarstwa” można oprzeć na wartościach referencyjnych minimalnych efektywności wykorzystania azotu (ang. (Nitrogen Use Efficiency - NUE) zaproponowanych przez grupę roboczą Platformy ds. zrównoważonego finansowania (ang. Platform on Sustainable Finance) Komisji Europejskiej. W zależności od rodzaju gospodarstw minimalne limity efektywności wykorzystania N ustalono w sposób następujący [PSF 2022]:

• gospodarstwa prowadzące produkcję roślinną (uprawy roślinne) – NUE = 70%;

• gospodarstwa prowadzące produkcję mieszaną obejmujące uprawy roślinne i chów zwierząt ziarnożernych (takich jak trzoda chlewna czy drób - opiera się na żywieniu paszami zbożowymi i roślinnymi) - NUE = 40%;

• gospodarstwa prowadzące produkcję mieszaną obejmujące uprawy roślinne i chów przeżuwaczy - NUE = 30%

Aktualnie brak jest liczb granicznych dotyczących salda bilansu azotu.

W odniesieniu do bilansu fosforu wyznaczonego metodą „u bramy gospodarstwa” jako punkt odniesienia oceny jego wyników można przyjąć nadmiar fosforu na poziomie 5,5 kg P·ha⁻¹·rok⁻¹. Uzasadniają to wyniki badań Jordana i in. [2024], którzy stwierdzili, że generowany przez gospodarstwa rolne nadmiar P o podanej wartości nie stanowi zagrożenia dla wód powierzchniowych.

Nadmienić należy, że ze względu na warunki pogodowe, wahania plonów, zmiany praktyk zarządzania i inne czynniki, mogą występować duże różnice w saldach bilansów NPK sporządzony dla gospodarstw w kolejnych latach. Dlatego rekomenduje się śledzenie i porównywanie sald bilansów nie w okresach rocznych, ale w wymiarze kilkuletnim, a najlepiej przynajmniej z uwzględnieniem średniej ruchomej z trzech lat (tj. suma sald z trzech ostatnich lat podzielona prze przez trzy) [PSF 2022; HELCOM 2024].

Literatura

1. HELCOM 2024. Guidelines on fertilisation planning and nutrient accounting. [Dostęp: 07.08.2026]. Dostępny w internecie: https://helcom.fi/wp-content/uploads/2024/02/Guidelines-on-fertilization-planning-and-nutrient-accounting.pdf.

2. Jordan P., McElarney Y., Cassidy R. 2024. The farmgate phosphorus balance as a measure to achieve river and lake water quality targets. Journal of Environmental Management, V. 372, Article no. 123427. DOI: 10.1016/j.jenvman.2024.123427

3. Pietrzak S. 2013. Sporządzanie bilansów składników nawozowych metodą „u bramy gospodarstwa”. W: Ulén B., Pietrzak S., Tonderski K., 2013 (red.). Samoocena gospodarstw w zakresie zarządzania składnikami nawozowymi i oceny warunków środowiskowych. Falenty: ITP. s. 7-33.

4. PSF (Platform on Sustainable Finance) 2022. Platform on Sustainable Finance: Technical Working Group – Supplementary: Methodology and Technical Screening Criteria. [Dostęp: 07.08.2026]. Dostępny w internecie:

https://finance.ec.europa.eu/system/files/2022-11/221128-sustainable-finance-platform-technical-working-group_en.pdf (s. 57).

Opracowanie wykonał:

Stefan Pietrzak

Instytut Technologiczno-Przyrodniczy – Państwowy Instytut Badawczy