Kalkulator określania emisji amoniaku

PRODUKTY i METODY „EnviAgri”

Kalkulator określania emisji amoniaku –

METODA SZACOWANIA EMISJI AMONIAKU W GOSPODARSTWIE ROLNYM

Wstęp

Głównym źródłem emisji amoniaku (NH₃) do atmosfery jest produkcja rolna, a w szczególności produkcja zwierzęca. Szacuje się, że udział rolnictwa w całkowitej emisji amoniaku do atmosfery w Europie wynosi 80–90%. Pozostała część tej emisji pochodzi z przemysłu, gospodarstw domowych i naturalnych ekosystemów. Uwzględniając samo rolnictwo, ocenia się, że ponad 80% emisji tego gazu pochodzi z nawozów naturalnych, a reszta głównie z azotowych nawozów mineralnych stosowanych na użytkach rolnych. Emisja amoniaku z nawozów naturalnych zachodzi w następstwie mikrobiologicznego rozkładu zawartych w nich związków azotu. Najłatwiej rozkładalnym związkiem jest mocznik znajdujący się w największych ilościach w moczu zwierząt. Pod wpływem enzymu ureazy, który jest produkowany przez mikroorganizmy obecne w kale, mocznik ulega szybko przekształceniu w amoniak:

Rozkład złożonych kompleksów organicznych azotu w nawozach naturalnych następuje wolniej i rozciąga się na miesiące, a nawet lata. Na sumaryczne straty amoniaku z produkcji rolnej, składają się strumienie emisji tego związku z odchodów zwierząt gospodarskich w pomieszczeniach inwentarskich, z miejsc przechowywania nawozów naturalnych, w okresie ich stosowania na użytkach rolnych z kału i moczu zwierząt pozostawianych na pastwisku oraz z zastosowanych mineralnych nawozów zawierających azot - rys. 1.

Wyemitowany do atmosfery amoniak jest szybko z niej usuwany - w okresie od kilku godzin do kilku dni, i powraca na powierzchnię ziemi w formie opadu suchego lub mokrego (np. deszcz, mżawka, śnieg albo mgła). Głównym mechanizmem usuwania amoniaku z powietrza jest reakcja z kwasem siarkowym i azotowym. Reagując z tymi kwasami amoniak tworzy sole amonowe, siarczan amonu (NH₄)₂SO₄ i azotan amonu NH₄NO₃. Są one mniej lotne, tworzą cząsteczki i opadają na ziemię, jako depozycja sucha lub mokra. Sucha depozycja amoniaku występuje zazwyczaj w pobliżu źródeł jego emisji (w obrębie do ok. 1 km), natomiast mokra depozycja może mieć miejsce nawet w odległości setek kilometrów od tych źródeł.

Rys. 1. Źródła i miejsca generujące emisję amoniaku w ramach systemu produkcji rolnej. Źródło: opracowanie własne

Emisja amoniaku stanowi poważne źródło strat azotu w rolnictwie, co wpływa na zmniejszenie efektywności ekonomicznej produkcji rolnej powoduje i stwarza zagrożenie dla środowiska (przyczynia się do powstawania zakwaszenia gleby i wody oraz eutrofizacji ekosystemów wodnych i lądowych). Poza tym przyspiesza korozję konstrukcji metalowych i budowli oraz ma szkodliwy wpływ na organizm ludzki (pyły). W związku ze stwierdzonymi negatywnymi skutkami środowiskowymi i gospodarczymi wywoływanymi emisją amoniaku, potrzebne jest podejmowanie różnorodnych przedsięwzięć mających na celu jej ograniczenie, do czego niezbędna jest wiedza nt. wielkości tej emisji. Do jej określenia została opracowana procedura szacowania emisji amoniaku w gospodarstwie rolnym [Pietrzaka 2006]. Procedura ta oparta jest na zastosowaniu wskaźników przeliczeniowych charakteryzujących poziom emisji NH₃ z odchodów wydalanych przez 1 sztukę danego rodzaju zwierząt inwentarskich (z uwzględnieniem ich wieku, wydajności systemu utrzymania itp.) oraz z zastosowanych na użytki rolne mineralnych nawozów zawierających azot, w odniesieniu do 1 kg N w nawozie.

Wymienioną procedurę w uaktualnionej i rozszerzonej wersji, wykorzystali w ramach projektu EnviAgri naukowcy z Instytutu Oceanologii Polskiej Akademii Nauk w Sopocie do opracowania programu komputerowego służącego do szacowania emisji amoniaku na poziomie gospodarstwa rolnego. Według nowej wersji tej procedury możliwe jest szacowania emisji NH₃ na podstawie uogólnionych wskaźników oraz w sposób uściślony przy wykorzystaniu specyficznych dla danego gospodarstwa wskaźników NH₃ indywidualnie dla niego wyznaczonych. Poniżej przedstawiono opisy tych metod.

Szacowanie emisji amoniaku na podstawie uogólnionych wskaźników

Metoda szacowani emisji amoniaku na podstawie uogólnionych wskaźników bazuje na opracowanych oraz przyjętych z literatury wskaźnikach, które odzwierciedlają przeciętne warunki funkcjonowania rolnictwa. Przy wykorzystania tych wskaźników emisję amoniaku „E” w skali gospodarstwa rolnego wyznacza się poprzez:

1. obliczenie emisji NH₃ z produkcji zwierzęcej (z nawozów naturalnych), wg równania:

gdzie:

• Ez – emisja amoniaku z produkcji zwierzęcej, kg N-NH₃·rok^-1;

• p – liczba kategorii zwierząt (np. krowy, trzoda chlewna, konie, owce, drób);

• n_i – średnioroczna liczba zwierząt w danej kategorii;

• Wz_i – wskaźnik emisji amoniaku od pojedynczego zwierzęcia z danej kategorii, kg N-NH₃·zwierzę^-1·rok^-1;

2. obliczenie emisję NH₃ z produkcji roślinnej (powstającą w wyniku zastosowania mineralnych nawozów azotowych), wg równania:

gdzie:

• E_r – emisja amoniaku z produkcji roślinnej, kg N-NH₃·rok^-1;

• q – liczba rodzajów mineralnych nawozów azotowych (takich jak mocznik, saletra amonowa, itp.);

• m_i – masa azotu w zastosowanym nawozie danego rodzaju;

• Wr_i – wskaźnik emisji amoniaku z danego rodzaju nawozu, kg NH₃-N·(kg N_{zastosowanego w nawozie})^-1;

3. zsumowanie obliczonych emisje NH₃ z produkcji zwierzęcej i roślinnej:

Uściślona metoda szacowania emisji amoniaku ze źródeł rolniczych w gospodarstwie

Uściślona metoda szacowania emisji amoniaku uwzględnia specyfikę gospodarowania nawozami naturalnymi w poszczególnych gospodarstwach. Metoda ta obejmuje te same kroki postępowania jak te, które podano w punkcie 1 w podpunktach a); b) i c), z tym, że emisję NH₃ z produkcji zwierzęcej (z nawozów naturalnych) określa się poprzez wyznaczenie specyficznych dla danego gospodarstwa wskaźników emisji NH₃ dla poszczególnych zwierząt, zgodnie z wzorem:

gdzie:

• m_i1 – straty amoniaku z odchodów w budynku inwentarskim, kg N-NH₃ ·zwierzę^-1·rok^-1;

• mi₂ – straty amoniaku z nawozów naturalnych podczas magazynowania, kg N-NH₃·zwierzę^-1·rok^-1;

• m_i3 – straty amoniaku z nawozów naturalnych po zastosowaniu na użytki rolne, kg N-NH₃·zwierzę^-1·rok^-1;

• m_i4 – straty amoniaku z odchodów zwierząt na pastwisku, kg N-NH₃·zwierzę^-1·rok^-1;

przy czym:

gdzie:

• N_i – średnia masa azotu w odchodach wydalanych przez pojedyncze zwierzę w danej kategorii zwierząt gospodarskich w ciągu roku, kg N·zwierzę^-1·rok^-1;

• a – współczynnik strat amoniaku z odchodów w budynku inwentarskim, kg N-NH₃·kg N^-1;

• b – współczynnik strat amoniaku z nawozów naturalnych podczas magazynowania, kg N-NH₃·kg N^-1;

• c – współczynnik strat amoniaku z nawozów naturalnych podczas stosowania, kg N-NH₃·kg N^-1;

• d – współczynnik strat amoniaku z odchodów na pastwisku, kg N-NH₃·kg N^-1;

• k – współczynnik charakteryzujący udział odchodów wydalanych przez zwierzęta w ciągu roku w budynku inwentarskim (do jego określania służy oddzielny algorytm wbudowany do programu).

Informacje wspomagające analizę wyników badań emisji amoniaku

W zakresie dotyczącym szacowania emisji amoniaku z gospodarstw rolnych wg przyjętej metody, brak jest możliwości ustanowienia kryteriów oceny uzyskanej na jej podstawie wyników. Aktualnie pewne limity i regulacje w zakresie emisji amoniaku z produkcji rolnej opracowane zostały w Danii, Niderlandach i Niemczech. W szczególności są one ukierunkowane na ochronę siedlisk Natura 2000, jako że stan tych siedlisk jest nierozerwalnie związany z poziomem depozycji azotu (N), a tym samym z emisją amoniaku (z NH₃) pochodzącą z działalności rolniczej (w Europie stanowi >90% całkowitej emisji) bowiem ⅔ całości azotu wytrącanego w wyniku depozycji pochodzi z NH₃ [Jin i in. 2025]. Nadmierna depozycja n może prowadzić do negatywnych skutków ekologicznych, takich jak zakwaszenie gleby i wód, eutrofizacja zbiorników wodnych oraz utrata bioróżnorodności. W tym zakresie krytyczne wartości depozycji azotu dla siedlisk cennych przyrodniczo wahają się między 5 a 30 kg azotu na hektar rocznie. W większości przypadków zakres ten wynosi od 10 do 20 kg azotu na hektar rocznie, a w przypadku wrażliwych torfowisk od 5 do 10 kg azotu na hektar rocznie [Tanner i in. 2022]. Dla ekosystemów lądowych w Polsce wartości krytycznych ładunków azotu kształtują się poziomie 7,5-22,5 bądź 6,5-18,8 kg N·ha^-1·rok^-1, w zależności od metody ich wyznaczania [Geupel i in. 2022]¹.

Literatura

1. Geupel M., Loran C., Scheuschner T., Wohlgemuth, L. 2022. CCE Status Report 2022. Umweltbundesamt. https://doi.org/10.60810/openumwelt-6063.

2. Jin X., Behrens P., Erisman J.W., Mogollón J.M. 2025. Ammonia emissions from agricultural products at high resolution across Europe. Sci Data 12(10, 1493. https://doi.org/10.1038/s41597-025-05110-9.

3. Pietrzak S. 2006. Metoda inwentaryzacji emisji amoniaku ze źródeł rolniczych w Polsce i jej praktyczne zastosowanie. Woda Środowisko Obszary Wiejskie. t. 6 z. 1 (16) s. 319-334.

4. Tanner E., Buchmann, N., Eugster W. 2022. Agricultural ammonia dry deposition and total nitrogen deposition to a Swiss mire, Agriculture, Ecosystems & Environment, 336, 108009. https://doi.org/10.1016/j.agee.2022.108009.

Opracowanie wykonał:

Stefan Pietrzak

Instytut Technologiczno-Przyrodniczy – Państwowy Instytut Badawczy