Šedá vodní stopa pěstování sladovnického ječmene

ABSTRAKT

Zemědělství je celosvětově hlavním spotřebitelem sladké vody. Zároveň však přispívá k její kontaminaci prostřednictvím hnojiv a pesticidů. Tento článek se zaměřuje na koncept šedé vodní stopy (GWF) jako environmentálního ukazatele hodnotícího dopad zemědělské produkce na vodní zdroje. Studie analyzuje GWF pěstování sladovnického ječmene na ploše 9 674 ha v různých regio­nech České republiky (ČR). Zvláštní důraz je kladen na započtení pesticidů do výpočtu GWF, jelikož jejich vliv na sladkovodní ekosystémy a lidské zdraví může převyšovat dopad hnojiv. Analýza ukazuje, že nejvyšší GWF vykazují insekticidy, zejména deltamethrin, jehož GWF je o řád vyšší než u ostatních agrochemikálií. Studie podtrhuje důležitost zahrnutí pesticidů do budoucích hodnocení GWF, aby bylo možné lépe posoudit environmentální dopady zemědělské produkce a optimalizovat strategie udržitelného hospodaření s vodními zdroji. Zároveň studie diskutuje různé přístupy zahrnutí biologicky aktivních látek do modelů šedé vodní stopy.

ÚVOD

Zemědělství je největším spotřebitelem sladké vody na světě, přičemž představuje přibližně 70 % celkové spotřeby vodních zdrojů [1, 2]. Intenzivní zemědělské postupy zahrnující nadměrné používání pesticidů a hnojiv mají výrazný dopad na vodní ekosystémy v důsledku vymývání přebytků těchto látek do vodního prostředí. Vyplavování živin, zejména dusičnanů, do podzemních vod často přispívá k překročení povolených limitů pro pitnou vodu. V povrchových vodách zvýšený obsah dusičnanů podporuje růst fytoplanktonu, jehož dominantními složkami jsou řasy a sinice. Ty snižují obsah kyslíku ve vodě a následně vedou k hypoxii či anoxii. Tyto změny způsobují úbytek biologické rozmanitosti a mohou vést až k masivnímu úhynu vodních organismů [3].

Pesticidy, které se aplikují k ochraně plodin před škůdci a chorobami, pronikají do půdy i vodních útvarů, kde mohou ohrožovat vodní ekosystémy i lidské zdraví. Dlouhodobá expozice těmto látkám je spojována s narušením endokrinního systému, se zvýšeným rizikem rakoviny a dalšími zdravotními problémy [2]. Kontaminace vod pesticidy je problematická zejména kvůli jejich perzistenci a schopnosti šířit se vodním prostředím, čímž dochází k ovlivnění i oblastí vzdálených od jejich aplikace.

Pro kvantifikaci environmentálního dopadu zemědělství byly vyvinuty různé metody, včetně ekologické stopy [4], dusíkové stopy [5] a vodní stopy, konkrétně šedé vodní stopy (Grey Water Footprint, GWF) [6, 7]. Vodní stopa [8] se skládá ze tří složek. Modrá a zelená vodní stopa představují fyzický objem sladké vody spotřebované pro produkci výrobků. Spotřebou se myslí nedostupnost spotřebované vody jiným uživatelům v příslušném povodí a v dané časové periodě; tím se vodní stopa odlišuje od jiných environmentálních ukazatelů, jež vyjadřují jakékoli užití vody, bez ohledu na to, zda je dostupná pro další uživatele, či nikoli. Šedá vodní stopa představuje teoretický objem vody potřebný k naředění znečišťujících látek, které vstupují do vod, na úroveň splňující normy kvality vody v recipientu v daném místě. Představuje taktéž „spotřebu“ vody, protože daný objem vody již není k dispozici pro naředění stejné znečišťující látky. Tento ukazatel umožňuje hodnotit míru znečištění vodních zdrojů a poskytuje podklad pro rozhodování o udržitelném využívání vody.

Výpočet GWF v této studii se zaměřuje na identifikaci množství vody potřebné k naředění znečišťujících látek, zejména dusíku, fosforu a pesticidů, použitých při pěstování sladovnického ječmene v ČR. Předchozí studie se při výpočtu šedé vodní stopy při produkci plodin soustředily především na hnojiva, zatímco vliv pesticidů je často podceňován.

Vyplavování živin do povrchových vod vede k eutrofizaci a následnému poklesu kvality vody [9]. Dusík má vysokou mobilitu a jeho přítomnost v povrchových i podzemních vodách může způsobit významné ekologické problémy. Nedostatek dat o perzistenci pesticidů ve vodním prostředí a jejich kumulativních dopadech na ekosystémy ztěžuje přesné vyčíslení jejich podílu na GWF. Novější studie Yi et al. [10], stejně jako naše studie, však zdůrazňují nutnost zahrnout i pesticidy, neboť jejich environmentální dopad může být vyšší než u hnojiv.

V oblastech s omezenými vodními zdroji nebo zranitelnými ekosystémy může být negativní dopad kontaminace výraznější než v regionech s vyšší kapacitou přírodních systémů ke zředění znečištění. Proto má sledování a snižování GWF zásadní význam nejen pro zemědělství, ale i pro navazující průmyslová odvětví, jež využívají zemědělské produkty jako vstupní surovinu, např. potravinářský a nápojový průmysl. Kvantifikace GWF [11] umožňuje identifikaci kritických bodů v dodavatelském řetězci a ve výrobním procesu. Hodnocení GWF při pěstování ječmene tak poskytuje důležité informace pro environmentální politiku, zemědělskou praxi i navazující potravinářský a nápojový průmysl. Tento přístup umožňuje efektivnější využívání vodních zdrojů a minimalizaci jejich znečištění, ale i environmentálně udržitelnou produkci potravin, nápojů a dalších produktů založených na zemědělské produkci.

Použitá metodika poskytuje komplexní přístup k výpočtu GWF sladovnického ječmene a umožňuje detailní analýzu vlivu zemědělské produkce na vodní zdroje. Výsledky studie mohou být klíčové pro návrh udržitelnějších zemědělských postupů a lepší správu vodních ekosystémů. Sledování a optimalizace GWF představuje důležitý nástroj pro zemědělce, průmyslové výrobce i environmentální politiky s cílem minimalizovat negativní dopady na životní prostředí a zvýšit efektivitu využívání vodních zdrojů.

METODIKA A ZDROJE DAT

Tato studie se zaměřuje na analýzu GWF sladovnického ječmene pěstovaného na ploše 9 674,05 ha v různých částech ČR, konkrétně v okresech Bruntál, Frýdek-Místek, Hodonín, Jeseník, Karviná, Kroměříž, Nový Jičín, Olomouc, Opava, Ostrava-město, Prostějov, Přerov, Rychnov nad Kněžnou, Semily, Svitavy, Šumperk a Ústí nad Orlicí. Pro výpočet GWF pěstování sladovnického ječmene byly získány podrobné údaje o množství použitých hnojiv a pesticidů přímo od pěstitelů dodávajících sladovnický ječmen pro Pivovar Radegast. Pro sběr dat byl připraven dotazník a zástupci Pivovaru Radegast zajistili jeho vyplnění u svých dodavatelů. Shromážděná data byla zpracovatelům studie předána již v agregované formě, tj. jako průměrné množství aplikovaných látek na 1 hektar pěstební plochy.

Dotazníkové šetření se zaměřilo na detailní informace o druzích a množství aplikovaných hnojiv a přípravků s obsahem pesticidů při pěstování sladovnického ječmene. Na základě používaných přípravků a jejich objemu bylo stanoveno množství aplikované účinné látky.

Pro výpočet GWF v metrech krychlových na tunu pěstované plodiny byly použity rovnice dle Hoekstry a Hunga [9] a podle Water Footprint Assessment Manual [8]:

kde:

α           je    podíl ztráty hnojiv a pesticidů (%), tzv. vyluhovací faktor

AR               množství aplikovaných hnojiv a pesticidů pro každou plodinu (kg/ha)

c_max               kritická koncentrace sledované látky z hnojiv a pesticidů (g/m³)

c_nat                 přirozená koncentrace sledované látky z hnojiv a pesticidů v recipientu (g/m³)

Y                  produkce plodiny (t/ha)

Průměrný vyluhovací faktor α byl stanoven na základě oficiální metodiky Water Footprint Network [12]. Má následující hodnoty: pro dusíkatá hnojiva 0,1, fosforečná hnojiva 0,03, draselná hnojiva 0,7 a pesticidy 0,01. Faktor vyluhování pesticidů byl stanoven na 0,01 kvůli absenci detailních údajů o půdních vlastnostech daných lokalit. Pro výpočet regionalizovaného koeficientu α v souladu s metodikou [12] nebyla poskytnuta potřebná data.

Rozdíl mezi hodnotami cmax a cnat představuje asimilační kapacitu toku. Pro hnojiva dusík, fosfor a draslík byly stanoveny tyto hodnoty asimilační kapacity: dusík 3 g/m³, fosfor 0,1 g/m³ a draslík 5 g/m³ [12]. U pesticidů byla hodnota cnat nastavena na nulu, zatímco hodnoty cmax byly odvozeny z nejnižších hodnot předpovídaných sladkovodních koncentrací bez účinku (Predicted No Effect Concentration, PNEC) z databáze NORMAN [13]. Hodnoty PNEC se běžně používají jako cmax ve studiích GWF odpadních vod [14–17], lze je také použít při výpočtu GWF pesticidů v zemědělství [18]. Hodnoty PNEC použité pro tuto studii uvádí tab. 2.

Informace o produkci pivovarnického ječmene Y ve sledovaných okresech poskytly opět zástupci Pivovaru Radegast na základě informací z dotazníkového šetření u zemědělců. Všechna data byla platná pro rok 2022 a pro tento rok jsou tak platné i výsledky studie.

VÝSLEDKY

Tab. 1 ukazuje hodnoty GWF jednotlivých hnojiv aplikovaných na pole sladovnického ječmene. Nejvyšší hodnoty GWF byly zjištěny u fosforu. Tab. 2 ukazuje hodnoty GWF jednotlivých pesticidů aplikovaných na pole se sladovnickým ječmenem. Insekticidy dosahují daleko nejvyšších hodnot GWF kvůli své vysoké ekotoxicitě pro vodní organismy. Výrazně nejvyšší GWF má insekticid deltamethrin, i když jej bylo použito jen malé množství. Hodnota GWF deltamethrinu je o jeden řád vyšší než hodnoty GWF dalších dvou důležitých insekticidů (gamma-cyhalothrin a esfenvalerate) a o tři řády vyšší než GWF fungicidů (prothioconazol), herbicidů (2,4-D 2-EHE), hnojiv (fosforu) a o čtyři řády vyšší než GWF morforegulátoru (trinexapac-ethyl).

Tab. 1. Šedá vodní stopa hnojiv – sladovnický ječmen

Tab. 1. Grey water footprint of nutrients – malting barley

Obr. 1. Šedá vodní stopa hnojiv – sladovnický ječmen

Fig. 1. Grey water footprint of nutrients – malting barley

Tab. 2. Šedá vodní stopa pesticidů – sladovnický ječmen

Tab. 2. Grey water footprint of pesticides – malting barley

Obr. 2. Šedá vodní stopa pesticidů – sladovnický ječmen

Fig. 2. Grey water footprint of pesticides – malting barley

Obr. 3. Šedá vodní stopa pěstování sladovnického ječmene

Fig. 3. Grey water footprint of malting barley production

Obr. 3 podává souhrnné hodnoty GWF spojené s použitím hnojiv a pesticidů při pěstování sladovnického ječmene. Nejvyšší hodnoty GWF vykazují insekticidy, což souvisí s jejich vysokou ekotoxicitou pro vodní organismy. Mezi nimi jednoznačně dominuje deltamethrin, jehož GWF je přibližně o jeden řád vyšší než u dalších dvou významných insekticidů (gamma-cyhalothrin a esfenvalerát). Zároveň je o tři řády vyšší než GWF fungicidů (prothiokonazol), herbicidů (2,4-D 2-EHE) a fosforečných hnojiv, a dokonce o čtyři řády vyšší než u morforegulátoru (trinexapac-ethyl). Ačkoli bylo deltamethrinu aplikováno pouze malé množství, jeho celkový dopad na vodní ekosystémy je nejvýraznější. Celková šedá vodní stopa spojená s pěstováním sladovnického ječmene dosahuje hodnoty 302 440,814 m³/t, přičemž právě insekticidní přípravky s účinnou látkou deltamethrin představují nejvýznamnější složku tohoto znečištění.

DISKUZE

I když má aplikace hnojiv a pesticidů znatelný pozitivní vliv na podporu výnosu plodin, masivní používání těchto látek způsobuje kontaminaci životního prostředí jak v místním, tak globálním měřítku. Dosud publikované studie se obvykle soustředily na GWF způsobenou hnojivy, kterých je obecně používáno velké množství. Pesticidy nebyly ve většině studií zahrnuty – jednak s ohledem na jejich relativně malé množství (v porovnání s hnojivy) a jednak s ohledem na metodické problémy spojené s jejich zahrnutím do modelu GWF.

Pesticidy se obvykle rozkládají velmi pomalu, a proto jejich rezidua zůstanou v zemědělské půdě i mnoho let po jejich aplikaci. Na druhou stranu je jejich negativní vliv ve vodách patrný již při výrazně nižších koncentracích než v případě živin. Člověku vystavenému vodě kontaminované zbytky pesticidů hrozí onemocnění, jako jsou rakovina, endokrinní poruchy atd. Vodní ekosystémy jsou na vliv těchto látek ještě citlivější.

 Výše popsané výsledky ukazují, že pesticidy mohou být nezbytné pro správné posouzení GWF plodin. Na základě současných poznatků již nelze považovat studie GWF pěstování zemědělských plodin za reprezentativní, pokud se zaměřují jen na GWF hnojiv. Na základě výše uvedených informací se ukazuje potřeba porovnat GWF hnojiv s GWF pesticidů v budoucích studiích GWF pěstování zemědělských plodin. Bez tohoto porovnání mohou být výsledky takových studií zavádějící.

Na druhou stranu je třeba upozornit na možná omezení našich výsledků. Prvním omezením je aplikace na jeden druh plodiny pěstované na 9 674,05 ha. Množství aplikovaných hnojiv i pesticidů a jejich složení se liší podle pěstované plodiny, vlastností půd i způsobu hospodaření. Tyto proměnné faktory pak ovlivňují hodnotu GWF, jak jednoznačně prokázala studie Borsata et al. [19]. Druhým omezením je použití konstantního vyluhovacího faktoru α, což je v souladu s TIER 1 dle Frankeho et al. [12]. Použití konstantního vyluhovacího faktoru α představuje určité zjednodušení heterogenních podmínek, jež panují v zemědělství. Takové zjednodušení je proto vhodné pro velkoplošné studie nebo v případě nedostatku podkladových dat pro podrobnější přístupy k vyjádření leaching faktoru (TIER 2 či TIER 3). V našem případě bylo použito z důvodu nedostatku podkladových informací pro aplikaci podrobnějšího řešení.

Posledním zjednodušením, které jsme použili z důvodu nedostatku podrobných dat, je složení jednotlivých směsí aplikovaných na jednotlivá pole v rámci zkoumaného území. Údaje, jež byly získány od jednotlivých zemědělců a předány zástupci Pivovaru Radegast, uváděly pouze celková množství aplikovaného přípravku na zájmovém území, a nikoli na konkrétním poli. Proto jsme uvažovali aplikaci použitého množství na celé zájmové území 9 674,05 ha. Směs přípravků uvedená v tab. 2 a 3 tak představuje jakousi „zprůměrovanou směs“ použitou při produkci.

Problém při stanovení GWF pesticidů spočívá v obvyklé aplikaci pesticidů ve formě směsí různých účinných látek. Všechny znečišťující látky, které se do vod dostávají z lidské činnosti, mají charakter směsi více látek. Water Footprint Assessment Manual [8] předpokládá, že jednotlivé látky ve směsi spolu neinteragují a GWF je určena látkou s nejvyšší hodnotou. Tento předpoklad modelu GWF však ve skutečnosti často není splněn. Při smíchání různých bioaktivních látek dochází k jejich vzájemnému působení a mění se jejich toxicita a dopad na přijímající vodní útvar v závislosti na složení směsi. Někteří výzkumníci proto navrhli alternativní přístupy k řešení GWF směsí.

Jedním z přístupů je úprava modelu GWF. Paraiba et al. [18] navrhli model, který předpokládá, že toxicita směsi je součtem toxicit každé látky ve směsi. De Lavor Paes Barreto et al. [20] porovnali takový přístup s původním přístupem popsaným ve Water Footprint Assessment Manual [8] a zjistili, že model navržený Paraibou et al. [18] je obvykle přísnější. To je logický závěr, když si uvědomíme, že v modelu každá další látka přidaná do modelové směsi zvýší její toxicitu.

Dalším přístupem k nakládání se směsmi je zahrnutí samočisticí schopnosti vodního toku. Např. studie GWF komunálních odpadních vod [21] identifikovala amonný dusík (N-NH4+) jako látku nejčastěji určující GWF. V řekách se amonný dusík rychle oxiduje na jiné formy dusíku, nicméně model GWF podle Water Footprint Assessment Manual s touto skutečností nepočítá. Proto několik výzkumníků zahrnuje samočisticí efekt ve vodních tocích přímo do modelů GWF [22, 23].

Ještě jiný přístup k řešení GWF směsí lze nalézt v článku o ekodesignu výrobků L‘Oréal [24]. Jejich metodika je založena na využití postupů používaných v LCA, tedy na principu aditivity účinků každé složky v poměru k její koncentraci v receptuře.

Výše uvedené nejistoty řešení i různé přístupy různých autorů ke GWF zdůrazňují potřebu dalšího výzkumu v oblasti GWF. Podle našeho názoru by se tento výzkum měl zaměřit na tři oblasti:

První oblastí je identifikace látek, které mohou určovat GWF. Naše studie GWF sladovnického ječmene (tento článek) nebo mikropolutantů ve vyčištěných městských odpadních vodách [14] ukázaly, že běžně sledované polutanty nemusejí být (a často nejsou) těmi rozhodujícími pro stanovení GWF. Výběr nereprezentativních znečišťujících látek tak vede k systematickému podhodnocování hodnot GWF. K nalezení relevantních znečišťujících látek pro různá odvětví a použití vody je zapotřebí řada výzkumných studií v různých oblastech souvisejících s vodním hospodářstvím.

Druhá oblast se zabývá směsmi v modelech GWF. Na jedné straně musí být zachována „nezávislost“ hodnot vodní stopy na vnějších vlivech. Vodní stopa je jedním z environmentálních indikátorů, který popisuje chování hodnoceného systému. Indikátor, jehož hodnota by se beze změny samotného posuzovaného systému měnila, není dobře navržen. Na druhou stranu je třeba adekvátně řešit otázky související s novými, tzv. emergentními polutanty, které jsou často bioaktivními látkami a chovají se v různých směsích odlišně.

Třetí oblastí, kde považujeme současný stav znalostí za neúplný, je posouzení udržitelnosti GWF. Přístupy, jež do modelů GWF zavádějí samočisticí proces, nepovažujeme za vhodnou praxi. Samočisticí schopnost vodního prostředí je nezávislá na produktových systémech hodnocených pomocí GWF. Samočisticí schopnost vody by proto neměla být zahrnuta do modelu GWF. Vhodnějším řešením se jeví úprava hodnocení udržitelnosti. Současný systém, popsaný ve Water Footprint Assessment Manual [8], porovnává hodnoty GWF s dostupnými zdroji pro zředění znečištění pomocí aktuálního odtoku z povodí. Tento přístup tedy srovnává odtok v určitém povodí s potřebami ředicí vody v jednotlivých částech posuzovaného povodí. To může vést k přecenění vlivu vypouštěného znečištění právě v důsledku zanedbání samočisticí schopnosti ve vodním prostředí.

ZÁVĚR

Tato studie potvrdila, že GWF je významným ukazatelem pro hodnocení environmentálních dopadů zemědělství, přičemž je nutné zahrnout všechny aplikované látky, tedy nejen hnojiva, ale i pesticidy. Největší dopad na vodní zdroje v rámci pěstování sladovnického ječmene měl insekticid deltamethrin. Vzhledem k vysoké ekotoxicitě pesticidů a jejich dlouhodobé perzistenci ve vodních ekosystémech je důležité, aby budoucí studie zahrnovaly jejich podrobnou analýzu. Při posuzování GWF je nezbytné zohlednit lokální podmínky, např. klimatické faktory, typy půd a dostupnost vody. Implementace opatření ke snížení GWF, jako jsou optimalizace použití agrochemikálií a inovativní technologie v zemědělství, mohou významně přispět k udržitelnějšímu využití vodních zdrojů a ochraně životního prostředí.

Poděkování

Tato studie vznikla v rámci komerční zakázky pro Pivovar Radegast. Rádi bychom poděkovali zástupcům Pivovaru Radegast za pomoc, kterou poskytli při získávání vstupních dat pro studii.

Samotný článek byl podpořen finančními prostředky tzv. Institucionální podpory v rámci interních grantů poskytovaných Výzkumným ústavem vodohospodářským T. G. Masaryka.

Prohlášení o střetu zájmů

Zástupci Pivovaru Radegast ani propojených firem neměli žádný vliv na výsledky studie. Druhý autor je součástí managementu VÚV TGM, který časopis VTEI vydává, a předsedou Redakční rady časopisu VTEI. Tyto skutečnosti však neměly žádný vliv na podporu poskytnutou na sepsání článku ani na přijetí článku k publikaci v časopise VTEI.

Příspěvek prošel recenzním řízením.