Investigation of agroforestry systems as measures of pollution reduction from fertilizers and pesticides in soils
Authors: Παυλίδης Γεώργιος 
Published: June 2023

Τις τελευταίες δεκαετίες και λόγω της διαρκούς ανάγκης για περισσότερη και καλύτερης ποιότητας αγροτική παραγωγή, η ρύπανση από αγροχημικά έχει αναχθεί σε ένα ζήτημα καίριο που απασχολεί παγκοσμίως τις υπηρεσίες προστασίας του περιβάλλοντος και τους φορείς αγροτικής ανάπτυξης, που κατά κανόνα απαιτεί αντιμετώπιση στην πηγή του. Η βάση του ζητήματος έγκειται κυρίως στην έλλειψη εφαρμογής των Βέλτιστων Πρακτικών Διαχείρισης (BMP) καθώς και στη μη τήρηση των κανόνων Ορθής Γεωργικής Πρακτικής (GAP) που προτείνονται για κάθε καλλιέργεια σύμφωνα με τις οδηγίες 1107/2009/EK και 2009/128/EK. Τα προβλήματα που προκύπτουν από τη μεταφορά των λιπασμάτων και των φυτοπροστατευτικών προϊόντων μέσω της απορροής, χρήζουν όχι μόνο πρόληψης αλλά και αντιμετώπισης – καθώς επηρεάζουν την υγεία του οικοσυστήματος, ενώ, σε ορισμένες περιπτώσεις, απειλούν και τη δημόσια υγεία. Έτσι, είμαστε αντιμέτωποι με την ανάγκη σχεδιασμού και εφαρμογής ενός συστήματος ικανού να προστατεύει ταυτόχρονα το περιβάλλον και να κρατά υψηλή την αγροτική παραγωγικότητα.Τα νιτρικά και φωσφορικά ιόντα που προέρχονται από λιπάσματα θεωρούνται τα πιο συνήθη και επικίνδυνα συστατικά που φθάνουν στα επιφανειακά και υπόγεια ύδατα και θέτουν κινδύνους για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία. Για το λόγο αυτό διατηρούν εξέχουσα θέση στη νομοθεσία της Ευρωπαϊκής Ένωσης τα τελευταία 25 χρόνια (λ.χ., μέσω της Οδηγίας 91/676/EEC για τα Νιτρικά). Λόγω της έκτασης της μη σημειακής ρύπανσης από τις γεωργικές δραστηριότητες, απαιτούνται προστατευτικά μέτρα για τον έλεγχο των υπολειμμάτων αγροχημικών από την είσοδο τους σε υδάτινα συστήματα. Ως εκ τούτου, μέχρι σήμερα, έχουν προταθεί αρκετές τεχνικές για τη μείωση των ρύπων που εισέρχονται στα υδάτινα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων μεταξύ άλλων των φυτικών λωρίδων ανάσχεσης ρύπανσης, των αψέκαστων ζωνών, των συστημάτων συλλογής και επεξεργασίας απορροών, καθώς και των συστημάτων καλλιέργειας σε λωρίδες όπως τα αγροδασικά συστήματα. Τα αγροδασικά συστήματα καλλιέργειας, δηλαδή η παράλληλη παρουσία καλλιεργειών και δέντρων, βασίζεται στην υπόθεση ότι τα δέντρα, με τις βαθύτερες και ευρύτερες ρίζες τους, δημιουργούν ένα προστατευτικό δίχτυ κάτω από τις καλλιέργειες, ελαχιστοποιώντας έτσι την μεταφορά ρύπων στα υπόγεια ύδατα, την επιφανειακή μεταφορά τους σε επιφανειακούς αποδέκτες ή τη μεταφορά τους στα επιφανειακά ύδατα μέσω της βασικής ροής των ρεμάτων. Οι ερευνητικοί σκοποί της παρούσας μελέτης ήταν: α) η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας των φυσικών συστημάτων αντιρρύπανσης – τύπου Αγροδασικών συστημάτων, στην απομάκρυνση της περίσσειας θρεπτικών από τα λιπάσματα και φυτοφάρμακα που χρησιμοποιούνται στη γεωργία, β) η ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων προσδιορισμού υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων, γ) η πειραματική εκτίμηση της αποτελεσματικότητας των φυσικών συστημάτων αντιρρύπανσης – τύπου Αγροδασικών συστημάτων, στην απομάκρυνση θρεπτικών και φυτοφαρμάκων για τα κλιματικά δεδομένα και της καλλιεργητικές πρακτικές της Ελλάδας, δ) η εκτίμηση της ανταπόκρισης των διαφορετικών συνδυασμών καλλιεργειών – δέντρων στη μείωση της ρύπανσης μέσω ενός συνδυασμού αγροδασικού συστήματος, ε) η εκτίμηση της τύχης και συμπεριφοράς των φυτοφαρμάκων σε ένα αγροδασικό σύστημα – ως προς την προοπτική του χρόνου ημίσειας ζωής – σε σχέση με τα έως τώρα διαθέσιμα βιβλιογραφικά δεδομένα αλλά και τους αντίστοιχους χρόνους ημιζωής που εκτιμήθηκαν στα σημεία ελέγχου της παρούσας έρευνας, στ) η διερεύνηση της διαφορετικής συμπεριφοράς των οργανικών ρύπων στο περιβάλλον, ανάλογα με τα ιδιαίτερα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά τους, ζ) η συσχέτιση των πειραματικών δεδομένων (πεδίου) με τα αποτελέσματα μαθηματικής μοντελοποίησης.Συνεπώς, στην παρούσα μελέτη, αξιολογείται η αποτελεσματικότητα των αγροδασικών συστημάτων στη μείωση της ρύπανσης χρησιμοποιώντας κοινούς συνδυασμούς μεσογειακών καλλιεργειών και δέντρων.Ως εκ τούτου, και προκειμένου να εξεταστεί διεξοδικά η αποτελεσματικότητα των εξεταζόμενων συστημάτων, παρουσιάζονται τόσο πειραματικά δεδομένα από δειγματοληψίες πεδίου όσο και υπολογισμοί από σχετικό μοντέλο μαθηματικής προσομοίωσης ρύπανσης (RZWQM2).Συνολικά εξετάζονται τέσσερα διαφορετικά πειραματικά αγροτεμάχια, που κατασκευάστηκαν για τις ανάγκες της έρευνας και αποτελούνταν από μια σειρά από δέντρα στη μία πλευρά και καλλιέργειες σπαρμένες παράλληλα στη δεντροστοιχία, με έκταση εις μήκος έως και 7 μέτρα από τη συστοιχία των δέντρων, καλύπτοντας έκταση ανά αγρό 70-100 m2 σε κάθε περίπτωση. Κάθε πειραματικός αγρός αποτελείτο από 4 διαφορετικά σημεία δειγματοληψίας (SP1 έως SP4), όπου το SP1 είναι αυτό που γειτνιάζει με τη σειρά των δέντρων και το SP4 αποτελεί το πιο απομακρυσμένο, λειτουργώντας ως σημείο ελέγχου λόγω της μη παρουσίας ριζών δέντρων. Λεπτομερής ανάλυση για κάθε συνδυασμό δέντρου-καλλιέργειας παρουσιάζεται παρακάτω.Προκειμένου να εξεταστεί διεξοδικά η αποτελεσματικότητα των εξεταζόμενων συστημάτων, παρουσιάζονται τόσο πειραματικά δεδομένα από τις δειγματοληψίες πεδίου όσο και υπολογισμοί από σχετικό μοντέλο ελέγχου και προσομοίωσης ρύπανσης (RZWQM2), και για τα 3 έτη και τα 4 συστήματα που εξετάστηκαν.Για το πειραματικό σκέλος, τα δείγματα εδάφους ελήφθησαν από διαφορετικά βάθη (0-60 cm με αναλογικές διαιρέσεις ανά βάθος) των πειραματικών πεδίων και με μεταβλητή απόσταση από το ριζικό σύστημα της συστοιχίας δέντρων (1 έως 7 m από τη συστοιχία δέντρων). Η δειγματοληψία εδάφους επαναλαμβανόταν κάθε 20-35 ημέρες (ανάλογα με τις καιρικές συνθήκες), ξεκινώντας ακριβώς πριν από τη στιγμή της σποράς και της εφαρμογής αγροχημικών, προκειμένου να προσδιοριστούν οι συγκεντρώσεις υποβάθρου και συνεπώς η τύχη και συμπεριφορά των ρυπαντών (θρεπτικά και φυτοφάρμακα) μετά την εφαρμογή τους. Το πρώτο πείραμα διεξήχθη την άνοιξη-καλοκαίρι του 2015 και αποτελείτο από αραβόσιτο-ελαιόδεντρα, ενώ πραγματοποιήθηκε σε πειραματικό πεδίο στο Κορωπί Αττικής. Οι υπό έλεγχο ρύποι ήταν τα ιόντα αζώτου και φωσφόρου και δύο ζιζανιοκτόνα που χρησιμοποιούνται ευρέως στον αραβόσιτο (pendimethalin και nicosulfuron).Κατά δεύτερη χρονιά πειραμάτων, αξιολογήθηκε η αποδοτικότητα δύο συστημάτων: ένα με πατάτες και λεύκα και ένα με αραβόσιτο και λεύκα, με τα πειράματα να πραγματοποιούνται κατά την καλλιεργητική περίοδο του 2016 σε πεδίο ευρισκόμενο ανάμεσα στο Γουδί Αθηνών και του Παπάγου. Οι εξεταζόμενοι ρύποι ήταν τα ιόντα Αζώτου, Φωσφόρου, Καλίου και τα ζιζανιοκτόνα pendimethalin, ο μεταβολίτης του M455H001, το s-metolachlor, καθώς και το εντομοκτόνο chlorpyrifos.Όσον αφορά το τελευταίο πείραμα πεδίου, διερευνήθηκε η αποτελεσματικότητα ενός συστήματος σιταριού-λεύκας στο ίδιο πειραματικό πεδίο στο Γουδί Αθηνών, κατά την καλλιεργητική περίοδο άνοιξης-καλοκαιριού του 2017. Οι ελεγχόμενοι ρύποι ήταν τα νιτρικά, νιτρώδη, αμμωνιακά και φωσφορικά ιόντα, και τα ζιζανιοκτόνα pendimethalin, ο μεταβολίτης του M455H001, το iodosulfuron methyl sodium και το mesosulfuron methyl sodium.Τόσο τα θρεπτικά που προέρχονται από λιπάσματα όσο και τα φυτοφάρμακα που χρησιμοποιήθηκαν, αναλύθηκαν σε όλα τα δείγματα εδάφους που ελήφθησαν από τους πειραματικούς αγρούς. Η προετοιμασία των δειγμάτων πριν από την ανάλυση ήταν διακριτή ανάλογα με τη κατηγορία ρύπων και ειδικότερα, για τα θρεπτικά εφαρμόστηκε μια απλή διαλυτοποίηση του εδάφους σε νερό, ενώ για τα υπολείμματα φυτοφαρμάκων εκτελέστηκε εκχύλιση με τη χρήση οξινισμένων διαλυτών. Στη συνέχεια, για τα θρεπτικά συστατικά, η ανάλυση πραγματοποιήθηκε στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, ενώ τα υπολείμματα φυτοφαρμάκων προσδιορίστηκαν στο Μπενάκειο Φυτοπαθολογικό Ινστιτούτο, όπου υπήρχε διαθέσιμος ο κατάλληλος αναλυτικός εξοπλισμός. Οι συγκεντρώσεις των ρύπων προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας την τεχνική της υγρής χρωματογραφίας – φασματομετρίας μαζών (LC-MS/MS) για υπολείμματα φυτοφαρμάκων και της ιοντικής χρωματογραφίας (IC) για τον προσδιορισμό των θρεπτικών ουσιών (ανιόντα-κατιόντα), ενώ για τα δείγματα του πρώτου έτους και μόνο χρησιμοποιήθηκε επιπλέον και η τεχνική της φασματοφωτομετρίας προκειμένου να ποσοτικοποιηθούν τα ιόντα αμμωνίου.Τα αποτελέσματα των αναλύσεων απέδειξαν ότι η φύτευση σειράς δέντρων σε καλλιεργημένα χωράφια μπορεί να συμβάλει σημαντικά στη μείωση της ρύπανσης του εδάφους και κατ’ επέκταση των υπόγειων υδάτων. Αναλυτικότερα, το σύστημα αραβοσίτου-ελιάς παρουσίασε τη δυνατότητα μείωσης της μετανάστευσης ρύπων, με απομακρύνσεις που κυμαίνονται μεταξύ 36,8-78,9% για τα νιτρικά, 79,3-100% για τα νιτρώδη, 76,7-100% για τα αμμωνιακά, 79,4-100% για τα φωσφορικά και 70-100% για τα ζιζανιοκτόνα που εξετάστηκαν. Τα πειράματα για το σύστημα πατάτας-λεύκας παρουσίασαν μειώσεις άνω του 86% για το Κάλιο, 90% για τα νιτρικά, 92% για τα αμμωνιακά, 85% για τα νιτρώδη και έως 100% για τα φωσφορικά. Κατά συνέπεια, για το σύστημα αραβοσίτου-λεύκας, οι μειώσεις ήταν περισσότερο από 73% για το κάλιο, τουλάχιστον 77% για τα νιτρικά, περίπου 77% για τα νιτρώδη, 97% για τα αμμωνιακά και έως και 100% για τα φωσφορικά. Όσον αφορά τα εξεταζόμενα φυτοφάρμακα, όλες οι ουσίες παρουσίασαν απομάκρυνση περισσότερο από 61,5% και έφτασαν έως και 100% εξαφάνιση στα σημεία πλησίον της σειράς των δέντρων σε σύγκριση με τα σημεία ελέγχου. Τέλος, το σύστημα καλλιέργειας σιταριού-λεύκας παρουσίασε μειώσεις άνω του 80% και έως 100% για τα θρεπτικά συστατικά, ενώ όσον αφορά τα εξεταζόμενα ζιζανιοκτόνα και τον μεταβολίτη M455H001, η μείωση τους ήταν πάνω από 75% και έφτασε έως και 100% στα σημεία δειγματοληψίας πλησίον της δενδροστοιχίας σε σύγκριση με το σημείο ελέγχου.Τα αποτελέσματα πεδίου ήταν γενικά σύμφωνα με τις εκτιμήσεις του μοντέλου από ποιοτικής άποψης, αλλά από την σύγκριση των θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων συμπεραίνεται ότι το μοντέλο RZWQM2 φαίνεται να υπερεκτιμά τις συγκεντρώσεις των φυτοφαρμάκων. ιδιαίτερα για τις προσροφητικές και ανθεκτικές ενώσεις, ενώ ταυτόχρονα δείχνει να υποεκτιμά τις συγκεντρώσεις των νιτρικών στο προφίλ του εδάφους.Η καινοτομία της παρούσας έρευνας έγκειται στα κάτωθι σημεία: (i) αποτελεί μια πειραματική μελέτη προσεκτικά σχεδιασμένη, παρέχοντας νέα δεδομένα στη διεθνή βιβλιογραφία και ιδιαίτερα στην περιοχή της Μεσογείου όπου τα σχετικά δεδομένα είναι λιγοστά, (ii) ο συγκεκριμένος συνδυασμός καλλιεργειών και δέντρων αναφέρεται για πρώτη φορά στη διεθνή βιβλιογραφία, (iii) η τύχη και συμπεριφορά στο περιβάλλον των χρησιμοποιημένων αγροχημικών δεν έχει μελετηθεί σε παρόμοιες συνθήκες, (iv) ελάχιστα σχετικά δεδομένα είναι διαθέσιμα έως σήμερα στη διεθνή βιβλιογραφία σχετικά με τη συμπεριφορά των φυτοφαρμάκων στα αγροδασικά συστήματα συνκαλλιέργειας, ενώ τέλος, (v) εντοπίστηκε σημαντική έλλειψη πληροφοριών για σχετική έρευνα στην ΕΕ και ιδίως στην περιοχή της Μεσογείου.