Lämmastiku allikate, voogude ja transformatsiooni hindamine Metaandmebaas tööriist sisendite, andmeallikate, arvutuskäikude jm kaardistamiseks Arvo Iital Üldine eesmärk: N ringe kvantitatiivne kirjeldamine (ainevoo analüüs) Sh. looduslik N ringe 5 peamist protsessi: 1. bioloogiline N sidumine (bakterid) 2. N (NH 3 või NH 4+ ) omastamine taimede poolt 3. mineralisatsioon 4. nitrifikatsioon 5. denitrifikatsioon 19.01.2018, Pärnu 1 2 Ka N 2 fikseerimine välgulahenduse kaudu Inimtegevuse mõju N ringele 1. Põllumajandus ja N väetised 2. Tööstus 3. Transport 4. Energia tootmine 5. Jäätmete tootmine 6. Reovesi 7. Vesiviljelus, sh. kalandus 8. Asulad Erinevad N ühendid atmosfääri, hüdrosfääri, pedosfääri 3 Seniste N vooge kirjeldavate tööde ja tulemuste üldistamine (sh. juhendmaterjalid) Statistikaamet: materjali- ja ainevoogude andmed N emissioonid keskkonda (sektorite kaupa) Põllumajanduse N bilanss (kuni 2012 a.) jm Partnerasutuste ja teiste teadustöö tulemused Kasvuhoonegaaside emissiooni aruanded Ärakande koefitsiendid (põllumajanduskoormus, looduskoormus jm) N sisaldus toodetes (toit jm) Ekspertarvamus OECD, Eurostat-i ja ÜRO juhendmaterjalid ja ainevoo inventuurid 4 Eurostat, 2013. Nutrient Budgets Methodology and Handbook. Version 1.02. Eurostat and OECD, Luxembourg, 112 p. Põllumajanduse N bilansi arvutamise metodoloogia. UN, 2013. Guidance document on national nitrogen budgets. Economic Commission for Europe. Executive Body for the Convention on Long-range Transboundary Air Pollution, 12 p. Juhendamterjal NOx and NH 3 emissioonide hindamiseks inim- ja looduslikest allikatest. EPNB, 2016. Detailed annexes Guidance document on national nitrogen budgets" (https://www.unece.org/fileadmin/dam/env/documents/2013/ai r/eb/ece_eb.air_119_eng.pdf) Sektori ja allikapõhine riigi tasandil N bilansi arvutamise juhendmaterjal 5 EMEP/EEA air pollutant emission inventory guidebook 2016. Technical guidance to prepare national emission inventories. EEA Report No 21/2016 (https://www.eea.europa.eu/publications/emep-eeaguidebook-2016). Sektori põhine juhendmaterjal NOx and NH 3 emissioonide määratlemine (energia, tööstus, toodete kasutamine, põllumajandus, jäätmed, looduslikud allikad jm) IPCC 2006, 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories (http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/) Juhendmaterjal inimtekkelise N 2 O ja lämmastiktrifluoriidi (NF 3 ) emissioonide hindamiseks. N. Pelletier and A. Leip, 2014. Quantifying anthropogenic mobilization, flows (in product systems) and emissions of fixed nitrogen in process-based environmental life cycle assessment: rationale, methods and application to a life cycle inventory. The International Journal of Life Cycle Assessment, Vol. 19, Issue 1, pp 166 173. 6 1
Töö sisu Meile sobiva metoodika rakendamine N bilansi koostamiseks Nii kogu riigi (Eesti ja Läti) tasandil kui ka Liivi lahe valglale (Pärnu jõe valgla) Millised N allikad ja vood on olulised? Milline periood N bilansi arvutamiseks? Andmeallikad, kättesaadavus, kvaliteet ja määramatus? Tulemuste teisaldamine valgla tasandile? N bilanss Sisaldab ainult nn reaktiivset lämmastikku: (Nr) bioloogiliselt kättesaadav (biokeemiliste protsesside tulemusena): Ammoniaak, ammoonium, (NH 3; NH 4+ ), lämmastikoksiidid (NOx), dilämmastikoksiid (N 2 O), nitraaat (NO 3 ) Taimedesse, loomadesse, inimestesse ja mulda seotud orgaaniline N (uurea, amiinid, proteiinid) jt; Mitteaktiivne lämmastik (inertne) - N 2 ja muud täielikult mittereaktiivsed N vormid (N mineraalõlides, plastik materjalides jne) NB! Denitrifikatsioonil ja põletamisel tekkiv N 2 ning N 2 sisend transpordi sektorile tuleks arvestada 7 Kõik N vormid transformeeritakse üldlämmastikuks (N üld ) ja summeeritakse 8 Arvestatakse kõiki olulisi Nr sisend- ja väljundvooge sektorite ja keskkondade kaupa (pools) Määratletud geograafilistes piirides (Läti, Eesti, valitud valglad) Piiriülesed vood Defineeritud ajaühikus (kalendriaasta) Andmebaas sisaldab andmeid paljude aastate kohta. Kõik vood tonnides (kt) aastas N bilanss Nii riigi kui ka iga sektori (pool) puhul peab kehtima võrrand: Σ inflow +Σ =Σ +Σ +Σ h Inflow and outflow: sisse ja välja uuritavast süsteemis (riik, valgla) Source: sektor Ideaalsel juhul: N output + N stock_change - N input = 0 Praktikas võimatu - arvestamata N vood, vead, Nt. Põllumajandussektori N bilansid üldiselt N ülejäägiga akumuleerumine mullas, atmosfääri, põhjavette? Sisend Väljund 9 2012 74500 47700 Andmed: Statistikaamet 10. Seega vaja arvestada: 1.Millisest allikast N pärit? 2.Kuhu liigub? 3.Kuidas transformeerub? 4. Vajadusel ka täiendav teave: N vood hüdrosfääri pinnavete või põhjavete kaudu Kõiki N allikaid ja vooge võimatu hinnata Seetõttu pakutud N voogude piirväärtused (minimaalne detailsuse tase), millest suuremat N voogu tuleb kindlasti hindama 100 g N elaniku kohta aastas = 100 t miljoni elaniku kohta aastas (EPNB, 2016) Väiksemad vood võib summeerida Või arvestamata jätta Oluliselt suuremate voogude korral (piirväärtusest 10 korda suurem) tuleks kaaluda nende detailsemat kirjeldamist (jaotust allvoogude vahel) 1 kg N elaniku kohta aastas (1000 t miljoni elaniku kohta aastas) Tulemuste esitamise täpsus: kaks numbrimärki lisaks 0-le (nt. 12, 120, 1200 tonni) kui võimalik. 11 12 2
12 olulisemat N voogude plokki (Hutchings et al., 2014) 1. Põllumajandus (loomakasvatus ja taimekasvatus) 2. Loodus- ja pool-looduslikud maastikud, metsamajandus 3. Tööstus 4. Toiduainete ja loomasööda tootmine 5. Energia tootmine 6. Vesiviljelus, sh kalakasvatus 7. Linnalised asulad ja tarbimine 8. Jäätmekäitlus 9. Reoveekäitlus 10. Transport 11. Hüdrosfäär Sarnane taluvärava bilansiga Sisaldab: kohalikku PM toodete töötlemist (meierei, tapamaja, õlle tootmine jm.) Eraldi hinnang loomakasvatuse ja taimekasvatuse osas 13 14 12. Atmosfäär Industrial production N sisaldus mullas? Võimalus käsitleda musta kastina. Waste Settlements Maakasutus CORINE maakatte andmed antud juhul hästi ei sobi. Vaja teada tegelikku maakasutust. Km 2 Põllumajandusmaa 9748 Looduslik rohumaa 1976 Metsamaa+muu looduslik 22700 Tehisalad 2790 Pinnaveekogud 2520 Muu maa 5605 Kokku 45339 N sisend põllumajandussektorisse N (kilotonni) 0 10 20 30 40 Manure Mineral fertilizers Nitrogen deposition Nitrogen fixcation Sewage sludge Urine N sõnnik (kilotonni) 0 2 4 6 8 10 12 14 Milk cattle Broilers Beef cattle Pigs 15 Other 16 N väljund põllukultuuride saagiga ja N söödataimedes (ei arvestata väljundina) 2014. aastal Andmed: Statistikaamet ning Claesson and Steineck, 1996 (N sisaldus põllukultuuride saagis) Tons, year 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 29400 224 2640 0 5800 Agricultural products 132 411 0 37400 PM sektorist välja: 38607 tonni N Kogu N põllukultuuride saagis: 76007 tonni N 17 Piim: Loomakasvatustoodete väljund (näide) Keskmiselt 2013-2014 a. Eestis 96750 lüpsilehma. Piima toodang 8112 kg/lehm/aastas. Piima kogutoodang 800 000 tonni. Proteiini sisaldus piimas 3,51% ja arvutustegur N sisalduse leidmiseks on 6,38. Seega 4 400 tonni Nr aastas. Osa sellest eksporditi. Munad: Keskmine toodang 199,4 miljonit muna (152 muna inimese kohta aastas). Keskmine muna kaal 70 grammi ja aasta kogutoodang 13 960 tonni. Nr sisaldus munades kokku 265 tonni. 11 864 tonni (85%) läks müügiks inimestele ja (225 tonni N). Ülejäänud 40 tonni lämmastikku: toiduainete tööstustele. Munakoor ja praakmunad taasringlusse. 18 3
Loomaliha N voog (N sisaldus lihas 2,9%) Elusloomade eksport/import Loom Tapamajja, tk Eluskaal Nr (tonni) Lihakarkassi kaal, Nr (tonni), Erinevus: Jäätmed Nr (tonnni) Toidutööstus Veised 44 400 627 346 281 Lambad 13 000 20 8 12 Kitsed Sead 542 000 2 028 1 410 618 Hobused Broiler 14 130 000 778 565 213 Kokku 3 453 2 329 1124 Eksport, tonni Eksport, Nr, tonni Import, Nr tonni Veised 8 644 250,6 4 Sead 10 401 302 0 Lambad 187 5,4 0 Kokku 19 232 558 4 Noorloomad? 19 20 Ka N vood kalakasvandustes ja merekala kasutamine Settlements Industry Marine fish Waste Fisheries Ei arvestata erakorralisi vooge (nt metsapõlengu tõttu) 21 22 Industry Fisheries Kõik tööstuslikud protsessid, mis kasutavad Nr sisaldavaid sisendeid. 23 24 4
Transport ry Sisendid: N voog kütuste kasutamisega N 2 atmosfäärist Väljundid: NOx, N 2 O, NH 3 emissioonid 25 26 Inimeste toodetud N Industrial production Nr (g/in/d) Nr Nr Waste (kg/in/aastas) (tonni/aastas) Uriin 11 4,0 5 252 Fishery Fekaalid 1 0,4 525 Hall vesi 1,5 0,5 656 Kokku 13,5 4,9 6 435 N vood ainete ja toodete tarbimise kaudu (toit, väetised aianduses, N materjalides ja toodetes) Ei sisalda energia tootmist (elekter ja küte) Määramatus suur vähe usaldusväärseid andmeid nt. tarbimine 27 28 Fishery Waste water treatment Industry Industry treatment 29 30 5
Transport Industrial production Waste Settlements semi-natural Üldjuhul arvesse ainult Nr vood Võimalik, et sisendina vaja arvestada ka välgulahendusega 31 tekkiv NOx (EMEP/EE guidebook pakub metoodikat) N emissioonid atmosfääri allikate kaupa 2014. a. NOx; NH3; N2O; Total Nr(tonne Nr(tonne Nr(tonne (tonnes),forestry, 1455 8,093 1,402 10,950 fishery supply 5036 3 27 5,066 Transportation 9926 75 49 10,050 Food 1219 138 54 1,411 Water and WWTP 76 101 93 270 Constuction 673 8 4 685 Others 4495 520 108 5,123 Total 22,880 8,938 1,737 33,555 Riikide esitatavad inventuuri aruanded sisaldavad võimaliku määramatuse hinnanguid (EEA, 2015). Nt. NOx ja NH 3 emissioonide osas see tavaliselt ±20% ja ±30%, (Pouliot et al., 2015). N 2 O emissioonide / denitrifikatsiooniga seotud emissioonide32 hinnangu määramatus eriti suur (Antikainen et al., 2005) N emissioon atmosfääri 2014. a. N koormus atmosfäärist* Sadestumine, tonni Põllumajandusmaa 4 874 Loodus-metsamaa 11 350 Looduslik rohumaa 988 Tehisalad 1 395 Veekogude pinnale 1 260 Muu maa 2 803 Kokku 45 339 km 2 22 670 33 * Eeldusel, et sadestub 5 kg N/ha/a täpsustamisel (Reet Ulmi magistritöö) 34 Industrial production Fishery Settlements Kuidas hinnata N voogusid: vaja eristada põhjavett, pinnavett ja rannikumerd ning N voogusid nende vahel. N leostumine põhjavette keeruline hinnata N välja ka vee tarbimisega ning püütud kalade ja teiste ressurssidega tööstustele ja otseseks tarbimiseks. Isepuhastus veesüsteemides 35 Taani N bilanss 2010 (Hutchings et al., 2014) 36 6
Soome Toidu- ja söödatootmise lämmastiku bilanss (Antikainen et al., 2005) Valgla Nr bilanss Suur määramatus: palju algandmeid, erineva kvaliteediga, erinevad andme allikad. Riigi tasandi N voogude andmete kasutamine valgla tasandil? Quantities in grazed biomass estimated by estimation tool (by using coefficients suggested by Eurostat s experts) and statistical data. (Economy wide material flow account, Estonia, 2010) 37 38 Järeldusi Taani bilansi kohta (Hutchings et al., 2014) Usalduspiirid sõltuvalt andmeallikast (Antikainen et al., 2005) Mitmel juhul ei osutunud võimalikuks saavutada rahuldavat sisendi-väljundi tasakaalu andmete puudulikkus, vasturääkivad algandmed. Sellegipoolest hinnati tulemusi piisavalt usaldusväärseks et kirjeldada olulisemaid N voogusid. Milline on N bilansi aktsepteeritav määramatus/viga? Olemas metoodikad selle hindamiseks 39 40 N voogude usalduspiirid Arvutatakse keskmise voo jagamise ja korrutamisega määramatuse teguriga (1..4) (Hedbrandt and Sörme, 2001). Näide (Antikainen et al., 2005): Kui riigi statistika andmetel 1000 lehma, siis määramatuse tegur 1,1. Määramatuse vahemik siis: 1000/1,1 = 909 ja 1000*1,1 = 1100 lehma (909-1100 lehma). Kui lehma kaal 400 kg/1.2 ja lehma N sisaldus 3% /1.33. siis lehmade keskmine N sisaldus 1000*400 kg *0.03 = 12000 kg. Määramatuse tegur: 1+[(1,1 1) 2 +(1,2 1) 2 +(1,33 1) 2 ] 0,5 =1,4 Edasine töö Metaandmebaas andmeallikad, koefitsiendid, arvutusvalemid, N vood Harmoniseerimine: Eesti-Läti, metoodika piiriülene N voog, emissioonid, ärakande koefitsiendid, andmete kvaliteet, tegevus puuduvate andmete korral Tõenäoline N sisaldus lehmades vahemikus: 8600-16800 kg. 41 42 7
TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL Ehitajate tee 5, 19086 Tallinn, Tel.: +372 620 2506 arvo.iital@ttu.ee 43 8