Relations between soil management and the quality of surface- and groundwater supplies

Summary

• 1. Urban and industrial waste waters, farm effluents, soil and fertilizer born nitrate and phosphate may impair the water quality in streams, groundwater bodies and lakes by oxygen deprivation and high salt contents, nitrate accumulation and eutrophication. In this paper the hygienic aspect as well as the problem of urban waste disposal were left aside, only the influence of farming upon the water quality has been discussed.

• 2. Farm effluents include liquid manure, manure piles runoff and silo effluents which are too concentrated and carry too high a BOD load to allow processing in treatment plants. Parts of these liquids may contaminate water courses, and enter sewage systems. Improved technology and economical help will be required to foster the safe utilization of these liquids on the land.

• 3. High nitrate contents in drinking water are known to have caused sometimes fatal methemoglobinemia in infants. In the Federal Republic 3.7% of the public water works supply water that contains more than 50 mg/l NO₃.

• 4. Sources of nitrate are: urban and industrial waste waters, cesspools, farm effluents and the toplayer of cropland. Annual leaching losses of a few to 40 and more kg/ha N(NO₃₋) from the soil have been reported. The soil solution frequently contains nitrate concentrations in excess of the drinking water standard.

• 5. However, whether this will cause objectionable concentrations in drinking water supplies depends upon the share of cropland in an area and upon the local hydrological conditions. Management measures are available to partially cut nitrate leaching.

• 6. Phosphorus is the critical factor for eutrophication. In the watershed area of the Stockacher Aach which empties into the Lake Constance, the amount of phosphorus that originates from soils and fertilizers depends on petrographical and pedological conditions rather than upon management. Soil born phosphorus plays only a minor role in enhancing the eutrophication of the Lake. This may be different in other areas where rocks and soils do not contain limestone or where erosion is higher.

• 7. Nitrogen presently is not considered to be a limiting factor for the eutrophication of the Lake Constance, although the element is required for production. From a predominantly rural area most of the nitrogen input into the Lake is soil born. In 1963 it amounted to 112 t N(NO₃₋) from 242 km². However there are also tributaries which carry high amounts of nitrogen that originates from urban wastes.

• 8. There exists no general answer as to the influence upon the quality of water supplies of farm effluents; soil born nitrate and phosphate. This rather has to be assessed according to the local conditions (share of cropland, types of soils and rocks, management, handling of farm wastes etc.) within a watershed area.

Zusammenfassung

• 1. Siedlungs- und industrielle Abwässer, Hofabflüsse, sowie Nitrate und Phosphate aus Böden und Düngemitteln können die Qualität des Wassers in Flüssen, im Grundwasserkörper und in Seen verschlechtern. Dies geschieht u.a. durch Sauerstoffzehrung und hohe Salzgehalte, durch den Aufbau hoher Nitratkonzentrationen und Beschleunigung der Eutrophierung. In dieser Arbeit bleiben die hygienischen Gesichtspunkte und Fragen der Beseitigung von Siedlungsabfällen außerhalb der Betrachtung. Es werden mögliche landwirtschaftliche Einflüsse auf die Wasserqualität diskutiert.

• 2. Zu den Hofabflüssen gehören flüssige Wirtschaftsdünger, Ablauf von Düngerhaufen und Grünfutter-Silos. Diese Flüssigkeiten sind zu konzentriert und haben einen zu hohen BSB als daß eine Aufbereitung in Klärwerken in Betracht käme. Z.T. können solche Flüssigkeiten Wasserläufe kontaminieren oder in Kanalisationssysteme gelangen. Technische und ökonomische Hilfe wird erforderlich sein, um die richtige Nutzung dieser Flüssigkeiten auf den Böden sicherzustellen, die solche Gefahren ausschließt.

• 3. Es ist bekannt, daß hohe Nitratgehalte im Trinkwasser z.T. tödliche Fälle von Methämoglobinämie bei Kleinkindern verursacht haben. In der Bundesrepublik Deutschland enthält das von der öffentlichen Wasserversorgung angebotene Trinkwasser in 3,7% der Fälle mehr als 50 mg/l NO₃.

• 4. Die Quellen für dieses Nitrat sind: Abwässer, Senkgruben, Hofabflüsse und die Krumenschicht von Ackerland und bearbeiteten Sonderkulturen. Jährliche Auswaschungsverluste von einigen bis 40 und mehr kg/ha N(NO₃₋) wurden festgestellt. Die Bodenlösung in diesen Böden enthält häufig Konzentrationen, die höher sind als die für Trinkwasser zulässige Menge.

• 5. Ob dadurch zu beanstandende Konzentrationen in Trinkwasservorräten entstehen, hängt außerdem auch vom Anteil an offenem Ackerland und Sonderkulturen in einer Landschaft ab und von den lokalen hydrologischen Gegebenheiten. Maßnahmen der Bewirtschaftung zur Reduktion der Nitratauswaschung sind möglich.

• 6. Phosphor ist der Minimumfaktor für die Eutrophierung. Im Einzugsgebiet der Stockacher Aach, die in den Bodensee fließt, hängt die Menge des aus Böden und Düngemitteln kommenden Phosphors eher von petrographischen und pedologischen Gegebenheiten ab, als von der Bodenbewirtschaftung. Bei der fortschreitenden Eutrophierung des Sees spielt bodenbürtiger Phosphor eine untergeordnete Rolle. Für kalkfreie Landschaften und wo die Erosion größer ist, dürfte diese Feststellung nicht zutreffen.

• 7. Obwohl dieses Element produktionsbiologisch wichtig ist, wird Stickstoff gegenwärtig nicht als Minimumfaktor der Eutrophierung im Bodensee angesehen. Aus einem überwiegend ländlichen Einzugsgebiet stammt fast der ganze Stickstoffeintrag in den See aus dem Boden, überwiegend vom Ackerland. 1962/63 betrug der Eintrag 112 to N(NO₃₋) aus 242 km². Bodenseezuflüsse, die viel Siedlungsabwässer enthalten, führen auch Stickstoff aus diesen.

• 8. Die Frage, ob und wie sehr Hofabflüsse, boden- und düngerbürtiges Nitrat und Phosphat die Qualität der Wasservorräte beeinflussen, kann nicht allgemein beantwortet werden. Vielmehr sind die landschaftlichen und Kulturbedingungen in Betracht zu ziehen, wie z.B. Anteil von Ackerland und Sonderkulturen, Beschaffenheit der Böden und des Gesteins, Bewirtschaftung einschl. Düngung und die Behandlung und Verwendung der Wirtschaftsdünger.

Résumé

• 1) Les eaux d'égouts d'agglomérations, d'industries, d'exploitations agricoles, ainsi que les nitrates et phosphates des sols et des fumures, peuvent abîmer la qualité de l'eau dans les cours d'eau, dans les nappes souterraines et dans les lacs. Ce phénomène dépend de divers processus: consommation de l'oxygène, élévation de la salinité, du taux de nitrates, accélération du passage à l'eutrophie. Le présent travail laisse de côté les points de vue hygiéniques, ainsi que les techniques de purification des eaux usées. Il se limite aux actions possibles sur la qualité de l'eau des procédés agronomiques.

• 2) Les exploitations agricoles laissent s'écouler des engrais liquides, des suintements de tas de fumiers et de silos d'herbes. Ces liquides sont trop concentrés et ont un trop grand B S B (besoin biologique en oxygène) pour pouvoir être traités dans des installations d'épuration. Ces liquides peuvent contaminer des cours d'eau, voire peuvent pénétrer dans des canalisations d'eau potable. Il est nécessaire, et d'ailleurs économique, de canaliser ces écoulements, de manière à assurer leur épandage correct sur les terres cultivées, ce qui met à l'abri des dangers de contamination.

• 3) Il est connu que des taux élevés de nitrates dans l'eau de boisson ont causé des cas mortels de méthémoglobinémie chez les très jeunes enfants. En République Fédérale d'Allemagne, l'eau délivrée par les canalisations des services publics de distribution contient dans 3,7% des cas plus de 50 mg/l de nitrates NO₃.

• 4) Les origines de ces nitrates sont: eaux vannes, fosses d'aisances, écoulements de ferme, couche arable du sol cultivé, certaines cultures spécialisées. Des pertes par lixiviation allant de quelques kg à 40 kg d'azote nitrique par hectare ont été constatées. Les solutions de ces sols contiennent souvent des concentrations supérieures à celles qui sont tolérables pour l'eau de boisson.

• 5) La proportion de terres labourées, de cultures maraîchères soéciales, dans une région donnée, les conditions hydrologiques locales déterminent les concentrations en nitrates dans les eaux de boisson. Il est possible par certaines techniques culturales de réduire le taux de lixiviation des nitrates.

• 6) Les phosphates représentent un facteur limitant dans le passage au stade d'eutrophie. Dans le bassin déversant de l'Aach de Stockach, qui s'écoule dans le lac de Constance, les quantités de phosphates qui proviennent du sol et de la fumure dépendent davantage des données pétrographiques et pédologiques, que des méthodes culturales. Les progrès du passage au stade eutrophique du lac dépendent très peu des phosphates des sols. Dans des régions sans calcaire, et là où l'érosion est plus importante, cette règle ne s'applique pas.

• 7) Quoique l'azote soit un facteur important de la production biologique, ce facteur n'est pas limitant pour le moment, dans le lac de Constance. L'apport d'azote dans le lac provient d'un bassin versant presqu'entièrement agricole. Au cours de l'année 1962–63, l'apport fut de 112 tonnes d'azote nitrique, provenant de 242 km². Beaucoup de ruisseaux qui charrient les déchets de nombreuses agglomérations, apportent aussi de l'azote.

• 8) Il est difficile de savoir d'une façon générale dans quelle mesure les écoulements de ferme, les sols et les engrais des sols apportent des nitrates et des phosphates aux nappes d'eau souterraines. Il y a lieu de considérer les pratiques agronomiques et culturales: la proportion de terres labourées et maraîchères, la nature du sol et du sous-sol rocheux, les façons culturales, notamment la fumure, particulièrement la conservation et l'emploi du fumier de ferme.