Test av tre nordiska fosforindex för förhållanden i svensk jordbruksmark

Transkript

1 Test av tre nordiska fosforindex för förhållanden i svensk jordbruksmark på uppdrag av Jordbruksverket Inom projektet Greppa Fosforn

2 Tom sida

3 Test av tre nordiska fosforindex för förhållanden i svensk jordbruksmark Rapporten är upprättad av: Tette Alström och Bengt Wedding Granskning: Cecilia Holmström Uppdragsgivare: Jordbruksverket Omslagsbild: vänster, markyta med spår av stående vatten i pilotområde U8, höger, slukhål ner till kulvert i pilotområde N33. Landskrona EKOLOGGRUPPEN Totalt antal sidor i huvuddokument (inkl. omslag): 38 Utskriftsversion: Wordfil: \Treindex_slutrapport.docx ADRESS: Järnvägsgatan 19B, Landskrona TELEFON: FAX: HEMSIDA: E-POST: mailbox@ekologgruppen.com

4 Innehållsförteckning sidan Sammanfattning... 6 Inledning... 7 Målsättning... 7 Bakgrund... 8 Faktorer som påverkar transport av fosfor från åkermark... 8 Översiktlig beskrivning tre nordiska P-index... 9 Jämförelse mellan tre nordiska P-index Klimatdata Källfaktorer Transportfaktorer Vilka indata finns att tillgå i Sverige? Källfaktorer Jordart Topografi Klimat Transportvägar Sammanfattning av tillgång till indata Tillämpning av de tre indexen i pilotområdena Datainsamling Tillämpning av P-index Jämförelse mellan klassningsresultat för olika P-index Jämförelse av P-index mot mätdata och fältobservationer Jämförelse mellan riskklassning och fältobservationer Jämförelse mellan riskklassning och vattenkvalité Diskussion Begränsningar i tillgång på indata Begränsningar i användbarhet för att hitta åtgärdsområden En möjlig väg att gå? Rekommendationer och slutsatser Slutsatser Bilagor 1. Klassning av risk för vattenerosion enligt danskt P-index i pilotområde U8 2. Klassning av risk för ytavrinning enligt danskt P-index i pilotområde U8 3. Klassning av risk för fosforläckage enligt norskt P-index i pilotområde U8 4. Klassning av risk för fosforläckage enligt svenskt P-index i pilotområde U8 5. Klassning med norskt P-index uppdelat mellan olika riskfaktorer i pilotområde U8 11. Klassning av risk för vattenerosion enligt danskt P-index i pilotområde N Klassning av risk för ytavrinning enligt danskt P-index i pilotområde N Klassning av risk för fosforläckage enligt norskt P-index i pilotområde N Klassning av risk för fosforläckage enligt svenskt P-index i pilotområde N Klassning med norskt P-index uppdelat mellan olika riskfaktorer i pilotområde N33 4

5 5

6 Sammanfattning Huvudsyftet med denna studie har varit att göra en jämförelse mellan de fosforindex som har utvecklats i Sverige, Danmark och Norge. Jämförelsen har gjorts dels med avseende på de olika indexens uppbyggnad och behov av indata och dels genom att tillämpa indexen på två pilotområden som ingått i pilotprojektet Greppa fosforn. De tre indexen har många likheter i sin uppbyggnad. Alla indexen bygger på att man kombinerar källfaktorer med transportfaktorer för att få fram ett indexvärde som beskriver risk för fosforläckage till ytvattnet. Källfaktorerna (jordens fosforinnehåll, dess tillgänglighet, tillförd gödning m m). Transportfaktorerna beskriver transportprocesser (vattenerosion, ytavrinning, infiltration och makroporflöde) samt transportvägar för fosfor till vattendragen. Jämförelsen mellan de olika indexen visar att de i grova drag pekar ut samma riskområden. Det svenska indexet är svårt att jämföra med de andra eftersom beräkning endast har kunnat utföras på ett fåtal skiften, då all indata fått matas in enskilt för varje fält. I danska indexet har vi endast kunnat utföra beräkningar på transportprocesserna ytavrinning och vattenerosion (ej makroporflöde och infiltration). Resultaten visar tydligt att inget av de P-index som testats ger en indikation på att fosforläckaget är högt i pilotområdena trots höga uppmätta fosforhalter. Något samband mellan riskvärden och uppmätta halter av fosfor kunde inte fastställas. Ett annat hinder, för att kunna applicera något av de utvecklade indexen på en större skala för svensk åkermark, är bristen på indata. Samtliga index kräver mer eller mindre avancerad indata, framför allt när det gäller jordens kemiska sammansättning, som i bästa fall endast finns tillgänglig hos den enskilde brukaren. Tillgången till indata i pilotområdena har dock varit mycket god i denna studie. Trots detta har varken de faktiska orsakerna eller de uppenbart höga fosfortransporterna till vattendragen varit möjliga att identifiera med något av P-indexen. Lätt tillgängliga indata i GIS-format bör kunna lägga grunden till ett bakgrundsindex som kan peka ut naturliga riskområden för fosforläckage. Exempelvis har vi med fältinventering i de studerade områdena visat att man med en enkel kartering av risken för ytavrinning med relativt god träffsäkerhet kan peka ut områden med förekomst av vattenerosion och stående ytvatten. Ett bakgrundsindex, med riskbedömning för olika transportprocesser, skulle kunna vara ett bra verktyg för rådgivaren att ha med sig till brukaren. Med uppgifter från brukaren kan riskbedömningen sedan förfinas och preciseras så att rätt åtgärder kan sättas in. En kort sammanfattning av våra slutsaser kan ges i följande punkter: Testet av olika nordiska P-indexen visar att de i sin nuvarande form dels inte är tillämpbara, p.g.a. brist på indata, dels att riskklassningen inte stämmer överens med de höga fosforhalterna i pilotområdena. Vi rekommenderar istället en satsning på att ta fram ett förenklat bakgrundsindex som kan användas som grund vid rådgivning hos brukaren. Tillgänglig topografisk data kan användas för klassning av ytavrinning som en enkel metod att hitta hotspots för fosforläckage via ytavrinning, rännilserosion och temporär ravinerosion samt områden med risk för stående vatten. SGU s digitala jordartskarta bör bearbetas för riskkatering av makroporföde, infiltration och vattenerosion. Forskning kring vilka väderlekssituationer som har störst betydelse för fosforläckage ( 1 % av tiden ) bör uppmuntras. Var, när och hur ofta uppstår dessa? Rådgivningen, via Greppa Näringen, på gårdsnivå kring alla detaljer gällande transportvägar och källfaktorer är mycket viktig. Ta hjälp av ett bakgrundsindex och vattenkvalitetsmätningar för att zooma in högriskområden. Fosfor är komplext. Samarbete mellan många olika discipliner är nödvändigt. Det är även viktigt att ta vara på erfarenheter från de andra nordiska länderna. 6

7 Inledning Föreliggande studie har utförts av på uppdrag av Jordbruksverket. Studien utgör en av ett antal olika delprojekt som pågår inom ramen för pilotprojektet Greppa fosfor. Sedan 2007 har man inom Greppa fosfor genomfört studier inom tre små jordbruksdominerade avrinningsområden (pilotområden) i syfte att utveckla effektivare sätt att minska jordbrukets fosforförluster 1. Vårt uppdrag har varit att inom ramen för detta arbete jämföra och testa tre olika fosforindex (P-index), som utvecklats i Danmark, Sverige respektive Norge. Fosfor-index är ett redskap som utvecklats och använts i USA under lång tid. Målet med ett P- index är att beskriva den relativa risken för fosfortransport från jordbruksmarken med hjälp av lättillgänglig indata och att på så vis kunna ge förslag på åtgärder som kan reducera fosforförlusten från marken. Det är en empirisk metod där olika kända riskfaktorer vägs samman till ett värde för ett bestämt markområde, som ger en klassning av jordbruksmarkens risk för fosforläckage. Ett P-index är uppbyggt efter principen att man dels värderar tillgången till fosfor i jordbruksmarken utifrån dess kemiska sammansättning, gödsling mm och att man därefter tillför en klassning av risken för uttransport av denna fosfor genom värdering av transportfaktorer. Transportfaktorerna omfattar dels de processer som lösgör och transporterar fosfor (vattenerosion, ytavrinning, makroporflöde, infiltration m m) dels andra faktorer som påverkar transporten (närhet till vattendrag, åtgärder, täckdikning mm). Metoder för beräkning av P-indexen som använts i Danmark, Sverige och Norge har tidigare jämförts av t.ex. Heckrath et.al Vid ett seminarium (januari 2011) inom ramen för BALTICSEA sammanfattades behoven för utveckling av de nordiska P-indexen: Hitta den rätta balansen mellan komplexiteten i modellerna och tillgång till indata, även med hänsyn till kostnadseffektivitet. Kalibrering av verktyget, dess trovärdighet när det gäller att förutsäga fosforläckage samt effekten av olika åtgärder såsom anlagda våtmarker, recirkulation av dräneringsvatten m.m. Olika sätt att involvera olika målgrupper (brukare, myndigheter m.fl.) Politiska uppgifter att ta fram ramverk för att försäkra internationella åtaganden avseende fosfor och nationella mål för fosforreduktion. Av ovanstående framgår att P-index för nordiska förhållanden är i behov av ytterligare utveckling för att kunna tillämpas operationellt som ett bra verktyg i åtgärdsarbetet, d.v.s. en metod som zoomar in de områden (hot spots) där åtgärder gör bäst nytta. Målsättning Målsättningarna för föreliggande uppdrag framgår nedan. Uppdraget är i sin tidsomfattning relativt begränsat och rymmer därför inte möjligheten att vetenskapligt djupdyka i olika detaljer gällande t.ex. kemiska och fysiska processer, pålitlighet hos indata m.m. För detta finns en mängd litteratur att tillgå och forskningen går ständigt framåt. Vi vill därför understryka att vi ser att den viktigaste målsättningen för vårt uppdrag är att försöka visa hur befintlig kunskap om 1 Websida om projektet: 2 Heckrath G., Bechmann M., Ekholm P. Ulén B., Djodjic F. och Andersen H.E. 2008, Review of indexing tools for identifying high risk areas of phosphorus loss in nordic catchments, Jour. of Hydrl. 349, s Foged H., 2011, BalticSEa2020, phosphorus indices, Atatus relevance and requriements for a wider use as efficient phosphorus management measures in the Baltic sea region. Sammanställning av resultat från seminarium i jan

8 fosforläckage och tillgång till indata för svensk åkermark kan användas för att i nuläget ta fram ett användbart redskap för riskklassning av fosforläckage. Att hitta den rätta eller snarare den möjliga balansen mellan kunskap om processerna och tillgång till relevant indata ser vi som uppdragets kärna. Uppdraget omfattar fyra olika huvudmål: Beskriva de fosforindex som har tillämpats i Sverige, Danmark och Norge med avseende på uppbyggnad och behov av indata. Så långt möjligt, med tillgänglig indata, tillämpa de tre olika indexen i två pilotområden. Jämföra resultatet från de tre olika indexen mot mätdata inom respektive pilotområde Jämföra utfallet från de tre indexen mellan varandra Bedöma indexens praktiska användbarhet, avseende utpekande av riskområden, utifrån den tillgång på indata som med relativ lätthet kan tas fram för all jordbruksmark i Sverige Bakgrund Faktorer som påverkar transport av fosfor från åkermark De faktorer som påverkar fosforförlusten från en åker till vattendraget kan delas in i källfaktorer och transportfaktorer. Källfaktorer skall beskriva hur mycket lättillgänglig fosfor som kan transporteras från olika delar av jordprofilen. Transportfaktorerna skall beskriva vilka transportprocesser, se figur 1 som är mest aktiva i ett område utifrån de naturgivna förhållandena (klimat, topografi och jordarter), samt transportvägar (närhet till vattendrag, förekomst av ytvattenbrunnar, täckdikning, skyddszoner mm). Ytavrinning Makroporflöde Vattenerosion Infiltration Ytavrinning på vall och bete Översvämningar Infiltration till grundvattnet Erosion i vattendraget Figur 1. Schematisk bild över transportprocesser som påverkar transport av fosfor till vattendragen. 8

9 Översiktlig beskrivning tre nordiska P-index Det danska P-indexet En sammanfattning av det danska P-indexets uppbyggnad ges i Heckrath et.al I Danmark har man sedan 2004 arbetat för att ta fram ett P-index anpassat till danska förhållanden. Projektet har varit ett samarbete mellan såväl statliga institutioner, forskningsinstitutioner som dansk jordbruksrådgivning och i nuläget håller man på att testa verktyget som underlag vid rådgivning till markägare. Målet har varit att få en landstäckande riskklassning och mycket resurser har lagts på att ta fram nödvändig indata. Figur 2. Resultat av klassning med det danska P-index som visar den sammantagna risken för fosforläckage inom olika jordbruksblock. Figuren är hämtad från ett föredrag av Rita Hörfarter, Dansk lantbruksrådgivning, Landscentret planteproduktion, Århus 4 Heckrath G., Estrup Anderssen H., Rubeak G., Kronvang B. Kjaergaard C., Hoffman C.C, 2009, Et Web-baseret P-indeks som miljöplanleagningsredskap: del 1, Vand och Jord, årg. 16, Nr 2, s

10 Det norska P-indexet I Norge har man under många år arbetat med att ta fram ett P-index som nu finns tillgängligt för lantbrukare i Norge och kan användas för åtgärdsarbete. Principen är den samma som i den danska, men uppbyggnad och framför allt metoder/modeller för att identifiera riskområdena skiljer sig relativt mycket åt. Till grund för det norska P-indexet ligger en studie av Bechmann En reviderad version av indexet och en sammanfattning av dess uppbyggnad finns på Bioforsks hemsida 6. Just nu arbetar man bl.a. med att förbättra den nationella erosionsriskklassningen med hjälp av ny indata 7. Detta arbete sköts av Norska institutet för skog och landskap (NIJOS). Figur 3. För norsk åkermark kan en brukare/rådgivare tillämpa P-indexet genom att utnyttja ett webbaserat klassningsverktyg där olika fakta om ett åkerfält tillförs. Klassningsverktyget nås på webbplatsen: Det svenska P-indexet Ett P-index har även utarbetats för svenska förhållanden och finns redovisat i Djodjic & Bergström Indexet har testats mot fosforförluster från sju olika försöksfält och visade sig stämma bra överens med uppmätta förluster. Indexet är framtaget för att användas direkt av brukaren/rådgivaren. Användbarheten av indexet har även testats av rådgivare på gårdsnivå. Slutsatsen var att det i sin nuvarande form bl.a. var för komplicerat att använda för brukaren samt att indata saknades för att utföra beräkningen 2. I nuläget finns ingen plan att förändra indexet för att förbättra tillämpbarheten 9. 5 Bechmann M, 2005, The phosphorous index tool for assasseing phosphorous transfer from agriculturalareas in Norway, norweigian univers. Of life sience, Thesesis 2005:4 6 Marianne Bechmann m fl: informasjon.pdf 7 Marianne Bechmann, muntl.upg. jan Bioforsk, Ås, Norge 8 Djodjic F. & Bergström L., 2005, Conditional phosphorus index as an educational tool for risk assessment and phosphorus management. Ambio, Vol.34, No. 4-5,, s

11 Figur 4. För det svenska indexet finns en windowsbaserad programvara framtagen som kan användas för enskilda åkerfält. Programmet är i nuläget inte tillgängligt för allmänheten. 9 Översiktlig jämförelse mellan indexen De tre olika indexen skiljer sig åt dels när det gäller behov av indata, dels hur mycket ny indata som ska tillföras vid själva tillämpningen. Generellt kan sägas att för tillämpningen av det danska indexet är allt mycket väl förberett. Klassningar med hög upplösning är gjorda för hela Danmark på blocknivå för de fyra transportprocesser som ingår. För det norska indexet krävs att brukaren/rådgivaren tillför indata själv för varje åkerfält, även om t ex erosionsrisken finns som en landstäckande information som går att hämta data från vid klassningstillfället. Det svenska indexet kräver att brukaren/rådgivaren tillför all indata, varav vissa uppgifter i nuläget kräver specifik provtagning i det aktuella fältet. Alla tre indexen resulterar i en relativ klassning av risken för fosforförlust, som inte anger något specifik förlustvärde (t.ex. kg P/ha). Indexvärdet beräknas genom att multiplicera summorna som fås från värderingen av källfaktorer respektive transportfaktorer. Beräkningsvägen fram till ett riskvärde, d.v.s. hur indata klassas/används i diverse beräkningar/modeller skiljer sig också åt mellan indexen och det finns en stor skillnad i transparens. I det Danska indexet beräknas risken för respektive transportprocess för sig, se figur 5. Vid var enskild beräkning inkluderas källfaktorer som är relevanta för respektive process. Resultatet visas i en riskklassning på kartor dels för respektive transportprocess (figur 10), och dels sammanslaget till ett riskvärde, se exempel i figur 2. 9 Muntl. uppgift, Djodjic F. jan. 2012, SLU 11

12 Schematisk beräkningsväg för det Danska fosfor indexet Makroporflöde har beräknats separat. Redovisas som riskkarta över Danmark 2. Infiltration har beräknats separat. Redovisas som riskkarta över Danmark. 3. Ytavrinningen har beräknats separat. Redovisas som riskkarta över Danmark. 4. Risk för yterosion har beräknats separat. Redovisas som riskkarta över Danmark. Källfaktorer Transportfaktorer Figur 5. Schematisk bild över uppbyggnad av det danska P-indexet. Enklast att förstå är det Norska indexet, se figur 6, där man först räknar ut ett värde för källfaktorer, därefter beräknas bidraget från olika transportfaktorer och slutligen multipliceras värdet för källfaktorer med transportfaktorer och en nederbördsfaktor till ett riskvärde (figur 3). Schematisk beräkningsväg för det Norska fosfor indexet Källfaktorer 2. Yterosion 3. Översvämningsrisk 4. Ytavrinning på gräsmark 5. Utlakning. Infiltration och makroporflöde klassas gemensamt utifrån jordart 6. Nederbörd S c h e m at Källfaktorer Transportfaktorer is k Figur 6. b Schematisk beskrivning av uppbyggnaden av det norska P-indexet I det er Svenska indexet är beräkningarna som ligger till grund för den slutliga klassningen mer komplicerade ä än i det norska, se figur 7. För användaren blir det en svart box där man stoppar in en kmängd indata, se figur 4. Fördelen med beräkningarna är att man inte bara får ut ett riskvärde ni utan beräkningen visar vilken transportprocess som är viktigast, på det åkerfält som klassas, n samt vilken typ av fosfor (lättillgängligt eller bundet) som transporteras från det aktuella g åkerfältet. s v ä g fö r d et S 5 3

13 Schematisk beräkningsväg för det Svenska fosfor indexet Nederbörd 2. Fördelning på olika transportprocesser. Först mellan ytavrinning/yterosion sen mellan infiltration och makroporflöde. 3. De olika transportprocesserna hämtar lättillgängligt fosfor från övre respektive nedre delen (alven) av jordprofilen. Källfaktorer Transportfaktorer Figur 7. Schematisk beskrivning av uppbyggnaden av det svenska P-indexet Både mängd och upplösning på indata samt det sätt som beräkningarna, som ligger till grund för riskvärdet, är gjorda på skiljer sig markant mellan indexen. Jämförelsen mellan de olika indexen är med andra ord inte helt enkel. Vi väljer att dela in vår jämförelse mellan indexen efter dels hur man väger in fosfortillgången i marken; här kallat källfaktorer, sen följer en genomgång av transportfaktorer, dvs. transportprocesser och transportvägar. I vår jämförelse kan vi inte gå in på alla beräkningar i detalj, men vi försöker ändå exemplifiera skillnaderna mellan indexen och i övrigt referera till källitteratur. Jämförelse mellan tre nordiska P-index Klimatdata Den drivande faktorn för alla de processer som transporterar fosfor från åkermark till vattendraget är naturligtvis hur mycket nederbörd som faller. När och hur (intensitet) nederbörden faller har också betydelse eftersom det påverkar förekomsten av ytavrinning och därmed vattenerosion, se vidare nedan. Även temperatur (förekomst av tjäle) och snömängder kan vara viktiga faktorer. När det gäller klimatförhållandens betydelse för fosfortransporten framhävs ofta att ett fåtal specifika väderlekssituationer ger upphov till de mängdmässigt största förlusterna. Analyser av klimatvariabler i samband med dessa väderlekssituationer, t ex hur ofta kombinationen snösmältning/regn på delvis tinad mark uppkommer eller åskregn med erosiva intensiteter uppträder, behöver utredas ytterligare. De bör även i högre grad kopplas till synoptiska mätningar och utvärderas gällande betydelsen för den totala fosfortransporten såväl som betydelsen för transport av löst respektive bundet fosfor. I Norge har man genomfört studier för att ta fram samband mellan förekomsten av specifika väderlekstillfällen såsom t ex snösmältning på tjälad mark 10. Detta har även studerats för svensk åkermark Lilian Öjgarden, Soil erosion in small agricultural catchments, south-eastern Norway. PhD Thesis 2000:8, Department of soil and water sciences, Agricultural university of Norway. 11 Alström K., Bergman-Åkerman A. 1991, Vattenerosion i sydsvensk åkermark, Licentiatavhandling, Lunds universitet Naturgeografiska institution, Rapporter och Notiser 73 13

14 Figur 8. Snösmältning med delvis tinade jordar är en väderlekssituation som kan ge extremt höga uttransporter av fosfor. Hur ofta dessa tillfällen uppstår, hur dessa tillfällen identifieras genom analys av kilmatdata samt hur stor del av den totala fosfortransporten de utgör under en längre tidsperiod är dock relativt lite undersökt. Skillnader och likheter mellan indexen I det svenska och norska P-indexet ingår förekomsten av extrema väderlekssituationer indirekt då t.ex. förekomst av översvämmad mark och uppgifter om tjälförekomst ska anges. I övrigt tillförs enbart indata om årsmedelnederbörden för det område som klassas. I det danska indexet ingår även t ex ackumulerad nederbörd okt-mars. I de förberedande beräkningarna och klassningarna som gjorts i Danmark har dock nederbörden bearbetats mer i detalj (d.v.s. med en hög upplösning) t ex. vid beräkningar av R-faktorn vid erosionsriskklassningen. Tabell 1. Behov av klimatdata för beräkningar i de olika p-indexen P-index Nederbörd Nederbörd Regionalt anpassad Förekomst av tjäle årsmedel okt-mars R-faktor Danmark JA JA JA NEJ Norge JA NEJ Osäkert NEJ Sverige JA NEJ NEJ JA Källfaktorer Förenklat kan man säga att indata, som används för att beskriva källfaktorer för fosforförlusten, skall beskriva hur mycket lättillgängligt fosfor som finns i jorden, hur stor möjlighet en jord har att binda lättlösligt fosfor (fosforbindningskapacitet/ fosformättnadsgrad) samt hur mycket fosfor som tillförs via gödseln och hur mycket som bortförs via skörden. Detta sammantaget skall ge ett värde på risken att någon transportprocess för med sig fosfor till vattendragen. I faktarutan nedan ges en kortfattad beskrivning av kemiska processer av betydelse för fosfor i jord. 14

15 FAKTA Hur mäts mängd och tillgänglighet av fosfor i en jord? De kemiska processer som styr tillgången till lättillgängligt fosfor i en jord är komplexa. Enbart fosfortalet, d.v.s. mängden lättillgänglig fosfor (P-AL) ger inte ett fullständigt svar på hur lätt fosfor urlakas ur jorden. Det är även viktigt att veta hur mättad jorden är på fosfor. Fosformättnadsgraden (DPS) anger hur mycket fosfor som finns tillgängligt i förhållande till jordens fosforbindningskapacitet. Fosforbindningskapaciteten (PSI), i sin tur, anger hur stor mängd bindande ämnen (oxider av järn och aluminium samt kalk) som finns i jorden (mol (Al ox +Fe ox )/kg). Högt innehåll av dessa ämnen gör att jorden kan binda mer fosfor, har en hög fosforbindningskapacitet. För att avgöra en jords risk för fosforläckage krävs därför både data om mängden lättillgängligt fosfor och fosforbindningskapacitet. För att få ett mått på fosforbindningskapaciteten måste man känna till en jords innehåll av järn- och aluminiumoxider samt kalk i flera delar av jordprofilen, eftersom fosforbindningskapaciteten kan förändras nedåt i profilen. Analysmetoder för såväl bestämning av lättillgängligt fosfor som innehåll av bindande ämnen kan variera. I Sverige har man t.ex tagit fram ett förenklat sätt att bestämma graden av fosformättnad. Även jordens innehåll av organiskt material kan användas tillsammans med P-AL talet för att få ett indirekt värde på fosformättnadsgrad. Källor: Bergström m.fl. 2007, fosfor från jordbruksmark till vatten tillstånd flöden och motåtgärder i ett nordiskt perspektiv., Rapport MAT 21 nr 2/2007, Ulén B., 2006, FAKTA Jordbruk, sammanfattning av aktuellt jordbruk, Nr Sveriges lantbruksuniversitet Skillnader och likheter mellan indexen I alla tre indexen ingår ett värde för jordens fosforinnehåll/fosfortal t.ex. i mg P/kg jord, se tabell 2. Analysmetoderna skiljer sig dock åt (olika extraktionsmetoder). I det svenska indexet behövs indata för fosforinnehåll i både ytjorden (matjorden) och en bit längre ned i profilen (alven). I alla tre indexen inräknas effekten av tillförd mineral- och stallgödsel samt hur och när gödseln brukas ned (metod). Man tillför även fakta om skördeuttag, typ av gröda samt om växtrester lämnas kvar i åkern. I det norska indexet tar man inte hänsyn till jordens fosformättnadsgrad/fosforbindningskapacitet. För att räkna ut detta krävs indata om jordens innehåll av järn- och aluminiumoxider, se faktarutan ovan. I Danmark har man tagit fram ett landstäckande underlag genom extrapolering av analyser från karakteristiska provpunkter 12. Resultatet från denna sammanställning har sedan används för att klassa dansk jordbruksmark utifrån sannolikheten (i indexet kallat Y) att löst fosfor binds till jorden i de nedre delarna av jordprofilen. I det svenska P-indexet beräknas fosformättnadsgraden (DPS) för matjorden respektive alven separat genom ett samband mellan ph, halt av organiskt material, ler halt och PAL-tal 9. De resulterande värdena för DPS i matjorden respektive alven används sedan separat för att beräkna risken för tranport av lättlösligt fosfor från markytan (via ytavrinning och makroporflöde) respektive mineraljorden (infiltration), se även figur 7. I det svenska indexet räknar man även in en s.k. berikningsfaktor. Faktorn ger ett värde på hur mycket bunden fosfor (ej reaktivt) som tar sig vidare genom vattenerosion och makroporflöde. Med dessa transportprocesser sker en selektion av partiklar med olika stor förmåga att binda fosfor och olika storlek vilket har betydelse för hur långt de lösgjorda partiklarna kan transporteras. Faktorn räknas ut genom en funktion, mellan procent sand, lera samt PAL -tal som baseras på mätningar i fält 13. I det norska indexet tar man även med utfrysning av fosfor från vintergrön mark som en fosforkälla. Upprepade frys/tina cykler har visat sig kunna ge en frigörelse av fosfor med upp till 80 % av grödans innehåll. I det norska indexet har man tagit 12 Holton Rubeak G., Heckrath G., Greve M., 2009, Fosforresurser i danskt jordbruk: Vand och Jord, årg. 16, Nr 2, s Djodjic F. & Bergström L., 2005, Conditional phosphorus index as an educational tool for risk assessment and phosphorus management. Ambio, Vol.34, No. 4-5,, s

16 fram en bedömningstabell som ger ett delvärde till riskvärdesberäkningen 14. Dessutom ingår fosforbalans som en faktor. Tabell 2. Behov av indata för beräkning av källfaktorer i de tre olika P-indexen Norge Sverige P-ALtal Effekt av gödsling JA Tillförd mängd, metod Tidpunkt, metod, Tillförd mängd Utfrysning av fosfor P-index Jordens fosforinnehåll Danmark Olsen P- metoden Fosforbindningskapacitet Landstäckande klassning (låg, medel, hög) NEJ Beriknings faktor Fosforbalans Gröda /skörd NEJ NEJ NEJ NEJ Växt zon gröda NEJ JA NEJ P-ALtal % lera % sand P-ALtal Beräknas för resp. skifte NEJ JA JA Transportfaktorer Transportprocesser I denna jämförelse har vi valt att utgå ifrån de transportprocesser som ingår i de olika indexen. Vissa processer finns med i alla tre indexen och några är specifika för ett visst index. Erosion i vattendragen finns inte med i något av indexen även om man (t ex i den danska studien) diskuterar att även denna process kan vara viktig för fosfortransporten. Ytavrinning Vi definierar här ytavrinning som ett vattenflöde över markytan utan transport av partiklar. Det ytavrinnande vattnet transporterar då lättlösligt fosfor från åkerjorden eller fosfor som har tillgängliggjorts via utfrysning från grödor som står över vintern. FAKTA - Hur uppstår ytavrinning? Ytavrinning uppstår vid två olika situationer, dels som Hortons ytavrinning, då nederbördens intensitet överstiger jordens infiltrationskapacitet (t ex vid intensiva åskregn) och dels som mättad ytavrinning, vilket bildas i områden där grundvattenytan når upp till markytan (eller tjälen gör den ogenomtränglig) och omöjliggör infiltration (t ex vid perioder av långvarigt regn, snösmältning på tjälad mark). Hur långt det ytavrinnande vattnet transportterar löst fosfor är beroende av dess hastighet som i sin tur beror på tillrinningsområdets storlek, jordförhållanden, sluttningens lutning och vegetation eller andra hinder i dess väg. När det ytavrinnande vattnet förmår att lösgöra, transportera och deponera partiklar övergår ytavrinningen i vattenerosion, se vidare nedan. Skillnader och likheter mellan indexen Av nedanstående tabell framgår att klassningar av ytavrinning skiljer sig åt mellan indexen. I det danska tar man ingen hänsyn till jordartens infiltrationskapacitet, vilket görs i de andra två. Topografins betydelse representeras av lutningen inom ett fält i det norska och svenska indexen medan man i det danska använder en GIS-beräkning där varje beräkningsenhet (ruta) får ett värde utifrån hur stor yta (antal ovanför liggande rutor) som rinner till denna. Avgränsning för 14 Bechmann M. Krogstad T, Falk Ögaard A, Fosforindeks-En riskiko-indeks for fosfortap fra jordbruksarealer. Tillgänglig via websidan: informasjon.pdf 16

17 denna beräkning utgörs av blockgränser. I det danska indexet tar man även hänsyn till nederbördsmängden inom det område som klassas. I det danska och svenska indexet beräknas ytavrinning på all åkermark, medan man i det norska bara gör det för permanenta gräsmarker. Tabell 3. Behov av indata för beräkning av ytavrinning i de olika P-indexen. P-index jordart topografi nederbörd Danmark Nej tillrinningsarea GIS-beräkning ack. nederbörd okt-mars (10-årsmedel) Norge olika jordartsklasser Lutning i fältet Indirekt genom årsmedelnederbörd Sverige Jordens textur Lutning i fältet Indirekt Olikheterna mellan indexen är främst att man i det danska inte tar någon hänsyn till jordartens infiltrationskapacitet, samt att man i det svenska och norska inte tar hänsyn till hur mycket vatten som rinner till ett fält, d.v.s. topografin. Klassningen i det svenska och norska indexet kan dock förfinas genom att man tillför ett värde för årsmedelnederbörden samt fältets sluttningslängd vid varje enskild klassning. Vattenerosion Vid vattenerosion transporteras jordpartiklar med hjälp av regndroppar eller ytavrinnande vatten. Det ytavrinnande vattnet ger upphov till yterosion (sheeterosion) som ofta koncentreras till rännilar. Det sediment som lösgörs via ytavspolning och rännilserosion (rillerosion) transporteras främst i rännilarna. När rännilarna koncentreras i svackor uppkommer kraftigare erosion, kallad temporär ravinerosion (ephemeral gully erosion). Till skillnad från rännilserosion, vars exakta läge kan variera, återkommer oftast temporär ravinerosion i samma lägen i terrängen. De faktorer som påverkar var och när ytavrinning, och därmed yterosion, rännilserosion och temporär ravinerosion, uppträder kan sammanfattas: klimat, topografi, jordens egenskaper, förekomst av dränering, vegetationstäckning samt faktorer gällande ytavrinningens möjlighet att ta sig vidare genom ett jordbrukslandskap (brukningsmetoder, landskapselement mm), se vidare faktarutan nedan. FAKTA faktorer som påverkar vattenerosionens intensitet Väderleksförhållanden som ger vattenerosion är långvariga regn eller tillfällen med snabb avsmältning av snö och tjälad jord som leder till vattenmättnad i jorden. Vattenerosion i form av rännilserosion och temporär ravinerosion sker episodartat och återkomstperiodiciteten kan vara lång (flera år). Topografin har betydelse genom att erosiviteten hos det ytavrinnande vattnet ökar med ökad lutning, längre sluttningslängd, när det koncentreras i svackor (konkav tvärprofil) samt när det passerar sluttningar med konvex längdprofil. Jordens erodibilitet (erosionsbenägenhet) avgörs av hur lätt partiklar (både primärpartiklar och aggregat) kan lösgöras och hur lätt de sedan kan transporteras vidare. Hos partiklar mindre än 0,06 mm (lera) begränsas erodibiliteten av kohesionskrafter och därför anses de lättaste icke kohesionsjordarna (mjäla, mo/silt) som mycket erosionsbenägna. Men jordar med aggregatbildning kan i många fall ha minst lika hög erodibilitet. Aggregatstabiliteten minskar med minskat organiskt innehåll, minskad andel lera (< 30 %) samt vid de tillfällen då jorden är vattenmättad eller utsätts för upprepade frysning och upptining. Det finns många olika metoder för beräkning av risk för vattenerosion. Den mest tillämpade är den empiriskt framtagna metoden USLE 15, se faktarutan nedan, vilken även använts i de P- index som presenteras här. USLE, eller dess vidarutveckling RUSLE, är dock inte anpassade för erosionsprocesser i ett klimat med snösmältning, tjäle och upprepade frys/tina cykler samt en nederbördsregim som främst ger mättad ytavrinning. Såväl topografins inflytande som jordens erodibilitet ändras i detta klimat. Jordens erodibilitet påverkas genom att de aggregatbindningar, som i andra klimat, gör lera till en relativt motståndskraftig jordart, löses upp och ökar lerans erodibilitet väsentligt. Den relativa betydelsen av topografiska faktorer (sluttningslängd, 15 Wishmeier, W.H., Smith, D.D Predicting rainfall erosion losses a guide to conservation planning. Agricultural Handbook Nr:

18 lutning) ändras också. Sannolikt har lutningen en mindre vikt och sluttningslängd/tillrinningsområde en större betydelse än i klimat där ytavrinning främst uppstår pga. intensiv nederbörd, se t.ex. 16. Ytterligare en komplicerande faktor för tillämpning i nordiska klimat är de förhållanden som uppkommer vid snösmältning och tjälad mark. Snö som nederbörd kan innebära en ackumulation med en ojämn fördelning i landskapet, vilket vid avsmältningen kan ge skillnader i mängden ytavrinnande vatten som snarare beror på t ex vindförhållanden än topografi. Klimatet innebär även att det uppkommer extrema tillfällen som kan ge stora jordförluster t ex vid regn på delvis tjälad mark samtidigt som snösmältning. Hur ofta dessa väderförhållanden uppstår i ett område finns inte med i USLE/RUSLES R-faktor vilket naturligtvis är en brist. Det är även viktigt att understryka att USLE/RUSLE är framtagna för jordförlust från yterosion och till viss del rännilserosion men inte temporär ravinerosion 17. Sannolikt är det just kraftig rännilserosion och temporär ravinerosion som i ett nordiskt klimat kan ge höga uttransporter av eroderad jord till vattendragen, eftersom vattnets transporterande kraft är hög och motverkar sedimentation vid t ex skyddszoner, trädridåer, stengärdsgårdar, markvägar mm, se figur 9. Det är alltså viktigt att dessa erosionsformer inkluderas i en riskklassning. Pilallé utmed markväg Temporär ravinerosion Temporär ravinerosion Stengärdsgård Figur 9. Spår av temporär ravinerosion som bildats i samband med snösmältning. Kraften i denna transportprocess kan föra jord och fosfor långa sträckor. 16 Alström K., Bergman-Åkerman A. 1991, Vattenerosion i sydsvensk åkermark, Licentiatavhandling, Lunds universitet Naturgeografiska institution, Rapporter och Notiser Foster et al, 2003, Users guide, revised Universal soil loss equation, version 2 RUSLE2, USDA- Agricultural Research Service, EAshington; DC 18

19 FAKTARUTA kortfattad beskrivning av USLE och RUSLE Den grundläggande ekvationen för både USLE och RUSLE är: A = R*K*L*S*C*P A = jordförlust i ton/ha år R = nederbördens erosivitet (MJ mm/ha timme år) K = jordens erodibilitet (ton ha timme/ha MJ mm) L = sluttningslängden S = sluttningens lutning C = vegetationstäckning P = faktor som tar hänsyn till eventuella åtgärder Jordförlusten som räknas fram med denna ekvation är medelerosionen från ett fält. Ekvationen är empiriskt framtagen och respektive ingående parameter bör kalibreras genom fältförsök i det land där den skall tillämpas. Kalibreringen skall göras i fältförsök som är avgränsade till 22, 1 m sluttningslängd och 9 % lutning. I dessa fältförsök testas även sambandet mot jordförlusten för olika jordar, olika grödor och olika brukningsmetoder (åtgärder). Utvecklingen av RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation) är i princip att sambanden för de ingående parametrarna vidareutvecklats för att gälla i olika klimatzoner och en ytterligare förfining av beräknings algoritmer med processbaserade ekvationer. I den tillämpning av RUSLE som ingår i beräkningen av jordförlust i WaTem har t ex parametern för sluttningslängd bytts ut mot tillrinningsområdets storlek, medan övriga faktorer beräknas enligt någon av ekvationerna i handboken för RUSLE. Skillnader och likheter mellan indexen I Norge har man genom mångåriga fältförsök tagit fram en kalibrerad variant av USLE; USLENO och en vidareutveckling av denna: ERONOR 18. Den erosionsriskkarta som ligger till grund för beräkning av det norska indexet har baserats på USLE med en viss anpassning till norska förhållanden 19. I det danska P-indexet har man tillämpat en modifierad variant av RUSLE 20 som används i WaTem; en beräkningsmetod framtagen i Belgien 21. För denna tillämpning har man bl.a. räknat ut regionala värden för R-faktorn i Danmark. Tabell 4. Tillämpad metod för klassning av erosionsrisk samt behov av indata för beräkningen i de fall detta är olika mellan P-indexen. P-index Metod Tillrinning (L) Lutning (S) Nederbörd (R) Danmark RUSLE Tillrinningsarea till beräkningsenhet Lutning i gridcellen Regionalt anpassad R-faktor (gridstorlek t ex 10*10 m) Norge USLE Fältets sluttningslängd Lutning i fältet Sverige RUSLE Fältets sluttningslängd Lutning i fältet I det svenska P-indexet har RUSLE tillämpats utan några direkta anpassningar till nordiskt klimat. Eftersom testområdet var litet ansågs variationen av detta värde vara försumbar och inte påverka den relativa riskbedömning som man eftersträvade Lundekvam, ERONOR/USLENO-Empirical erosion models for Norwegian conditions. Documentation. Report no 6/2002. Norwegian University of Life Sciences. 19 Muntl. Uppfigt M. Bechmann Renard, K.G., Foster, G.R., Weesies, G.A., McCool, D.K., Yoder, D.C Predicting Soil Erosion by Water: A guide to conservation planning with the Revised universal soil loss equation (RUSLE). Agricultural Handbook Nr: 703, 404 pp 21 Van Oost, K., Govers, G., Desmet, P., Evaluating the effects of changes in landscape structure on soil erosion by water and tillage. Landscape Ecology 15: Faruk Djojic,muntl. 19

20 Vattenerosion Ytavrinning Infiltration Makroporflöde Figur 10. Klassning av risk för fosforläckage för olika transportprocesser med hjälp av det danska P- indexet. Röd = hög risk, Gul = mellanhög risk, Grön = låg risk. Figuren är modifierad efter Heckrath et al. 2009, se ovan. När det gäller olika former av erosion, i förhållande till hur den topografiska faktorn (LS, se ovan) bedöms, skiljer sig detta åt mellan indexen. I handledningen till RUSLE understryks att ekvationen är framtagen för att representera erosionsformer som uppkommer inom en sluttning och inte i t ex konkava svackor. Riskområden med temporär ravinerosion blir därmed inte karterade. Detta kompenseras dock i såväl det svenska som norska klassningsförfarandet genom en möjlighet att tillföra fakta om sluttningens form t ex om fältet har en konkav, konvex eller uniform sluttning (svenska) respektive vannförande dråg (norska). I beskrivningen till den norska erosionsriskkartan framhålls att det är bara yterosion som modelleras 23. I den danska tillämpningen innebär beräkningssättet att sluttningar som är konkava i tvärprofilen får en stor tillrinning eftersom vatten samlas dit och därmed får dessa lägen ett högt värde vid beräkningen. 23 NIJOS vurdering av erosionsrisiko Ein rettleair i bruk av erojonsrisikokartet.norsk institutt for jordog skogkartlegging. 20