FyrisSKZ en nationell webbaserad databas fo r skyddszoners effekt och kostnad teknisk beskrivning. prelimina r version

Transkript

1 FyrisSKZ en nationell webbaserad databas fo r skyddszoners effekt och kostnad teknisk beskrivning. prelimina r version Peter Larsson Kristian Persson Holger Johnsson Hampus Markensten Dennis Collentine Denna tekniska dokumentation är fortfarande under utarbetning. 1 Programöversikt FyrisSKZ är ett webbaserat verktyg för att redovisa resultat ur en nationellt täckande databas för skyddszoners effekt och kostnad. Med hjälp av verktyget kan man välja ut ett eller flera delavrinningsområden (indelning enligt SVAR) i Sverige och få fram uppgifter om skyddszoners effekt, kostnad och potential längs sjöar, vattendrag och diken i dessa områden. Resultatet har beräknats för flera olika skyddszonsbredder för att analysera hur detta påverkar effekt, kostnad och potential. Beräkningar av skyddszonernas effekt och kostnadseffektivitet har utförts på uppdrag av Vattenmyndigheterna. Beräkningarna baseras på modellering med beslutstödsystemet FyrisCOST. Effekten beräknas utifrån tillgänglig data avseende gröda, jordart, fosforinnehåll i jord, lutning mot vattendrag, skyddszonsbredd, med mera. Kostnadsschabloner baseras på beräkningar av intäkter för alternativ markanvändning (d.v.s. produktionsbortfall). 2 Webbgränssnitt Webbapplikationen FyrisSKZ är bygd i ramverket Django som körs i webbservern Apache. Django har stöd för GIS och kan generera kartor som visas i webbläsaren med hjälp av Javascriptbiblioteket OpenLayers. Django läser i sin tur all geografisk information från en PostGIS databas. Det underliggande systemet är Ubuntu Server som är en version av Linux som får säkerhetsuppdateringar i 5 år, från 2012 till Systemet ligger på en virtuell dator hos företaget IPeer. Databastabellerna i PostGIS databasen genereras från shapefiler som innehåller all information som ska visas i kartan och som ska finnas tillgänglig för nedladdning från webbplatsen. Det görs med ett verktyg från Django, ogrinspect, som genererar pythonkod som exporterar shapefilerna till PostGIS databasen. Django genererar

2 webbsidor utifrån mallar. Dessa kan innehålla Javascript vilket gör att man kan göra avancerade webbsidor. Webbapplikationen nås på adressen fyrisskz.slu.se 3 Indata från PLC5 Mycket av indata till FyrisSKZ kommer från belastningsberäkningar i PLC5 gällande för år 2005 (se också rapporten Läckage av näringsämnen från svensk åkermark, 2008, Rapport 5823, Naturvårdsverket). Dessa baseras på förädling av indata från olika nationella databaser och ingen information eller uppdateringar utifrån lokal information har skett. Ambitionen har trots detta varit att ta fram belastningsdata med så fin geografisk upplösning som möjligt, vilket innebär osäkerheter, som man skall ta i beaktning vid användning av indata och resultat från beräkningarna. Tabellerna som hänvisas till kan nås vid SMED hemsidan. 4 Introduktion 4.1 Vad är en skyddszon? En skyddszon (eng. buffer zone alt. grass buffer) är en vallbaserad remsa som anläggs utmed ett vattenområde. Skyddszonen ska ligga på åkermark i direkt anslutning till ett vattendrag. Zonen ska bestå av vallgräs eller vallgräs i blandning med vallbaljväxter (sjv.se). För att en skyddszon ska vara stödberättigad inom den svenska Landsbyggsprogram gäller att vattendraget finns med på vägverkets vägkarta (tidigare blå kartan) alternativt är vattenförande året om. Skyddszonen måste vara sådd innan 15 juni det första året och sedan vara obruten och obearbetad i fem år. För mer detaljer om ersättningar och åtaganden se sjv.se. 4.2 Skyddszonseffekt Mycket av den fosfor som lämnar åkermarken transporteras med ytvattnet vid kraftig nederbörd. Skyddszonen med sin skrovligare och porösare yta saktar ned ytvattnet viket får en större andel att infiltrera till jorden. Mer vatten infiltreras eftersom den permanenta vegetationen utgör hinder som minskar vattenflödets intensitet samt ökar markens permeabilitet p.g.a. vallgräsets rotsystem (Magette et al., 1989). Att ytvattnet saktar ned och infiltrerar ledet till en minskad kapacitet för vattnet att transportera löst partikulärt material, däribland fosfor. Detta leder till att fosfor sedimenteras och fångas i skyddszonen (J.M. Dorioza, 2006). 5 FSKZ resultat tabell Dispositionen följer kolumnerna i tabellen i webgränssnittet. 5.1 Huvudavrinningsområde PLC data: Huvudavrinningsomraden_PLC5 (4560 kb) < 5.2 Delavrinningsområde (id nummer) PLC data: Delavrinningsomrade_Land_PLC5 (20777 kb) <

3 5.3 Delavrinningsområde areal (km 2 ) PLC data: Delavrinningsomrade_Land_PLC5 (20777 kb) < 5.4 Avrinning (mm/år) PLC5 data: Medelavrinning_PLC5 (47 kb) Jordbruksmark i delavrinningsområde (%) PLC5 data: Markanvandning_PLC5 (808 kb)

4 5.6 Vall (%) PLC5 data: Jordbruksgrodor_PLC5 (619 kb)

5 5.7 Jordart (FAO klass) PLC5 data: JordbrukMetadata_PLC5 (181 kb) Fosforklass (1 till 3) PLC5 data: JordbrukMetadata_PLC5 (181 kb)

6 Tabell 1 Markfosfor (g P/kg jord) Klass Klass från till Använd värde i simulering Låg Mellan Hög Tabell 11. s 45. Läckage av näringsämnen från svensk åkermark, 2008, Rapport 5823, Naturvårdsverket 5.9 Lutningsklass (1 till 3) PLC5 data: JordbrukMetadata_PLC5 (181 kb)

7 Tabell 2 Lutning (%) Klass Klass från till Använd värde i simulering Låg Mellan Hög Tabell 11. s 45. Läckage av näringsämnen från svensk åkermark, 2008, Rapport 5823, Naturvårdsverket 5.10 Påverkansarea (ha), Påverkansareanslängd längs vattendrag (km) och Potentiell skyddszonslängd längs vattendrag (km) 1 För att göra skyddszonsberäkning krävs information om påverkansarea, påverkanslängd samt arealen av påverkansarea med skyddszon (nuläge). Hur stor area av de block utgör som ligger i närheten av vattendrag som är tillgängligt för skyddszon beräknas i FyrisCOST med hjälp av grödfördelningen. Block med vall, extensiv vall, och smågrödor kan inte ha skyddszon. Om dessa grödor förekommer i grödmixen räknas det potentiella arean för skyddszon om enligt Ekv. 3. ö ö. ö. (Ekv. 3) 1 Kodning av ej möjliga områden: 0 = Ingen grödfördelning att utgå ifrån, 1 = Ofullständiga indata, 2 = Omöjlig grödfördelning (tex bara Vall)

8 A pot A gis a gröda a gröda m. skz. a gröda u. skz. möjlig påverkansarea givet grödfördelningen påverkansarea totala arealen av jordbruksmark arean av grödor som potentiellt kan ha skyddszon arean av grödor där skyddszon ej kan förekomma Identifiering av möjliga platser för skyddszon samt beräkning av påverkansarea skedde med hjälp av PostGRES SQL, ArcGIS och QuantumGIS (qgis). Indexering av block med avseende på delavrinningsområde skedde med metoden polygontyngdpunkt (qgis). Varje block approximerades till en punkt på den position där blockets tyngdpunkt är. Ett block kan därmed bara tillhöra ett delavrinningsområde. GIS lagret med sjöar och vattendrag (Lantmäteriverkets vägkarta, tidigare blå kartan) består av korta individuella linjer. Samtliga vattendrag och sjöar indexerades även på delavrinningsområde. De individuella linjerna indexerades på det första delavrinningsområdet där överlapp hittades. Alla vattendrag med samma delavrinningsområdes ID slogs ihop, med lös upp funktionen i qgis, till en shape för att undvika att skarvar och överliggande linjer räkans dubbelt. Samtliga vattendrag breddades med 15 meter (buffert funktionen) och gjordes om till linjer med hjälp av st_boundary funktionen i PostGRES. Den längd av dessa linjer som ligger inom block beräknades med QGIS funktionen summa linjelängd. De block som hade mindre längd än 30 meter mot vattendrag sorterades ut. Blockens samtliga längder mot vattendrag summerades sedan per delavrinningsområde. För att beräkna påverkansarean, d.v.s. den yta av jordbruksblock som ligger inom ca 50 meter från vattendrag, gjordes en 60 meters buffert runt de vattendrag som skär de block med en påverkanslängd större än 30 m. Skyddszonen antas inte ha någon effekt för mark som ligger mer än 50 meter från ett vattendrag. För att se hur påverkansarea och påverkanslängd förhöll sig mot varandra gjordes en frekvensanalys av kvoten mellan dessa för samtliga delavrinningsområden med jordbruksmark (Figur 1).

9 Antal utfall Kvot (påverkansarea / påverkanslängd) Figur 1. Frekevensen av kvoten mellan påverkansarea och påverkans längd. Grafen visar en normalfördelad kurva centrerad kring kvoten 53. Spridningen av förhällandet mellan påverkansarea och påverkanslängd bedömdes vara för stor. Fördelningen hade dessutom en lång svans med höga kvoter. Dessa beror på att längden av vattendrag mot jordbruksmark var för kort på grund av datafel i shapefilen. För att undvika variationen (bruset) som detta skulle medföra i effekt och kostnadseffektivitet för skyddszoner sattes påverkanslängden till en 53:e del av påverkansarean i samtliga delavrinningsområden. Eftersom jordbruksarean per delavrinningsområde i PLC5 inte är beräknad från shapefilen med alla Sveriges block stämde inte den beräknade arean över all jordbruksmark per delavrinningsområde

10 överens med den area som förekommer i PLC5. Shapefilen med alla Sveriges block innehåller även block med grödor eller markanvändningar som inte räknas som jordbruksmark i PLC5. Eftersom påverkasarean och påverkanslängden är beräknad för samtliga block i ett delavrinningsområde oavsett om dessa var extensiv vall eller annan markanvändning som inte räknas som jordbruksmark i PLC5. För att få en påverkasarea som stämmer överens med den jordbruksarea per delavrinningsområde som användes i PLC5, beräknades påverkansarean som en andel av totala arean block som fanns i ett delavrinningsområde. Andelen multiplicerades sedan med PLC5:s jordbruksarea. Exempel på de kartor som tillverkades för att beräkna påverkansarea och påverkanslängd per delavrinningsområde visas i figur 2. Figur 2. De lila fälten visar påverkasområdet på jordbruksblocken (gröna fält). De blå linjerna visar längden mot vattendrag Arealkostnad för skyddszon (kr/ha skyddszon) 2 Det finns åtta olika totala kostnader som används för att beräkna skyddszonens kostnadseffektivitet i delavrinningsområdena: en för varje produktionsområde i landet (enligt SCB s PO8 indelning). Dessa kostnader består av två delar; markvärden för skyddszonsarean (åtta olika regionala värden) och kostnader i samband med anläggning/skötsel av den (ett gemensamt riksvärde). 2 Kodning av ej möjliga områden: 0 = Ingen grödfördelning att utgå ifrån, 1 = Ofullständiga indata, 2 = Omöjlig grödfördelning (t.ex. bara Vall)

11 Anläggning av skyddszoner för att minska näringsförluster (huvudsakligen fosfor) från jordbruksmark tar produktiv jordbruksmark i anspråk. Det kan sägas att anläggning av skyddszoner konkurrerar mot att använda samma mark för jordbruk. Om det är frivilligt att välja mellan dessa två alternativ kommer markägaren att välja det som ger högst vinst, det som har högsta värdet. Det finns en stor variation i hur värdefull jordbruksmark är för produktion som beror av faktorer såsom region, jordmån, arrondering mm. I praktiken kan det faktiska värdet bestämmas endast genom att fråga enskilda bönder/markägare hur mycket de skulle behöva få i kompensation för att avstå från användning av marken för jordbruksproduktion. En markägares beslut att välja att anlägga en skyddszon har stora likheter med ett beslut att arrendera ut mark; det brukar finnas ett tidsbegränsat avtal som överlåter bestämmande rätt från markägaren till arrendatorn. Därför skulle arrendepriset för jordbruksmark kunna vara ett bra mått på alternativa markvärdet för skyddszoner. Tabell 3: Kostnader i kr per år att anlägga en skyddszon, delad över de 8 svenska produktionsområden (PO8) PO8 Arrendepris /år Såningskostnad/år Totalkostnad/år Götalands södra slättbygder Götalands mellanbygder Götalands norra slättbygder Svealands slättbygder Götalands skogsbygder Mellersta Sveriges skogdbygder Nedre Norrland Övre Norrland Areal viktadsnitt för hela riket

12 Sveriges Statistiska Centralbyrå (SCB) och Jordbruksverket publicerar årligen sammanställningar av priser på arrenden av jordbruksmark. Sammanställningarna baserar sig på statistik som Jordbruksverket samlar in via enkät från de som arrenderar ut sin jordbruksmark eller från jordbrukare som arrenderar mark. Eftersom cirka 40% av svensk jordbruksmark är utarrenderad är möjligheterna för tillförlitlig statistik goda men det finns också en stor prisspridning. I statistiken för 2010 (Tabell 3; Statistiska meddelanden, JO 39 SM 1101) redovisas genomsnittliga arrendepriser för jordbruksmark med och utan gratisarrenden samt för åkermark uppdelad per produktionsområde (PO8). En mer geografiskt finfördelad statistiska underlag skulle kunna ge en bättre bild över kostnadseffektivitet men än så länge finns den inte framtagen. I databasen har däremot motsvarande arrendepriser för 90% percentilen för produktionsområdena år 2010 använts (finns ej publicerade i SM, separat levererat av Jordbruksverket). Valet att använda 90% percentilen bygger på konkurrensförhållandet mellan de två olika markanvändningarna (jordbruksproduktion och skyddszoner) och att beslut att anlägga en skyddszon är frivilligt. Vid 90% percentilen skulle de flesta markägare (c. 90%) väntas vara villig att acceptera det priset för att anlägga en skyddszon istället för att odla marken. Val av ett lägre arrendepris (t ex medelvärdet) skulle leda till ett lägre intresse hos markägare att överlåter mark till anläggning av en skyddszon. Jordbruksverket har tagit fram kostnader (för användning av sådd maskin, utsäde och arbete), och summerats och fördelats dessa över en fem årsperiod. Dessa skattningar har använts för beräkning av kostnader för skyddszoner i det svenska Landsbygdsprogrammet. Kostnaderna antas vara detsamma för alla PO8 regioner och beräknats till 133: /år.

13 5.12 Reduktion skyddszon (kg P/ha skyddszon) 3 Läckagekoncentrationerna för fosfor är uppdelade på produktionsområde, jordart, fosforklass, lutningsklass och gröda. I PLC5 inkluderades effekten av skyddszonen i koefficienterna. Koefficienterna för denna beräkning är omräknade för att inte inkludera medelskyddszonseffekten per produktionsområde (se ovan). Effekten, reduktion av fosforförlust vid ytavrinning, är byggd på empiriska data och är satt till 50 % (Naturvårdverket, 2008). Detta antagande gäller vid väl placerade skyddszoner. Effekten har därför halverats till 25 % eftersom många av de skyddszoner som är ersättningsberättigade antas vara i icke optimala lägen. Effekten av skyddszon vid vallodling eller grönträda har negligerats då dessa har antagits ha samma effekt som skyddszon. Andelen vall och grödträda i ett avrinningsområde förekommer enligt respektive produktionsområdes grödfördelning. Beslutsstödsmodellen FyrisCOST används för att beräkna mängden fosfor (P) som transporteras från vardera delavrinningsområde baserat på jordart, grödfördelning, punktkällor och åtgärder. En åtgärd för att minska fosforläckage från jordbruksmark är skyddszoner. De koefficienter som används i FyrisSKZ är omräknade med hjälp av rådata från PLC5 simuleringarna för att inte innehålla medlet för produktionsområdets skyddszonseffekt. Koefficienterna har dessutom delats upp i information om andel av totala avrinningen som är ytavrinning, koncentration av fosfor i infiltrationsvattnet samt ytvattnet. Skyddszonens effektivitet beror av två parametrar: 1. Skyddszonens bredd 2. Fältets lutning ICECREAM version användes för att beräkna effekten av en skyddszon på ett 60 meters segment där skyddszonens bredd (2, 6, 10, 15 & 20 meter) och fältets lutning (lutningsklass 1, 2 & 3) varierade (se Tabell 4 och Figur 3). För att beräkna effekten jämfördes förkusterna från ett fält med skyddszon mot samma fält utan skyddszon och räknades om till procent. Parameteriseringen för jordbruksgrödan var vårkorn och skyddszonsgrödan bestod av vall som inte skördas. Region 1b:s klimat användes i simuleringarna. 3 Kodning av ej möjliga områden: 0 = Ingen grödfördelning att utgå ifrån, 1 = Ofullständiga indata, 2 = Omöjlig grödfördelning (tex bara Vall)

14 Tabell 4: Skyddszonseffektivitet, % reduktion vid olika lutning (Tabell 2) och bredd (2, 6, 10, 15 och 20 meter). Skyddszons bredd (m) Slope (klass) lut lut lut Skyddszonseffektivitet reduktion (%) skyddszonsbredd (m) lut 1 lut 2 lut 3 Figur 3: Skyddszonseffektivitet, % reduktion vid olika lutning (Tabell 2) och bredd 2 20 meter). Skyddszonens effektivitet på ytvattenavrinningen beskrivs i en koefficientmatris där koefficienter över fosforläckaget från odlad mark med avseende på region, jordart, gröda, lutningsklass och fosforklass. Dessa koefficienter innehåller dessutom information om P tot koncentration (mg/l) i ytvattnet, koncentration i grundvattnet samt andel av totala avrinningen som transporteras via ytvatten. Koncentrationen i avrinning vatten efter skyddszonens reduktion, P tot koncentration (mg/l) i ytvattnet, beräknas enligt följande: (Ekv. 4) P perk P yt r yt Koncentration av fosfor i vatten flöde genom jordprofilen Koncentration av fosfor i vatten flöde via ytan Reduktionsfaktor för ytavrinning. Är 0,55 för PLC5 koefficienter. E skz. Effektivitet för skyddszonen (%)

15 a yt P tot Andel av totala avrinningen som är ytavrinning Total koncentration av fosfor Koncentrationerna räknas ut utifrån påverkansarean med skyddszon samt den återstående area som inte har skyddszon. Samtliga koncentrationer areaviktas till en koncentration för jordbruksmark per delavrinningsområde. Påverkansarean (den del av jordbruksblocken som ligger inom 60 m av vattendrag) delas upp i två grupper. Den första gruppen är de påverkansarea som inte har skyddszon. Läckaget för dessa påverkansareor beräknas med FyrisCOST:s typhaltskalkylator för fosfor genom sammanviktning av samtliga påverkansareans läckagekoefficient. Jordbruksblocken delas upp i två grupper. Den första gruppen är de jordbruksblock som inte har skyddszon. Läckaget för dessa block beräknas med FyrisCOST:s typhaltskalkylator för fosfor genom sammanviktning av samtliga blocks läckagekoefficient. Påverkansarean Påverkansarean med skyddszon Påverkansarean utan skyddszon Beräkna förlusten av fosfor på via ytavrinning Hämta skyddszonens effektivitet (i %): Beroende av lutning och bredd. Vikta samman en koefficient för grödsammansättningen på påverkansarean med skyddszon Vikta samman till en koefficient från all jordbruksmark i delavrinningsområdet

16 5.13 Potentiell reduktion skyddszon (kg P/delavr.) 4 Total reduktion per delavrinningsområdet när skyddszoner läggs vid alla potentiella sträckor (potentiell skyddszonslängd längs vattendraget, se ovan) vid olika bredd (2,4,6,10,15 och 20 meter). P del = (SK l * SK b )*P red (Ekv. 4) P del = reduktion av kg P per delavrinningsområde SK l = potentiell skyddszonslängd (km) (se avsnitt 12) SK b = skyddszonsbredd (se avsnitt 14) P red = reduktionseffekten per ha skyddszon (se avsnitt 5.12) 5.14 Kostnad skyddszon (kr/kg P) 5 Kostnad att reducera en kg P vid olika bredd (2,4,6,10,15 och 20 meter). K p = K sk / P red (Ekv. 5) K p = kostnad per kg P K sk = arealkostnad per ha skyddszon (se avsnitt 5.11) P red = reduktions effekten per ha skyddszon (se avsnitt 5.12) 4 Kodning av ej möjliga områden: 0 = Ingen grödfördelning att utgå ifrån, 1 = Ofullständiga indata, 2 = Omöjlig grödfördelning (tex bara Vall) 5 Kodning av ej möjliga områden: 0 = Ingen grödfördelning att utgå ifrån, 1 = Ofullständiga indata, 2 = Omöjlig grödfördelning (tex bara Vall)

17 5.15 Stödsökt skyddzonsarea år 2005 (ha) o Samtliga stödsökta skyddszoner Skyddszonens area Block ID Blockets area

18 Appendix 1: Ersättning av saknade grödor i olika regioner. All ersättning görs enligt kolumnerna Subst1 och Subst2. Crop Gröda Subst_1 Subst_2 fallow Grönträda All All ley Vall fallow_gr All oats Havre spr X potato Potatis spr X s_barley Vårkorn spr X s_rape Vårraps spr X s_wheat Vårvete spr X su_beet Sockerbetor spr X w_rape Höstraps fall X w_rye Råg fall X w_wheat Höstvete fall X minorcrops Smågrödor X X undef_arable Odefgrödor Bakgrund X pasture ExtensivVall fallow_gr_2005 X höstkorn Höstkorn fall X Summ ary crop1 crop2 crop3 crop 4 All oats potat s_bar s_ra o ley pe Spr oats s_barl s_wh ey eat Fall w_rye w_wh eat X oats potat s_bar s_ra o ley pe Fallow fallow _gr fallow _st crop5 s_wh eat s_wh eat crop 6 su_b eet su_b eet crop 7 w_ra pe w_ra pe cro p8 w_r ye w_r ye crop9 w_wh eat w_wh eat crop1 0 fallow _st crop1 1 fallow _gr crop 12 ley

19 Appendix 2: Läckageregioner Figur 1 Läckageregioner

20 Appendix 3: Parameterfil till ICECREAM 01b_climate.dat Soildb.dat CropDB.dat TillDB.dat!Width: 100!index of first segment!1!two segments... nr two is bufferstrip ! strip number for nitfos calcs.: 1! soil type as in soils database: S05-siltyloam! cult file: s_barley.dat ley_wohar.dat! thickness of layers (mm; min.2, max.15; more than in soildatabase!): ! parameters for the albedo:! ALBSNO ALBSOI ALBVEG ! Monthly values for EI-calc.: EI=bei*rnfall**aei! Orig. CREAMS-values aei=1.51, bei= MonitorDummy