Vegetasjonssoner som pesticidfilter for overflatevann Validering av modellen GLEAMS på forsøksfelt

Transkript

1 192 R. Bolli og O. M. Eklo / Grønn kunnskap 9 (2) Vegetasjonssoner som pesticidfilter for overflatevann Validering av modellen GLEAMS på forsøksfelt Randi Bolli, Ole Martin Eklo / randi.bolli@planteforsk.no Planteforsk Plantevernet Innledning Å måle vegetasjonssoners renseeffekt på avrenning av pesticider er kostnadskrevende. Gode modeller som beregner avrenningen av pesticider vil være et godt verktøy for utforming av effektive og optimale vegetasjonssoner fra områder med ulik topografi uten bruk av areal og kostbare feltforsøk. Resultater fra simuleringer med den matematiske modellen GLEAMS, versjon 2.1, er sammenlignet og validert mot målte naturlige avrenningsepisoder fra feltforsøkene. Modellen er en av de få som tillater simulering for å se på effekten av vegetasjonssoner. Materiale og metoder Retningslinjer utformet av EU s forskningsprogram Cost Action 66 er blitt fulgt for å tilpasse modellen GLEAMS til feltforsøket med naturlig avrenning. Første års resultater fra feltforsøkene ble brukt til å kalibrere modellen. Neste års observasjoner ble brukt til å validere modellen. Første fase av kalibreringen var å sette inn alle målte verdier fra feltet eller verdier beskrevet i manualen med hensyn på jordarbeiding, dyrkingspraksis, topografi, jord og klima. Resultatet fra simuleringen betegnes som ukalibrerte verdier eller predikerte verdier, som sammenlignes mot målte verdier (observerte verdier). Om nødvendig justeres sensitive parametre innenfor den naturlige variasjonen for disse og betegnes som første fase av kalibreringen. Etter beste tilpassing for vann kjøres simulering for pesticider først uten kalibreringer for deretter å kalibreres innen naturlig variasjon for å finne beste tilpassing. Etter at kalibreringer er gjennomført er det ikke justert for nye parametre. Den kalibrerte modellen kjøres mot nye data for neste års observasjoner (validering). Sammenligningen mellom målte og simulerte verdier vil gi et mål på hvor godt egnet modellen er. Prosedyren er betegnet som Good Modelling Practice (GMP).

2 R. Bolli og O. M. Eklo / Grønn kunnskap 9 (2) 193 Resultater og diskusjon Figur 1 viser hvordan modellen simulerer avrenning fra åker uten vegetasjonssone (referansefelt). Modellen har problemer med å simulere tidlig høstavrenning og avrenning i forbindelse med snøsmelting i mars. Størsteparten av de observerte målingene oppsto også i disse periodene. De simulerte verdiene for overflateavrenningen er ca. 20 % lavere enn de observerte. I følge Resseler et al. (1996) er det en tilfredsstillende simulering når forskjellen mellom beregnet og observert mengde vann ikke overstiger 25 % i løpet av et år. Avrenning i forbindelse med frysing og tining med temperaturer rundt null er kritisk for om modellen skal simulere avrenning eller ikke. Temperaturen i disse periodene vil være avgjørende for om nedbøren kommer som regn eller snø. Det vil også være viktig å vite om nedbøren kommer på frossen jord, is eller snø. Figur 1. Kumulativt avrenningsvann fra åker (referansefelt), naturlige avrenningsepisoder Figur 2. Kumulativt avrenningsvann fra åker (referansefelt), naturlige avrenningsepisoder. Simulert med GLEAMS 3.0 En ny versjon av GLEAMS, versjon 3.0, ble testet for å se om den var bedre på å simulere avrenning i forbindelse med frysing og tining. Figur 2 viser kumulativt avrenningsvann fra åker (referansefelt) simulert med ny versjon av GLEAMS. Ved å bruke GLEAMS versjon 3.0, ble det simulert mer avrenning i januar/februar og i mars/april. Dette tyder på at modellen tar hensyn til om nedbøren kommer som regn eller snø, og snøsmelting i mars/april. Til tross for at simuleringene av avrenningsvann fra feltet ligger for lavt i forhold til de observerte verdiene, ligger den totale avrenningen av glyfosat over det som er målt (Figur 3). Figur 4 viser mengde glyfosat i de ulike innsamlingsperiodene.

3 194 R. Bolli og O. M. Eklo / Grønn kunnskap 9 (2) Figur 3. Kumulativ avrenning av glyfosat Figur 4. Avrenning av glyfosat fra åker (referansefelt), naturlige avrenningsepisoder Figurene viser at modellen overestimerer avrenningen av glyfosat i november og desember. Dette skyldes simulert avrenningsvann i samme periode, som da ikke var en reell avrenningsepisode. Det kan også skyldes at en del av analysert glyfosat har bundet seg så sterkt til partikler at det ikke var ekstraherbart og dermed blitt underestimert. I ble det totalt simulert for lite vannavrenning i forhold til det observerte, men total mengde propikonazol som har rent av stemmer bra med det som er målt (Figur 5). Som figuren også viser, simulerer ikke modellen den reelle avrenningsepisoden fra oktober til desember. Dette skyldes antagelig temperaturen for feltet i november og desember som da er kritisk for om nedbøren kommer som regn eller snø. Figur 5. Kumulativ avrenning av propikonazol ( ) Figur 6. Kumulativ avrenning av fenpropimorf ( )

4 R. Bolli og O. M. Eklo / Grønn kunnskap 9 (2) 195 Avrenning av fenpropimorf blir også overestimert av modellen slik som for glyfosat (Figur 6). Kurveforløpet er det samme som for propikonazol. En del av årsaken til at de observerte verdiene for de ulike plantevernmidlene som regel er lavere enn de simulerte, kan være usikkerheter i forbindelse med prøvetaking og analysering. Glyfosat, fenpropimorf og propikonazol er pesticider som alle binder seg relativt sterkt til jord og dermed også bindes til partikulært materiale i vann. Analysemetoden som ble benyttet for glyfosat forutsetter at plantevernmiddelet er totalt løst i vannfasen og lar derfor partiklene sedimentere før videre prøveopparbeiding. Det er imidlertid korrigert for dette. De observerte verdiene kan likevel være noe underestimert. Vegetasjonssona påvirker særlig avrenningen om høsten. Med justering av gjennomsnittstemperaturen for feltet i november og desember, som er kritisk for frysing og tining, gir dette en noe bedre beskrivelse av avrenningen fra vegetasjonssona. Figur 7 viser kumulativ overflateavrenning fra vegetasjonssona. Hovedandelen av avrenningen ut av vegetasjonssona foregår i snøsmeltingsperioden. Kurveforløp og tidspunkt for avrenning stemmer bra, men den første simulerte avrenningen i desember er ikke målt i felt. Glyfosat bindes sterkt til jord, og sedimenterer i vegetasjonssona samtidig med jordpartiklene. Dette vil gi en relativ høy renseeffekt. Renseeffekten gjennom vegetasjonssona for glyfosat var 60 % for de simulerte verdiene, mens renseeffekten for observerte verdier var 82 % (Figur 3 og 8). Figur 7. Kumulativt avrenningsvann fra felt med vegetasjonssone, naturlige avrenningsepisoder Figur 8. Kumulativ avrenning av glyfosat fra felt med vegetasjonssone, naturlige avrenningsepisoder

5 196 R. Bolli og O. M. Eklo / Grønn kunnskap 9 (2) Konklusjon Simulering med GLEAMS - modellen underestimerer overflateavrenning av vann fra åker (referansefelt), men ligger innenfor det som kan regnes som akseptabelt Modellen er svært sensitiv for avrenning i perioder nær frysing og tining, særlig senhøstes Modellen overestimerer overflateavrenning av glyfosat og fenpropimorf, mens total avrenning av propikonazol ligger innenfor et akseptabelt nivå Modellen overestimerer overflateavrenning av vann om høsten fra vegetasjonssonefelt Modellen viste en god renseeffekt for glyfosat (60 %) gjennom vegetasjonssona Simuleringene har vist at problemstillingen frysing/tining ikke er tilfredsstillende løst og det er derfor nødvendig å se nærmere på den nye versjonen GLEAMS 3.0 Referanser Resseler, H., Schäfer, H., Gampp, H., Görlitz, G., Klein, M., Kloskowski, R., Mani, J., Moede, J., Müller, M., Sarafin, R., Stein, B., Winkler, R Recommendations to conduct and assess model calculations for the validation of simulation models. In: Nachrichtenblatt des Deutschen Pflanzenschutzdienstes 48(1): 4-9.