Fosforindeks En risiko-indeks for fosfortap fra jordbruksarealer

Transkript

1 Fosforindeks En risiko-indeks for fosfortap fra jordbruksarealer Marianne Bechmann 1, Tore Krogstad 2 og Anne Falk Øgaard 1 1 Bioforsk Jord og miljø, 2 Institutt for plante- og miljøvitenskap Innledning Innføring av EU s rammedirektiv for vann gir behov for å begrense tilførsler av næringsstoffer fra alle antropogene kilder til vann og vassdrag. En av disse kildene, som en må intensivere innsatsen på er jordbruksavrenning. Fosfor er det begrensende næringsstoff for algevekst i de fleste eutrofe innsjøer. Siden slutten på 1980-tallet har det vært fokus på tiltak mot fosfortap fra jordbruksarealer. Tiltakene har dels vært rettet mot erosjon og dels mot reduksjon i risiko for avrenning i forbindelse med spredning av husdyrgjødsel. Den mest kostnadseffektive reduksjon i fosfortap oppnås ved å fokusere tiltakene på arealer med størst fosfortap. Figur 1 viser de ulike transportveier for fosfor i jordbrukslandskapet. Erosjon er en dominerende transportprosess for fosfor. Tiltakene mot erosjon har vært rettet mot arealer med spesielt stor risiko. Derimot har tiltakene når det gjelder spredning av husdyrgjødsel vært mer generelle og ikke rettet mot arealer med spesielt stor risiko. Figur 1. Transportveier for fosfor (P) i jordbrukslandskapet (etter Sharpley et al. 2001) Ideen om å utvikle en indeks for risiko for fosfortap ble til ut fra et ønske om å gjennomføre tiltak på arealer med spesielt stor risiko for fosfortap. Det er ofte en liten del av jordbrukslandskapet som bidrar med mesteparten av avrenningen av fosfor (Gburek og Sharpley, 1998), spesielt der stor avrenning faller sammen med høyt fosforinnhold. Fosfor indeksen kobler sammen faktorer som bestemmer fosforinnholdet på et skifte med faktorer som bestemmer risikoen for transport av fosfor fra dette skifte. Fosforinnholdet blir multiplisert med fosfortransporten for å få en rangering av skifter med hensyn til risiko for fosfortap. En fosforindeks utviklet for Pennsylvania i USA (Pennsylvanian P Index group, 2002) er tilpasset norske forhold (Bechmann 2005) og senere videreutviklet (Tabell 1). Fosforindeksen er først og fremst et praktisk verktøy for de som har ansvar for tiltak mot 1

2 fosfortap fra jordbruksarealer. Den er derimot ikke en modell som kan simulere fosfortap fra jordbruksarealer. Tabell 1. Faktorer som inngår i norsk fosforindeks. P-AL-tall x 3 Mineralgjødsel P tilførsel i kg/dekar x 10 Gjødslingsmetode 0,2 Plassert gjødsel, April til august 0,3 Nedmoldet < 18 t etter tilførsel, april-aug. Mineralgjødsel Mineral gjødsel x gjødslingsmetode faktor Husdyrgjødsel P tilførsel i kg/dekar x 10 Gjødslingsmetode 0,3 Nedfelling el. nedmoldet <18 t. April til august Husdyrgjødsel faktor Planterester Se Tabell 1 i Vedlegg Husdyrgjødsel x gjødslingsmetode 0,4 Ikke nedmoldet ved tilførsel i april til august 0,4 Nedmoldet > 18 t eller ikke nedmoldet ved tilførsel i april til august 0,6 Nedmoldet <18 t etter tilførsel el. plassert i sept. til mars 0,6 Spredning iflg. forskrift sept. til okt. P i planterester etterlatt på jorden før vinteren (kg/daa x 10) H1-H3: Ingen frigjøring H4-H8: 80% av TP for enårige vekster; 40% av TP for flerårige vekster P balanse P bal (kg/daa)/ Kildefaktor (Jordas P-innhold + mineralgjødsel faktor + husdyrgjødsel faktor + planterester) x P balanse KILDE Jordens fosforinnhold TRANSPORT Erosjon Erosjonsrisiko ved høstpløying basert på erosjonsrisikokart (kg/dekar) x C-faktor x 0,16. For C-faktor se Tabell 2 i Vedlegg. Flomrisiko 0 >100 år år 4 < 10 år Overflateavrenning på eng Se Tabell 3 i Vedlegg 0 Meget lav 1 Lav 2 Middels 3 Høy 4 Meget høy Avstand til åpent vann Se Tabell 4 i Vedlegg 0,2 50 meter Landskapstiltak 0,7 Vegetasjonssoner Grøfting 0 Ingen Utvasking 2 Sand, silt + moreneleire Transportfaktor 1,0 < 50 meter 0,7 1,0 Grasdekt vannvei Direkte forbindelse 0,5 1,0 Enkelte drensgrøfter Systematisk grøftet 4 6 Marin leire Organisk jord (Erosjon + Flomrisiko + Overflateavrenning) x Avstand til åpent vann x Landskapstiltak + (Grøfting x Utvasking) P indeks (Kildefaktor x Transportfaktor)/10 2

3 Kildefaktorer Jordens fosforinnhold Det gjennomsnittlige innholdet av fosfor i norsk jordbruksjord fordelt på fylker er vist i figur 2. For korn og engvekster regnes P-AL 5-7 som et optimalt nivå for å sikre både gode avlinger og minst mulig miljøbelastning. Gjennomsnittstallene viser at fosforinnholdet mange steder er høyere enn nødvendig. Det er vist at høye fosfortall målt som Mehlich-3 fosfor øker risikoen for tap av fosfor, både ved erosjon og overflateavrenning (figur 3). Sammenhengen mellom Mehlich-3 fosfor og P-AL er god (figur 4). Øgaard (1995) viste ved lineær regression at P-AL forklarte 83% av variasjonen i total reaktiv fosfor. Totalt reaktivt fosfor korrelerer godt med fosfor tilgjengelig for blå-grønnalger (Krogstad og Løvstad, 1991) og forsterker betydningen av jordas P-nivå i en risiko-indeks for potensiell eutrofiering mgp-al100g -1 Figur 2. Gjennomsnittlig innhold av fosfor (P-AL) i jordbruksjord basert på data fra jordprøver tatt for gjødselveiledning (Jorddatabanken). Løst fosfor i avrenning (mg/l) Sand loam 0.5 Silt Lettl. Leireloa Mehlich-3 fosfor i jord (mg/kg) Mehlich-3 (mg kg -1 ) y = 1.47 x R 2 = Data fra COST P-AL (mg kg -1 ) Figur 3. Sammenheng mellom konsentrasjon av løst fosfor i overflateavrenning og Mehlich 3 fosfor i jord (etter Sharpley et al. 2001). Figur 4. Sammenheng mellom P-AL og Mehlich-3 fosfor i jord i europeiske jordprøver fra overflatejord med ph under 7 (COST832). 3

4 Fosforgjødsling Fosfor fra mineral- og husdyrgjødsel har lik verdi i den foreslåtte indeksen (tabell 1). Spredetidspunkt og -metode modifiserer bidraget til fosforindeksen fra tilført fosfor. Spredetidspunkter er tilpasset det norske regelverk under forutsetning av at regelverket følges. Fosforbalansen, det vil si forskjellen mellom tilført fosfor i gjødsel og bortført fosfor i avling fra et skifte har betydning for endring av jordas innhold av lett tilgjengelig fosfor. I den norske fosforindeksen er fosforbalansen inkludert med en modererende faktor (1/20) for at denne faktoren ikke skal få for stor vekt i forhold til de andre kildefaktorene. Planterester Norske vinterforhold kan føre til utfrysing av fosfor fra planterester som overvintrer på jordet. Uhlen (1989) viste at konsentrasjonen av fosfor i overflateavrenning fra arealer med eng var betydelig høyere etter frysing enn i forhold til før frysing. Antallet av fryse/tine sykluser har betydning for utfrysingen av fosfor fra planterester (figur 5). Videre vil flerårige vekster tape mindre fosfor ved utfrysing enn ett-årige vekster, fordi flerårig vekster er bedre tilpasset til å tåle frost. Sammenlign Italiensk raigras (ett-årig) med de flerårige grasartene i figur 5. Figuren antyder at flerårig gras taper halvparten så mye fosfor som ettårig gras. Basert på disse resultatene fra laboratoriet er fosforfrigjøring i felt satt til 80 % av total P for ettårige vekster og 40 % for flerårige vekster. For beregning av planterestverdi er det også inkludert en avrenningsfaktor i tråd med faktorene som er brukt for gjødslingsmetode (Tabell 1 i vedlegg). Risikoen for utfrysing er lav i områder med herdighetssone H1 til H2 (noen av kystområdene i Sør-Norge). Denne faktoren er derfor bare inkludert for områder med herdighetssone H3 til H ) 90 f (% 80 to 70 rs tø 60 i r fo 50 s fo 40 v l a e 30 d n A Italiensk raigras Flerårig raigras Engsvingel Antall fryse-tine sykler Figur 5. Vannløselig fosfor i plantemateriale av ulike grasarter som funksjon av antall fryse/tine sykluser (Bechmann et al., 2005). 4

5 Transport faktor Erosjon Erosjon er en viktig transportvei for fosfor (Lundekvam, 1998; Øygarden, 2000). Størrelsen på jordtapet, bedømt ut fra erosjonsrisikokart, er tatt med som en transportfaktor i fosforindeksen. Verdien i erosjonsrisikokartene er angitt som erosjonsrisiko ved høstpløying. Ved redusert jordarbeiding må verdien fra erosjonsrisikokartet multipliseres med en C-faktor som angir relativ erosjonsrisiko i forhold til høstpløying (Tabell 2 i vedlegg). Overflateavrenning og grøfteavrenning Fosfortap med overflateavrenning utgjør i de fleste tilfelle mer enn 50 % av totaltapet, både som partikulært og som løst fosfor. Fra grasarealer fant Uhlen (1989) at løst fosfor utgjorde 75 % av fosfortapet. Tap av fosfor ved overflateavrenning kort tid etter gjødsling kan også i noen tilfelle være en stor kilde til fosfortap (Withers et al., 2003). I P indeksen er overflateavrenning inkludert for engarealer. På engarealer er det liten erosjon, men overflateavrenning kan bidra til fosfortap fra utfryst plantefosfor og gjødsel tilført på overflaten. På åpenåkerarealer blir fosfortap ved overflateavrenning dekket opp av erosjonsrisikoen. Faktor for overflateavrenning er delt i klasser fra meget lav til meget høy (tabell 1). Klassene er utviklet på basis av jordtype, helling og evt. grøfting (tabell 3 i vedlegg). Grøfting har betydning for fosfortapet. Ved grøfting kan fosfor fra arealer langt fra åpent vann bli transportert til resipienten. Størrelsen på grøfteavrenningen er delvis avhengig av intensiteten på dreneringen. Derfor er en faktor for grøfteintensitet med i P indeksen. Risikoen for tap via grøftene er koblet til jordart. Organisk jord har liten evne til å binde fosfor og derfor stor risiko for å tape fosfor via grøftene. I leirjord kan det være sprekker, rotkanaler og meitemarkganger som gir mulighet for transport av fosforrike partikler fra matjordlaget og ned til grøftene. Sandjord regnes som den jordarten med minst risiko for å tape fosfor fra matjordlaget ned mot grøftedyp, fordi her er det mindre muligheter for transport av fosforrike partikler og løst fosfor fra topplaget vil bli bundet i den mer fosforfattige undergrunnsjorda. Avstand til overflatevann og modifisert avstand Ikke alle skifter i et nedbørfelt har samme risiko for å forårsake forurensning av resipienten. Avstanden fra et skifte til nærmeste resipient er en faktor som representerer nedbørfelttilnærmingen til fosforindeksen. I tabell1 velges det mellom to faktorer avhengig av om avstanden til åpent vann er større eller mindre enn 50 m. I praksis er ofte bare en del av skifte nærmere åpent vann enn 50 m. I de tilfeller brukes tabell 4 i vedlegget for å finne faktor beregnet på grunnlag av andel av skiftet som er nærmere enn 50 m fra åpent vann. Avstanden kan videre modifiseres med en faktor for vegetasjonssoner og grasdekket vannvei der dette er etablert, fordi dette minsker risikoen for at erodert jord skal nå fram til vassdraget (tabell 1). 5

6 Tolkning av fosforindeks En høy fosforindeks for et skifte betyr at tiltak bør settes inn for å redusere risikoen for fosfortap fra dette skiftet. Det finnes systemer for automatiske vurderinger av årsakene til høy fosforindeks. Djodjic (2000) brukte et slikt system og fant at de sannsynlige årsakene til høye fosforindekser i et svensk nedbørfelt var høye fosfortall i jorden, overskudd av fosfor ved gjødsling, nærhet til resipient og systematisk grøfting. I Norge har vi foreløpig bare et klassesystem for å tolke fosforindeks: Klasseinndeling fosforindeks: Lav <30 Middels Høy Meget høy >100 Stedsindeks Noen arealer vil komme ut med en høy fosforindeks til tross for en miljømessig god drift, fordi arealet fra naturens side har en høy risiko for å tape fosfor. Andre arealer kan få en lav fosforindeks uten gjennomføring av miljøtiltak. For å gi informasjon om den naturgitte risikoen for å tape fosfor blir det beregnet en stedsindeks. Stedsindeksen blir beregnet kun ut i fra de stedsfaste faktorene (erosjonsrisiko ved høstpløying, flomrisiko, avstand til åpent vann, jordtype, grøfting og jordas P-AL tall). Jordas P-AL tall er et resultat av driftspraksis, men fordi det tar lang tid å endre P-AL tallet er det tatt med i stedsindeksen. Driftspraksis (gjødsling og jordarbeiding) og landskapstiltak (vegetasjonssoner og grasdekte vannveier) modifiserer stedsindeksen og gir fosforindeks som kombinerer de stedegne faktorene med driftspraksis og miljøtiltak. Siden en lav fosforindeks ikke kan oppnås på alle arealer på grunn av stedgitte faktorer, er målet å redusere fosforindeksen i forhold til stedsindeksen mest mulig. Klasseinndeling stedsindeks: Lav <50 Middels Høy Meget høy >200 Konklusjon Fosforindeks er et verktøy for å øke kostnadseffektiviteten i tiltak mot fosfortap fra jordbruksarealer. For hvert skifte representerer fosforindeksen en samlet vurdering av alle faktorer som har betydning for fosfortapet fra det enkelte skifte innenfor et nedbørfelt. Skiftene blir rangert i forhold til risiko for fosfortap. Utvikling av en fosforindeks for norske forhold følger rammeverket for fosforindeksen som blir brukt i Pennsylvania. Det kalde norske klimaet frembringer et behov for tilleggsfaktorer for fosfor fra planterester og det er et behov for utvikling av faktorer knyttet til nedbør og snøsmelting. Dessuten kan det være behov for å vektlegge grøfteavrenning mer under norske forhold enn det som gjelder i U.S.A., hvor fosforindeksen først ble utviklet. En av de største utfordringer i forbindelse med utvikling av en fosforindeks er å vise at fosfor indeksen faktisk gir et riktig bilde av hvilke skifter innenfor et nedbørfelt som har størst risiko for fosfortap. Et mål for fremtidig forskning er å tilpasse indeksen mer presist til biologisk respons i resipienten, og å utvikle verktøyet etter hvert som vi får mer kunnskap og erfaring ved bruk av indeksen. 6

7 Referanser Bechmann, M. E The phosphorus index tool for assessing phosphorus transfer from agricultural areas in Norway. Dr. Scientiarum Thesis 2005:24. Norwegian University of Life Sciences, Ås, Norway Bechmann, M., Krogstad, T. and Sharpley, A. (2005). A phosphorus index for Norway. Acta Agric. Scand., Sect. B- Soil and Plant 55: Djodjic, F. (2001). Displacement of phosphorus in structured soils. PhD thesis, Department of Environmental Conservation, Swedish University of Agricultural Sciences. Gburek, W.J., and Sharpley, A.N. (1998). Hydrologic controls on phosphorus loss from upland agricultural watersheds. J. Environ. Qual. 27, Krogstad, T., and Løvstad, Ø. (1991). Available soil phosphorus for planktonic blue-green algea in eutrophic lake water samples. Arch. Hydrobiol. 122(1), Lundekvam, H. (1998). P-losses from three soil types at different cultivation systems. K. Skogs- og Lantbr. Akad. Tidskr. 137(7), Lundekvam, H. (2002). ERONOR/USLENO Empirical erosion models for Norwegian conditions. Rapport nr. 6/2002. Universitetet for Miljø- og Biovitenskap. 40 s. Pennsylvanian phosphorus Index group (2002). Pennsylvania Phosphorus Index. verifisert 15. Juli Sharpley, A.N., McDowell, R.W. and Kleinman, P.J.A. (2001). Phosphorus loss from land to water: integrating agricultural and environmental management. Plant and soil 237, Uhlen, G. (1989). Surface runoff losses of phosphorus and other nutrient elements from fertilized grassland. Norwegian J. Agric. Sci. 3, Withers, P., Ulen, B., Stamm, C., and Bechmann, M. (2003). Incidental Phosphorus Losses are they significant and can they be predicted? J. of Plant Nutr. and Soil Sci. 166: Øgaard, A.F. (1995). Effect of phosphorus fertilisation and content of plant-available phosphorus (P-AL) on algea-avaiable phosphorus in soils. Acta Agric. Scand. Sect. B, Soil and plant sci. 45, Øygarden, L. (2000). Soil erosion in small agricultural catchments, south-eastern Norway. PhD thesis 2000:8, Department of soil and water sciences, Agricultural university of Norway. 7

8 Vedlegg Tabell 1. Fosfor i planterester Plantemateriale P-innhold Plante P Tilgjengelighet Avrenningsfaktor Planterestverdi kg TS/daa g P/kg TS kg P/daa kg P/daa x 10 Fangvekst ,40 80% 0,8 2,6 Eng 120 2,5 0,30 40% 0,8 1,0 Tabell 2. C-faktorer for overflateavrenning ved ulike dyrkingssytemer (Lundekvam, 2002) C-faktor Dyrkingssystem 1,0 Vårkorn med høstpløying og harving om våren 0,93 Høsthvete, pløyd og harvet om høsten 0,86 Vårkorn, harvet to ganger om høsten, en gang om våren 0,58 Høstkorn, harvet to ganger om høsten 0,5 Vårkorn, harvet en gang om høsten, en gang om våren 0,19 Høsthvete, direktesådd 0,14 Vårkorn, pløyd og harvet om våren 0,12 Vårkorn, harvet to ganger om våren 0,11 Vårkorn, direktesådd 0,11 Vårkorn, med fangvekst, pløyd og harvet om våren 0,05 Eng Tabell 3. Grad av risiko for overflateavrenning for ulike jordtyper og hellingsgrad. Helling % Sandjord Siltjord Leirjord Leirjord (15-25 % leire) (>25 % leire) 0-2 ML ML ML L 2-6 ML L ML M 6-12 ML M L H ML M L H >20 L H M MH ML=Meget lav, L =Lav, M =Medium, H = Høy, MH = Meget høy Tabell 4. Faktorer for andel av skifte <50 m fra åpent vann. Andel skifte <50 m fra åpent vann (%) Faktor 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 8