Naturbaserte rensesystemer arbeider med utprøving, utvikling og planlegging av tiltak for avløp fra husholdninger

Transkript

1 R E N E R E VA S S D R A G M E D V E G E TA S J O N S S O N E R - E F F E K T I V T T I LT A K V I N T E R S O M S O M M E R! - e t t i n s t i t u t t i M i l j ø a l l i a n s e n

2 Jordforsk er et nasjonalt kompetanse senter for jord faglig miljøforskning som arbeider med oppgaver knyttet til jord, vann, landskap og avfall. Jordforsk driver anvendt, målrettet forskning og kompetanseutvikling og utfører tjenester for en lang rekke offentlige og private oppdragsgivere i inn og utland. Fagområdene i Jordforsk er delt inn slik: Naturbaserte rensesystemer arbeider med utprøving, utvikling og planlegging av tiltak for avløp fra husholdninger og avrenning fra landbruksom råder, golfbaner, fl yplasser, veger, tu nneler, urbane områder og avfallsdeponier. Tiltakene består av våtmarker, dammer, vegetasjonssoner, jordinfi ltrasjon og annen fi lterteknologi. Renseprosesser blir undersøkt i felt og laboratorieforsøk. Biologisk avfallshåndtering arbeider med oppgaver innenfor organisk avfall og slam fra privathusholdninger og industri. Karakterisering av og valg av behandlingsmetode, prosessoptimalisering, analyser, bruk og effekt av sluttprodukt er sentrale tema. Jordkvalitet og jordressurser arbeider med oppgaver innen jordforringelse, virkning av landbruk på jordkvalitet, geostatistikk, presisjonsjordbruk, virkning av organisk avfall på jordkvalitet, vekstjordblanding, klimaendringer og jordkvalitet, forvaltning av jordressurser og bruk av jorddatabaser. Jordforurensning arbeider med forekomst, spredning og effekter av uorganiske og organiske miljøgifter i jord og avfall. Biologiske effekter av miljøgifter i jord undersøkes ved bruk av økotoksikologiske effekter. Faggruppen arbeider også med forskning knyttet til nedbrytning av organiske miljøgifter i jord og sedimenter. Vannkvalitet og arealbruk arbeider med avrenning og miljøspørsmål knyttet til ulik arealbruk som tap av næringsstoffer, pesticider og partikler. Vi arbeider også med tiltak som kan redusere slike tap. Faggruppen har ansvar for det nasjonale Program for jord og vannovervåking i landbruket - JOVA. Jordforsk Lab utfører oppdrag for forvaltning, forskning, rådgivere og landbruk. Det utføres standard analyser så vel som skreddersydde løsninger i nært samarbeid med kunden. Analysespekteret omfatter blant annet uorganiske, organiske og mekaniske analyser.

3 REN ERE VASS DRAG M ED VEGETASJONSSON ER - EFFEKTIVT TI LTAK VI NTER SOM SOM M ER! Foto: U. Dahl Grue 3 I 2002 ble et doktorgradsarbeid om vegetasjonssoner avsluttet. Arbeidet ble utført i fi re forsøksfelt, hvor overfl ateavrenning gjennom vegetasjonssona ble undersøkt. Datainnsamling pågikk i perioden Resultatene viste følgende: Det var ingen prosentvis forskjell i renseeffekt mellom sommer og vinter med snøsmelting På grunn av større avrenning om vinteren enn om sommeren, var mengde tilbakeholdt fosfor, jordpartikler og organisk materiale mye høyere om vinteren enn om sommeren Jo høyere andel jordpartikler i avrenningsvannet, jo større andel sedimenterte i vegetasjonssona Renseeffekten var størst øverst i vegetasjonssona Selv leirpartikler sedimenterte i vegeta sjonssona, sannsynligvis som aggregater Bredden på sona bør være 5-10 meter avhengig av hellingsforholdene Resultatene fra disse undersøkelsene viser at vegetasjonssoner kan være et viktig bidrag til å redusere tilførsel av næringsstoffer og partikler til vassdrag i jordbruksområder med erosjonsproblemer.

4 V E G E TA S J O N S S O N E R O G V I N T E R K L I M A Effektiviseringen av landbruket de siste tiårene har ført til økt erosjon og tap av næringsstoffer fra jordbruksarealer. Det er ofte den mest verdifulle jorda som går tapt og som kan gjøre stor skade i vassdragene. Tidligere ble en stor andel av forurensningene holdt tilbake gjennom naturlig selvrensing i vegetasjon, våtmarker, myrer, bekker og små tjern. I dag er mange av disse naturlige rensesystemene fjernet. I tillegg til tiltak inne på jordet, vil gjeninnføring av naturlige rense systemer bidra til å redusere avrenning av næringsstoffer og partikler til vassdrag. avsluttet ved Jordforsk i Målet med prosjektet var å: Dokumentere og kvantifi sere variasjon i vegetasjonssonas renseeffekt for jordpartikler, organisk materiale, fosfor og nitrogen over året Studere hvordan utformingen av vegetasjonssona påvirker rense - effekten. Resultater om mengde, størrelse og når og hvor i vegetasjons sona partiklene sedimenterer, er viktig kunnskap for å utforme vegetasjonssoner på en mest mulig effektiv måte. For å nå målsettingene skissert over, ble fi re forsøksfelt med naturlig og simulert avrenning etablert i Sørøst-Norge (Akershus og Østfold fylker), se fi gur 1. 4 Undersøkelser fra mange land har vist at vegetasjonssoner mellom dyrket mark og vassdrag kan være effektive fi ltre for overfl ateavrenning fra landbruksarealer. Disse forsøkene har stort sett vært gjennomført i sommerhalvåret, og ikke under forhold som tilsvarer vårt vinterklima. I Norden varierer avrenningsintensitet og mengde fra landbruksområder mye over året p.g.a. vekslende frysing og tining. Det er derfor viktig å måle renseffekten til vegetasjonssoner under vinterforhold når avrenningen er størst. Norske undersøkelser I Norge er det arbeidet med vegetasjonssoner som tiltak mot overfl ateavrenning siden Et doktorgradsarbeide om dette tema ble Renseprosesser i vegetasjonssoner I vegetasjonssoner foregår fl ere typer renseprosesser: Sedimentasjon eller fi ltrering av partikler og partikkelbundne næringsstoffer Binding av fosfor (P) og nitrogen (N) til jord Opptak av P og N i vegetasjonen Infi ltrasjon av avrenningsvann gjennom vegetasjonssonas rotsystem Mikrobiell omsetning av N og nedbryting av organisk materiale Den viktigste renseprosessen i vegetasjonssoner med overfl ateavrenning er sedimentasjon av partikler og næringsstoffer bundet til partikler. Oslo Figur 1. Lokalisering av forsøksfelt med naturlig og simulert avrenning. Tallene på kartet refererer til nummer på de forskjellige forsøksfeltene: 1=Vikeby, 2=Mørdre, 3=Grorud og 4=Linnestad

5 Følgende faktorer har vært studert mhp. renseeffekt: Sesongvariasjon Bredde på vegetasjonssona Vegetasjonstype Sedimentasjon av partikler i vegetasjonssona Utforming av felt /metodikk Utforming av forsøksfelt for naturlig og simulert overfl ateavrenning er vist i fi gurene 2 og 3. Forsøksfeltene har en helling på %, jordtypene er siltig mellomleire til siltig lettleire. Vegetasjonssona består av gras og urter med unntak av et felt med simulert avrenning, som er bevokst med osp og mose som undervegetasjon (Linnestad/felt 4). Vikeby og Mørdre (felt 1 og 2) er planert. I de tre feltene med naturlig nedbør/avrenning er det vegetasjonssoner på hhv. 0, 5, 10 og 15 m bredde. Ruta uten vegetasjonssone representerer innløpsverdiene til vegetasjonssona. Det er tatt ut vannføringsproporsjonale blandprøver etter hver avrenningsepisode. Forsøksfeltene for simulert avrenning har en vegetasjonssone med 5 og 10 m bredde. Forsøksfeltene ble etablert Resultatene er samlet inn i perioden m Tilførselsareal 45 m Tilførselstank tilsatt vann, jord og næringsstoffer 5 Tilførselsrenne for overfl atevann Vegetasjonssone 5 m 10 m 15 m Vegetasjonssone 5x5 m og 5x10 m Oppsamlingsrenne for overfl atevann Overfl ateavrenning på snødekt mark er et vanlig fenomen i store deler av landet. Når jorda er pløyd, harvet eller har et dårlig etablert plantedekke, er erosjonsfaren stor. Foto: L. Øygarden Målestasjon Figur 2. Utforming av forsøksfelt med naturlig avrenning. Figur 3. Utforming av forsøksfelt med simulert avrenning.

6 R E S U LTAT E R 6 Ingen forskjell i renseeffekt mellom sommer og vinter Forsøkene viste ingen statistisk forskjell i renseeffekt (i %) i vegetasjonssona mellom sommer og vinter med snøsmelting, se fi gur 4. I Grorud (felt 3) oppsto over 90 % av avrenningen for hele året i løpet av vinterhalvåret, mens nedbøren for samme periode utgjorde ca. 40 % av totalnedbøren. Dette har sammenheng med at jorda vanligvis er frossen i vinterhalvåret. Dette fører til liten infi ltrasjon av overfl atevann gjennom jordprofi let, og dermed stor overfl ateavrenning. Det var forventet lavere renseeffekt om vinteren, men høy avrenningsintensitet om vinteren førte til erosjon av grove partikler som lettere sedimenterte i sona. Tilbakeholdelsen av fosfor, partikler og organisk materiale målt som mengde, var ganger høyere om vinteren sammenlignet med sommerhalvåret, se tabell 1. Økende mengde partikler i avrenningsvannet førte til bedre tilbakeholdelse i vegetasjonssona. Samme resultater gjorde seg også gjeldende i Mørdre (felt 2) med 5 m bred vegetasjonssone. Renseresultatene var generelt noe lavere for alle parametre; ca %, men viste heller ingen forskjell i renseeffekt mellom sommer og vinter. Over 80 % av avrenningen for hele året skjedde i løpet av vinterhalvåret, mens nedbøren i samme periode var ca. 30 % av årsnedbøren. Tabell 1. Gjennomsnittlig tilbakeholdelse i g/m 2 (± standard avvik) sommer (5-6 sesonger) og vinter (6-7 sesonger) etter 5 og 10 m brede vegetasjonssoner Grorud, felt 3. Renseeffekt % Renseeffekt Fosfor (g/m 2 sesong) Jordpartikler (g/m 2 sesong) Organisk materiale (g/m 2 sesong) Sommer Vinter Sommer Vinter Sommer Vinter 5 m bredde 0,1±0,01 1,5±0,1 40,0±3,2 950,5±76,6 3,6±0,2 98,5±7,7 10 m bredde 0,1±0,01 1,4±0,1 24,4±1,5 839,7±59,0 2,5±0,1 83,4±5, TotP 5m TotP 10m SS 5m SS 10m Gl.tap 5m Gl.tap 10m Sommer Vinter Figur 4. Renseeffekt i % for fosfor, partikler og organisk materiale etter 5 og 10 m brede vegetasjonssoner, sommer og vinter Grorud, felt 3.

7 Renseeffekten størst øverst i vegetasjonssona og best når det gjelder! Den relative renseffekten i % økte med økende bredde av vegetasjonssona for fosfor, nitrogen, partikler og organisk materiale. Tilbakeholdelsen per arealenhet (g/m 2 ) minket med økende bredde, noe som betyr at tilbakeholdelsen er størst i den øverste delen av vegetasjonssona. Dette ble også vist i et forsøk med en radioaktiv isotop av cesium (Cs) (Mørdre/ felt 2). Cesium bindes sterkt til jord og vil følge erosjonspartikler i avrenningsvannet. Høyt Cs-innhold i vegetasjonssona, hvor det ikke var spredt Cs på forhånd, indikerer derfor sedimentasjon av partikler. Kartet (fi gur 5) viser høyest Cs-måling øverst i vegetasjonssona. Vegetasjonssoner med 5-10 m bredde var effektive til å fjerne partikler og partikkelbundne stoffer i avrenningsvannet. Anbefalt bredde på sona vil variere og være avhengig av hellingsforholdene i nedslagsfeltet. Det ble påvist grovere partikler i avrenningsvannet om vinteren enn om sommeren. Høy hastighet på avrenningsvannet kan føre til løsrivelse av grovere partikler på jordet som sedimenterer lettere i vegetasjonssona enn fi nere partikler. Figur 6 viser at tilbakeholdelsen av partikler øker med økende mengde partikler i avrennningsvannet. Dette viser at vegetasjonssonene er best når det gjelder! Renseeffekt partikler (g) y = 0,88x - 621,61 R 2 = 0, Tilførsel partikler (g) 7 Figur 6. Sammenhengen mellom partikler inn i vegetasjonssona og renseeffekt av partikler etter en 5 m bred vegetasjonssone i vinterhalvåret, Grorud/felt 3. Figur 5. Sedimentasjonsmønster som resultat av sporforsøk med en radioaktiv isotop av Cesium (Cs-134) hvor Cs ble spredt ut i tilførselsarealet til vegetasjonssona. Pilene på toppen av fi guren angir hvordan overfl atevannet rant inn i vegetasjonssona. Mørke partier viser høyest anrikning av Cs. Forsøket ble gjennomført i Mørdre/felt2.

8 8 Leir sedimenterer som aggregater Jorda i avrenningsvannet hadde et prosentvis høyere leirinnhold enn utgangsjorda. Når vannet hadde passert vegetasjonssona, hadde leirandelen økt enda mer. Dette betyr en anrikning av leirpartikler fra utgangsjorda og gjennom vegetasjonssona. Det meste av sand- og siltpartiklene sedimenterte i den øverste delen av sona. Deler av leirpartiklene sedimenterte imidlertid også i vegetasjonssona, sannsynligvis som aggregater. Tilbakeholdelse av leirpartikler i vegetasjonssoner er viktig da leirpartiklene har et stort potensial for å binde næringsstoffer. Figur 7 viser en selektiv erosjon av leirpartikler fra åker til avrenningsvannet, samt en selektiv sedimentasjon av grove partikler i vegetasjonssona (høyere andel leirpartikler etter 5 m vegetasjonssone). Avrenning (m mm) Dato Leirinnhold (%) Avr. 5m veg.sone Avr. 0 m veg.sone Leirinnh. 5 m veg.sone Leirinnh. 0 m veg.sone Figur 7. Avrenning fra et felt uten vegetasjonssoner (tilsvarende inn i vegetasjonssona) og etter 5 m brede vegetasjonssoner, samt innhold av leirpartikler (%) i avrenningsvannet før vegetasjonssona (0 m veg.sone) og etter en 5 m bred vegetasjonssone høsten 2000, Mørdre, felt2. Heltrukken linje viser leirinnholdet i åkerjorda. Figur 8 viser sammenhengen mellom jordtekstur i avrenningsvannet og bredde på vegetasjonssona. Silt og sand sedimenterer øverst i vegetasjons - sona, mens andelen leirpartikler i av renningsvannet øker med økende bredde på vegetasjonssona. En del av leir partiklene sedimenterer også i vegetasjonssona, men som aggregater. Renseeffekten i vegetasjonssoner etter både naturlig og simulert avrenning varierte fra % for fosfor, % for nitrogen, % for partikler og % for organisk materiale. Renseeffekten var lavest i simulerte avrenningsforsøk. Figur 8. Sammenhengen mellom jordtekstur i avrenningsvannet og bredde på vegetasjonssona.

9 Gras eller skogkledt? To ulike vegetasjonstyper er sammenlignet i undersøkelsene; gras/urter og skog (ung løvskog av osp). I en simulert avrenning ble vann tilsatt jord og næringssalter tilsvarende en normal avrenning ledet direkte ned i vegetasjonssona via en tilførselsrenne (se bildet). Vegetasjonssona var mettet med vann på forhånd for å skape overfl ateavrenning. Det var ingen entydig forskjell i renseeffekt mellom gras eller skog. Faktorer som høyde, stivhet og tetthet i vegetasjonen var sannsynligvis viktigere enn type vegetasjon for renseeffekten. I 2004 skal det settes i gang forsøk for å studere nærmere forskjeller i renseeffekt mellom grasog trevegetasjon. Langtidseffekter Det er stor forskjell i renseeffekt mellom år i de forskjellige feltene. Enkelte avrenningsepisoder har stor betydning for renseeffekten totalt for året. Figur 9 viser lav renseeffekt i 1993 og 2002 etter en 5 m bred vegetasjonssone i Mørdre. Lav renseeffekt disse årene skyldes enkeltepisoder høsten 1993 og snøsmeltingen 2002 hvor det var utspyling av materiale fra vegetasjonssona og dermed negativ renseeffekt. Nedbør- og temperaturforholdene det gjeldende år har derfor stor betydning for den gjennomsnittlige renseeffekten. Det samme gjør seg også gjeldende i Mørdre med 10 og 15 m bred vegetasjonssone og Grorud med 5 og 10 m bred vegetasjonssone. Gjennomsnittlig renseeffekt i perioden for 5 m bred vegetasjonssone i Mørdre er 75, 74, 63 og 59 % for henholdsvis partikler, organisk materiale, fosfor og nitrogen. 9 Bildene viser forsøk for å studere eventuelle forskjeller i renseeffekt mellom vegetasjonssoner bestående av gras/urter (til venstre) og trevegetasjon (osp). Foto: N. Syversen

10 P R A K T I S K E R Å D 10 Renseeffekt % Figur 9. Gjennomsnittlig renseeffekt i % pr. år etter en 5 m bred vegetasjonssone, Mørdre/felt ,1993 og 2003 representerer ikke et gjennomsnitt for hele året. Nordiske undersøkelser Undersøkelser i de andre nordiske landa viser også at vegetasjonssoner er effektive til å holde tilbake jord og næringssalter i overfl ateavrenning fra jordbruksmark. Renseeffekten for fosfor varierer fra % i undersøkelser gjennomført i Sverige, Danmark, Finland og Norge. De svenske undersøkelsene er kortvarige, mens de danske har klima- og jordtypeforhold som ikke er sammenlignbare med norske. Finske undersøkelser har TotP TotN SS Gl.tap imidlertid dokumentert renseeffekt av vegetasjonssoner gjennom vintre med snø og snøsmelting. Resultatene viser renseeffekt på % for fosfor; noe lavere enn for tilsvarende norske resultater. Andelen partikkelbundet fosfor er imidlertid lavere i fi nske enn i norske undersøkelser, noe som kan forklare lavere renseeffekt for fosfor totalt. Finske resultater viser en økning i tilbakeholdelse av fosfor gjennom vegetasjonssona over undersøkelsesperioden ( ). Praktiske råd om utforming av vegetasjonssoner i områder med overflateavrenning Bredden bør være 5 10 m avhengig av fall og hellingslengden på avrenningsområdet. Ved lange hellingslengder (>100 m), og/eller sterkt erosjonsutsatt jord, bør bredden økes til mer enn 10 m Ved forsenkninger i terrenget bør graskledte vannveger anlegges i tillegg til vegetasjonssoner Vegetasjonssona bør bestå av tett markvegetasjon med gras og evt. spredt planting med trær. Det bør velges stråstive grasarter med tett vekst og lysåpne løvtrær med stort næringsopptak som for eksempel osp, selje og bjørk. Velg tresorter som fi nnes i området. Bartrær skygger og anbefales ikke Det anbefales å så/plante så tidlig som mulig om våren Det anbefales å plante større trær enn 1,5 m. Ved planting av små trær/ stiklinger bør stammen skjermes mot smågnagere (eks. bit av drensrør), og det bør legges dekkplater på bakken rundt stammen for å redusere konkurransen fra gras Vegetasjonssonene skal ikke gjødsles eller sprøytes

11 Litteratur Grue, U.D. (red.), B. Braskerud, M. Clemetsen, A. Erstad, A.J. Lyshol, E. Skaar, N. Syversen og A. Sæbø Økologiske rensetiltak og miljøplantinger. Planter skaper bedre miljø. 1. Veileder. Planter, planlegging, opparbeiding og skjøtsel. Infomateriell om kulturlandskap. Forskningsparken i Ås. 110 s. Syversen, N., Cold-climate vegetative buffer zones as fi lters for surface agricultural runoff. Retention of soil particles, phosphorus and nitrogen. (Norsk tittel: Vegetasjonssoner som fi lter for overfl ateavrenning fra landbruksarealer i områder med kaldt klima: Tilbakeholdelse av jordpartikler, fosfor og nitrogen). Doctor Scientiarum Theses 2002:12. Agricultural University of Norway. Doktorgradsavhandlingen kan sendes ved henvendelse til Jordforsk Bilde1: Vegetasjonssoner bedrer den naturlige grønnstrukturen i kulturlandskapet Bilde 2:... og øker det biologiske mangfoldet. Bilde 3: Vegetasjonssoner med gras er effektive fi ltre for jordpartikler, næringsstoffer og partikkelbundne plantevernmidler. Bilde 4: Graskledte vannveger bør anlegges i forsenkninger i terrenget, Foto: U. Dahl Grue, bilde 1,2 og 4. N. Syversen, bilde 3.

12 Kolbene viser overfl atevann fra felt uten vegetasjonssone (til venstre), etter 10 m (i midten), og etter 15 m bred vegetasjonssone (til høyre). Foto: N. Syversen Frederik A. Dahls vei 20, 1432 Ås jordforsk@jordforsk.no Internett: Manuskript: Nina Syversen nina.syversen@jordforsk.no Redaksjon: Reidun Aspmo og Nina Syversen Layout: Spekter Reklamebyrå as Trykk: Østfold Trykkeri as Forsidefoto: Samfoto Akvarell: R. Skøyen Finansiering: Statens landbruksforvaltning Opplag: 3000 Ås, september 2003