Kort beskrivelse av bakgrunnen og målsettingene for prosjektet

Transkript

1 Resultatrapport EUTROPIA /S30 Kort beskrivelse av bakgrunnen og målsettingene for prosjektet Vannrammedirektivet pålegger forskere og miljøforvaltere å vurdere den opprinnelige og nåværende miljøtilstand, og å forutsi framtidige endringer. Vi må derfor vurdere effekter av tiltak og endring i miljøet og lage en verktøykasse for en optimal og bærekraftig forvaltningspraksis I løpet av de siste 20 årene er det brukt opp mot 1 milliard kroner i avbøtende tiltak langs Morsa-vassdraget uten at det har ført til merkbart lavere konsentrasjoner av fosfor (P) i innsjøene. Prosessene som styrer P-nivåene i Vansjø påvirkes av flere endringer i klima- og miljøforhold, bl.a. Økning i nedbørmengden og hyppigheten av kraftig nedbør; 2 ºC økning i gjennomsnittlig vintertemperatur i Oslo de siste 25 årene og over 60% reduksjon i Sur nedbør. Målet med prosjektet var å lage et helhetlig analyse- og beslutningsverktøy til bruk i forvaltningen av eutrofiering problemet. Dette skulle vi få til ved å kombinere hydro-geokjemiske prosesser og usikkerheter ved mobilisering, transport, endringer og effekter av næringsstoffer (karbon, nitrogen og spesielt P) ved bruk av integrerte simuleringsmodeller i et Bayesiansk nettverk, med en systematisk samfunnsmessig respons analyse. Prosjektets delmål var å: - Utvikle prøvetaking og analysemetoder av P fraksjonering i vann - Beskrive nedbørsfelt prosesser som styrer mobilisering, transport og derved flukser av næringsstoffer - Integrere ved bruk av modeller den oppnådde kunnskap og forståelse av de styrende prosesser i terrestriske og akvatiske miljøer - Bruke Bayesiansk nettverk for å integrere simuleringsmodeller med sannsynligheten for interessentenes respons, og utvikle et bedre mål på usikkerheten i prediksjonene av effekter av endringer i miljøet - Utvikle en systematisk samfunnsmessig responsanalyse basert på identifiserte kilder til næringsstoffer med fokus på atferdsmessige modellering av sannsynligheten for gjennomføring av ulike tiltak. Redegjørelse for resultater som er oppnådd i prosjektet sammenliknet med målsettingen Et helhetlig analyseverktøy for forvaltningen, basert på et Bayesiansk nettverk, slik det var tenkt viste seg å bli for komplisert og omfattende for å kunne fungere som et lav-terskel tilbud til forvaltningen. Videre viste våre studier at usikkerheten i simuleringene av effekter av tiltak, som resulterer i koblingen av nedbørsfeltmodeller med innsjømodeller, er større enn effekten av endringene. Det viste seg også at eksisterende simulering- og prediksjonsmodeller ikke er i stand til å beregne effekten av viktige regionale drivere for endringer i næringssaltflukser, som ble identifisert gjennom prosjektet. Studiene viste at effekter av tiltak mot eutrofiering skjules siden det samtidig har skjedd regional endringer i miljøet som har ført til økt bakgrunns-tilstrømming av P og tap av en viktig fellingsmekanisme av fosfat (PO 4 ). Disse endringene er nedgang i sur nedbør, økt mengde og intensitet på nedbør og økt vintertemperatur Fokus for prosjektet ble derfor i stedet å generere mest mulig kunnskap og forståelse av koblede effekter av mobilitet og transport og flukser av næringsstoffer til ferskvann, hvilke

2 ikke konservative endringer som skjer i sammensetning (fraksjonering) av disse i vassdraget, og hvilke effekter de har på eutrofiering. Samtidig ble det utført en kartlegging av forvaltningsprosessen i vannområdeutvalgene og utført omfattende samfunnsanalyser for å avdekke barrierer og terskler i samfunnet mot gjennomføring av videre tiltak. Disse studiene viste at økt miljøkunnskap blant aktørene på alle plan er avgjørende for å få til optimale tiltak. Basert på denne kunnskapen, og ved å koble nedbørsfelt modell med en økonomisk styringsmodell, ble det vurdert hvilke tiltak som er mest kostnadseffektive. En integrert modell er utviklet i et Bayesiansk nettverk. Med denne er det mulig å evaluere usikkerheten i beregning av flukser og effekter av fosfor i Vansjø. Respons på endringer i vannkvalitet er integrert i forhold til egnethet for ulike bruksområder og vilje til å betale for utbedringstiltak. Mens de praktiske oppgavene lovet i prosjektet har blitt gjennomført som planlagt, vil mye av publikasjoner av resultater gjennom artikler og monografi skje i Beskrivelse av de viktigste FoU-oppgavene som er utført, og hvilke miljøer som har vært mest sentrale i gjennomføringen - Innkjøring og testing av en analyserobot for parallell bestemmelse av hoved-fraksjonene av P, N, C og Si i vann ble utført av NIVA med assistanse fra UiO-KI. - Laboratorieundersøkelser og uttesting i felt av passive prøvetakere (DGT) for biotilgjengelig P ble utført som et integrert samarbeid mellom NIVA og UiO-KI. - Innsamling av 2270 vannprøver av jordvæske, elve-, bekke- og innsjøvann i form av synoptisk prøvetakning, overvåkning og episodestudier ble utført av UiO-KI - Kjemisk analyser av hoved-anioner og -kationer, samt næringssaltfraksjoner i vannprøvene ved UiO og NIVA - Innsamling av 121 jordprøver fra inn- og utmark og 9 sediment-prøver fra elver som drenerer inn i Vanjø og 12 sediment prøver i Sæbyvannet ble utført av UiO-KI. - Fysiokjemiske analyser av hovedegenskapene til jord- og sediment-prøvene, samt detaljerte analyser av P lagre ble utført av UiO-KI. - Detaljerte prosess-studier av mobilisering av P fraksjoner fra inn- og utmark ble utført av UiO-KI. - Laboratoriestudier av effekter av ikke-konservative reaksjoner som skjer i overflate vann der skogsvann blandes med avrenning fra landbruk ved UiO-KI. - Studier av temporære endringer i bekkevannkjemi over år, sesonger og under nedbørsperioder ved UiO-KI. - Laboratoriestudier av effekten av fotonedbrytning av naturlig organisk material (NOM) i vann på bio-tilgjengeligheten av P ved UiO-KI og UiO-Bio - Studier av drivere for romlig variasjon i P lagre i sedimenter i Sæbyvannet ved UiO-KI - Studier av romlig variasjon i vannkjemi vinterstid i Vansjø ved UiO-KI - Regional kartlegging og bestemmelse av viktige forklaringsvariabler for romlig variasjon i fysiokjemiske egenskaper og P lagre i utmarksjord ved UiO-KI. - Oppsett og kalibrering av nedbørsfeltmodellen SWAT og Innsjømodellen My-Lake ved UiO-KI og Bio. - Modellering av effekter av tiltak og bestemmelse av modelleringsusikkerheter ved bruk av modellene og MCMC teknikk ble utført av UiO-KI og Bio - Spesifikasjon av tiltaksscenarier for simulering i SWAT ble utført av NINA og UiO-KI - Definering av felles SWAT-MyLake MCMC kalibrering og simuleringer ble utført av NINA, UiO-Ki og -Bio - Integrering av SWAT og MyLake av NINA, UiO-KI og -Bio - Bruk av Suitability og Willingness-to-pay modeller i Hugin Expert modellerings plattform ble utført av NINA

3 - Gjennomgang av møtereferat fra styremøter i Morsa-prosjektet ved NIBR - Grunnlinjestudie av forvaltningsprosessen knyttet til eutrofieringsproblemet ved NIBR - Intervjuer (23) med representanter for kommuner og interesseorganisasjoner som sitter i Morsa vannområdeutvalg og noen som har hatt mye å gjøre med Morsa-prosjektet, samt intervjuer (23) med bønder i hele vannområdet ved NIBR - Analyse av den politisk/administrative beslutningsprosessen i forhold til eutrofiering ved NIBR - Utvikle og forbedre DPSIR-modellen ved å analysere hvordan koblingen i praksis fungerer mellom miljøstatus/effekter og samfunnets respons ved NIBR. - Modellering av optimale gjødslingsstrategier i FSSIM og SWAT ble gjennomført av UMB i samarbeid med UiO-KI - Disseminering, bla formidling på NFR Miljø 2015-konferansen for 2013 og Eutropia sluttkonferanse, ble utført av alle prosjektdeltagere Kort vurdering av prosjektgjennomføring og ressursbruk Tverrfaglig samarbeid er krevende og kostbart. Gjennomføringen av det tverrfaglige prosjektet har til dels hatt preg av å være mer faglig sekvensiell, med start i det mer rene naturvitenskaplige, via modellarbeid til det mer samfunnsvitenskapelige mot sluttfasen. Det har imidlertid lyktes å få til synergi og merverdi. Mer transfaglig forskning er oppnådd ved at naturviterene har hatt stor nytte av den kontakt og forståelse samfunnsviterne har med - og av -aktørene på alle plan, fra bønder til ordførere. Samfunnsviterne på sin side har integrert kunnskap om resultatene fra den naturvitenskaplige forskningen i sine studier og derved i større grad kunnet belyse betydningen av miljøkunnskap i gjennomføring av tiltak mot eutrofiering. Bruk av modeller, spesielt SWAT modellen, har vist seg å kreve en uforholdsmessig stor ressursbruk. Prosjektet valgte å vie bøndene mer oppmerksomhet enn hva som direkte uttrykkes i målsettingene. Dette ble gjort fordi bøndene er en viktig aktørgruppe som dels frivillig og dels gjennom pålegg, har gjennomført mange tiltak. Et resultat av dette, og intervjuene blant medlemmer av vannområdeutvalget, var også at vektleggingen av spillteori for å forklare handlinger ble tonet ned, og mer vekt ble i stedet lagt på prosesser for kollektiv (sam-) handling. Det ble tidlig klart at Bayesiansk nettverksanalyse (BBN) ikke spilte noen rolle i læringsprosessen blant beslutningstakere og ressurser til modellintegrering og nettverksanalyse har blitt brukt noe senere enn planlagt. En mulig forklaring er at de etablerte modellene SWAT og MyLake gjorde modellering av nedbørfelts-prosesser basert på ekspertkunnskap i BBN overflødig. Alle budsjetterte ressurser har blitt brukt, med betydelig bruk av egen finansiering for å fullføre formidling av resultater i Dette og forsinkelser i prosjektet førte til at arbeidet med DPSIR konseptet ble forskjøvet og dels endret. Samfunnets respons ble dekket av analysene av vannområdeutvalg og bønder. Beskrivelse av hvilken betydning/nytteverdi resultatene forventes å ha (for eksempel for forskningsfeltet, kompetanseutvikling, næringslivet og samfunnet for øvrig) Kunnskapen om at tiltak mot eutrofiering har nyttet, slik at forholdene i dag hadde vært betydelig verre om tiltak ikke var gjennomført, er av avgjørende betydning for den kollektive viljen til å intensivere arbeidet med å redusere P tilstrømming til innsjøen. Kunnskap om

4 hvilke av de gjenstående sub-optimale tiltak som er mest kostnadseffektive er nødvendig for å få til en ytterligere forbedring av vannkvaliteten. Den integrerte nedbørsfelt- og innsjømodellen kan brukes til å evaluere kostnadseffektiviteten av tiltak for å redusere tilførsler av næringsstoffer til Vansjø. Spesielt kan den brukes til å evaluere den relative usikkerheten i ulike tiltak. I tillegg ble den integrerte modellen laget for å vurdere om programmet for avbøtende tiltak har uforholdsmessig høy kostnad i forhold til fordelene ved forbedring av vannkvalitet slik Vannrammedirektivet krever. Resultatene fra den integrerte modelleringen av en av Norges mest overvåkede innsjø-system viser at på grunn av akkumulert usikkerhet i modelleringskjeden er det per i dag ikke mulig å fastslå "uforholdsmessige kostnader" ved hjelp av vår serie med koblede modeller. Resultatene fra arbeidet bidrar til den vitenskapelige diskusjonen innenfor flernivå samstyring (nettverksstyring) og modifiserer en del av rådende konklusjoner innenfor denne forskningen. Arbeidet bidrar til den vitenskapelige diskusjonen innenfor læring og kunnskap blant bønder og hva slags motiver bønder har for drifta generelt og for å gjøre tiltak for å redusere avrenning av fosfor spesielt. Prosjektet har som helhet bidratt til å bygge kompetanse på gjennomføringen av interdisiplinær og transdisiplinær forskning. Dette er også kunnskap som vil være til nytte for forvaltningen på ulike områder og nivåer. Resultatene fra forskningen reiser nye forskningsspørsmål, både generelt i tilknytning til forskning på flernivå samstyring og mer spesifikt i forhold til læring og kunnskap i landbrukssegmentet i grenseland mellom agronomi og naturmiljø, og i samspill med andre samfunnsaktører. Beskrivelse av planene for formidling og for utnyttelse av resultatene Mye av publiseringen av resultater gjennom artikler og monografi vil skje i (se nedenfor). Kunnskapen som er ervervet benyttes nå i forbindelse med de pågående WAPABAT og REFRESH, samt i komparative studier i SinoTropia, og vil i fremtiden danne grunnlaget for videre forskning. Beskrivelse av hvilke resultater som forventes ferdigstilt etter prosjektets slutt Den siste av våre to PhD kandidater (Engebretsen) har planlagt å forsvare sin grad ultimo Følgende publikasjoner er under utarbeidelse eller planlagt: Vitenskapelige artikler i internasjonale tidsskrift med fagfellevurdering - Engebretsen, A. et al., Uncertainty assessment of the effect of existing agricultural Best Management Practices on water quality using the SWAT model, Manuscript. - Engebretsen, A. et al., Evaluating nutrient abatement effectiveness and uncertainty in predictions through a sequential coupling of catchment and a lake model, Manuscript - Engebretsen, A. et al., Decision making under uncertainty: integration of existing knowledge into Bayesian belief networks when dealing with eutrophication, Planned.

5 - Orderud, G.I. and Holen, S., The Rational Economic Man as basis for doing environmentally sound farming: fact of fiction? Ecological Economics. Submitted - Naustdalslid, J. Multi-level Water Governance The Case of the Morsa River Basin in Norway, Journal of Environmental Planning and Management. Submitted - Mohr, C.W., Parekh, N.A., Røyset, Ø., Vogt, R.D., Passive sampling of low-molecularweight organic phosphates using Diffusive Gradients in Thin-films (DGT) samplers. Manuscript - Mohr, C.W., Baxter, A.J., Junquet, P., Vogt, R.D., Andersen, T., Gundersen, C.B., Impact of DNOM photo-degradation on its bioavailability in freshwater lakes. Manuscript. - Mohr, C.W., Vogt, R.D., Engebretsen, A., Weldehawaria, S.S., Desta, Y.H., Zhou, B., Hydro-geochemical modeling of P mobility from soil to water in a forested catchment in Norway. Planned - Romarheim, A. T., Tominaga K., Riise G., and Andersen T., Modelling the - responses of a cold temperate lake to changes in external forcing. Manuscript. - Tominaga, K., Finstad, A. G., Kaste, Ø., and Andersen T., Melting and warming - of northern lakes. Manuscript. - Tominaga, K., Starrfelt, J., Kaste, Ø., and Andersen T., Simultaneous calibration of two sequentially connected models. Manuscript. - Tominaga, K., Engebretsen, A. M., Starrfelt, J., Kaste, Ø., Vogt, R. D., and Andersen T., Calibration uncertainty in sequential model application. Manuscript. - Bedemo, Agaje; Wibetoe, G.: Vogt, R.D. et al Determination of phosphorus in environmental samples using a state-of the art QP-ICP-MS: What can be obtained? Planned. Monografier - Wærsted, F.M., Rollen til partikler og P bundet til partikler i eutrofieringen. Monografi. Masteroppgave i Miljøanalyse. UiO. In prep. - Hassan, S., Studie av fotooksidasjon av DNOM med påfølgende utfelling av fosfor med jern og aluminium. Monografi. Masteroppgave i Miljøanalyse. UiO. In Prep. - Engebretsen, Alex. Modelling of agricultural abatement actions in an interdisiplinary context. PhD Thesis at UiO. Planned. - Mohr, Christian W., Role of DNOM & particulate matter in relation to its contribution and distribution of bioavailable P fractions in lakes. PhD Thesis at UiO. Planned. Antologier - Barton, D.N., G. Orderud, R. Vogt, A. Engebretsen, K. Tominaga, Tom Andersen, E. (forthcoming) A trans disciplinary systems approach to understanding, predicting and managing lake eutrophication. Handbook of Applied System Science (Editor: Zachary Neal), Routledge (anticipated 2015). In Prep.