Utvasking av fosfor fra organisk jord Effects of peat soils on water quality in agricultural areas Av Marianne Bechmann a, Tore Krogstad b, Hilmar Sævarsson ab, Rikard Pedersen a og Geir Paulsen c a Bioforsk Jord og miljø, b Norges Miljø og Biovitenskapelige Universitet, c Bioforsk Vest Særheim Prosjektets formål er å undersøke betydningen av organisk jord for fosforutvasking fra dyrka mark. I prosjektet har det vært fokus på områder i Nordland og på Jæren. Resultatene viser at jordas bindingskapasitet for fosfor, det vil si innhold av jern og aluminium oksider, i jordprofilet har vesentlig betydning for fosforkonsentrasjoner i avrenningen. Hele jordprofilet, ikke kun matjordsjiktet har betydning for utvaskingsrisikoen. Reduksjon i fosforutvasking kan mest effektivt oppnås ved å ha fokus på de kritiske arealer. Dessuten ble det i prosjektet funnet stor forskjell på ulike metoder for bestemmelse av jordas fosforstatus, spesielt på arealer med høyt innhold av organisk fosfor; dette har betydning for gjødselanbefalingene som gis for disse arealene. 1
Bakgrunn Fosfor er et av næringsstoffene som har stor betydning for vannkvaliteten. Eutrofiering av innsjøer skyldes ofte et overskudd av fosfor. Det er målt høye konsentrasjoner av fosfor (P) i avrenning fra nedbørfelt dominert av myr. Blant annet fra et felt utenfor Bodø. I Sør og Vest Norge finner man eksempler på myrområder med direkte avrenning til eutrofe (svært næringsrike) innsjøer. Fosfortilførslene fra slike områder er således av stor interesse. Områder som bidrar mye til forurensning av vannforekomster kalles ofte hot spots eller kritiske arealer. Identifisering av slike kritiske arealer og tiltaksgjennomføring her kan gi effektive reduksjoner i fosforutvaskingen. I tillegg til tap av næringsstoffer som fosfor, vil det også kunne være betydelig avrenning av løst organisk karbon (DOC) fra myrområder. Kombinasjonen av høye konsentrasjoner av fosfor og DOC kan øke risikoen for eutrofiering. Et tiltak for å redusere avrenningen av fosfor fra myrjord kan være å øke bindingskapasiteten for fosfor ved å tilføre sand med stor bindingskapasitet for fosfor. Kunnskapen om potensialet for binding og frigjøring i norske myrjordstyper er imidlertid begrenset, og behovet for økt kunnskap er helt nødvendig for å kunne utvikle tiltak som vil redusere fosforavrenningen fra disse områdene. Økt kunnskap om fosforbinding og avrenning fra myrjord med høyt innhold av organisk materiale vil bidra til videreutvikling av en fosforindeks (P indeks) for beregning av risiko for fosforavrenning fra ulike jordtyper, samt til å bedre vurdere hvilken effekt avrenning fra slike jordtyper har på vannkvalitet. Formålet med dette prosjektet er å øke kunnskapen om binding og frigjøring av fosfor fra organisk jord i forhold til mineral jord, samt å identifisere risikoarealer for utvasking og tiltak som kan bidra til en mer effektiv tiltaksgjennomføring for redusert fosforutvasking. Følgende delprosjekter inngår: 1. Fosforinnhold i jorda i Naurstadbekken Det er tatt ut jord og vannprøver fra Bioforsks overvåkingsfelt utenfor Bodø, Naurstadfeltet, gjennom flere perioder. Jordprøvene er tatt i tre dyp for hvert av 8 jordprofiler for å karakterisere fosfortransporten nedover i jorda (figur 1). Både jord og vannprøvene er analysert for innhold av ulike fraksjoner av fosfor. Det gir mulighet for å kunne karakterisere transportprosesser i jorda og biotilgjengelighet av fosfor i avrenningen. Det høyeste innhold av vannløselig fosfor ble funnet i øverste sjikt. I profil 4 ble det ikke funnet vannløselig fosfor i det hele tatt og dermed er risiko for fosforutvasking fra denne jorda liten. Resultatene fra denne undersøkelsen vil bli analysert for vurdering av risiko for fosforutvasking på ulike profiler. 2
Figur 1. Fraksjonering av jordprøver frai 8 jordprofiler i Naurstadfeltet 2. Avrenning fra Naurstadbekken variasjoner og årsakssammenhenger I overvåkingsfeltet ved Bodø har det blitt tilført signifikant mindre fosforgjødsel gjennom overvåkingsperioden (figur 2). Samtidig måles signifikant reduksjon i fosfortapet fra feltet. Figur 2. Fosforgjødsling og fosfortap fra Naurstadfeltet ved Bodø 3. Fosforutvasking på jord med høye fosfortall på Jæren Det ble gjennomført utvaskingsforsøk med jordsøyler tatt ut på Jæren. Totalt 10 jordprofiler var med i forsøket (figur 3). Utvasking ble gjennomført med 100 cm lange søyler som representerer jordprofilet ned til grøftedyp (figur 4). Dessuten ble det gjennomført utvaskingsforsøk med 50 cm søyler for å undersøke forskjellen i utvasking mellom jord med husdyrgjødsel og mineralgjødsel. 3
Figur 3. Uttak av jordprøver fra 2 av de 10 ulike jordtyper på Jæren. Figur 4. Utvaskingsforsøk ble gjennom ført med totalt 10 forskjellige jordtyper. 100 cm søyler ble brukt til å se på utvasking i forhold til jordas fosforstatus. 50 cm søyler ble brukt til å se på forskjell i utvasking av fosfor ved tilførsel av husdyrgjødsel og mineralgjødsel. 4
Resultatene viser at risiko for utvasking av fosfor avhenger av jorda i hele profilet, ikke kun det øverste jordlaget. Et høyt innhold av fosfor i organisk jord over sand ga ca. 10 ganger høyere fosforkonsentrasjoner utvaskingsvannet sammenlignet med mineraljord med høyt fosforinnhold (figur 5). Bortsett fra denne ene jordprofilen viste resultatene at fosforinnholdet i det matjordlaget (P AL) har liten betydning for fosforkonsentrasjoner i utvaskingen. P AL verdiene er det som blir bestemt ved bøndenes jordanalyser og resultatene antyder altså at de ikke sier noe om utvasking av fosfor fra et areal. Egenskapene nedover i jordprofilet og spesielt de kjemiske bindingsegenskapene i det nederste jordlag har derimot stor betydning for hvor mye fosfor som vaskes ut gjennom jorda. Figur 5. Betydningen av jordanalysetall (P AL) for konsentrasjoner av fosfor i utvaskingsvannet. Resultatene viser derimot at jordas bindingskapasitet for fosfor nedover i jordprofilet har stor betydning for fosforutvaskingen. Dette er naturlige egenskaper som en bør ta hensyn til ved prioritering av tiltak på ulike arealer. Effekten av dette er vist i figur 6 som tyder på at fosfor fra matjordlaget vil vaskes ut dersom den organiske jorda er blandet med utvasket sand som er fattig på jern og aluminium sammenlignet med jord hvor jern og aluminiumrik sand er blandet sammen med det organiske materialet. Redusert gjødsling med fosfor, for å få ned fosforinnholdet, bør prioriteres på arealer med lav bindingskapasitet i profilet. 5
Figur 6. Sammenhengen mellom løst P og P AL er avhengig av kvaliteten på sanda som er blanda inn i det organiske materialet. 4. Utvasking av fosfor i mineral og husdyrgjødsel Figur 7. Utvaskingsforsøket viste at det kom en puls av fosfor ved tilførsel av husdyrgjødsel, mens det ikke kom tilsvarende fosforpuls ved tilførsel av tilsvarende fosformengde i mineralgjødsel. I forsøket med utvasking av fosfor fra husdyrgjødsel og mineralgjødsel gjennom 50 cm søyler ble det funnet en puls av fosfor fra husdyrgjødsel som ikke var synlig fra søylene med mineralgjødsel (figur 6
7). Vi fant at løst organisk materiale fra husdyrgjødsel kan bidra til å øke utvaskingen fra husdyrgjødsel sammenlignet med mineralgjødsel. 5. Betydning av analytisk metode for bestemmelse av jordas fosforstatus som P AL. Jordanalyser brukes til å bestemme innhold av plantetilgjengelig fosfor i jorda og utføres i Norge med P AL ekstraksjon av jord fra matjordlaget, vanligvis de øverste 20 cm. Disse jordanalysene danner grunnlaget for å vurdere behovet for fosforgjødsling. P AL analysene blir dessuten brukt til å identifisere risiko arealer for fosforavrenning. I dette forsøket ble det gjennomført analyser av P AL på 37 jordprøver fra ulike jordprofiler i ulike dyp på Jæren. P AL analysene ble gjennomført med to ulike instrumenter, Spektrofotometer og ICP OES. Spektrofotometer var tidligere brukt som standard metode for jordanalyser, men på slutten av 1990 tallet ble spektrofotometeret byttet ut med ICP OES i de fleste laboratorier. Parallelle analyser med de to instrumentene viste for våre jordprøver signifikant forskjell i P AL bestemt med de to instrumenter. Resultatene viste dessuten at måleforskjellen er størst i de sjiktene som har høyest fraksjon av organisk fosfor (figur 8). Forskjellen mellom instrumentene utgjorde opp til 6 måleenheter i P AL. Figur 8. Sammenhengen mellom måleforskjell og innhold av organisk fosfor. Det er grunnleggende forskjell mellom disse to bestemmelsesmetodene. Fotospektroskopisk metode måler spesifikt uorganisk ortofosfat, mens ICP OES måler alle fosforatomene i løsningen som er analysert uavhengig av tidligere tilstandsform. Forskjellen mellom de to måleinstrumentene har tidligere vært vurdert på grunnlag av jordprøver fra Østlandet med lavt innhold av organisk fosfor, og disse prøvene viste at det var liten forskjell mellom spektrofotometer og ICP OES. Gjennom dette prosjektet har vi vist at for jordprøver fra Jæren med høyt innhold av organisk fosfor er forskjellen mellom spektrofotometer og ICP OES betydelig. 7
Når jordas innhold av plantetilgjengelig fosfor (P AL) vurderes for områder med høyt innhold av organisk fosfor er det viktig å sammenligne målinger som er utført med likt måleinstrument. Jordas fosfor tall (P AL) og dermed gjødslingsanbefalingene vil avhenge av hvilket instrument som er brukt ved analyse av jordprøvene. 6. Tilsetningsstoffer som binder fosfor Organisk materiale i form av torv her liten evne til å binde fosfor og utlekking av løst fosfor etter gjødsling med handelsgjødsel og husdyrgjødsel er ofte stor. Organisk jord kan imidlertid behandles slik at bindingsevnen for fosfor øker. Et eksempel på dette er vist i figur 6 hvor kvaliteten på innblandet sand påvirker utlekkingen. For å studere dette mer i detalj ble det gjennomført et laboratorieforsøk med små søyler tilsatt henholdsvis jernrik sand fra podsol, kalk, løst jern og løst aluminium. Forsøksoppsettet er vist i figur 9. Resultatene viser at torv uten noen tilsetning har stor utlekking av fosfor gjennom en jordsøyle tilsvarende tykkelsen på et ploglag når det tilført opp til 6 kg fosfor pr daa og dreneres med en vannmengde tilsvarende årsnedbør. Også kalking og tilsetting av aluminium har relativt liten effekt på tilbakeholdelsen av fosfor, mens jernrik sand og jern tilsatt i løst form holder tilnærmet all fosfor tilbake i jorda. Dette viser at det er mulig å redusere utlekkingen av fosfor i torv ved forholdsvis enkle tiltak. Det gjenstår imidlertid å se om disse tiltakene har noen innvirkning på plantetilgjengeligheten av fosfor. Figur 9. Forsøksoppsett for testing av tilsetningsstoffer på utlekking av fosfor fra torv. 7. Avrenning av fosfor og nitrogen fra Særheim ruteforsøk I prosjektet ble Særheim lysimeterforsøk satt i fornyet drift og det ble tatt ut vannprøver av avrenningen i 2013 (figur 10). Konsentrasjonene av fosfor i grøfteavrenningen fra feltet var ekstremt 8
lave, samtidig som fosforinnholdet i jorda var meget lavt i seks (B, C, D, E, F og H) av de åtte rutene (figur 11). Fosforinnholdet i rute A og H var høyt i matjordlaget og fosforkonsentrasjonene var noe høyere enn for rutene med lavt fosforinnhold. Alle konsentrasjonene som er målt er meget lave og det gjelder også for fosforkonsentrasjoner fra forsøkets første periode (1992 1997). ' Figur 10. Ruteforsøk på Særheim er oppgradert og måliner av avrenning i drensgrøftene ble målt fra 8 ruter. Figur 11. gjennomsnittskonsentrasjoner av fosfor fra 8 ruter i Særheim lysimeterforsøk i 2013. Presentasjoner fra prosjektet Bechmann, M., Sævarsson, H., Krogstad, T. 2013. Leaching of phosphorus to tile drains on high P soils. NJF seminar 462: Does climate change demand a new approach to drainage design? 23. 25. September 2013. 9
Bechmann, M., Sævarsson, H., Krogstad, T. 2014. Fosforavrenning fra jordbruksarealer på Jæren betydningen av jordas fosforstatus. Bioforsk konferansen, Hamar, 2014. Sævarsson, H. 2014. Nedvasking av fosfor gjennom ulike jordprofiler fra Jæren. Lysimeterforsøk. Masteroppgave 2014. Norges Miljø og Biovitenskapelige Universitet (NMBU) Artikkel i Bondevennen (in prep. juli 2014) Vitenskapelige artikler er i produksjon Samarbeid: Prosjektet har vært gjennomført i nært samarbeid mellom Bioforsk og NMBU. 10