Vandmiljøplaner Fosfor Jorderosion - EnviNa

Vandmiljøplaner Fosfor Jorderosion Hans Estrup Andersen, Institut for Bioscience, AU

ENVINA, Landbrugsårsmøde Karrebæksminde, 27. september 2017

Handleplaner for bedre vandmiljø

1985 NPO-handlingsplanen Forbud mod direkte udledninger, ingen husdyrgødning på frossen jord, harmonikrav Krav om 6 måneders opbevaringskapacitet

1987 Vandmiljøplan I 9 mdr. opbevaringskapacitet, forbud mod husdyrgødningsudbringning efterår og vinter på ubevokset jord, grønne marker, sædskifte- og gødningsplaner, krav til spildevandsrensning

Reducere N- og P-udledning med hhv. 49% og 80% inden 1993

1991, 1996 Handlingsplanen for Bæredygtigt landbrug

Lovpligtige N-normer til afgrøder og lovpligtige gødningsregnskaber, krav til udnyttelse af kvælstof i husdyrgødning (ex. 50% for svinegylle)

Frist for N-reduktion udsat til 2000

1998 Vandmiljøplan II Vådområder, skovrejsning, miljøvenlig jordbrugsdrift, økologisk jordbrug, efterafgrøder (6/10%), nedsatte gødningsnormer (10%), øget krav til udnyttelse af husdyrgødning (ex. 65% for svinegylle)

Frist for N-reduktion udsat til 2003 Målet nået i 2003! (vurderet ved bunden af rodzonen)

2009 Grøn Vækst 140,000 ha målrettede efterafgrøder, 13,000 ha vådområder, 50,000 ha randrzoner (krav), skovrejsning

N-udledning til havet reduceres med 9,000 t + 10,000 t N (i alt ca. 35%) i forhold til 2003 P-udledning reduceres med 210 t

2014 Vandplaner, 1. generation (2009 – 2015)

10,000 ha vådområder, skovrejsning, vandløbsindsats, spildevandsrensning (35,000 ejd., 250 regnbetingede udløb, 26 renseanlæg), 1,500 ha P-vådområder, 25,000 ha randzoner

Målsætning fra Grøn Vækst

2003 Vandmiljøplan III Øget krav til efterafgrøder (10/14%), udnyttelse af husdyrgødning (ex. 75% for svinegylle), vådområder, miljøvenlig jordbrugsdrift, skovrejsning, afgift på mineralsk foderfosfat, 50,000 ha randzoner (frivilligt)

N-udledning reduceres yderligere 13% i forhold til 2003 før 2015 P-overskud halveres

2016 Vandplaner, 2. generation (2015 – 2021)

Kollektive indsatser Målrettet indsatse Spildevandsrensning (6771 ejd., 370 regnbetingede udløb, 11 renseanlæg) 900 ha P-vådområder, opkøb af 50 dambrug

N-udledning reduceres med 6,900 t P-udledning reduceres med 14 t P (Jyll + Fyn)

2015 Landbrugs- og Fødevarepakken

Kollektive indsatser: 3,800 t N (vådområder, mini-vådområder, lavbundsprojekter, skovrejsning) Målrettet regulering: 3,800 t N (efterafgrøder, reduceret norm o.lign. – med kompensation) Ophæver randzonekrav Opgiver krav om 60,000 ha efterafgrøder Tillader økonomisk optimal N-gødskning Hæver harmonikrav (1.4 -> 1.7/2.3) Indfører P-lofter

Forventet effekt 5,500 t N i 2021 smlg. med 2012 Udskyder N-reduktion på 6,200 t N til efter 2021

2017 Bekendtgørelse om erhvervsmæssigt dyrehold, husdyrgødning, ensilage mv., §33

Husdyrgødning, afgasset vegetabilsk biomasse og mineralsk gødning (handelsgødning) må ikke udbringes på stejle skråninger med en hældning på mere end 6° ned mod vandløb, søer over 100 m² eller kystvande inden for en afstand af 20 meter. Undtagelse hertil er nedfældning parallelt med højdekurver og udbringning af flydende mineralsk gødning (handelsgødning). Iværksætte foranstaltninger til at imødegå jorderosion fra arealer, der har modtaget organisk gødning. Tilsynsmyndigheden skal overvåge og meddele påbud om foranstaltninger.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1990 1994 1998 2002 1992 1996 2000 1990 1994 1998 2002 1992 1996 2000

% L

ives

tock

man

uure

N

Efterår VInter Forår Sommer

Solid manureLiquid manureSlurry

0

20

40

60

80

100Li

vsto

ck (

%)

> 9 Months 6-8 Months < 6 Months

Opbevaringskapacitet for flydende gødning

Udbringningstider for husdyrgødning

N markoverskud reduceret med 40 pct.

Størst fald frem til 2003. Herefter reduktion på 10.000-25.000 tons N. Større høst pga. udfasning af brak

Kvælstoftilførsel til havet

Normaliseret fald på ca. 40%. Punktkilder udgør i dag 10% af det samlede kvælstofbidrag.

Fosfortilførsel til havet

Normaliseret fald på ca. 60%. Betydning af punktkilder reduceret fra 80% til 30%. Ingen udvikling i det diffuse fosforbidrag

Fosfor Jorderosion

Fosfor (P) Et ud af 17 essentielle stoffer for plantevækst C og O absorberes fra luften Vand og andre næringsstoffer fra jorden Primære makronæringsstoffer: N, P, K (0.2 – 4% i plantevæv (tørvægt) Andre makronæringsstoffer: Ca, S, Mg, Si Mikronæringsstoffer: B, Cl, Mn, Fe, Zn, Cu, Mo, Ni, Se, Na (5 – 200 ppm i plantevæv)

Fosfor (P) Essentiel for alt liv: - Fosfat indgår i biologiske molekyler DNA, ATP - Phospholipider danner cellemembraner - Afgørende for knoglestyrke (indgår som apatit, Ca5(PO4)3OH) - Et voksent menneske indeholder ca. 0.7 kg P, 85 – 90% in

knogler og tænder

Most soils are naturally phosphorus deficient

• Need for NPK input • However, some soils have high P content

due to several years of net P input

Phosphorite or rock phosphate, phosphate content up to 15 – 20 %

Location of known deposits of rock phosphate

-20000

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

Handelsgødning Affald Foder

Kyllingsbæk, 2008. Landbrugets husholdning med næringsstoffer 1900-2005. DJF Markbrug 18 Vinther & Olsen, 2011. Nutrient balances and nutrient surpluses in Danish agriculture 1989-2009 (2010). Dep. of Agroecology, Aarhus University

-20000

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

Handelsgødning Affald Foder Fraførsel

Kyllingsbæk, 2008. Landbrugets husholdning med næringsstoffer 1900-2005. DJF Markbrug 18 Vinther & Olsen, 2011. Nutrient balances and nutrient surpluses in Danish agriculture 1989-2009 (2010). Dep. of Agroecology, Aarhus University

-20000

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

Handelsgødning Affald Foder Fraførsel Overskud

Kyllingsbæk, 2008. Landbrugets husholdning med næringsstoffer 1900-2005. DJF Markbrug 18 Vinther & Olsen, 2011. Nutrient balances and nutrient surpluses in Danish agriculture 1989-2009 (2010). Dep. of Agroecology, Aarhus University

Fosforophobning i dyrkningsjorden

Kilde: Landovervågningsoplande 2015. NOVANA

Stor forskel i fosforbalancen mellem brugstyper

Den regionale fosfor-balance

Data fra GLR og gødningsregnskaber, 2013, opgjort på ID15

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

<-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 >40

% a

f har

mon

iare

al

P-balance, kg P/ha

Brugstype: svin (P1)

Før landbrugspakken

Betydning af P-lofter, eksempel svin

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

<-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 >40

% a

f har

mon

iare

al

P-balance, kg P/ha

Brugstype: svin (P1)

Før landbrugspakken

170 kg N u. P-loft

Betydning af P-lofter, eksempel svin

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

<-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 >40

% a

f har

mon

iare

al

P-balance, kg P/ha

Brugstype: svin (P1)

Før landbrugspakken

170 kg N u. P-loft

P-loft 2020

Betydning af P-lofter, eksempel svin

H3PO4 H2PO4- HPO4

2- PO43-

pH 6 - 7

Fosfor i jorden

Soil Organic Matter

H2PO4-

HPO4-2

manures, wastes and sludge

mineralization

immobilization

fertilizer Harvest

manures, wastes, and sludge

Adsorbed and fixed Inorganic

Fe, Al, Ca, and clay

runoff

Phosphorus Cycle

leaching

Stable org. P

Labile org. P

Microbial P

50%

50%

0.01%

Fosforbinding (i) mineralogi (Fe- og Al-hydroxider, Ca) (ii) pH (iii) lerindhold

Non-crystalline secondary mineral, small size (5 – 10 nm, clay fraction) -> high surface area –(50 – 300 m2/g), positively charged > high affinity for phosphate Goethite, FeO(OH) Gibbsite, Al(OH)3

Fosfor-sorption til Fe- og Al-hydroxider

P P

P

P P

P P

P P

P

P

P

P P

P

P

P = H2PO4- or HPO4

2-

Fosfor-sorption til hydroxider

P

P

P P

P

P

P

P

P P

P P

P P P

P P P

P P

P

P

P P P

Non-crystalline secondary mineral, small size (5 – 10 nm, clay fraction) -> high surface area –(50 – 300 m2/g), positively charged > high affinity for phosphate Goethite, FeO(OH) Gibbsite, Al(OH)3

Equilibrium concentration (EP0) = steady state concentration of phosphate in solution - a function of the amount of P sorbed

1000 – 2000 kg/ha

0.01 – 0.1 kg/ha

10 – 100 kg/ha

Slow process (m–y)

Fast process (m-h-d-w)

Fosfor-bindingskapacitet og fosfor-mætningsgrad - uorganisk fosfor -

• Kan måles (tidskrævende!) eller estimeres med en pedotransfer-funktion (en model) baseret på målt indhold af jern, aluminium og fosfor (oxalat-ekstraktion)

The Dutch pedotransfer functions (Schoumans 2000):

Degree of P Saturation

)(*100

oxox

ox

AlFePDPS+

=α

P Sorption Capacity

)( oxox AlFePSC +=α

P P

P

P P

P P

P P

P

P

P

P P

P

P P

P

P P

P

P

P

P

P P

P P

P P P

P P P

P P

P

P

P P P

• Vandopløseligt fosfor (Pw) – en indikator for fosfor-tabspotentialet

• Kritisk fosformætningsgrad – når ligevægtskoncentrationen er kritisk høj, typisk 0.1 mg fosfor pr. l

Pw = f(mætningsgraden)

Pw = f(Fosfor-tallet)

Corresponding to a soil water concentration of 0.1 – 0.15 mg P l-1

Kortlægning af fosfor-bindingskapacitet

Baseret på måling af (Fe + Al)ox i 50 – 75 cm’s dybde i 386 punkter

Transportvej Fosfor-kilde

Tab af fosfor

Risikoområder/kritiske kildeområder

Contributing areas – risk areas We often find that a minor fraction of the total area contributes unproportionally high P losses.

Screening of 45 tile drains for P losses (dissolved P only). The concentration of dissolved P is low in the majority of the tile drains but 10 – 20% have very high concentrations.

Der er mange tabsveje for fosfor fra jord til overfladevand

Jorderosion – transport af partikler

Mapping of risk areas for diffuse nutrient losses Hans Estrup Andersen

Foto Preben Olsen

Kortlægning af erosionsrisiko i Danmark 2017

Revised Universal Soil Loss Equation – RUSLE

Erosions-potentiale (t/ha) = (R*K)*(L*S)*(C)

• R: kinetic energy of rainfall (erosivity) • K: a soil’s resistance to erosion (erodibility) • LS: 2D topography, upslope contributing area and slope • C: crop management

RUSLE i kombination med WaTEM-modellen (sediment transport): • Landsdækkende, rumlig modellering af erosion og deposition på

10 m grid skala

Input data

Example erosion risk map

Erosionsrisiko (potentiale) – kortlagt i hele landet på 10x10 m grid

ErosionsrisikodepositionlavmellemhøjVandløb og grøfter

Overflade-afstrømning (opløst fosfor)

Brinkerosion

Udvaskning af fosfor via dræn

Udvaskning af fosfor via makroporer/præferentiel strømning

Pløjelag

B- and C horizonter

Dræn

Kolloid mobilisering

Makropore transport

Regnormegange

inter-aggregat porer

Output

/G. Rubæk/

Risiko for strømning i makroporer

• Risiko for makropore-transport på landbrugsområder er kortlagt på 500 m grid

› Hydrauliske egenskaber prædikteret ud fra simple jordparametre (tekstur, etc.)

› Modelberegning

Fosfortabsveje og fosforformer

• Overfladeprocesser – Erosion (tab af jordpartikler) – Overfladeafstrømning (opløst og

kolloidbundet fosfor)

• Udvaskning – Præferentiel strømning (partikulært- og

kolloid-bundet og opløst fosfor P) – Ensartet strømning gennem jordmatricen

(overvejende opløst fosfor)

• Brink-erosion (tab af jordpartikler)

Nedbør og hydrologi er bestemmende for tabsprocesserne

Fosfor tabsposter fra det dyrkede land – status anno 2005

Kronvang og Rubæk. 2005: DJF rapport, Husdyrbrug Nr. 68.

Denne tabspost har nok været stigende i de sidste 10 år pga. skift til majs og kraftigere regn

< 0.5 kg P/ha

Mapping of risk areas for diffuse nutrient losses Hans Estrup Andersen

Foto Preben Olsen

Begrænsning af erosion og fosfortab

Grassed waterways in erosion prone areas

Mitigation of P losses

Buffer zones between field and water course

Kilde: Brian Kronvang, review af internationale studier over randzoneeffektivitet, i: Virkemidler til realisering af 2. generations vandplaner og målrettet arealregulering, DCA rapport 052, 2014

Randzoners bredde skal afpasses efter risikoen for om der dannes skyllerender (riller) fra jorderosion på tilstødende mark

Kronvang et al., 2006 Water Science & Technology 51(3-4): 55-62.

Erosionskortlægning kan udpege højrisiko marker

Læs mere om randzoner i Virkemiddelkataloget:

NOVANA: det nationale miljø- og naturovervågningsprogram

Vandløb 223 stationer med vandføring (kontinuert) og vandkemi (2. – 4. uge) Søer 18 søer > 5 ha: intensivt 30 søer > 5 ha (vekslende): tilstand 175 søer 1 – 5 ha + 175 vandhuller: tilstand Grundvand Ca. 1,000 overvågningsboringer Marin Ca. 100 stationer med vandkemi, aftagende intensitet væk fra kysten

Effekt i vandområderne - vandløb

Effekt i vandområderne - søer

TN: reduceret 38% TP: reduceret 51%

Effekt i vandområderne – marine områder TN og TP reduceret ca. 50% i fjorde og kystnære områder