Kalibrering och validering av jordbruksläckagekoefficienter och beräkning av retention i små sjölösa områden

• De svenska PLC-beräkningarna av näringsämnesbelastning från jordbruksmark är baserade på läckagekoefficienter som är framtagna med NLeCCS systemet med ingående modellerna SOILNDB (för kväve) och ICECREAMDB (för fosfor) samt verktyg för växtföljdsgenerering och för beräkning av läckagekoefficienter. Dessa beräkningar utförs för en upplösning motsvarande ett fält. Utifrån dessa läckage-koefficienter beräknas enligt PLC5-metodiken arealviktade läckagehalter för varje delavrinningsområde där rådande grödfördelningen (för ett specifikt år) används tillsammans med delavrinningsområdesspecifika uppgifter om dominerande jordart, tillhörighet till produktionsområde, lutning (enbart fosfor) och fosforhalt (enbart fosfor). Genom att testa läckagehaltsberäkningarna i jordbruksdominerade små, sjölösa avrinningsområden kan både läckagekoefficienter och indata till läckagehaltsberäkningarna utvärderas. Därför har vi inom ramen för detta projekt testat och utvärderat läckagekoefficienter och arealviktade läckagehalter i sju små avrinningsområden som domineras av jordbruksmark och där jordbruket är den största bidragande källan till näringsämnesförluster. Detta gjordes genom tillämpning av källfördelningsmodellering i ovan nämnda små avrinningsområden där två huvudscenarier simulerades. I det första scenariot utnyttjades samma indata som användes i respektive område vid PLC5-beräkningarna. I det andra scenariot togs alla tillgängliga lokala data fram för att försöka förbättra indata med avseende på jordartsfördelning, fosforhalter i marken, lutning, odlingsdata mm. Ytterligare två scenarier modellerades i de fall där enbart anpassning till bättre lokala indata inte kunde förklara avvikelser mellan uppmätta och modellerade värden. I dessa scenarier ändrades även läckagekoefficienterna genom att nya läckagekoefficienter togs fram antingen från NLeCCS genom bättre anpassad växtföljd, eller genom omkörning av ICECREAMDB-modellen. Både kväve och fosfor modellerades med FyrisNP-modellen och resultaten jämfördes med uppmätta halter och transporter. Modelleringsperiod var nio och ett halvt år med ett tidssteg på en vecka vilket harmoniserar med kalibreringsdata från befintliga miljöövervakningsprogram. Generellt visar resultat i detta projekt att arealviktade läckagehalter fram-räknade utifrån läckagekoefficienter kan beskriva transporter av näringsämnen på ett tillfredställande sätt, oftast dock först efter att hänsyn tagits till lokala för-hållanden. Med tanke på vald skala kan man också konstatera att vissa avvikelser är en logisk konsekvens av den valda metodiken med läckagekoefficienter som representerar ett årsmedelvärde. I vissa fall visade det sig också att rimliga förklaringar för de avvikande resultaten ibland saknas, och att en djupare förståelse av styrande processer är nödvändigt innan vi ens på ett konceptuellt sätt kan förbättra modellerna.Retentionsberäkningar ingick också i modelleringen där framförallt fosfor-retention mellan fältets kant och vattendragen är intressant eftersom hänsyn inte tagits till dessa processer vid PLC5-beräkningar. Även om en viss relation mellan fosforretention och områdens storlek framträder i modelleringar så är underlaget 7för litet för att kunna ge generella rekommendationer för de nationella beräkningarna. Eftersom rimliga resultat kunde uppnås i de flesta fall med tämligen enkla anpassningar och förbättringar av indata anser vi att den tillämpade metodiken kan vara ett sätt att validera erhållna läckagekoefficienter från fältmodellerna i ett tidigt stadium innan de används för nationella beräkningar. Därför föreslår vi att detta steg inkorporeras i kommande PLC-beräkningar som en extra utvärdering och justering av framtagna läckagekoefficienter innan de används för de nationella beräkningarna

• The Swedish PLC-calculations of nutrient loads from agricultural land are based on leaching coefficients which are modeled with NLeCCS system. Within NLeCCS system, field-scale models are used to calculate leaching coefficients for nitrogen (SOILNDB) and phosphorus (ICECREAMDB). Based on these leaching coefficients and according to PLC5 methodology an area-weighted mean leakage concentration is calculated for each sub-basin. Current crop distribution (for a specific year) is used in combination with sub-basin specific data on dominant soil, production region, slope (only phosphorus) and phosphorus content (only phosphorus) to calculate the area-weighted mean leakage concentration for the each specific sub-basin. Since the lack of calibration data limits the possibilities for further calibration of ICECREAMDB and SOILNDB at field scale, we have in this project tested and evaluated export coefficients and area-weighted mean leakage concentrations in seven small catchments dominated by agricultural land and where agriculture is the largest contributing source of nutrient losses. This was done through the application of the FyrisNP source-apportionment model in the above-mentioned small catchments. Two main scenarios were tested. In the first scenario we used the same input data as in PLC5. In the second scenario all available local data was collected to improve input data regarding soil type distribution, phosphorus content in soil, slope, management data etc. Two other scenarios were also modeled in cases where only adapting to better local input data could not explain discrepancies between measured and modeled values. In these scenarios new leakage coefficients were calculated either from NLeCCS by better adjustment to local crop distribution and crop rotation, or by new model runs with ICECREAMDB model. Both nitrogen and phosphorus were modeled with FyrisNP model and the results were compared with measured concentrations and loads. Modeling period was nine and a half years with a time step of one week which harmonize with available calibration data from environmental monitoring programs. The results of this project show generally that leaching coefficients and area-weighted mean leakage concentrations could describe the transport of nutrients in a satisfactory manner, but first after the best available local input data was used. Considering the selected scale it can also be concluded that some of the discrepancies between measured and modeled results is a logical consequence of the chosen methodology. In some cases it was also found that sometimes there is no reasonable explanation for the divergent results. Here a deeper understanding of governing processes is necessary before we even in a conceptual way can improve our models.Calculation of retention is also included in the modeling where especially phosphorus retention between the field's edge and the streams is interesting because these processes are not accounted for in the PLC5 calculations. Although a certain relationship between phosphorus retention and the size of the catchments can be found in the performed modeling, the low number of modeled catchments9limits possibilities to make general recommendations for future PLC at national level. Since in most cases reasonable results were achieved with relatively simple adjustments and improvements of the input data, we believe that the applied methodology can be a way to validate leaching coefficients obtained from field models in an early stage before they are used for national calculations. We propose therefore incorporation of this validation step in future PLC calculations as an additional evaluation and adjustment step of modeled export coefficients for arable land, before they are applied for national calculations.

Subject headings

NATURVETENSKAP  -- Geovetenskap och miljövetenskap -- Miljövetenskap (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Earth and Related Environmental Sciences -- Environmental Sciences (hsv//eng)

Keyword

Vatten

Water

Publication and Content Type

vet (subject category)

rap (subject category)