Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Nr. 241: Estimering af kvælstofkoncentrationer fra rodzone til havområder omkring år 1900

Jensen, P.N. (Ed.) 2017. Estimation of Nitrogen Concentrations from root zone to marine areas around the year 1900. Aarhus University, DCE – Danish Centre for Environment and Energy, 126 pp. Scientific Report from DCE – Danish Centre for Environment and Energy No. 241. http://dce2.au.dk/pub/SR241.pdf

Sammenfatning

Der findes kun meget få og spredte målinger af kvælstofindholdet i f. eks. danske vandløb omkring år 1900. For at kunne estimere en koncentration af kvælstof i det vand, der løb til de danske kystområder omkring år 1900, er det derfor nødvendigt at anvende andre supplerende metoder.  

Formålet med denne rapport har været at belyse de faktorer, som potentielt kan have haft indflydelse på koncentrationen af kvælstof i det vand, der løb ud i de danske kystnære områder omkring år 1900. For at nå dette formål er der beskrevet en række relevante parametre som klima, vandafstrømning, landbrugspraksis, landskabselementer, punktkilder m.m. med udgangspunkt i år 1900. 

Der indgår ligeledes i rapporten en opsamling af de få danske og udenlandske målinger af kvælstof i vandløb fra den tid samt andre relevante sammenstillinger og modelleringer. 

Resultaterne fra denne analyse har vist, at kvælstoftabet fra landbrugsarealerne var den dominerende kilde omkring år 1900, hvorfor der er fokuseret på denne kilde. 

Dansk landbrug og landskab omkring år 1900 

Dansk landbrug omkring år 1900 var grundlæggende forskelligt fra nutidens, men dækkede rent faktisk en større del af det samlede danske areal end tilfældet er i dag. De vigtigste forskelle ift. nutidens landbrugsdrift er: 

  • Bedriftsstørrelse – der var langt flere men mindre landbrug
  • Husdyrhold – mere differentieret med flere dyrearter på samme ejendom 
  • Kun brug husdyrgødning (ingen handelsgødning) 
  • Ingen brug af kemiske plantebeskyttelsesmidler 
  • Lav mekaniseringsgrad (”simple” maskiner) 
  • Lavtydende afgrøder 
  • Rørdræning mindre udbredt. 

Praksis var også på mange områder anderledes omkring år 1900 med f.eks. braklægning af marker (ukrudtsbekæmpelse) og udbringning af gødning om efteråret – begge dele kan have betydet relativt høje kvælstoftab. Derudover har opdyrkning, herunder rørdræning, af ny landbrugsjord i den sidste halvdel af 1800-tallet kunnet medføre et øget N-tab i en årrække derefter som følge af omsætning af kvælstof i jordens organiske pulje. 

Den ekstensive dyrkning var også årsagen til, at landskabet så meget anderledes ud omkring år 1900 med en meget højere andel af græsarealer, ikke-drænede arealer, vådområder og vandløb, som ikke var blevet udrettede. En anden faktor, som er ændret igennem de seneste ca. 100 år, er klimaet, hvor der omkring år 1900 var lavere temperatur, mindre regn og dermed en lavere vandafstrømning i vandløbene. 

Kvælstoffets vej fra marken til kystvandene 

Koncentrationen af kvælstof reduceres væsentligt på sin vej fra marken/rodzonen til kystvandene som følge af en kvælstofreduktion (denitrifikation) i grundvand og overfladevandsområder (inkl. vådområder), som illustreret i figur S.1. 

Kvælstofkoncentration i rodzonen 

Koncentrationen af kvælstof i det vand, der sivede ud fra de dyrkede marker omkring år 1900, er estimeret til typisk at have ligget i området 5-15 mg N/l afhængig af afgrødetype og landbrugspraksis. Koncentrationen har været højere fra områder med en forlænget græsningsperiode, områder med efterårsudbringning af husdyrgødning og braklagte områder og lavere under permanente græsarealer. I nutidige forsøg med økologisk landbrug (og som har sammenlignelige forhold mht. gødningstyper som omkring år 1900) er det estimeret, at koncentrationen af kvælstof i gennemsnit er 12 mg N/l – med lavere koncentration under permanente græsområder og højere under brakområder uden bevoksning. 

For at finde en vægtet gennemsnitskoncentration for hele landet omkring år 1900 er der anvendt en koncentration på 12 mg N/l under dyrkede arealer og 1 mg N/l under ikke-dyrkede arealer. Det er videre antaget, at ca. 75% af det daværende danske areal var anvendt til landbrug i år 1900, og at de resterende 25% var naturarealer dvs. arealer som ikke evt. kun meget ekstensivt har været anvendt til landbrugsformål. Det er i denne sammenhæng antaget, at veje, byer m.m. kun optog en meget lille del af arealet. 

Ved at kombinere disse antagelser kan der estimeres en vægtet kvælstofkoncentration på 9 mg N/l i det vand, der sivede ud fra jorden (rodzonen) omkring år 1900. 

Kvælstoffjernelse – denitrifikation 

Landskabet i år 1900 var meget vigtigt for, hvad der skete med den kvælstof, der forlod rodzonen. Kvælstof kan fjernes (omsættes til luftformigt kvælstof) via den proces som kaldes denitrifikation (også kaldet N-retention) i grundvand. Da det drænede areal omkring år 1900 var betydeligt mindre end i dag, sivede en større del af vandet ned til grundvandet og ikke via dræn direkte ud til vandløbene. Hertil kommer, at et mere tørt og koldt klima omkring år 1900 har forøget denne retention i grundvandet. Det betyder, at den generelle kvælstoffjernelse i grundvand omkring år 1900 var højere end de 62%, som er fundet med de nuværende forhold. Det har dog ikke været muligt at fastsætte fjernelsen omkring år 1900 nærmere, hvorfor de 62% er anvendt i de videre estimater som et absolut minimum. 

Det fremgår af kortmateriale fra omkring år 1900, at vådområderne langs vandløb og søer var betydeligt større omkring år 1900 sammenlignet med i dag. Dette betyder, at den samlede N-fjernelsen i disse vådområder var større, end den er i dag. I 3 forskellige områder i Danmark er der fundet en fjernelse på 37-65% med de vådområder, der var omkring år 1900. Da disse 3 områder repræsenterer forskellige landsdele af det daværende danske område er det antaget, at dette interval er et rimeligt estimat for hele det danske område omkring år 1900. Den samlede kvælstoffjernelse fra rodzone til kystvand (grundvand + overflade) kan derfor estimeres til 76-87% - sammenlignet med en fjernelse i dag på 65-70%. 

Punktkilder og kvælstofafsætning fra luften 

Det er estimeret, at der i gennemsnit blev afsat ca. 4 kg N/ha fra luften (sammenlignet med i dag ca. 12 kg N/ha). Der er antaget, at denne kvælstofafsætning er indregnet i den estimerede rodzoneudvaskning – både på landbrugsarealer og naturarealer. 

En direkte kvælstoftilførsel kunne ske fra punktkilder (byspildevand, industrier), og lokalt har det givet været en væsentlig kilde. Det er dog antaget, at på nationalt plan var bidraget fra punktkilder ubetydeligt omkring år 1900. 

Resulterende kvælstofkoncentration i afstrømningen til kystvande omkring år 1900 

Ud fra de beskrevne tilgange og antagelser m.m. kan det estimeres, at den resulterende kvælstofkoncentration i det vand, der strømmede til kystområderne omkring år 1900 har ligget i intervallet 1-2 mg N/l – som afrundede værdier. Det skal igen understreges, at der her er tale om et nationalt estimat, og at der har været betydelige geografiske forskelle. 

Supplerende estimater af kvælstofkoncentrationen i overfladevand omkring år 1900 

I rapporten er der også opsamlet såvel danske som internationale informationer, data m.m. for estimater af kvælstofkoncentrationen omkring år 1900. Hovedresultaterne er vist i tabel S.1, og alle koncentrationer refererer til overfladevand (vandløb). Det er vigtigt at understrege, at koncentrationerne vist i tabel S.1 ikke alle er umiddelbart sammenlignelige, da de dels repræsenterer forskellige former for kvælstof (total kvælstof, nitrat osv.), dels er målt, modelleret m.m. forskellige steder i kredsløbet (primært med/uden fuld fjernelse i overfladevandsområder). 

De få konkrete målinger omkring år 1900 i vandløb tyder på, at næsten alt nitrat var fjernet (denitrificeret i grundvand og overfladevand og mest udpræget i sandjordsområder) så det totale indhold af kvælstof primært bestod af organisk bundet N (alger m.m.).  

To empirisk baserede modeller samt to estimater baseret på nutidige data indikerer alle en kvælstofkoncentration på max. 2 mg N/l. 

Resultaterne præsenteret i tabel S.1 er generelt lavere end eller i den lave ende af intervallet 1-2 mg N/l – hertil skal det tages i betragtning, at en del af resultaterne ikke indregner en fuld fjernelse i overfladevandet. 

Geografisk fordeling 

Kvælstofkoncentrationen i det vand, der afstrømmede til kystområder omkring år 1900, var formentlig regionalt forskellig afhængig af oplandsfaktorer som landbrugspraksis, jordtype (dvs. grundvandsretention), forskelle i dræningsgrad, forskelle i overfladevandsretention eller forskelle i nedbør. Disse forhold bidrager formentlig til de forskelle i koncentration, der ses i tabel S.1. I Bøgestrand (2014b) var baggrundskoncentrationen geografisk forskellig med generelt lave koncentrationer (< 1 mg N/l) i de vestlige sandede områder af landet og de højeste (1-1,5 mg N/l) i den østlige del af landet. 

Usikkerheder 

Der er foretaget en række ekspertvurderinger, antagelser m.m. for at komme frem til et estimat for kvælstofkoncentrationen i det vand, der omkring år 1900 strømmede af til kysten. De enkelte elementer kan være behæftet med en relativ stor usikkerhed, men det er vigtigt at have for øje, at næsten alle tilgange til at finde en resulterende koncentration peger i den samme retning (ligger indenfor det samme interval). 

Konklusioner 

  • Vandafstrømningen i år 1900 var ca. 25% lavere end i dag. 
  • Temperaturen er steget ca. 1.5 °C siden år 1900 
  • Omkring år 1900 anvendtes ca. 75% af det danske areal til landbrug – ca. 67% i omdrift og ca. 8% som brak. 25% af arealet var naturarealer. 
  • For det dyrkede areal er det estimeret, at gennemsnitskoncentrationen i rodzonen var ca. 12 mg N/l – svarende til koncentrationen man finder ved nutidig økologisk produktion. 
  • Ca. 22% af landbrugsarealet var rør-drænet omkring år 1900 sammenlignet med ca. 50% i dag. 
  • Kvælstofnedfaldet fra luften omkring år 1900 er estimeret til ca. 4 kg N/ha – svarende til ca. 1/3 af det nuværende nedfald. 
  • Punktkilder (byspildevand, industri m.m.) kan have bidraget væsentlig til kvælstoftilførslen til et lokalt kystområde, men anses på landplan ikke at have været en betydende kilde omkring år 1900. 
  • Modelberegninger m.m. har vist at den samlede kvælstoffjernelse (retention) fra rodzone til kysten var større i år 1900 end i dag – i størrelsesordenen 76-87%. 
  • En sammenstilling af de forskellige estimater, antagelser m.m. for kvælstoftab og omsætning har resulteret i en koncentration på 1-2 mg N/l i det vand, der omkring år 1900 løb ud til kystområderne i Danmark. 
  • Ingen af de empiriske modeller, målinger fra omkring år 1900 m.m. har resulteret i kvælstofkoncentrationer, som ligger væsentligt udenfor intervallet 1-2 mg N/l – uden at der for alle estimater er indregnet den fulde retention i overfladevand. 

Dette studie har i forløbet været præsenteret ved to work shops for Miljø- og Fødevareministeriet og interessenter, og et udkast har været til ekstern review hos Markus Vernohr, IGB-Berlin, Tyskland og Lars Bergström, SLU, Sverige. 

Overordnet konklusion 

Den helt overordnede konklusion på denne analyse er, at det bedste estimat for kvælstofkoncentrationen i det vand, der strømmede af til danske kystområder omkring år 1900, er 1-2 mg N/l - som et nationalt gennemsnit med betydelige geografiske forskelle. 

Perspektivering 

I rapporten har vi givet nogle indikationer på vigtigheden af de to væsentligste faktorer for en lavere kvælstofkoncentration omkring år 1900 – klimaet og landskabet – men kun for 3 udvalgte oplande i Danmark. For fuldt ud at forstå hvordan de to faktorer agerede sammen for at gøre landskabet mere robust overfor kvælstoftab omkring år 1900 er det nødvendigt med en mere integreret modelanalyse i udvalgte repræsentative oplande i Danmark. En sådan fuldt integreret regional modelanalyse vil ikke kun give et historisk overblik over effekten af kvælstofforurening af grundvand og overfaldevand ved at bidrage til at fastsætte geografisk differentierede referencemål for økosystemer. Den vil også kunne vejlede ved fremtidig administration af landskabet, ikke mindst i lyset af behov for klimatilpasning.