Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Nr. 740: Oplandsmodellering af vand og kvælstof i umættet zone for oplandet til Odderbæk.

Blicher-Mathiesen, G., Mejlhede, P., Pedersen, L.E., Grant, R. & Olsen, B.Ø. 2010: Oplandsmodellering af vand og kvælstof i umættet zone for oplandet til Odderbæk. Danmarks Miljøundersøgelser, Aarhus Universitet. 90 s.  

Sammenfatning

Under det nationale overvågningsprogram NOVANA er der siden 1990 gennemført detaljeret overvågning i 5 små landbrugsoplande. Overvågningen i oplandene er tilrettelagt således, at det er muligt at opstille en dynamisk model for kvælstofudvaskningen fra rodzonen i oplandet. Formålet med modelopsætningen er at udvikle et redskab til beskrivelse af årsagssammenhænge for vand- og kvælstoftransport i oplandene samt at frembringe et datasæt til gennemførelse af scenarieberegninger for ændret landbrugspraksis, klimaændringer mm. Denne rapport beskriver og dokumenterer opsætning af rodzonemodellen Daisy i oplandet til Odderbæk i Himmerland.

Det topografiske opland til Odderbæk udgør 1.143 ha. Grundvandsoplandet skønnes at være ca. 300 ha mindre end det topografiske opland. Oplandet er landbrugsdomineret, hvor landbrug dækker 86 % af arealet, 5 % er dækket af skov, mindre end 1 % er dækket af anden natur og ca. 8 % veje og bebyggelse. Topjorden består overvejende af grovsand (71 %) og finsand (16 %). Oplandet er husdyrintensivt, hvor der i 2003 var en husdyrtæthed på 1,36 DE/ha.

Datagrundlag for oplandsmodelleringen

Overvågningen består af en årlig interviewundersøgelse vedrørende landbrugsdriften på alle marker i oplandet, herunder information om afgrøder, så-, høst-, pløjetidspunkter, gødningstilførsel og høstudbytter. Endvidere gennemføres der måling på jordvandet i ca. 1 m dybde ved 6 jordvandsstationer på landbrugsjord og på vandløbsvandet ved udløb af oplandet. Herudover foretages pejling af grundvandsstanden ved jordvandsstationerne. Forud for overvågningens start i 1990 blev der gennemført en jordprofilundersøgelse ved hver jordvandsstation samt ved enkelte øvrige punkter i oplandet.

Daisy modellen er en én-dimensionel model, der beskriver udvaskningen i et punkt. Til en modelkørsel skal der konstrueres tre inputfiler – en klimafil, en managerfil (fil med landbrugsdata) og en jordfil. Der er anvendt én klimafil til hele oplandsmodelleringen, denne er baseret på griddata fra DMI. Managerfilerne er udarbejdet for hver enkelt mark i oplandet på baggrund af informationer fra interviewundersøgelsen. Til dette formål er udviklet et program, som omsætter interviewdata fra en database med landbrugsdata for hele perioden 1990-2007 til Daisy-filer med den krævede struktur og syntaks. Jordfilen er dannet på baggrund af data fra en jordprofilundersøgelse.

Modelopsætning på jordvandsstationerne

Første trin i modelopsætningen for Odderbæk-oplandet er at sætte modellen op for jordvandsstationerne.

Der er opstillet en jordfil for hver jordvandsstation, og Daisy er kørt med den tilhørende managerfil. En jordfil indeholder dels en beskrivelse af horisonterne i det øvre jordlag, dels en beskrivelse af de nedre randbetingelser. DAISY-parametrene for jordhorisonterne er bestemt på baggrund af målinger af jordens tekstur og vandholdende evne fra jordprofilundersøgelsen og ved anvendelse af pedo-transfer­funktionerne HYPRES og vanGenuchten. De målte volumenvægte i topjordene var ofte meget høje, hvorfor det har været nødvendigt at foretage tilpasninger. Der er ikke foretaget yderligere kalibrering af de hydrauliske jordparametre.

Jordvandsstationerne er karakteristiske ved at være sandjord med et forholdsvist højt indhold af humus, mellem 2,6 og 7 % i topjorden. For at kunne modellere et realistisk niveau for kvælstofkoncentrationerne i 1.0 meters dybde var det nødvendigt at allokere en del af det organiske stof i en inert pulje. Der er foreslået en metode, der på et overorden niveau fastsætter denne andel, som er relateret til jordens C/N forhold og indhold af humus.

Den modellerede kvælstofbalance ved jordvandsstationerne er analyseret ved sammenligning med målte N koncentrationer i jordvandet samt oplyste udbytter. Med hensyn til afgrødernes høstudbytter er der anvendt samme kalibrering for alle 5 overvågningsoplande, og denne er begrænset til vinterafgrøder og vårbyg. For vinterafgrøderne var det nødvendigt med en tilpasning, idet DAISY ikke kunne håndtere sene såtidspunkter.

Til modellering af ikke landbrugsarealer er der opstillet en Daisy jordsøjle dels for humusjorde og for vedvarende græs. Ved disse opsætninger antages, at jordens organiske puljer er i nogenlunde ligevægt. Dette opnås ved at sætte en del af det organiske materiale i en inert pulje i jordfilen; for skov og humusjord udgjorde denne andel 99 % og for vedvarende græs 40 %.

Oplandsmodelleringen

Næste trin i modelleringen er at gennemføre en beregning for hele oplandet. Hertil er anvendt et sæt af geografisk relaterede kort. Med hensyn til jorden er der taget udgangspunkt i, at hver jordvandsstation repræsenterer en specifik jordtype. På baggrund af jordtypekort fra DJF og jordartskort fra GEUS er jordvandsstationernes jordtype således bredt ud til hele oplandet.

De nedre randbetingelser for en stor del af oplandet er karakteriserede ved højtliggende grundvand (1-6 m under terræn). Denne randbetingelse er modelleret ved ’fiktiv dræning’, dvs. der er indlagt et vandstandsende lag (en aquitard) under rodzonen, og vandet er ledt bort gennem dræn. Grundvandsstandens placering og dynamik er kalibreret på plads i forhold til målinger af grundvandsspejlet ved at justere på ledningsevnen i aquitarden, på drændybden og på drænafstanden.

For landbrugspraksis findes et markkort for hele oplandet for hvert år, i alt 18 års markkort. Disse kort er stemplet sammen, og hver ny polygon repræsenterer en unik markstump med en tilhørende unik managerfil. Det nye markkort er yderligere stemplet sammen med jordkortet med jordvandsstationernes udbredelse. Der er indhentet et grundvandskort fra en tidligere modellering, kortet angiver dybden til grundvandsspejlets beliggenhed. Hver ny polygon repræsenteres herved af en unik managerfil, med en unik jordfil og et unikt grundvandsniveau.

Til slut er der lagt et 50 x 50 m2 grid ned over oplandet. Daisy er kun modelleret for et gridpunkt i hver unik polygon, hvorefter der er gennemført en arealvægtning.

Vurdering af oplandsmodelleringen

Oplandsmodelleringen repræsenterer den samlede vand- og kvælstofbalance for oplandet. Resultatet heraf kan sammenlignes med målinger af vandløbstransporten, som ligeledes repræsenterer den integrerede transport ud af oplandet. Resultaterne viser, at døgndynamikken i vandafstrømningen fra rodzonen svarer til vandafstrømningen fra oplandet. De gennemsnitlige afstrømningsmængder fra rodzonen (348 mm) er 42 mm/år højere end vandløbsafstrømningen for grundvandsoplandet til Odderbæk. Fra modellering af vand og kvælstof i den mættede zone forventes, at 40-130 mm af grundvandet strømmer ud af oplandet til Lerkenfelt Å (Hansen og Rasmussen, 2006). Vandafstrømningen fra Lerkenfelt Å udgør 342 mm/år for samme periode, hvilket er 6 mm mindre end den modelberegnede perkolation fra oplandet til Odderbæk. Der er en vis usikkerhed på, hvor godt gridnedbøren repræsenterer nedbørsgradienter inden for oplandet samt om nedbørskorrektionerne er overestimeret, fx i år uden snenedbør. Taget disse usikkerheder i betragtning, vurderes den beregnede perkolation fra rodzonen at være på et nogenlunde realistisk niveau.

Den modellerede kvælstofbalance for den umættede zone for det topografiske opland til Odderbæk viser, at der i gennemsnit for beregningsperioden er tilført 233 kg N/ha pr. år, 65 kg N/ha med handelsgødning og 143 kg N/ha med husdyrgødning. Den årlige N-deposition udgør gennemsnitlig 16 kg N/ha og N-fixeringen 6 kg N/ha. Der modelleres en N-høst på 128 kg N/ha, en udvaskning på 80 kg N/ha og en denitrifikation på 16 kg N/ha pr år. Endvidere er der modelleret en lille årlig nedgang i de organiske puljer på 3 kg N/ha. Taget mængden af tilført husdyrgødning i betragtning, ville man nok forvente en lidt større stigning i de organiske puljer og evt. og en lidt større denitrifikation på grund af det høje grundvandsstand. For oplandet modelleres en signifikant nedgang i N-udvaskningen fra rodzonen på 5 kg N/ha/år (p=0.002).

År-til-år-dynamikken i kvælstofudvaskningen fra rodzonen svarer godt til den årlige dynamik i vandløbets N-transport, dog ikke niveauet for de tørre år. Den målte N-transport til vandløbet udgør ca. 19 % af rodzoneudvaskningen, hvilket skyldes, at der sker en omsætning af kvælstoffet i grundvandet, inden det når ud til vandløbet.

De modellerede høstudbytter for landbrugsarealet svarer til de oplyste udbytter, henholdsvis 144 og 146 kg N/ha.

Den modellerede kvælstofbalancen for rodzonen i Odderbæk er overordnet på et realistisk niveau, men der er behov for en nærmere analyse af omsætning af de organiske puljer, denitrifikation samt af opskaleringen af jordopsætninger.                                                        

Hele rapporten i PDF-format (6,54 MB)