Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Nr. 756: Oplandsmodellering af vand og kvælstof i umættet zone for oplandet til Lillebæk Bæk.

Pedersen, L.E., Blicher-Mathiesen, G., Mejlhede, P. & Grant, R., 2010: Oplandsmodellering af vand og kvælstof i umættet zone for oplandet til Lillebæk Bæk. Danmarks Miljøundersøgelser, Aarhus Universitet 72 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 Lillebæk-oplandet på det sydøstlige Fyn.

Det topografiske opland til Lillebæk udgør 465 ha. Heraf er 88 % landbrug, 2 % skov, 5 % anden natur og 5 % veje og bebyggelse. Grundvandsoplandet skønnes at være ca. 29 ha mindre end det topografiske opland. Til fastlæggelse af grundvandoplandets størrelse kræves en egentlig grundvandsmodellering. Topjorden består overvejende af sandblandet ler (86 %) og lerblandet sand (4 %). Oplandet er husdyrintensivt, hvor der i 2003 var en husdyrtæthed på 0,99 DE/ha.

Datagrundlag for oplandsmodelleringen

Overvågningen består af en årlig interviewundersøgelse vedrørende landbrugsdriften på alle marker i oplandet, herunder information om afgrøderne, så-, høst-, pløjetidspunkter, gødningstilførsel og høstudbytter. Endvidere gennemføres der måling på jordvandet i ca. 1 meters dybde ved 6 jordvandsstationer (alle på landbrugsjord) og på vandløbsvandet ved udløb af oplandet. Herudover foretages pejling af grundvandsstanden ved jordvandstationerne. 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 interview-undersøgelsen. Til dette formål er udviklet et program, som omsætter interviewdata fra databasen for hele perioden 1990-2007 til Daisy-filer med den krævede struktur og syntaks. Jordfilen er dannet på baggrund af data fra jordprofilundersøgelsen.

Modelopsætning på jordvandsstationerne

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

Der er opstillet en jordfil for hver jordvandsstation, og Daisy er kørt med tilhørende managerfil. En jordfil indeholder en beskrivelse af de nedre randbetingelser. DAISY parametrene for jordhorisonterne er bestemt på baggrund af målinger af jordens struktur og vandholdende evne fra jordprofilundersøgelsen og ved anvendelse af pedo-transfer-funktionerne 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 kalibreringer af jordparametrene.

Jordstationerne er karakteriserede ved at topjorden består af lerjord med et forholdsvist lavt indhold af humus på mellem 1,7 og 2,9 %.

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. Denne kalibrering af vinterafgrøderne var nødvendigt, idet Daisy ikke kunne håndtere sene såtidspunkter. Der er ikke foretaget nogen kalibrering af de organiske puljer i jorden i oplandet til Lillebæk.

Til modellering af ikke-landbrugsarealer er der opstiller en Daisysøjle for humusjorde, skov og for vedvarende græs. Ved disse opsætninger antages at jordens organiske puljer er i nogenlunde ligevægt. For at opnå dette var det nødvendigt 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 skridt i modelleringen er at gennemføre en beregning for hele oplandet. Hertil er anvendt et sæt af geografiske kort. Med hensyn til jorden er der taget udgangspunkt i at hver jordvandsstation repræsenterer en specifik jordtype. På baggrund af jordtypekort fra DJF, jordartskort fra GEUS og topografiske højdekurver er jordvandsstationerne udbredt ud til hele oplandet.

De nedre randbetingelser er karakteriserede ved højtliggende grundvand (1-6m under terræn) og modelleret med drænopsætning i Daisy. Grundvandsstandens placering og dynamik er på jordvandsstationerne kalibreret på plads i forhold til målinger af grundvandssspejlet ved at justere på drændybden, drænafstanden og på ledningsevnen i aquitarden, som er betegnelsen for det vandstandsende lag under drændybden,.

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 repræsenteres herved af en unik markstump med en tilhørende unik managerfil. Det nye markkort er yderligere stemplet sammen med jordkortet med jordvandsstationernes udbredelse. Hver ny polygon repræsenteres herved af en unik managerfil med en unik jordfil og unikke drænforhold. Til slut er der lagt et 50x50 m grid ned over oplandet.

Vurdering af oplandsmodelleringen

Oplandsmodelleringen repræsenterer den samlede vand- og kvælstofbalance for oplandet. Resultatet heraf kan sammenlignes med målinger af vandtransporten, som ligeledes repræsenter den integrerede transport ud af oplandet. Resultaterne viser at år til år dynamikken i den modellerede perkolation fra rodzone nogenlunde pænt svarer årdynamikken i den målte vandafstrømningen fra oplandet. Den gennemsnitlige årlige modellerede perkolation fra rodzonen udgør 273 mm og er 39 mm højere end den gennemsnitlige årlige vandafstrømning målt for det topografiske opland.

Den modellerede kvælstofbalance for den umættede zone for det topografiske opland til Lillebæk viser, at der årligt i gennemsnit for beregningsperioden er tilført 196 kg N/ha pr år, handelsgødningstilførslen udgjorde 94 kg N/ha pr år og 80 kg N/ha pr år blev tilført med husdyrgødning. Den gennemsnitlige årlige N-fixeringen udgjorde 36 kg N og den gennemsnitlige årlige denitrifikation udgjorde 23 kg N/ha for oplandet. Der blev modelleret en høst på 109 kg N/ha pr år og en udvaskning på 59 kg N/ha år. Endvidere er der modelleret en årlig nedgang i de organiske puljer på 5 kg N/ha pr år.

År til år dynamikken i kvælstofbalancen fra rodzonen svarer godt til dynamikken i N transporten i vandløbet, dog er der meget stor forskel imellem modelleret N-udvaskning fra rodzonen og målt N-tranport i vandløbet for 1992/93 og 1993/94 som begge er år hvor høstudbyttet blev underestimeret i modelleringen. Også for årene 1996/97-1998/99 er der stor forskel imellem den modellerede N-udvaskning fra rodzonen og den målte transport i vandløbet, hvor der også for 1995/96 er modelleret et gennemsnitlig lavere udbytte for dette år end oplyst af landmændene i oplandet. Den målte N transport til vandløbet udgør ca. 46 % af rodzoneudvaskningen, hvilket skyldes at der sker en omsætning af kvælstoffet i grundvandet inden det når fra til vandløbet.

De modellerede høstudbytter for landbrugsarealet er i gennemsnit lidt højere end de oplyste udbytter, henholdsvis 122 og 117 kg N/ha. Når modellering i umættet zone er gennemført for alle 5 overvågningsoplande vil der bliver foretaget en analyse af afgrødekalibreringen på tværs af oplandene.

Hvor godt kvælstofbalancen for rodzonen i Lillebæk er modelleret, kan først vurderes når rodzonemodelleringen kobles med en grundvandsmodellering. Endvidere er der behov for en nærmere analyse af den modellerede denitrifikation og omsætning af de organiske puljer.

Hele rapporten i PDF-format (3,28 MB)