Jung-Madsen, S. and Bach H. (red.) 2022. Transport of nitrogen and phosphorus from land to sea around year 1900. Aarhus University, DCE – Danish Centre for Environment and Energy, 192 pp. Scientific Report No. 498 http://dce2.au.dk/pub/SR498.pdf

Sammenfatning

Baggrund

Denne rapport har til formål at beskrive næringsstofbelastningen fra land til kyst omkring år 1900 under hensyntagen til de forskellige faktorer, der påvirker næringsstoftilførslen og transporten. Næringsstoftilførslen og transporten er beregnet ud fra tilgængelige data fra omkring år 1900, litteratur, komparative analysemetoder og modelleringsværktøjer. De vigtigste faktorer, der undersøges, er klima, hydrologi, arealanvendelse, landbrugspraksis og dræning, byudvikling og landskabsforhold (fx retention af næringsstoffer i grundvand, vådområder, søer og vandløb). Det var hensigten at bruge så mange data og oplysninger fra perioden som muligt, kvaliteten og repræsentativiteten taget i betragtning, og at anvende modellerings- og GIS-værktøjer til at give et geografisk fordelt skøn over total kvælstofkoncentration (TN) og total fosforkoncentration (TP) i det vand, der transporteres til havet, samt et skøn over næringstoftransporten fra rodzonen til kyst. For at kunne gøre dette blev datasæt om klima og hydrologi analyseret og udvidet som en del af projektet, og afstrømningen blev modelleret ved hjælp af den nationale vandressourcemodel (DK-modellen). 

Landbrugspraksis og arealanvendelse i forskellige dele af landet blev analyseret i detaljer, og rodzonekoncentrationen af kvælstof blev fastsat for forskellige kategorier af arealanvendelse. Analyserne blev foretaget på baggrund af gamle landbrugsstatistikker fra Danmark samt for Nordtyskland, idet Nordtyskland omkring år 1900 omfattede arealer, der nu er danske. Desuden indgår for kvælstof målte rodzonekoncentrationer, der stammer fra landbrugsforsøg, hvor landbrugspraksis minder om den, der var gældende omkring år 1900. Tilførslen af fosfor fra landskabet til overfladevandet, herunder landbrugsaktiviteter, blev anslået for de vigtigste kilder: jordafvanding, landindvinding, græssende dyr, jorderosion og opbevaring af gødning.

Desuden indgik en detaljeret analyse af bidraget af næringsstoffer fra byer (punktkilder). Denne analyse estimerede kvælstof samt fosfortilførsel fra byerne.

Den nationale kvælstofmodel (NMN) blev anvendt til at modellere koncentrationen og transporten af kvælstof til havet. Modellen kræver geografisk distribueret input af klimavariabler, såsom temperatur og vandafstrømning, tilførsel af kvælstof fra rodzonen og punktkilder, data om grundvandets dybde og mængden samt placeringen af vådområder, søer og vandløb, for at vurdere den kvælstofretention, der forekommer i overfladevandsystemet.

Fosforanalysen anvendte ”baggrunds-” eller ”naturlig” -fosforkoncentration i vandløbsvandet, hvortil de relevante landbrugs- og punktkilder blev tilføjet, og tilbageholdelse i søer blev trukket fra. Transport af fosfor i oplandet blev simuleret ved brug af den samme vandafstrømning som for kvælstofmodelleringen, men modellen som sådan er meget enklere end kvælstofmodellen grundet den måde, hvorpå fosfor agerer i miljøet.

Analysen viste blandt andet, at vejrforholdene i år 1900 var koldere og tørrere end i dag, mere jord blev anvendt til landbrug, men mindre blev drænet, og især på grund af en større andel af vådområder var retentionen af næringsstoffer i landskabet højere. Konklusionerne fra kapitlerne om klima, hydrologi, næringsstoftilførsel og næringstoftransport til havet gengivet nedenfor stammer fra syntesen, kapitel 11.

Klima

Klimaet var koldere og tørrere omkring år 1900, end det er i dag. Den anslåede gennemsnitlige årlige nedbør omkring år 1900 var ca. 60 mm, eller 7 % lavere end i dag. Digitaliserede klimadata fra omkring år 1900, herunder temperatur, vind og nedbør, blev brugt til at beregne daglige værdier af bias-korrigeret nedbør. Korrektionsberegningerne blev evalueret ved at sammenligne simuleret og målt afstrømning for perioden 1917-1950. På landsplan indikerede en vandbalancefejl på 3 % rimelige estimater, men de regionale variationer i denne fejl viste sig at være for store.  For at opnå rumlige estimater af korrigeret nedbør for 1890-1910 blev der i stedet defineret månedlige delta change klimafaktorer, som blev beregnet ved at sammenholde korrektionsfaktorer for 1890-1910 og referenceperioden 1989-2010. Det blev antaget, at disse faktorer er regionalt repræsentative. De nationale klimafaktorer blev herefter anvendt til at korrigere daglig nedbør for referenceperioden, idet det blev antaget, at den rent klimatiske regionale nedbørfordeling for denne periode er den samme som for nedbør omkring år 1900. For at kunne modellere nitratudvaskning skal den globale ind- og udstråling og potentielle evapotranspiration beregnes. Ved at anvende de målte minimums- og maksimumstemperaturer for 1890-1950 kan den globale ind- og udstråling og potentielle evapotranspiration beregnes og anvendes i simuleringen af nitratudvaskning i denne periode. Den modellerede globale ind- og udstråling og potentielle evapotranspiration omkring år 1900 stemmer godt overens med værdier målt på Foulum fra 1987-2013.

Hydrologi

Den samlede vandafstrømning beregnet med en hydrologisk model (DK-modellen) baseret på disse nedbørsestimater og ændringer i dræntætheden var i gennemsnit på 292 mm/år for perioden 1890-1910 sammenlignet med 333 mm/år for den nuværende periode (1990-2010) (kapitel 3). Efterfølgende er vandafstrømningen genberegnet ved brug af en “delta change”-tilgang, hvorved den samlede vandafstrømning opgøres til 335 mm/år for den nuværende periode og 297 mm/år for tiden omkring år 1900 (kapitel 8). Det betyder, at den årlige vandafstrømning i gennemsnit var ca. 11 % lavere omkring år 1900, end den er i nutiden. Ændringen i vandafstrømningen mellem de to perioder afspejler i vid udstrækning ændringerne i nedbøren, men forstærkes i nogle områder af den lavere dræningstæthed i den historiske periode. Den beregnede ændring i vandafstrømning i forhold til tiden omkring år 1900 var mellem 0-20 % for det meste af landet, hvilket er i overensstemmelse med analysen af lange tidsserier for vandafstrømning, der blev præsenteret i Jensen (ed.) (2017). For den vestlige del af Sjælland indikerer observerede data imidlertid en øget vandafstrømning mellem de to perioder på ca. 30 %, mens modelsimuleringen resulterede i et fald i vandafstrømningen på ca. 5 %. Den anvendte metode indebærer, at den samlede vandafstrømning forventes at afspejle forholdene omkring år 1900, hvorimod metoden ikke kan forventes at reproducere de lokale forhold på det pågældende tidspunkt. 

Næringsstoftilførsel

De næringsstoffer, der nåede havet fra land, stammede hovedsagelig fra landbrugsaktiviteter og bebyggelser over hele landet omkring år 1900. Derudover bidrog afstrømning fra erosion langs vandløbene til næringsindholdet i ferskvand, især fosforindholdet. 

Landbrug

Landbrugsarealet steg dramatisk i sidste halvdel af 1800-tallet og tegnede sig for omkring tre fjerdedele af det område, der var under dansk administration omkring år 1900. Afgrødeproduktionen afveg betydeligt fra det nuværende landbrug for stort set alle vækstfaktorer: ringere afgrødesorter, højere ukrudtstryk, manglende kemisk plantebeskyttelse og ringere næringsstofforsyning til planter, herunder fravær af mineralsk gødning. De vigtigste kilder til næringsstoffer var fast husdyrgødning, gylle og kvælstoffiksering ved bælgfrugter. Antallet og kategorierne af husdyr samt landbrugsstruktur og forvaltningspraksis omkring år 1900 afveg også fra praksis i dag.

Sognestatistikker fra omkring år 1900 for arealet under nuværende dansk administration blev samlet i otte kategorier (vinter- og forårsafgrøder, græs, rodafgrøder, brak, natur og skov). Hver kategori fik tilknyttet en rodzonekoncentration af kvælstof. For landbrugskategorierne blev kvælstofkoncentrationen i rodzonen fastsat med baggrund i data fra undersøgelser af økologisk landbrug, idet disse forudsættes at kunne anvendes som proxy for rodzonekoncentrationen omkring år 1900. For de resterende kategorier blev rodzonekoncentrationen fastsat ud fra litteraturdata. Disse værdier blev anvendt i kvælstofmodelleringen. Beregningen af den arealvægtede gennemsnitlige kvælstofkoncentration for arealer anvendt til landbrug (78 % af landarealet) resulterede i en værdi på 12 mg N/l, mens værdien for hele landarealet var 9,6 mg N/l i rodzoneudvaskning (uorganisk kvælstof). 

Vurderingen af fosfortilførslen fra landbrugskilder tog hensyn til faktorer som dræning, landindvinding, græssende dyr, jorderosion og opbevaring af gødning. Der var en del usikkerhed tilknyttet disse faktorer, da de var vanskelige at fastslå, hvilket førte til et anslået interval for fosfortilførslen fra 70-200 ton P årligt omkring år 1900.

Punktkilder

Kloaksystemerne blev i stigende grad anlagt i byerne, men stadig uden spildevandsrensning omkring år 1900. Byerne var derfor vigtige punktkilder omkring år 1900, med 4.261 ton N/år og 764 ton P/år udledt med ekskrementer fra mennesker og dyr samt med industrielt spildevand. Resultaterne viser, at størstedelen af næringsstofferne fra punktkilder udledtes direkte til det modtagende vand (55 %), men tilførslerne fra lossepladser (20 %) og landbrugsjord (25 %) var også betydelige. Det samlede bidrag fra indirekte og direkte punktkilder til vand blev anslået til 471 ton P, ca. 65–70 % af den nutidige værdi (704 ton P, gennemsnit 2014-2018) og 2531 ton N, ca. 47% af nutidens TN-punktkilder (5.400 ton N, 2020).

Andre kilder, herunder baggrundsnæringsstofkoncentration

Kvælstoftilførsel fra atmosfæren blev estimeret ved at multiplicere EMEP-simuleringer for år 2000 med 0,3 (Jensen (ed.), 2017). Organisk kvælstof fra landskabskilder og overfladevandskilder blev medtaget for at kunne beregne de samlede kvælstofkoncentrationer. Skøn baseret på litteraturundersøgelser antager, at den organiske kvælstofkoncentration omkring år 1900 lå ca. 20 % under det nuværende niveau. Desuden antages det, at den nuværende geografiske fordeling af organisk kvælstof er gyldig for tiden omkring år 1900.

En gennemgang af litteraturen og målinger fra stort set uforstyrrede vandløb bruges til at estimere baggrundskoncentrationen af TP i det vand, der strømmer til havet. En arealvægtet medianværdi på 0,052 mg/l TP blev anslået.

Næringsstoftransport til havet

Kvælstof siver gennem jorden og når grundvandet, hvor der under iltfrie forhold kan ske reduktion i kvælstofindholdet (retention), før det resterende kvælstof ender i overfladevand (vådområder, søer, vandløb). Den nationale kvælstofmodel simulerer transport og retention i grundvandet baseret på vandafstrømning og kvælstofudvaskning. Overfladevandskomponenten beregner kvælstofretentionen i vådområder, vandløb og søer, samtidig med at der tages højde for punktkildetilførsler, atmosfæriske tilførsler og bidraget fra organisk kvælstof. Landskabsændringer fra år 1900 og nu blev håndteret ved at ændre de nuværende landskabskort baseret på forskellige informationskilder om det tidligere landskab relateret til floder og søer. For vådområder blev der anvendt et andet kort.

Fosforanalysen anvendte ”baggrunds”- eller ”naturlig” -koncentration af fosfor i vandløbsvandet, hvortil de relevante landbrugs- og punktkilder blev tilføjet og retention i søer trukket fra. Transport af fosfor gennem oplandet blev simuleret ved brug af den samme vandafstrømning som i kvælstofmodelleringen. 

Den absolutte mængde af kvælstof, der fjernes ved retention, viste sig at være højere i den nuværende periode (28.000 ton N) end i 1900-talsperioden (26.000 ton N), hvilket skyldes den større kvælstofbelastning i dag. Den relative kvælstofretention var imidlertid højere omkring år 1900, idet 43 % af belastningen blev fjernet sammenlignet med 33 % i den nuværende periode. 

Den totale kvælstoftilførsel (TN) er modelleret til at være ca. 36.000 ton N/år omkring år 1900, hvilket er ca. 40 % mindre end i den nuværende periode. Kvælstofkoncentrationen er modelleret til at være omkring 2,8 mg N/l omkring år 1900 sammenlignet med 4,1 mg N/l i den nuværende periode. Den nationale kvælstofmodel giver regionale resultater, som anvendes til at estimere regionale kvælstoftilførsler samt kvælstofkoncentrationer i det vand, der strømmer til havet, omkring år 1900. 

Den gennemsnitlige fosforkoncentration i vand fra vandløb omkring år 1900 blev anslået til at være 0,062–0,075 mg P/l, svarende til 60–70 % af den nuværende TP-koncentration (0,1 mg P/l). TP-værdierne er fastsat for ni geografiske regioner i hele landet. Den samlede TP-belastning til havet, herunder baggrundsbelastning, andre diffuse kilder, indirekte og direkte punktkilder og fratrukket fosforretention i søer, blev anslået til 1.200-1.340 ton P, 60–65 % af (eller 35-40 % mindre end) nutidens fosforbelastning (2,021 ton).

Usikkerhed

Arbejdet med en periode for 120 år siden gør naturligvis de fleste aspekter af opgørelsen af den nationale kvælstof- og fosforbelastning mere usikre, end når man opgør den for den nuværende periode. En grundig analyse af usikkerheder på datalag, variable, model- og modelantagelser var ikke en del af nærværende undersøgelse; dog er der foretaget nogle overvejelser om usikkerhed og følsomhed (effekten af en given parameter på resultatet).

De fleste af de parametre, der bruges til at estimere kvælstofbelastninger omkring år 1900, anses for at have en ”middel” usikkerhed (på en tretrinsskala fra lav til høj). Usikkerheden på kvælstofbelastningerne er påvirket af en række faktorer, hvor de vigtigste er usikkerheden omkring estimeret nedbør, afstrømning, rodzonekoncentrationen af kvælstof og retention af kvælstof i overflade- og grundvand.

Overordnet anses det modelkoncept, der er brugt til at beregne kvælstofbelastningen i år 1900, som relativt robust og den overordnede usikkerhed på nationalt plan som acceptabel. Usikkerheden stiger dog med en faldende geografisk og tidslig skala.

De fleste af de parametre, der bruges til at estimere fosforbelastninger, betragtes som ”middel” til ”meget”" usikre. Usikkerheden på fosforbelastninger er især påvirket af usikkerheden på estimaterne for nedbør, afstrømning, P-tilførsel fra punktkilder og baggrundskoncentrationen af TP. På trods af de mange usikkerheder menes resultaterne af denne undersøgelse at være det bedst mulige estimat for fosforbelastningen i år 1900. Yderligere er resultatet af denne undersøgelse understøttet af historiske målinger i søer, der også finder historiske TP-koncentrationer, der er lavere end i dag, men betydeligt højere end baggrundskoncentrationen.

Perspektivering

Mange af de europæiske undersøgelser, der sammenlignes med nærværende undersøgelse, rapporterer om kvælstofkoncentrationer omkring år 1900, der er betydeligt lavere end i nærværende undersøgelse. Årsagerne hertil er formentlig forskelle i landskabet, arealanvendelsen, landbrugspraksis og afstrømning mellem de undersøgte områder og Danmark. Det afspejler formentlig også, i hvilken grad landbrugspraksis og næringsstofdynamik indgår i undersøgelsen. I nærværende undersøgelse beregnes rodzoneudvaskning for år 1900, og kvælstoffiksering, hovedkilden til kvælstof i dansk landbrug i år 1900, tages i betragtning, hvilket ikke er tilfældet i de fleste andre undersøgelser.