RISIKOVURDERING AF FOSFORTAB FRA LAVBUNDSJORDE

Transkript

1 RISIKOVURDERING AF FOSFORTAB FRA LAVBUNDSJORDE Seniorforsker, ph.d. Charlotte Kjærgaard Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet Institut for Jordbrugsproduktion og Miljø, Aarhus Universitet ATV MØDE PRINCIPPER FOR MILJØGODKENDELSER AF HUSDYRBRUG RADISSON SAS, H.C. ANDERSEN HOTEL 23. maj 2007

2

3 RESUMÉ Lavbundsjorde udgør kritiske grænseflader mellem højbundsjorde og vandrecipienterne. Nye undersøgelser viser at fosforindholdet er stærkt varierende imellem lavbundstyper. Bindingskapaciteten er primært relateret til indholdet af krystallinsk jern (Fe CBD ), og denne parameter varierer signifikant med geologiske variable som geo-region, jordart og okkerklasse. Fosfortabsrisikoen skal vurderes i forhold til fosformætningsgrad og fosfor bundet til den reduktive jernfraktion. En empirisk relation mellem P-frigivelseshastigheden og Fe BD :P BD -molforholdet giver mulighed for at estimere fosforfrigivelsen, og differentiere mellem lavbundsjordes tabsrisiko. BAGGRUND Hovedparten af fosfortabet fra landbrugsjord er knyttet til en mindre del af landbrugsarealet risikoarealer der er karakteriseret ved en høj risiko for fosforfrigivelse kombineret med en effektiv transportvej til en nærliggende vandrecipient. Igangværende kortlægning af risikoarealer har øget fokus på dyrkede lavbundsjorde. Lavbundsjorde udgør grænsefladen mellem højbundsjorde og det nærliggende vandmiljø i form af vandløb, søer og fjorde. Dyrkede lavbundsjorde er typisk afvandede enten via rørdræn, grøfter eller afvandingskanaler, hvilket muliggør uhindret transport af næringsstoffer, herunder fosfor, til den nærliggende recipient. Risikoen for fosfortab fra lavbundsjorde er således bestemt af jordens fosforbindingsegenskaber, samt de faktorer der kontrollerer fosforfrigivelsen. Vidensgrundlaget omkring fosforstatus, fosforbinding og risiko for fosfortab fra danske lavbundsjorde er meget begrænset. I forbindelse med VMPIII-projektet Udpegning af risikoområder for fosfortab til overfladevand blev der således igangsat en mere systematisk analyse af dyrkede danske lavbundstypers fosforstatus, bindingsegenskaber samt vurdering af tabsrisiko (Kjærgaard, 2007). UDVÆLGELSE AF LAVBUNDSTYPER Det samlede kortlagte danske lavbundsareal er opgjort til ca ha, hvoraf ca ha udnyttes til landbrug. Indledningsvist blev der foretaget en typeinddeling af lavbundjorde efter geo-region, jordklasse, kvartærgeologi og okkerklasse. Udredningen blev baseret på eksisterende jordbunds- og geologiske kort (Olesen, 2007). Det efterfølgende arbejde blev begrænset til organogene jordarter (ferskvandstørv og ferskvandsgytje) der samlet udgør ha af det dyrkede lavbundsareal (Tabel 1). Der blev udvalgt 35 lokaliteter fra okkerklasse I og okkerklasse IV områder til analyse af fosforstatus, bindingsforhold og vurdering af tabsrisiko. Prøverne på de forskellige lokaliteter er udtaget lokalt omkring UTM-koordinater registreret i okkerdatabasen. Der blev ved hver lokalitet udtaget prøver i 3-4 dybder.

4 Tabel 1. Arealmæssig fordeling af organogene lavbundsarealer (Olesen, 2007). Okkerklasser I II III IV Total Geo-region ha ha Thy Nord Vest Midt Øst Jylland Øst Øerne ND ND ND ND Total ND: Der er ikke foretaget okkerklassificering FOSFORINDHOLD OG BINDINGSKAPACITET I ORGANOGENE LAVBUNDSJORDE Fosforindholdet i organogene lavbundsjorde varierer med TP indhold i pløjelaget fra 400 til mg kg -1 og i underjorden (til 1 m) fra 100 til 3000 mg kg -1 (Kjærgaard, 2007). Indholdet af TP i pløjelaget ligger normalt fra 300 til 900 mg kg -1 afhængigt af jordtype (jf. Kvadratnetundersøgelsen). Det kan således konstateres at organogene lavbundsjorde er stærkt berigede med TP. Der er tilsvarende rapporteret om høje TP indhold i pløjelaget i tyske og israelske organogene lavbundsjorde (Schlichting et al., 2002; Litaor et al., 2004). Variationen i fosforindhold kan udtrykke dyrkningsbetingede forskelle, men også variationer i de forskellige lavbundstypers evne til at binde og akkumulere fosfor. Dette er illustreret ved sammenhængen mellem indhold af TP og indholdet af sesquioxider (Figur 1) Fe CBD Fe CBD +Al ox R 2 =0.86*** Sesquioxide indhold (g kg -1 ) Fe ox +Al ox Total P (mg kg -1 ) Figur 1. Indhold af total P relateret til indhold af sesquioxider (Fe CBD, Fe ox, Al ox ). CBD henviser til citratbicarbonat-dithionite ekstraherbart Fe, OX henviser til oxalat ekstraherbart Fe og Al. (Kjærgaard, 2007). Det fremgår af figur 1 at indholdet af TP er positivt korreleret med indholdet af krystallinske jernoxider (Fe CBD ), mens indholdet af amorfe oxider (Fe ox, Al ox ) i de fleste lavbundstyper ikke

5 synes at have kvantitativ betydning for organogene lavbundsjordes bindingskapacitet (Kjærgaard, 2007). Undtagelsen er dog lavbundslokaliteter fra geo-region Nord, hvor oxidfraktionen er domineret af dårligt krystallinske oxider. Resultaterne indikerer at fosforbindingskapaciteten i danske organogene lavbundsjorde primært er relateret til indholdet af krystallinske jernoxider (Fe CBD ). Dette er i modsætning til højbundsjorde, hvor bindingskapaciteten ofte angives i forhold til dårligt krystallinske oxider (Fe ox og Al ox ). Statistiske analyser af det foreliggende datamateriale har påvist signifikante effekter af georegion, jordart og okkerklasse på indholdet af Fe CBD, og dermed dokumenteret at danske organogene lavbundsjorde besidder betydelige variationer i fosforbindingskapacitet (Figur 2). Analyserne viser et signifikant højere indhold af jern i undersøgte jorde fra geo-region Vest og Midt, mens der i undersøgte jorde specielt i geo-region Nord og til dels Østjylland er et lavere indhold af jern (Figur 2a). Okkerklasse-I arealer har et signifikant højere indhold af jern end okkerklasse-iv arealer (Figur 2c). Arealer med ferskvandtørv (Ft) har signifikant lavere indhold af jern end ferskvandtørv medtaget under ferskvandsaflejringer (Fs) og Ferskvandsgytje (Fp) (Figur 2b) (a) Georegion a (b) Jordart (c) Okkerklasse Fe CBD -indhold (g kg -1 ) c bc b ab b a a b a 0 N Ø S M V Ft Fs Fp IV I Figur 2. Estimerede gennemsnitsindhold af Fe CBD for (a) geo-regioner: N (nord), Ø (øst), S (syd), M (midt) og V (vest). (b) Jordarter: Ft (ferskvandstørv), Fs (tørv medtaget under ferskvandssand), og Fp (ferskvandsgytje). (c) Okkerklasser: I (okkerklasse I) og IV (okkerklasse IV). Estimerede gennemsnit repræsenterer estimeret gennemsnit for hele jordprofilen (0-100 cm). Bogstaver angiver signifikans ved P<0.05. (Kjærgaard, 2007). VURDERING AF FOSFORTABSRISIKO For dyrkede lavbundsjorde der modtager gødning er tabsrisikoen i første omgang relateret til jordens bindingskapacitet. Jorde med meget lav bindingskapacitet har således en markant højere risiko for tab af gødningsfosfor. For jorde med en vis bindingskapacitet er primært to forhold afgørende for om der fra sådanne arealer vil være et højt eller lavt tabspotentiale, henholdsvis jordens mætningsgrad med fosfor samt andelen af fosfor bundet til reduktivt opløseligt jern.

6 Fosformætningsgrad og vandopløseligt-p Arealer med selv høj bindingskapacitet kan med tiden nå en mætningsgrad, der bevirker at ligevægtskoncentration af fosfor i jordvæsken øges dermed øges også tabsrisikoen. Der kan således indenfor lavbundstyper med høj bindingskapacitet være jorde med såvel lav og høj fosformætningsgrad, og derfor tilsvarende store forskelle i tabsrisiko. Dette er illustreret ved at 56% af variationen i jordenes indhold af vandekstraherbart-p kan forklares ved forskelle i jordenes fosformætningsgrad (P mæt ), når denne er udtrykt ved indholdet af Fe CBD (Figur 3). 50 P mæt =P CBD /(Fe CBD +Al ox ) R 2 =0.561*** Vandekstraherbart-P (mg kg -1 ) P-mætningsgrad (%) Figur 3. Sammenhæng mellem vandekstraherbart-p og fosformætningsgrad udtrykt ved P mæt. (Kjærgaard, 2007). På højbundsjorde anvendes fosfortallet (Pt), der udtrykker plantetilgængeligt-p, ofte som estimat for tabsrisikoen. Analyser af fosfortal på organogene lavbundsjorde viser at disse generelt ligger meget lavt (Pt<4) og ofte ned til Pt<1, på trods af meget høje indhold af jernbundet fosfor. Forklaringen herpå er at fosfortalsmetoden (Olsen P) ikke ekstraherer den jernbundne fosforfraktion. Fosfortallet kan og bør derfor ikke anvendes til differentiering af lavbundsjorde med hensyn til fosfortabsrisiko. Fosforfrigivelse ved reduktiv jernopløsning Et forhold der er væsentligt i vurdering af lavbundsjordes tabsrisiko er relateret til arealernes årstidsvariation i vandmætningsgraden og dermed redox(ilt)forholdene i jorden. Lavbundsjorde er udstrømningsområder for grundvand og mange lavbundsjorde har derfor periodisk eller permanent meget højt grundvandsspejl. Ved vandmætning af jorden vil iltfrie (anaerobe) forhold medvirke til en mikrobiel reduktion af jern, hvorved dele af jernet opløses og fosfor frigives. Risikoen for reduktiv opløsning af jern, betyder at de jorde der under aerobe forhold var i besiddelse af en høj bindingskapacitet og dermed lav udvaskningsrisiko, under anaerobe forhold kan få reduceret bindingskapaciteten med en markant øget udvaskningsrisiko. Mængden af fosfor der frigives ved mikrobiel reduktion af jern under anaerobe forhold afhænger af flere forhold. Undersøgelsen viser at indholdet af potentielt reducerbart jern (Fe-oxider der

7 ekstraheres med bicarbonat-dithionit, Fe BD ) i organogene lavbundsjorde er stærkt varierende. Imidlertid er reduktionen af jern en tidsafhængig proces. Resultater af Kjærgaard (2007) viser at jordens Fe BD :P BD -molforhold er den parameter der bedst korrelerer med fosforfrigivelseshastigheden under anaerobe forhold (Figur 4). P frigivelseshastighed (μmol kg -1 dag -1 ) P R frigivelsesrate 2 = 0,609 Fe = a P ** BD BD b Fe BD :P BD -molforhold Figur 4. Fosforfrigivelseshastighed som funktion af jordens Fe BD -P BD -molforhold. (Kjærgaard, 2007). Resultaterne viser af fosforfrivelseshastigheden under vandmættede, anaerobe forhold aftager med stigende Fe BD :P BD -molforhold. Dette indikerer at der i de jorde, hvor Fe BD :P BD -forholdet er højt (> 20-25) er potentiale for readsorption af fosfor til ikke-reduceret jern. Den empiriske relation mellem P-frigivelseshastigheden og Fe BD :P BD -molforholdet giver mulighed for at estimere fosforfrigivelsen fra forskellige lokaliteter under perioder med vandmætning. Tilsvarende kan Fe BD :P BD -molforholdet direkte bruges som et let-måleligt parameter til at differentiere lavbundsjorde i forhold til risiko for fosfortab. KONKLUSION OG PERSPEKTIVERING Undersøgelsen dokumenterer at der er et væsentligt grundlag for at differentiere imellem organogene lavbundsjordes bindingskapacitet og følgelig tabsrisikoen for fosfor. Indholdet af krystallinsk jern (Fe CBD ) er den parameter der er bedst korreleret til bindingskapaciteten, og undersøgelsen antyder at der er en væsentlig geologisk/geografisk variation i indholdet af denne parameter, og ikke mindst at der er en berigelse af krystallinsk jern i okkerklasse I jorde. Dette har også givet grundlag for at anvende okkerklassificeringen som reguleringsmiddel i forbindelse med den nye husdyrlov. Her bør dog nævnes at okkerklassificeringen er baseret på regional-kortlægning, og således principielt ikke egner sig til administration på bedrifts- eller markniveau, jf. definitionerne af okkerklasser. Heraf fremgår bla. at et geografisk areal klassificeres som okkerklasse I såfremt mere end 50% af de undersøgte profiler er pyritholdige, og så fremdeles. Endelig er det væsentligt at være opmærksom på at okkerklassificeringen ikke siger noget om det aktuelle areals fosformætningsgrad, som jo er

8 det estimat der reelt udtrykker noget om arealets risiko for fosfortab. Det er ligeledes væsentligt at være opmærksom på at den kritiske periode for fosfortab vil være i efterår, vinter og det tidlige forår. I disse perioder vil mange lavbundsarealer være mere eller mindre våde, hvilket giver mulighed for reduktiv opløsning af jernoxider og følgelig tab af bindingskapacitet og højere risiko for fosforfrigivelse. De nye resultater fra VMPIII-projektet Udpegning af risikoområder for fosfortab til overfladevand , peger på at et fremtidigt muligt reguleringsværktøj for lavbundsjorde kan være baseret på lokale målinger (markniveau) af jordens Fe BD :P BD -molforhold. En sådan måling kan ligestilles med kravet om at der på højbundsjorde foretages målinger af jordens fosfortal. Målinger af Fe BD :P BD -molforholdet må anses for at være et simpelt, men også det pt mest korrekte redskab til risikodifferentiering af lavbundsarealers fosfortabsrisiko. Igangværende undersøgelser i VMPIII-projektet Best management of stream banks, bufferzones and floodplains for reducing agricultural phosphorus losses fortsætter arbejdet omkring fosforbinding og fosfortabsrisiko fra lavbundsarealer, hvor også minerogene lavbundsjorde inddrages. Efter afslutningen af dette projekt vil der således foreligge en mere omfattende validering af Fe BD :P BD -molforholdet som generelt reguleringsværktøj. REFERENCER Kjærgaard, C Organogene lavbundsjorde Fosforstatus, binding og tabsrisiko. Afrapportering af delprojekt under VMPIII Udpegning af risikoområder for fosfortab til overfladevand. Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet, Institut for Jordbrugsproduktion og Miljø, Aarhus Universitet. Litaor, M.I., O. Reichmann, K. Auerswald, A. Haim, M. Shenker The geochemistry of phosphorus in peat soils of a semiarid altered wetland. Soil Sci. Soc. Am. J. 68: Olesen, S.E Jordtyper på lavbund. Opdeling af landbrugsarealer efter jordklasse, okkerklasse, geo-region og kvartærgeologi. Intern rapport. Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet, Institut for Jordbrugsproduktion og Miljø, Aarhus Universitet. Schlichting, A.P., P. Leinweber, R. Meissner, M. Altermann Sequentially extracted phosphorus fractions in peat-derived soils. J. Plant. Nutr. Soil Sci. 165: