AARHUS UNIVERSITET. NaturErhvervstyrelsen. Notat om retentionsforhold i vandløbsnære områder

Transkript

1 AARHUS UNIVERSITET DCA - NATIONALT CENTER FOR FØDEVARER OG JORDBRUG NaturErhvervstyrelsen Notat om retentionsforhold i vandløbsnære områder DCA - Nationalt Center for Fødevarer og Jordbrug NaturErhvervstyrelsen (NAER) fremsendte den 7. september 2014bestilling til DCA - Nationalt Center for Fødevarer og Jordbrug på en beskrivelse af hvorledes retention i vandløbs områder ikke er en entydig størrelse, men kan variere med vandmætningsgrad i jorden, årstid og type af jord mv. Som besvarelse fremsendes hermed vedlagte Notat om retentionsforhold i vandløbsnære områder, udarbejdet af seniorforsker Charlotte Kjærgaard, Institut for Agroøkologi. Besvarelsen er udarbejdet som led i Aftale mellem Aarhus Universitet og Fødevareministeriet om udførelse af forskningsbaseret myndighedsbetjening m.v. ved Aarhus Universitet, DCA Nationalt Center for Fødevarer og Jordbrug, (punkt FM-22 i aftalens Bilag 2). Rikke Flinterup Specialkonsulent Dato: 30. april 2015 Direkte tlf.: Mobiltlf.: Fax: rcf@dca.au.dk Sagsnummer: Afs. CVR-nr.: Reference: rcf Side 1/1 Med venlig hilsen Rikke Flinterup Specialkonsulent, Koordinator for myndighedsrådgivning. Kopi til: Innovation DCA - Nationalt Center for Fødevarer og Jordbrug Aarhus Universitet Blichers Allé Tjele Tlf.: Fax: dca@au.dk

2 DCA Nationalt Center for Fødevarer og Jordbrug 30. april 2015 Notat om retentionsforhold i vandløbsnære områder Charlotte Kjærgaard, Aarhus Universitet, Institut for Agroøkologi. Baggrund NaturErhvervstyrelsen (NAER) har med bestilling af 7. september 2014 anmodet DCA Nationalt Center for Fødevarer og Jordbrug (DCA) om en beskrivelse af hvorledes retention i vandløbsnæreområder ikke er en entydig størrelse, men kan variere med vandmætningsgrad i jorden, årstid og jordtype etc. Jf. bestillingen ønsker NAER, en kort faktuel beskrivelse af følgende forhold: 1. Beskrivelse af hvorledes retention (reduktion) i vandløbsnæreområder ikke er en entydig størrelse, men kan variere med vandmætningsgrad i jorden, årstid, jordtype etc. 2. Beskrivelse af hvilke generelle scenarier der bevirker risiko for stoftransport (N) og hvilke generelle scenarier, hvor der vil være en omsætning af N. 3. Kort beskrivelse af hvorledes retention i vandløbsnære områder er medtaget i det kommende retentionskort, dvs. en beskrivelse af hvilke hovedantagelser om retention i vandløbsnære områder, der er gjort i udarbejdelse af retentionskortet Besvarelse 1. Beskrivelse af hvorledes retention i vandløbsnæreområder ikke er en entydig størrelse Vandløbsnærearealer, også kaldet ripariske arealer eller riparisk zone, udgør grænsefladen mellem den terrestriske zone (herunder det dyrkede areal), grundvand og overfladevand (vandløbet). Næringsstofpåvirkningen af ripariske arealer kan enten være direkte, hvis arealet er dyrket, og/eller indirekte i form af tilstrømning af vand og næringsstoffer fra andre arealer. Tilstrømningen af vand og næringsstoffer til den ripariske zone består overvejende af lokalt og/eller regionalt grundvand samt drænvand. Hydrologien i den ripariske zone er styrende for de hydrobiogeokemiske processer der kontrollerer reduktionsprocesser og dermed for nitrat reduktion i den ripariske zone (Ranalli & Macalady, 2010). Morfologisk ændrer den ripariske zone karakter ned langs et vandløbssystem. I det opstrøms hovedvandløb er den ripariske zone ofte af begrænset udbredelse, mens 1

3 den længere nedstrøms bredes ud i takt med at ådalen bliver bredere. Beliggenheden af grundvandsspejlet og jordens vandmætningsgrad er bestemt af jordtypen og de lokale topografiske forhold, hvor det generelt gælder at jo større hældning på arealet jo dybere beliggende grundvandsspejl, mens arealer uden eller med ringe hældning typisk vil have et naturligt højtliggende grundvandsspejl. Grundvandstilstrømningen i de ripariske arealer styres af trykniveauforskelle samt den rumlige variation i sedimentets hydrauliske ledningsevne bestemt af den teksturelle heterogenitet. Trykniveauforskelle kan variere både rumligt og tidsligt (årstidsvariationer), da de styres af såvel hydrogeologiske som klimatiske forhold. Der er således meget betydelige variationer i hydrologien i den ripariske zone og dermed også i de afledte stofomsætnings (reduktions)processer, der sker i denne zone. Med henblik på at kunne vurdere betydningen af vandudveksling og stofomsætning ved overgangen fra grundvand til overfladevand i den ripariske zone er der i 2003 og 2004 udviklet og videreudviklet en typologi for grundvands-overfaldevandsinteraktion (GOI) (Nilsson et al., 2003; Dahl et al., 2004; Dahl et al., 2007). Typologien er opbygget i tre niveauer hhv. (i) landskabstype, (ii) ådalstype, og (iii) strømningsvariant. I første niveau (landskabstype) karakteriseres den overordnede hydrogeologi. Der skelnes mellem 5 landskabstyper hhv. moræne, smeltevandsslette, havaflejring, fladedækkende ferskvandsaflejring, og klitlandskab. I det andet niveau (ådalstype) karakteriseres grundvandstilstrømningen til den ripariske zone, og der er i typologien opstillet kriterier for klassifikation af ådalstyper for hver landskabstype. I det tredje niveau (strømningsvariant) karakteriseres strømningen i den ripariske zone til vandløbet. Strømningsvarianterne er specifikt identificeret til vurdering af nitratreduktionspotentialet i den ripariske zone, og der er på den baggrund defineret 4 strømningsvarianter (Figur 1) hhv. diffus strømning (Q1), overfladisk strømning (Q2), direkte strømning til vandløbet (Q3), og strømning i dræn og grøfter (Q4). Figur 1. Strømningsvarianter i den ripariske zone (fra Dahl et al., 2007) 2

4 I rapporten (Dahl et al., 2004) er der anslået estimater for nitratreduktion for de 4 strømningsvarianter. Ved diffus strømning (Q1), der typisk vil forekomme i sandede jorde, via sandlag i lerede jorde samt i visse tørvejorde, gennemstrømmer vandet jordprofilen i den ripariske zone og har således en stor kontaktflade til sedimentet samt en lang opholdstid (uger til år). Rapporten anslår nitratreduktionen til %, hvilket vil afhænge af sedimentkarakteristika herunder effektiv porøsitet, kulstofindhold, redox-forhold og forekomst af reduceret jern. Den overfladiske strømning (Q2), der typisk vil forekomme i lavpermeable sedimenter som ler og i kompakte tørv jorde, foregår transporten henover den ripariske zone, og vandet har ringe kontakt med sedimentet samt en kort opholdstid (timer til dage) og varierende oxiderende og reducerede forhold. Rapporten anslår en nitratreduktion på 50 % ved denne strømningstype. Den direkte strømning til vandløbsbunden uden kontakt med det ripariske sediment (Q3) har en kort opholdstid (timer), og der vurderes i rapporten ikke at være nogen nitratreduktion. Ved strømning gennem dræn og grøfter (Q4) har vandet ingen eller meget begrænset kontakt med sedimentet, og en meget kort opholdstid (timer til dage). Rapporten anslår således at der ikke forekommer nitratreduktion når nitrat fra tilgrænsende arealer transporteres direkte til vandløbet via dræn. På drænede arealer vil der dog stadig være mulighed for reduktion af nitrat der strømmer diffust nedefra mod dræn og reduktion af nitrat der nedsiver vertikalt til dræn, hvis nitraten passerer reducerede jordlag inden det når drænet. Dette er demonstreret i hollandske og tyske undersøgelser på drænede ripariske lavbundsarealer med højt beliggende grundvandsspejl i afstrømningsperioden (Osborne & Kovacic, 1993; Noij et al., 2012; Janssen et al., 2013; Kahle et al.,2013). Nitrat reduktionspotentialet på drænede ripariske arealer må på den baggrund vurderes at være meget variabelt afhængigt at de lokale hydrologiske forhold samt geokemiske karakteristika som indhold af organisk stof og reduceret jern, der kontrollerer nitratreduktionen. Det eksisterende vidensgrundlag er ikke tilstrækkeligt til at kvantificere reduktionspotentialet på drænede ripariske arealer. I GOI rapporten vurderes GOI typologien som relevant metode til at udpege ripariske arealer med en aktiv nitratreduktion, og arealer der ikke forventes at have betydende nitratreduktion, og GOI typologien er i rapporten demonstreret i tre geologisk forskellige oplande. Rapporten beskriver metoderne til klassifikation af GOI typologien og giver henvisning til hvor de nødvendige data kan findes. Rapporten indeholder empiriske parametre fra seks vandløbsoplande (2 lerede og 4 sandede) til beskrivelse af hydrologi og nitratreduktion. Det fremgår dog at der ikke vurderes at være et tilstrækkeligt statistisk grundlag for at generalisere parametrene, og der synes at være et utilstrækkeligt datagrundlag for visse strømningsvarianter, herunder også drænede ripariske arealer. 2. Beskrivelse af hvilke generelle scenarier der bevirker risiko for stoftransport (N) og hvilke generelle scenarier, hvor der vil være en omsætning af N. I forhold til transport eller omsætning af N i den ripariske zone bør der skelnes mellem (i) den direkte N- effekt fra det dyrkede areal og (ii) den indirekte effekt af N tilført den ripariske zone fra tilgrænsende arealer. I forhold til den direkte effekt i form af N-udledning fra et dyrket riparisk areal vil der for veldrænede / veliltede arealer generelt være risiko for tab af overskuds N til vandløbet. Omvendt vil der for arealer der i afstrømningsperioden har højt beliggende grundvandsspejl og reducerede jordlag kunne forekomme en kvantitativt betydende N-reduktion og dermed en reduceret N-udledning selv på drænede vandløbsnære arealer. Dette var tilfældet for 4 ud af 5 undersøgte hydrogeologisk forskellige drænede lavbundsarealer i 3

5 Holland (Noij et al., 2012). Tilsvarende konklusioner blev beskrevet i tyske undersøgelser (Janssen et al., 2013; Kahle et al., 2013), hvor det eksperimentelle setup dog viser at konklusionerne blev baseret på dybere grundvandsmålinger (Janssen et al., 2013; Kahle et al., 2013). I forhold til den indirekte effekt er effekten af strømningstype på reduktion af nitrat der tilføres fra tilgrænsende arealer beskrevet under GOI typologien (pkt. 1), hvor nitrat reduktionspotentialet på drænede ripariske arealer vurderes at være meget variabelt afhængigt at de lokale hydrologiske forhold samt geokemiske karakteristika. Drænede arealer vil oftest være lavpermeable jorde og/eller arealer med periodiske/permanent højt grundvandsspejl (fx lavbundsarealer). Estimater i GOI rapporten (Dahl et al., 2004) og eksisterende resultater viser at N-reduktionsforholdene på drænede vandløbsnære arealer langt fra er entydige, men afhænger af den lokale hydrologi og sedimentets biogeokemiske karakteristika. 3. Kort beskrivelse af hvorledes retentionen i vandløbsnære områder er medtaget i det kommende retentionskort Det nye N-retentionskort (2015) angiver den gennemsnitlige N-retention indenfor ID15 oplande der integrerer forskellige landskabselementer, geologier og drænede/ikke drænede arealer. Der indgår i det nye N-retentionskort således ikke en specifik retention for de vandløbsnære områder. Dette ville fordre en ydereligere differentieret kortlægning samt videreudvikling af GOI typologien, herunder opbygning af et tilstrækkeligt datagrundlag. Referencer Dahl, M., Langhoff, J.H.; Kronvang, B.; Nilsson, B.; Christensen, S.; Andersen, H.E.; Hoffmann, C.C.; Rasmussen, K.R.; Platen-Hallermund, F.; Refsgaard, J.C Videreudvikling af ådalstypologi. Grundvand-overfladevand interaktion (GOI). Arbejdsrapport fra Miljøstyrelsen nr. 16, Dahl, M.; Nilsson, B.; Langhoff, J.H.; Refsgaard, J.C Review of classification systems and new multi-scale typology of groundwater surface water interaction. Journal of Hydrology 344:1-16 Janssen, M.; Frings, J.; Lennartz, B. (2013). Haben Gewässerrandstreifen an einem gedränten Ackerstandort einen Einfluss auf die Nitratkonzentrationen im Grundwasser? Eine Prozessstudie auf Feldebene in Mecklenburg-Vorpommern. DOI: /HyWa_2013,2_1 Kahle, P.; Schönemann, S.; Lennartz, B. (2013). Wirksamkeit von Gewässerrandstreifen auf Nitrateinträge in Oberflächengewässer gedränter Tieflandeinzugsgebiete. DOI: /HyWa_2013,2_2 Nilsson, B.; Refsgaard, J.C.; Dahl, M., Møller I.; Kronvang, B.; Andersen, H.E.; Hoffmann, C.C.; Christensen, S.; Langhoff, J.H.; Rasmussen, K.R HYdrokemisk interaction mellem Grundvand og Overfladevand (HYGRO). Arbejdsrapport fra Miljøstyrelsen nr. 10, Noij, I.G.A.M.; Heinen, M.; Heesmans, H.I.M.; Thissen, J.T.N.M.; Groenendijk, P. (2012). Effectiveness of unfertilized buffer strips for reducing nitrogen loads from agricultural lowland to surface waters. Riparian buffer strips as a multifunctional tool in agricultural landscapes. J. Environmental Quality 41: doi: /jeq

6 Osborne, L.L. & Kovacic, D.A. (1993). Riparian vegetated buffer strips in water-quality restoration and stream management. Freshwater Biology 29: Ranalli, A.J. & Macalady, D.L. (2010). The importance of the riparian zone and in-stream processes in nitrate attenuation in undisturbed and agricultural watersheds: A review of the scientific literature. J. Hydrol. 389: doi: /j.jhydrol