Afdræning og høstudbytter

Transkript

1 KØBENHAVNS UNIVERSITET Afdræning og høstudbytter Grundvandsdynamikkens påvirkning på udvalgte vækstfaktorer i forsøg på lerjord Kandidatspeciale Mille Krambeck Mørk Hansen og Kasper Jakob Jensen Hovedvejledere: Carsten Tilbæk Petersen og Søren Hansen Medvejledere: Robert Nøddebo Poulsen og Per Abrahamsen Afleveret 1. Februar 2013

2 Institutnavn: Name of department: Forfattere: Studienummer: Titel og evt. undertitel: Title / Subtitle: Emnebeskrivelse: Nøgleord: Hovedvejledere: Medvejledere: Institut for Plante- og Miljøvidenskab Department of Plant and Environmental sciences Mille Krambeck Mørk Hansen og Kasper Jakob Jensen hbr942 og bhw318 Afdræning og Høstudbytter, Grundvandsdynatikkens påvirkning på udvalgte vækstfaktorer i forsøg på lerjord. Drainage and harvest-yields, the influence of groundwater dynamics on growth-factors in a field trial on a sandy loam. Projektet omhandler udbytteresponsen af afdræningstilstanden i jorden. Dette er undersøgt med baggrund i et studie af en lavtliggende vårbygmark på lerjord. Forsøgsdata er behandlet i modellen DAISY med henblik på at beskrive påvirkningen af de væsentligste vækstfaktorer på udbyttet. Dræning, Udbytte, DAISY, Byg (Hordeum Vulgare L.), Modellering, Kvælstof, Grundvand, Luftskifte Carsten Tilbæk Petersen og Søren Hansen Robert Nøddebo Poulsen og Per Abrahamsen Afleveret den: 1. Februar 2013 Studievægt: 2 x 45 ECTS Forside billede: Høst af forsøgsparceller på mark 5, Tokkerupgård, Markstien 2, 4640 Fakse, DK. Billede taget 16/ af Robert Nøddebo Poulsen.

3 Resumé Miljøpolitiske, økonomiske og klimabetingede forhold har medført et øget fokus på effekten af dræning og afvanding af landbrugsarealer. Forringet dræningstilstand kan medføre udbyttetab og tab af nærringsstoffer, som kan have konsekvenser for driftsøkonomien i jordbruget, samt have negative effekter for miljø og klima. Derfor er det relevant at arbejde med afvandings- og udbytterelationer og proportionerne af disse. Dette projekt belyser sammenhængen mellem afdræningstilstand og høstudbytte. Desuden beskrives de væsentligste faktorer, der påvirker denne sammenhæng, på baggrund af et feltstudium, modellering og sammenligning med resultater fra litteraturen. Forsøget er udført i en etableret vårbygmark på lerjord. Der er etableret pejlebrønde til grundvandsmålinger i hvert plot. Grundvandspejlinger er udført manuelt i alle plot og med automatiske vandstandsloggere i udvalgte plot samt i recipienten. Afgrødevæksten er monitoreret ved RVI-målinger og afgrødeklip henover vækstsæsonen. Kerne- og helsædsprøverne er vejet og analyseret for kvælstofindhold. Rodudviklingen er kvalitativt beskrevet ved en profiludgravning i to plot. Der er målt en forskel i kerneudbytte på 25 % imellem det vådeste og det tørreste plot. På baggrund af signifikante forskelle i kernehøst og RVI-målinger imellem plottene, sammenholdt med tydelige forskelle i grundvandsstand, er det konkluderet, at der har været en udbytterespons af afdræningsdybden i vårbyg i 2012 på forsøgsarealet. De opnåede resultater fra RVI-målinger, N-analyse og modellering tyder på, at kvælstoftilgængelighed har været den vigtigste faktor for den observerede udbytterespons af afdræningsdybden i dette forsøg. Der er målt en differentiering i væksten fra starten af måleperioden mellem plottene. Denitrifikation af kvælstoffet i jorden, og dermed en mindre mængde tilgængeligt kvælstof i afgrødens tidlige etablering, tillægges stor vægt i forklaringen på den tidlige vækstdifferentiering og udbyttereduktionen i den våde del af forsøgsarealet. De simulerede grundvandsdata fra de foregående 13 år indikerer, at risikoen for udbyttereduktion øges med formindsket afdræningsdybde, som følge af forringet kvælstoftilgængelighed, problemer med luftskifte, tørkestress og ikke-rettidig udførsel af markarbejdet. Projektets resultater viser at grundvandsstanden påvirker udbytte og kvælstof dynamik i væsentlig grad og dermed er forståelse af disse mekanismer meget vigtige som baggrund for beslutningsprocesser om forvaltningen af drænede arealer fremadrettet. Nøgleord: Dræning, Udbytte, DAISY, Byg (Hordeum Vulgare L.), Modellering, Kvælstof, Grundvand, Luftskifte

4 Abstract Focus on draining of agricultural land has increased due to a change in environmental policies, climatic conditions and influence on profitability of farming. Reduced drainage can lead to yield loss and loss of nutrients, which has consequences for the profitability, as well as negative effects on the environment. This justifies the relevance of working with drainage/yield relations and the proportions of these. The purpose of this project has been to investigate the relationship between drainage and yield. The most dominant factors influencing this relation are described, based on a field study and use of the DAISY- model. The field study was performed in a spring barley field on clay soil. Measurements of the upper groundwater table were performed manually in wells in all plots, and by automatic water level loggers in selected plots and in the recipient. The crop growth was monitored using RVI (Relative Vegetation Index) meassurements and biomass sampling during the growing season. Kernels and biomass samples were weighed and analyzed for nitrogen content. A qualitative analysis on root development was conducted by profile excavation in two plots. A reduction of 25% in yield is recorded in the least drained plot compared to the best drained plot. Based on the significant differences in kernel yield and RVI measurements between the plots as well as clear differences in groundwater level, a yield response on draining depth in spring barley in 2012 is concluded. Results from RVI-measurements, nitrogen analysis, modelling, and results from the literature indicates that nitrogen availability is the most important factor for the observed yield response on groundwater depth. An early differentiation in growth has been measured between the plots. Denitrification, and thereby a smaller amount of available nitrogen during the early establishment of the crop is supposed to be an important part of the explanation of the early differentiation of growth, and the reduction of yield in the wet part of the test field. Simulated data of the groundwater level from the past 13 years indicates that the risk of yield reduction is increased with higher groundwater level, caused by reduced nitrogen availability, poor aeration, drought stress and problems with timely execution of field work. To understand the consequence of impaired drainage it is important to obtain a better understanding of the relations between water, nitrogen and production of biomass through further modelling work and field test. Key words: Aereation, Barley (Hordeum Vulgare L.), Drainage, Nitrogen, Water, Yield

5 Forord Denne specialerapport er udarbejdet i forbindelse med vores kandidatstudie i Agronomi på Det Natur- og Biovidenskabelige fakultet KU SCIENCE - på Københavns Universitet. Projektet har løbet over et år fra d. 1. februar 2012 til 1. februar Rapporten henvender sig primært til folk med interesse i de grundliggende agronomiske discipliner: dræning og afvanding i jordbruget. Rapporten beskæftiger sig hovedsagligt med udbytterespons på afvandingstilstanden i marken, men indeholder perspektiver der kan interessere alle med interesse i landbrug, miljø, ressourceudnyttelse og klima. I forbindelse med arbejdet med dette projekt, skal der lyde en stor tak til vores vejledere og samarbejdspartnere og andre venlige sjæle, der alle har bidraget til at få projektet til at lykkes. Tak til vores vejledere fra KU SCIENCE, Carsten T. Petersen og Søren Hansen, der har lyttet til vores ønsker omkring formål med arbejdet, samtidig med at de er kommet med input der har skærpet fokus og niveau i projektet. Tak for faglig vedledning og sparing omkring parametrisering og opsætning af Daisy til Per Abrahamsen. Tak til Robert Nøddebo Poulsen fra DHI, for vejledning og støtte, samt det store forarbejde der er udført både før og efter projektets start. Ikke mindst arbejdet med at få projektet støttet finansielt. Det har gjort registreringer og analyser mulige, som der ellers ikke ville have været ressourcer til. Helt lavpraktisk: tak for kaffe og fine faciliteter i forbindelse med markarbejdet i Tokkerup. Tak til Svend Poulsen for at ligge mark til vores forsøg, for mundtlige beretninger fra marken, for hjælp med udgravninger mm. samt for udlån af diverse køretøjer. Tak til Casper Szilas fra GPS Agro, for godt samarbejde i forbindelse med de forskellige opmålinger og registreringer og ved etablering af brønde og udtagning af jordprøver, samt en tak for kyndig vejledning i forhold til jordkarakterisering og horisontbestemmelse. Tak for hjælp til laboratoriearbejdet, til Anja Weibell og Britta Garly Henriksen. Tak til Anne Grethe Larsen fra KU-LIFE, Grøn Forvaltning i Tåstrup, for hjælp med RVI apparatet og overførsel af data. Tak til Anders Nørgaard for hjælp med diverse maskiner og god opmuntring i grovlaboratoriet. Også tak til de andre medarbejdere i Grøn Forvaltning. Tak til Kristian Thorup Kristensen for gode input og sparing i forbindelse med opstart af vores projekt. Også en stor tak til Jan Hjeds, for inspiration til at arbejde med denne problemstilling i første ende, samt sparing under hele processen. Tak til Carlsen-Langes Legatstiftelse for økonomisk støtte af projektet. Tak til Videnscentret for Landbrug, Landbrug og Fødevarer, for økonomisk støtte og sparing i form af dialog med Specialkonsulent Janne Aalborg Nielsen. Også tak til Østlige Øers Landboforening og DLG for økonomisk støtte. Tak til Jakob Ulstrup, for en stor indsats i forbindelse med gennemlæsning og konstruktiv kritik. Tak til Lise Steensgaard for hjælp med korrekturlæsning. Tak til Østdansk Landbrugsrådgivning i Rønnede, for udlån af forsøgsgødningsspreder. Tak til DLF Trifolium i Store Heddinge for udlån af forsøgsmejetærsker. Tak til DanishAgro i Karise, for NIR målinger. Ikke mindst en stor tak til vores familier for opbakning og støtte, når der har været pres på. Mille Krambeck Mørk Hansen Kasper Jakob Jensen

6 1. INDLEDNING 1.1 PROBLEMANALYSE Miljøpolitik Afvanding Kapacitetsproblemer i vandløbet Udbytterespons af dræning Samfundstab 1.2 PROBLEMFORMULERING 1.3 METODE 1.4 AFGRÆNSNING 2. BAGGRUND 2.1 JORD OG VAND Vandbevægelse i jorden Luftskifte Jordtemperatur Volumenvægt 2.2 DRÆNING Dræningssystemets opbygning Hældning Drændybde og- afstand 2.3 AFVANDINGSTILSTAND 2.4 KVÆLSTOF Denitrifikation Mineralisering 2.5 PLANTENS RESPONS PÅ AFVANDINGSTILSTANDEN Rødder Iltstress Tørkestress Kvælstofoptag Udbyttereduktion i tal 2.6 FÆRDSEL OG RETTIDIGHED Vandindhold og strukturskader i jorden Vigtigheden af rettidighed i forskellige arbejdsgange

7 3. MARKFORSØG 3.1 MATERIALER OG METODER Forsøgsarealet Forsøgsopsætning Karakterisering af jordprofiler Grundvandspejling Afgrødemålinger Databehandling 3.2 FORSØGSRESULTATER Forsøgslokaliteten/marken Afgrødemålinger Grundvandsmålinger Kerneudbytte i forhold til grundvandsstand i det sene efterår N analyser 4. MODELLERING 4.1 MODELOPSÆTNING OG PARAMETRISERING Målte parameterværdier Kalibrerede værdier 4.2 MODELLERINGRESULTATER Vand Afgrøde Kvælstof 4.3 MODELLERINGSRESULTATERNES USIKKERHED Grundvand Afgrødekalibrering af vårbyg Kvælstof 5. DISKUSSION 5.1 UDBYTTERESPONS AF AFDRÆNINGSDYBDE (NUL HYPOTESE) Plantevækst og udbytte Afdræning Sammenhængen mellem udbytte og grundvandstand 5.2 ANALYSE AF STRESSFAKTORER Kvælstoftilgængelighed Luftskifte og iltstress af rødderne Tørkestress Rettidighed 6. KONKLUSION 7. PERSPEKTIVERING REFERENCER APPENDIKS LISTE

8 1. Indledning 1.1 Problemanalyse Miljøpolitik Regeringen nedsatte i starten af 2012 en natur- og landbrugskommission med det formål at udarbejde forslag til løsning af landbrugets strukturelle og økonomiske og miljømæssige udfordringer, herunder hvordan landbrugserhvervet kan bidrage til klimaindsatsen og til miljø- og naturindsatsen. (Natur- og Landbrugskommissionen 2012) Forvaltning og beskyttelse af vandressourcer kan ikke undgås, at spille en central rolle i dette kommissorium, da landbrugsproduktion i høj grad er forbundet med brug af denne ressource. Vigtigheden af et godt fagligt grundlag er åbenlys, når der skal arbejdes med en afbalanceret hensyntagen til de nævnte interesser. Beslutningsgrundlaget ønskes så godt som muligt og herunder er Afdræning og Høstudbytte et vigtigt element, som tidligere har skabt stor debat i forbindelse med indførelsen af vandplaner Vandplanerne Implementeringen af EU s vandrammedirektiv, i form af 23 regionale Vandplaner med tilhørende virkemidler, har været et af de største indenlandske miljøpolitiske debatemner i dette århundrede. En lang række aktører og interessenter er - mere eller mindre direkte - involveret i debatten, som spænder vidt fra efterafgrøder og randzonebestemmelser til klassificering, vedligeholdelse og restaurering af vandløb (Johnsen 2012). Der er stor uenighed mellem de forskellige aktører om, hvor store areal- og udbyttemæssige konsekvenser implementeringen af vandplanerne vil få. Miljøministeriet har meldt ud, at man regner med, at ændringen af vandløbsvedligeholdelsen vil påvirke ca ha landbrugsjord udover de udlagte randzoner. Dette tal er et estimat foretaget af Danmarks Miljøundersøgelser (DMU). I følge DMU er drænproblematikken ikke medtaget i disse beregninger (DMU 2009). Årsagen til uenigheden er i høj grad mangel på faktuel viden på området. Der er tale om komplekse sammenhænge, der indeholder en række dynamikker, som vanskeliggør hurtige overslag over konsekvenserne. I de følgende afsnit redegøres der for dræningsproblematikken set i lyset af Vandplanerne, ændrede nedbørsforhold og dræningsvedligeholdelse, samt manglen på relevant data i forhold til relationen mellem afvanding og høstudbytte. Vandplanernes indhold I december 2000 trådte EU s Vandrammedirektiv i kraft. Direktivets overordnede formål er, at fastlægge rammerne for beskyttelse af vandløb og søer, overgangsvande, kystvande og grundvand i alle EU-lande. I den danske lovgivning er Vandrammedirektivet udmøntet i Miljømålsloven, som indeholder overordnede bestemmelser om myndigheders ansvar, miljømål, vanddistrikter, planlægning og overvågning. Arbejdet med Vandplanerne foregår i en seksårs cyklus (Naturstyrelsen 2011).

9 Hvert medlemsland har været forpligtet til at foretage en basisundersøgelse af de udpegede vandområder, hvor de biologiske, kemiske og fysiske forhold er blevet kortlagt, og der er lavet en økonomisk analyse af vandanvendelsen. Dernæst har hvert medlemsland skullet fastsætte miljømål for vandområderne efter kriterier, der er opstillet i Vandrammedirektivet. Vandløbene er blevet klassificeret efter, hvorvidt de er naturlige, stærkt modificerede eller kunstige. Til hver af de 23 regionale Vandplaner hører et indsatsprogram, som indeholder en række virkemidler, der skal være med til at efterkomme de opsatte mål. Blandt de landbrugsrelaterede virkemidler kan nævnes: Ændring af normsystemet for tildeling af gødningsstoffer, forbud mod visse former for jordbearbejdning, forbud mod pløjning af fodergræsmarker i visse perioder, efterafgrøder i stedet for vintergrønne marker, udlægning af randzoner samt etablering af vådområder (Naturstyrelsen 2010). Derudover indeholder vandplanerne en række virkemidler, der relaterer til restaurering af vandløb og søer, som også vil have indflydelse på landbruget (Naturstyrelsen 2010): Fjernelse af spærringer Genåbning af rørlagte vandløb Vandløbsrestaurering Ændret vandløbsvedligeholdelse Det forventes, at de to sidstnævnte virkemidler kan have en påvirkning på vandstanden i de berørte vandløb. Dette vil medføre en ændret vanddynamik i vandløbet. Mange frygter, at dette vil påvirke dræningstilstanden på markerne og medføre arealkonsekvenser, der overstiger de af Naturstyrelsen estimerede ha (Johnsen 2012). De to virkemidler er kort beskrevet i det følgende: Virkemidler Vandløbsrestaurering Dette virkemiddel betyder helt konkret, at der udlægges sten eller gydegrus i vandløbet, for at skabe en mere varieret vandløbsprofil. Kun i få tilfælde vil der være tale om egentligt at genslynge vandløb. Ændret vandløbsvedligeholdelse Formålet med dette virkemiddel er, at skabe et mere naturligt miljø i vandløbet med henblik på at forbedre levesteder for dyr og planter. I praksis vil det sige, at grødeskæringen mindskes, enten ved at nedsætte frekvensen af grødeskæringer, ved at ændre den måde der bliver skåret på, f.eks. ved kun at skære en strømrende eller ved helt at ophøre med at fjerne grøde fra vandløbene. Der er i vandplanerne indlagt kompensation til de landmænd, der bliver berørt af oversvømmelser som følge af de to ovennævnte virkemidler. Værktøjet til opgørelse af de konkrete tab på ejendommene er under udarbejdelse i Miljøministeriet. Som udgangspunkt medtager værktøjet kun de direkte og helt tydelige tab, der hvor marken er oversvømmet, og afgrøden har taget direkte skade. De indirekte påvirkninger, som følge af ændrede afvandingsforhold, medtages ikke i beregningerne af kompensationen. Mere detaljeret viden om afvandingstilstandens påvirkning af udbyttet vil derfor være relevant.

10 Vandplanerne ugyldiggjort Man har fra landbrugets side i 2012 anlagt to store retssager mod staten, fordi man mener at EU s vandrammedirektiv er blevet overfortolket, og at implementeringen foregår på et for løst fagligt grundlag. I december 2012 erklærede Miljø- og Naturklagenævnet vandplanerne for ugyldige, med dén begrundelse, at høringsfristen for den supplerende høring havde været for kort (Naturstyrelsen 2012). En del af virkemidlerne skal fortsat implementeres, da de ikke juridisk set er direkte bundet op på vandplanerne. Det gælder vandløbsrestaurering, vådområdeprojekter og randzoner, mens ændringer i vandløbsvedligeholdelse og en forøgelse af arealet med efterafgrøder, ikke implementeres, før der er vedtaget nye vandplaner (Naturstyrelsen 2013) Afvanding Den miljøpolitiske debat vedrørende konsekvenserne af implementeringen af vandplanerne har medført et øget fokus på afvanding af landbrugsarealer. I det følgende afsnit gennemgås historikken og omfanget af dræning i Danmark samt principperne i - og vigtigheden af - et fungerende hovedafvandingsanlæg Dræningshistorik Dræning som kulturteknik til opretholdelse af jordens dyrkningspotentiale er gammelkendt viden. Dokumentation for dette findes tilbage til år f.kr. i Mesopotamien i vidt omfang, og år f.kr. i Nildalen ( 2009). I Danmark vandt moderne dræning med lerrør for alvor frem i midten af 1800-tallet, hvor det mange steder afløste den tidligere grøftning. Grundforbedringslovens vedtagelse i 1921 satte yderligere gang i arbejdet med kultivering af den danske landbrugsjord. Der blev ifølge formålet ydet lån eller tilskud til grundforbedring hos de lavest bemidlede landmænd, hvilket øgede incitamentet til intensivering af dræningen på mange arealer ( 2009). Det arealmæssige omfang af dræning toppede ifølge udført statistik omkring 1972, hvor det estimeres at ha er drænet, svarende til ca. halvdelen af det dyrkede areal. På øerne hvor de bedre jorder er mere dominerende, var op mod 70 % af landbrugsarealet drænet i 1972 (Aslyng 1980). Erfaringer fra dyrkningspraksis samt forsøg, der er foretaget i perioden for afvandingsarbejdet, har skabt baggrund for rentabilitetsberegninger af grundforbedringen, herunder i særdeleshed dræning. Sammenhængen mellem afvandingstilstanden og jordens dyrkningspotentiale har som nævnt været kendt gennem tusindvis af år. Men sammenhængen er ikke så enkel, da der er mange faktorer, der spiller ind på både afvandingstilstand og dyrkningspotentiale. I figur 1.1 beskriver Aslyng (1980) kvalitativt sammenhængen mellem vandstanden og den relative dyrkningsværdi på forskellige jordtyper. Det ses, at dyrkningsværdien stiger med øget afdræningsdybde til en optimal dybde, som afhænger af jordtypen og en række andre forhold.

11 Figur 1.1. Relativ dyrkningsværdi ved forskellig afvandingsdybde for forskellige jordtyper, skematisk. (Aslyng 1980) Recipientens betydning for afdræning Et drænanlæg består i grove træk af en hovedafvandingsdel og en detailafvandingsdel. Detailafvandingen foregår i drænsystemet, mens hovedafvandingen foregår i vandløb, grøfter og nedgravede rør. En velfungerende hovedafvanding er en forudsætning for, at anlægget kan komme af med tilstrækkelige mængder vand, da recipienten skal kunne aftage den mængde vand, der kommer fra anlægget, så der ikke opstår en flaskehals. Dimensioneringsberegninger af hovedafvandingskanaler bør derfor indgå ved anlæg af nye dræningsanlæg. Historisk set er mange vandløb modificerede til at kunne afvande oplandet. Aslyng (1980) beskriver to kriterier, der bør overholdes for at sikre, at hovedafvandingsanlægget kan føre vandet bort: Ved afstrømning svarende til middel for marts måned skal vandspejlet være mindst 1 m under terræn og tillade frit udløb fra drænledningerne Ved afstrømning svarende til maksimum for et døgn må oversvømmelse ikke kunne forekomme. Vandløbene er historisk set dimensioneret efter vandføringsevnen, som udregnes ved en given Manningkoefficient (Aslyng 1980). Almindeligvis er Manning-koefficienten blevet sat til 35, ved projektering af åbne vandløb. Dette svarer til vandløb næsten fri for vegetation. Den reducerede vandløbsvedligeholdelse vil medføre mere grøde og tilgroning, hvilket ifølge Dort & Bos (1974) vil ændre vandløbets hydrauliske egenskaber. Manning-koefficienten vil aftage, og det vil medføre aftagende strømningshastighed og højere vandspejl. Sedimentet i vandløbet vil falde til bunds frem for at blive ført væk af vandbevægelsen. Dette vil virke forstærkende på nedsættelsen af vandhastigheden og kan medføre endnu mere sedimentation og øget højde på vandspejlet. Med andre ord så vil formindsket vedligeholdelse kunne medføre, at vandløbet vil være underdimensioneret til at opfylde målsætningen for afvanding af oplandet.

12 En øget vandstand vil desuden medføre, at drænudløb kan blive underdykkede, dvs. i perioder være under vandstanden i vandløbet. Et frit udløb fra drænene er med til at sikre strømningshastigheden i og hen til drænet, dvs. afvandingseffektiviteten, da der ikke er noget modtryk ved udløbet. På længere sigt er det vigtigt, at strømhastigheden (v) i drænledningerne er så stor, at jordmaterialet, der evt. føres med vandet ind i dræningsledningerne, kan forblive opslæmmet og ikke lægge sig som sediment i røret (Aslyng 1980). Neddykning som følge af mangelfuld vandløbsvedligeholdelse kan medføre, at vandhastigheden bliver lavere end planlagt på den nedre del af systemet nær udløbet, og at drænrørene dermed ikke er selvrensende som planlagt. Figur 1.2 illustrerer et eksempel på et drænrør der er fyldt med sediment. Hel eller delvis tilstopning af drænledninger reducerer på længere sigt drænsystemets effektivitet og kan give anledning til overfladisk afstrømning med konsekvenser for afgrøder og miljø. Moderate aflejringer kan ofte fjernes ved spuling af rørene, hvilket imidlertid er en bekostelig affære. Ved kraftig tilstopning kan det være umuligt at genoprette drænfunktionen. Figur 1.2. Et drænrør med sedimenter (Billede taget nord for forsøgsarealet sommer 2012) Kapacitetsproblemer i vandløbet Udover de beskrevne problemer med ændret vandløbsvedligeholdelse og -restaurering, giver ændringer i nedbørsmønsteret samt den generelle vedligeholdelsestilstand for dræningssystemerne i Danmark også anledning til at se på konsekvenserne af ændrede afvandingsforhold på markerne. I det følgende afsnit redegøres der for disse to forhold Ændrede nedbørsmønstre Ændringer i klimaet har ifølge DMI (2012a) forøget den årlige nedbørsmængden med omkring 100 mm. Figur 1.3. viser nedbørsforhold målt fra 1874 til 2011, og der ses en klar tendens til øget årsnedbør. Ydermere er prognoserne for vejret de næste 100 år øget vinternedbør samt hyppige og kraftigere nedbørshændelser om efteråret (DMI 2012b). En øget nedbørsmængde vil medføre, at drænsystemet bliver underdimensioneret jævnfør kriterierne for et velfungerende drænsystem (afsnit ). Dette vil forringe afvandingstilstanden på marken.

13 Figur 1.3. Årsnedbør for Danmark i perioden (DMI 2012a) Vedligeholdelse af dræn Velfungerende dræn en forudsætning for tilstrækkelig afvanding på en stor del af de danske landbrugsarealer. Det er derfor afgørende, at drænene bliver vedligeholdt og udskiftet efter behov. Dette behov afhænger af faktorer som jordtype, dræntype, hældning, såvel som drænenes alder (Aslyng 1980). Der findes ingen detaljeret statistik over behovet for dræning i dag, men en rapport fra Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet ved Århus Universitet (Olesen 2009) estimerer, at dræningsbehovet ikke er mindre, end da man senest lavede en registrering af dræningsbehovet i 1970erne. Skriver og Hedegård (1973) har ud fra stikprøvekontroller, foretaget af Landboforeningerne i 1972, estimeret, at det samlede behov for pletdræning, omdræning og nydræning på det tidspunkt var op mod ha. Der er dermed et relativt stort behov for at investere i dræning, da levealder af anlægget og vedligeholdelsesgrad skaber behov for vedligeholdelse i form af renovering og ny anlæggelse Udbytterespons af dræning Afvandingsforsøg I en sammenfatning af erfaringer og resultater af dræningsforsøg beskriver Aslyng (1980) kompleksiteten i arbejdet med dræningsforsøg således: at virkninger ofte er indirekte og derfor vanskelige at måle. Ændringer i en række vækstfaktorer, der kan være af afgørende betydning for planteproduktionen, afhængig af ændringernes retning og planternes udviklingstrin. Det drejer sig om fundamentale faktorer som planternes forsyning med vand og næringsstoffer, især kvælstof, der også er afhængig af jordens struktur, mineralisering, saltindhold, udluftning og temperatur.

14 Afvandingsforsøg beskrives her, som komplicerede at udføre, da der er mange faktorer, der spiller ind på planters vækst og på vanddynamikken i jorden. Der er dog igennem tiden lavet en del forsøg på at kvantificere relationen mellem afvanding og udbytte herhjemme. Disse forsøg er af ældre dato, og det har ikke været muligt at finde nyere resultater om emnet. Forsøg med udbytterespons af afdræningstilstand af ældre dato beskæftiger sig i høj grad med arealer af marginal karakter, da disse arealer på grund af deres marginale natur er de sidst drænede og opdyrkede. Det har derfor været relevant at undersøge rentabiliteten i at dræne disse. Udbytteresponsen i ældre forsøg skal ses i lyset af en anden dyrkningspraksis med et andet sædskifte og helt andre niveauer og kvaliteter af hjælpestoffer såsom næringsstoffer og pesticider. Kvalitativt er ældre forsøg dog stadig af interesse, da det langt hen ad vejen er de samme mekanismer, der gør sig gældende, så som næringsstofdynamik, luftskifte i jorden, vandstress samt farbarhed/rettighed, der alle påvirker dyrkningssikkerheden og dermed udbyttet. Et af de mest relevante indenlandske forsøg for sværere jordtyper, der foreligger, er gennemført af Hedeselskabet i Kvorning på sedimentær lerjord som beskrevet af Aslyng (1980). Tabel 1.1 sammenfatter forsøgsresultaterne. Det ses, at der er en stor udbyttemæssig forskel, hvilket understøtter betydninger af dræning. Udbytteresponsen målt i foderenheder var i gennemsnit 35 % i dette forsøg. Da nutidens drift er mere intensiv, er der god grund til at antage, at både den nominelle og proportionale respons er større i dag, og Kvorning er derfor ikke kvantitativt konvertible til nuværende forhold. Tabel 1.1 Resultater af Hedeselskabets udbytteforsøg i Kvorning på sedimentær lerjord, udbytter i forhold til udrænet (index 100) (Aslyng 1980). Udrænet (index 100) Havre Hvede Byg Kålroer Runkel roer Kløver græs Drænet Der findes nutidige udenlandske forsøg med afvanding og udbytte. Disse er relevante, ikke mindst på grund af de kvalitative beskrivelser af afgrødens respons på vandmættet jord. De kvantitative opgørelser af udbyttetabet kan derimod være problematiske at relatere direkte til danske forhold grundet andre jordtyper, klimatiske forhold og rammevilkår Påvirkede vækstfaktorer Hvis et areal er utilstrækkeligt afdrænet, kan man risikere at jorden bliver oversvømmet ved overskud af nedbør. De luftfyldte porer i jorden bliver fyldt op med vand og forhindrer diffusion af ilt ned i dybden. Denne mangel på luftfyldte porer og ilt i jorden spiller ind på flere faktorer, som påvirker plantens vækst, og som i sidste ende kan have indflydelse på høstudbyttet.

15 De vækstfaktorer der i litteraturen tillægges størst vægt i relation til afvandingstilstanden, er: Iltstress Utilstrækkeligt luftskifte, iltmangel i rodzonen (Leyshon og Sheard 1974, Trought & Drew 1982, Vartepetian & Jackson 1997, Malik et al. 2002, Pang et al. 2004) Tørkestress Utilstrækkeligt plantetilgængeligt vand (Aslyng 1980) Kvælstoftilgængelighed (Leyshon & Sheard, 1974, Drew et al. 1979, Aslyng 1980, Belford et al. 1985, Oosterbaan 1994, Malik et al. 2002). Rettidighed Færdselsmuligheder, rettidige behandlinger og jordtemperatur (Aslyng 1980) Samfundstab Meget tyder på en generel forringelse af afvandingstilstanden på landbrugsarealer mange steder i landet. Som beskrevet ovenfor, kan man forvente en negativ udbytterespons på utilstrækkelig afvanding af de opdyrkede arealer. Arealanvendelsen og det heraf følgende potentielle indtægtsgrundlag er en del af ressourcegrundlaget i Danmark. Udbyttetabet påvirker direkte landmandens driftsøkonomi og overskud, og dermed også indirekte samfundsøkonomien. Udover de direkte afledte økonomiske konsekvenser vil utilstrækkelig afvanding have en række andre følgevirkninger af samfundsmæssig betydning. Et mindre udbytte kan betyde mindre optag af de tilførte næringsstoffer, specielt kvælstof, der derfor ikke fjernes med afgrøden, og potentielt udvaskes til det omkringliggende vandmiljø. Når jorden er vandmættet, er der samtidig større risiko for, at kvælstof, som skulle have været optaget af planten, bliver denitrificeret til atmosfærisk kvælstof (Vinther & Hansen 2004). Et mellemprodukt i denitrifikations-processen er lattergas, som er en drivhusgas, der er ca. 310 gange kraftigere end CO 2 (IPCC 2001). Derfor er der risiko for, at denitrifikation kan udgøre et klimatisk problem. Udover de negative konsekvenser for miljø og klima er tab af plantetilgængeligt kvælstof uønsket. Danmark har relativt restriktive normer for brug af gødning. Kvælstoftilgængeligheden er i mange afgrøder den begrænsende faktor for udbyttet og kvaliteten af kornet (VFL 2012). Endvidere er produktion af kunstgødning en særdeles ressourcekrævende proces, hvilket ligeledes taler for at udnytte kvælstoffet bedst muligt. Udbytteresponsen på afvandingstilstand er med andre ord særdeles relevant at arbejde med - både set med landbrugsfaglige og samfundsmæssige øjne. Opdaterede data, der kvantificerer udbyttetabet i markerne i oplandet, er derfor vigtige, for at dokumentere sammenhængen mellem dræningstilstand og udbytte.

16 1.2 Problemformulering Miljøpolitiske, økonomiske og klimabetingede forhold har medført et øget fokus på effekten af dræning og afvanding af landbrugsarealer. Arbejdet med implementeringen af EU s Vandrammedirektiv har skabt et politisk ønske om ændring af forholdene i vandløbene, som kan have konsekvenser for vandføringsevnen. Dette kan påvirke detailafvandingsanlæggets funktion og dets mulighed for at afvande til recipienten. Forudsætningerne for funktionen af de store afvandingsanlæg, såsom vandløb og grøfter, er forandrede, grundet klimabetingede ændringer i nedbørsmønsteret. Samtidig tyder meget på, at en stor del af landets drænanlæg trænger til vedligeholdelse eller re-etablering. Alle tre faktorer peger i retning af ændrede afvandingsforhold på landbrugsarealerne. Forringet dræningstilstand kan medføre udbyttetab, overfladisk afstrømning og tab af nærringsstoffer, som kan have konsekvenser for miljøet. Derfor er det relevant at arbejde med afvandings- og udbytterelationer og proportionerne af disse. Formålet med dette projekt er, at belyse sammenhængen mellem afdræningstilstand og høstudbytte, samt at beskrive de væsentligste faktorer, der påvirker denne sammenhæng. Herunder testes følgende hypotese, på grundlag af et feltstudium med vårbyg: Der er i 2012 ingen sammenhæng mellem afvandingstilstand og høstudbytte Under forudsætning af at ovenstående hypotese forkastes søges det afdækket, om afdræningstilstandens effekt på udbyttet, helt eller delvist, kan sammenkædes med følgende fire faktorer: Kvælstoftilgængelighed Iltstress Tørkestress Rettidighed Endvidere søges den opnåede viden om, hvordan vanddynamik og specielt afvandingsforholdene kan have påvirket plantevækst og udbytte, ekstrapoleret til tidligere år, ved hjælp af modellering.

17 1.3 Metode Projektet baseres på eksperimentelle resultater fra et markforsøg. Der udføres efterfølgende modellering til beskrivelse af faktorernes indvirkning på afgrøden på marken. Markforsøgene og modelsimuleringerne er suppleret af litteratur, hvor relevante artikler og faglitteratur anvendes til dokumentation og som baggrund for diskussion og perspektivering. Forsøget anlægges på to marker, en primær lavtliggende mark og en højbundskarakteriseret mark som udbyttereference til det lavtliggende forsøgsareal. Til beskrivelse af afdræningstilstanden benyttes grundvandspejlinger igennem forsøgsperioden i anlagte pejlebrønde. Afgrøden monitoreres i vækstsæsonen ved hjælp af RVI-målinger og biomasse-klip, der skal give et billede af afgrødeudviklingen i tørstof og kvælstof optag. Endeligt bestemmes høstudbyttet ved høst med forsøgsmejetærsker. Der udføres kvantificering af tørstof og kvælstof ved hjælp af IRMS på kerneprøverne. Til parametriseringen af modellen og beskrivelse af jorden er der udført analyser af jordprofilerne. Der indhentes vejrdata lokalt og fra DMI til brug i modelleringen. 1.4 Afgrænsning Markforsøget er udført fra medio maj 2012 til 8/ ,og er placeret på en lavtliggende mark i Tokkerup, Sjælland med jordbonitet 6-7. Marken er tilsået med vårbyg og ligger på en planteavlsejendom og der har ikke været tildelt husdyrgødning til i en årrække. Målingerne foretages i syv opmærkede plot. Grundvandspejlingerne udføres manuelt ugentligt i starten af perioden. De suppleres af automatiske vandstandsloggere i nogle plot i den sidste del af forsøgsperiode hvor de manuelle pejlinger reduceres til månedlige målinger. RVI-målinger udføres frem til medio juni. Biomasseklippene udføres ugentlig i hele vækstsæsonen. Til modelleringen anvendes programmet DAISY. Da der skal bruges parametriseringsdata til beskrivelse af jorden, hvilke er ressourcekrævende at indhente prioriteres tre plot. Her udføres kvalitativ beskrivelse af rødder og jordhorisonterne i disse plot til en dybde af 2m. Derudover udføres der kvantitative teksturanalyser, bestemmes volumenvægte, og udføres der C- og N-analyser af A-horisonten Modelleringen parametriseres på baggrund af jorddata og kalibreres ved hjælp af grundvandsstanden. Beskrivelsen af behandlinger i marken går tilbage til vækstsæsonen Modelleringer udføres derfor for denne periode. De anvendte lokale vejrdata er begrænset til forsøgsperioden, der anvendes grid-data fra DMI i den øvrige periode. Modelleringen begrænser sig til områder hvor der er tilstrækkelige valideringsdata til rådighed. Og anvendes til at analysere og sammenligne de prioriterede plot. Der er ikke udført dybere analyser med modificerede scenarier i de enkelte plot.

18 2. Baggrund 2.1 Jord og vand Vandbevægelse i jorden Vandets bevægelse i jorden er af stor betydning for vandbalancen i jorden, for afstrømning, for plantens vandoptag og for bevægelse og potentielt tab af kvælstof. Denne vandbevægelse er betinget af en lang række faktorer i jorden. Jordens struktur, herunder ikke mindst dens porøsitet og porestørrelsesfordeling, er den væsentligste faktor. Vandets bevægelse i jorden afhænger af porestørrelsesfordelingen og jordens porøsitet. Det er dog ikke muligt at beregne vandbevægelsen helt specifikt i porerne, da jordens porer kan varierer meget i størrelse, form og udbredelse, og man ser derfor på den makroskopiske skala. Vandbevægelsen afhænger i høj grad af, om jorden er vandmættet. Jordens ledningsevne for vand er størst i vandmættet tilstand, hvor selv de største af jordens porer er vandfyldte. Ved vandmættet jord kan man beskrive vandbevægelsen ved hjælp af Darcy s Lov (Ligning 1.1), som beskriver at fluxtætheden q (m 3 m -2 s -1 ) i en vilkårlig retning er proportional med gradienten i den hydrauliske potential. Ligning 1.1, Darcys lov: hvor K s er mættet hydraulisk ledningsevne (m s -1 ) og er potentialgradienten (dimensionsløs) Præferencestrømning Når vandbevægelsen hovedsaligt foregår i afgrænsede områder af jorden i højere grad end i matrix, kaldes det for præference-strømning. Her kan der for eksempel være tale om makroporer som regnormegange eller sprækker i jorden. Præferencestrømning kan i varierende grad påvirke markens hydrologiske processer, og dermed også stoftransporten i jorden. Herved øges risikoen for udvaskning af visse næringsstoffer og pesticider til det omkringliggende vandmiljø (Hansen et al. 2012). Præferencestrømning gør det sværere at prædiktere jordens vandretentionsegenskaber og hydrauliske ledningsevne Hydraulisk ledningsevne Den hydrauliske ledningsevne er et udtryk for hastigheden, hvorved vand kan strømme igennem jorden. Den hydrauliske ledningsevne er som nævnt størst i vandmættet jord. Når jorden er umættet, aftager diameteren af de vandførende porer. Hydraulisk ledningsevne afhænger af jordens vandindhold og trykpotentialet. I vandmættet sandjord er den hydrauliske ledningsevne højere end i lerjord, da sandjorden indeholder mange store porer. Disse porer afdrænes dog relativt hurtigt ved høje værdier for trykpotentialet, mens lerjorden afdrænes noget langsommere. Lerjord opretholder dermed en højere ledningsevne ved lavt trykpotentiale på grund af evnen til at tilbageholde vand. I jorde med makroporer kan den hydrauliske ledningsevne øges dramatisk nær vandmætning. Når sådanne jorde er vandmættede, foregår en meget stor del af vandtransporten derfor i makroporerne.

19 Retention Sammenhængen mellem jordens vandindhold og jordvandets trykpotentiale, for en given jord, er bestemt af jordens struktur og tekstur. Denne sammenhæng betegnes retention og udtrykkes normalt grafisk i en retentionskurve. Jordvandets trykpotentiale i statisk ligevægt er vist i figur 2.1, hvor grundvandspejlet er i 100cm dybde. Her er trykket lig det atmosfæriske tryk og dermed referencen der deffinerer trykket 0. Over grundvandet er jordvandets trykpotentiale negativt og under grundvandet er trykpotentialet positivt. Figur 2.1 Jordvandets trykpotentiale som funktion af dybden i statisk ligevægt. Grundvandet er i 100cm dybden på figuren. Udfra trykpotentialet og kendskabet til jordens retentionsegenskaber kan der tegnes en retentionskurve for en given jord. Denne kurve kan betragtes som en summationskurve for porestørrelsesfordelingen. I figur 2.2 og 2.3 er vist en retentionskurver for en horisont anvendt i markforsøget (C horisonten i plot 6). Retentionkurven er beregnet efter en matematisk funktion af van Genuchten ligning 1.2. Ligning 1.2: Modelparametrene udregnes med DAISY efter HYPRESS (beskrives i afsnit 4). Retentionskurven i figur 2.2 er vist med tre forskellige grundvandsdybder og dermed tre forskellige trykniveauer. Ved dybere grundvandsstand er trykpotentialet mindre og dermed også vandindholdet.

20 Figur 2.2 Retentionskurve for C horisonten i plot 6. Vandindholdet i jorden ved statisk ligevægt med forskellige grundvandsdybder (-50 cm, -100 cm og -200 cm). Dybden er hermed udtryk for trykpotentialet grundet sammenhængen mellem trykpotentiale og dybde. Jordvandets-trykpotentiale kan beskrives logaritmisk ved anvendelsen af en pf værd, dermed muliggøres illustration af de meget lave trykpotentialer, der forekommer ved udtørring. I figur 2.3 ses samme retentionskurve som i 2.2 med anvendelse af pf værdi til beskrivelse af trykpotentialet. Jordens markkapacitet (θ FC ) er angivet ved pf=2 og visnegrænsen (θ PWP ) ved pf=4,2. Dermed kan det plantetilgængelige vand (θ AWC ) aflæses som (θ FC )- (θ PWP )= (θ AWC ). Figur 2.3 Retentionskurve for C horisonten i plot 6. Sammenhængen mellem jordens vandindhold og jordvandets trykpotentiale ved statisk ligevægt. Markkapaciteten (θ FC ) aflæses ved pf = 2 og visnegrænsen (θ PWP ) ved (pf = 4,2).

21 Mark kapacitet Jordens markkapacitet er et udtryk for den mængde vand, der er tilbage i jorden efter vandmætning, når overskudsvandet er afdrænet og den nedadgående vandbevægelse stort set er ophørt. I praksis vil det sige, at det svarer til vandindholdet efter 1-3 dages afdræning. Dette forudsætter dog, at der ikke er højtliggende grundvand eller impermeable lag, der influerer afvandingshastigheden. Markkapaciteten betegnes ofte θ FC og er vist at være tæt ved pf = 2 i danske jorder (Jensen & Jensen 2001) Visnegrænse Visnegrænsen er defineret som: Det største vandindhold i en jord, ved hvilken indikatorplanter, som vokser i den pågældende jord, visner og ikke genvinder turgor, når de placeres i et kammer med vandmættet atmosfære. (Soil Science Society of America 1997) Visnegrænsen betegnes θ PWP og varierer i trykpotentiale efter hvilke indikatorplante, der anvendes men pf = 4,2 er oftest anvendt Luftskifte Når vandet er afdrænet efter en periode med oversvømmelse, vil der gå op til 7-10 dage, før jorden igen opnår et redoxpotentiale, der svarer til aerobiske forhold (Setter & Waters 2003). Luftskiftet foregår næsten udelukkende i det luftfyldte porerumfang (hvad enten der er tale om diffusion eller massestrømning), og luftskiftet er derfor meget stærkt begrænset tæt på og under grundvandsspejlet. Afdræning, luftindhold og luftskifte i området over grundvandsspejlet har en snæver relation til jordens vandretentionsegenskaber og makroporestruktur Jordtemperatur Jordtemperaturen afhænger af lufttemperaturen, energitilførslen og vandindholdet i jorden. Vandets høje varmekapacitet medfører at en våd jord opvarmes langsommere om foråret end en relativt tør jord, da der skal tilføres mere energi for at varme jorden op. Dertil kommer, at den højere varmeledningsevne kan føre varmen ned i dybere jordlag. Endeligt vil fordampningen fra jordoverfladen forbruge noget af den energi, der ellers kunne være benyttet til opvarmning af jorden (Jensen & Jensen 2001) Volumenvægt Jordens volumenvægt (kg m -3 ) er defineret som massen af ovntør jord divideret med dens samlede volumen i naturlig strukturtilstand. Det vil sige, at volumenet af porer indgår. Volumenvægten kan variere ned igennem profilen, og vil som regel være relativt lav i det løsere pløjelag, og højere omkring en eventuel pløjesål og ved strukturskader som følge af pakning af jorden. Volumenvægten afhænger af jordtypen, men ligger i sandjord og sandblandet lerjord normalt i intervallet kg m -3 (Brady and Weil, 1999).

22 2.2 Dræning Som nævnt indledningsvist er dræning af landbrugsjord en meget gammel disciplin, som kan spores mange årtusinder tilbage. Hovedformålet med dræning er at fremme afløb af overskudsvand fra marken, og at sikre gode forhold for afgrødens vækst og udbytte samt at forbedre driftsmæssige forhold (Aslyng 1980). For at dræningssystemet skal fungere optimalt og opfylde sine formål, er der en række teknikaliteter, der skal være på plads. Disse vil blive gennemgået i det følgende afsnit. Et drænanlæg består i grove træk af en hovedafvandingsdel og en detailafvandingsdel. Hovedafvandingen er en forudsætning for at anlægget kan komme af med tilstrækkeligt vand, da recipienten skal kunne aftage den mængde vand, der kommer fra anlægget. Hovedafvanding foregår via vandløb eller store nedgravede ledninger. Detailafvandingen foregår i grøfter eller faskiner, men i meget høj grad i Danmark ved nedgravede dræn (Aslyng 1980). Principperne omkring hovedafvanding er allerede kort beskrevet i indledningen. I dette afsnit vil der blive fokuseret på detailafvandingen, i form af nedgravede drænrør Dræningssystemets opbygning Drænene kan være placeret systematisk, ensartet over et helt areal eller efter behov. Den første metode er mest brugt på ensartede, flade arealer og arealer med lav hydraulisk ledningsevne. Mens dræning efter behov er mere anvendt i kuperet terræn og områder med meget varierende jordbundsforhold (Aslyng 1980). Generelt er dræningssystemet bygget op af en eller to hovedledninger og flere parallelle sidedræn (se figur 3.3 for eksempel). Hovedledningens formål er at føre vandet fra sidedrænene til recipienten, og det bør ligge så dybt, at der sikres den rette hældning og dybde i sidedrænene Hældning For at sikre at drænene ikke tilstoppes af de jordpartikler, der føres med vandet ind i dem, er det vigtigt, at partiklerne forbliver opslæmmet og ikke lægger sig som sediment i bunden af rørene. For at sikre dette, skal hældningen være tilpas stor, så strømningshastigheden sikrer, at jordpartiklerne følger med. Omvendt må hastigheden ikke være så stor, at man risikerer erosion af jorden, der omgiver dræningsledningerne. Faldet på dræn angives i promille. For mindre hovedledninger bør faldet være på 2-3, mens større hovedledninger kan nøjes med et fald på 1. Sideledninger bør have et fald på mindst 3 (Aslyng 1980) Drændybde og- afstand Vandtransport til drænene foregår hovedsageligt under grundvandsspejlet som mættet strømning. Dræningsintensiteten afhænger af jordtype og jordbundens opbygning, som har indflydelse på den mættede hydrauliske ledningsevne. Den optimale drændybde for sandede jorde ligger på 0,70 0,90 m, for lerjorde på 1,1 1,3 m og for meget tunge lerjorde på ca. 1,0 m. Aslyng (1980) påpeger, at de gode forudsætninger for god og dyb rodudvikling på de danske jorder, kan give anledning til at overveje, at lægge drænene endnu dybere. Optimal afstand mellem drænene kan være vanskelig at bestemme. Der findes flere formler til dette, men alle kræver de viden om jordens hydrauliske egenskaber. Det kan være dyrt og besværligt at opnå denne viden på de ofte relativt uensartede og forholdsvis små marker, man har herhjemme. Der vil derfor ofte være tale om et skøn (Aslyng 1980).

23 2.3 Afvandingstilstand Afvandingstilstanden i en mark er en dynamisk størrelse (Osterbaan, 1994, Setter & Waters 2003). Jordens struktur, nedbørsforhold og plantevækst er medvirkende til en fluktuerende vandstand i marken. Ønsker man at bestemme markens afvandingstilstand, for eksempel i forbindelse med udbytteforsøg, må man derfor definere, hvordan man beregner markens afvandingstilstand. Osterbaan (1994) har i litteraturen (se tabel 2.1) fundet seks måder, hvorpå man har defineret vandspejlets dybde for at give et sammenligneligt billede af afvandingstilstanden i marken. Tabel 2.1. Seks forskellige måder at definere afvandingstilstanden. (Osterbaan 1994) Metode Litteratur 1. Vandspejlets dybde ved høst (Osterbaan 1982) 2. Vandspejlets gennemsnitsdybde gennem en sæson (Rudd og Chardon 1977) med nedbørsoverskud. 3. Vandspejlets gennemsnitsdybde gennem vandingssæsonen. (Nijland et al. 1994) (Safwat Abdel-Dayem og Ritzema 1990) 4. Frekvensen eller antallet af dage med et vandspejl Doty et. Al 1990 der er lavere end et givent referenceniveau. 5. Summen af dage med overskud af vand i forhold til et givent referenceniveau x cm under (Sieben 1965) (Feddes og van Wijk 1977) jordoverfladen. [Centimeterdage] 6. Den tid det tager vandspejlet at falde fra et givent højt og kritisk niveau til et lavere og ukritisk niveau. (Skaggs 1980) Definition 1. hvor afvandingstilstanden er defineret ved vandstanden ved høst, beskriver bedst afvandingstilstanden, hvis det er ved høsten, der er problemer med vandstanden. Definitionen giver et øjebliksbillede og siger ikke meget om vanddynamikken. Definition 2. og 3. beskriver gennemsnitsvandstanden over en given sæson, hhv. ved almindelige nedbørsforhold og nedbør og vanding. Definition 4. og 5. beskriver hhv. vandoverskud og underskud i forhold til en given reference. Definition 6. beskriver omfanget af en periode med vandoverskud (Osterbaan 1994). Generelt er de sidste tre definitioner mere beskrivende for vandets dynamik i jorden end de tre første. En af de mere benyttede metoder ved markforsøg er metode 5. i tabel 2.1. Her beregner man summen af dage med overskud af vand i forhold til et givent reference-niveau x cm under jordoverfladen kaldet SEW x (Sum of Excess Water) opgivet i enheden centimeterdage (Aslyng 1980, Oosterbaan 1994, Setter et al. 1999, Setter & Waters 2003). x kan defineres som et kritisk vandspejlsniveau for rødderne, eller som et niveau, der på anden vis beskriver afvandingstilstanden bedst. Dette kan afhænge af, om der er tale om vinter eller vårsæd, og om det er de længerevarende perioder med vandoverskud eller enkelte episoder med ekstremt nedbør og oversvømmelse, man vil undersøge (Oosterbaan 1988). Mange af de resultater, der er publiceret om afgrøderespons på vandstand og dræning, er lavet med en reguleret og permanent vanddybde (Aslyng 1980, Malik 2001, Osterbaan 1994). Nogle forsøg er lavet under kontrollerede forhold, i væksthus og i potter eller lysimetre (Pang et al. 2004, Malik et al. 2002, Musgrave 1994).

24 2.4 Kvælstof Kvælstof (N) er et af de essentielle nærringsstoffer for planter. Det er det næringsstof, planten optager mest af. Grundstoffet indgår i mange forskellige forbindelser i planten, hvorfor kvælstofoptaget har stor betydning for plantens vækst - og i sidste ende afgrødens udbytte. Det meste af det kvælstof, der bliver tilført på markerne i form af husdyr- og kunstgødning, er på ammonium- (NH 4 + ) eller nitratform (NO 3 - ). Planten optager både nitrat og ammonium aktivt. Ammonium, som er en kation, vil binde sig til jordens negativt ladede partikler, hvorimod anionen nitrat, på grund af sin negative ladning, ikke vil binde sig. Det betyder, at nitraten hovedsageligt findes i jordvæsken, og dermed er lettere tilgængelig for planten. Det betyder dog også, at nitraten følger med vandet ned til grundvandet, eller igennem dræn eller ved afstrømning til det omkringliggende vandmiljø, hvis ikke det bliver optaget af afgrøden. Denne udvaskning kan føre til en forskudt kvælstofbalance i vandmiljøet. I jorden kan såkaldt nitrificerende bakterier omdanne det immobile ammonium til nitrat ved at oxidere ammonium til nitrit (NO 2 - ) og derefter til nitrat (NO 3 - ). Denne proces kaldes nitrifikation. Nitrifikation kan kun finde sted under aerobe forhold Denitrifikation Mikrobiel denitrifikation er en mikrobiel proces, hvor bakterier omdanner nitrat (NO 3 - ) til lattergas (N 2 O) og frit kvælstof (N 2 ): I reaktionen benytter de denitrificerende bakterier nitrat som elektronaccepter. Nitraten reducerer nitrat (NO 3 - ) til frit kvælstof (N 2 ), over fire trin: Nitrat Nitrit Kvælstofilte Lattergas Atmosfærisk kvælstof For at den mikrobielle denitrifikation kan finde sted, kræver det anaerobe (iltfrie) forhold samt tilstedeværelsen af organisk kulstof. Mange steder forsøger man at udnytte de denitrificerende bakteriers evne til at omdanne nitrat til frit kvælstof for at undgå, at udvasket nitrat fra landbrugsjorde havner i det omkringliggende vandmiljø. Det gøres blandt andet ved at oprette vådområder, som vandet skal bevæge sig igennem, inden det når landets vandløb og åer. Når denitrifikationen foregår i marken, forsvinder kvælstof, som potentielt kunne være optaget af planten. Denitrifikation medfører ikke kun et tab af kvælstof fra plantens rodzone, men kan også (hvis processen ikke forløber fuldstændigt) udgøre et klimamæssigt problem, idet lattergas er en stærk drivhusgas (IPCC 2001). Faktorer som jordtype, ph og vandindhold i jorden har indflydelse på denitrifikationshastigheden og hvorvidt processen løber til ende og omdanner lattergas til frit kvælstof (Lensi & Chalamet 1982, Vinther & Hansen 2004, Warneke et al. 2011).