Dränering och växtnäringsförluster
Framtaget av Katarina Börling, Jordbruksverket, 2016. Reviderad 2017 av Jon Wessling och Magdalena Nyberg.
Detta är en sammanställning av information kring hur dränering och miljö hänger ihop med fokus på förluster av fosfor och kväve. Sammanfattande bilder kring detta finns även i motivationsbildspelet som går att visa vid rådgivningsbesöket.
Risk för fosforförluster med dålig dränering
På jordar som är dåligt dränerade kan man få problem med ojämn upptorkning, ökad risk för markpackning och en sämre markstruktur. Det leder till att risken för ytavrinning och erosion ökar. Vid erosion drar vattnet med sig jordpartiklar och partikulär fosfor. Ytavrinning och erosion är en av de största orsakerna till fosforförluster.
Om man har en dålig dränering kan det dessutom bildas stående vatten på fältet. Det gör att markstrukturen på den vattenmättade marken kan förstöras och leraggregat slammas upp. Vid stående vatten på fältet finns det risk för stora flöden genom makroporer i marken.
Makroporflödena kan dra med sig en hel del partiklar och fosfor. De uppslammade lerpartiklarna kan sedan följa med avrinnande vatten och transporteras långt.
Om marken är vattenmättad ökar också risken för att kväve går förlorat genom denitrifikation.
En annan risk är dåligt fungerande diken som ligger mot skog ovanför åkermarken. Om de dikena inte fungerar kan stora mängder vatten från skogen rinna ut över åkermarken och orsaka ytavrinning och erosion, med stora fosforförluster som följd.
Ytavrinning och erosion kan orsaka stora partikeltransporter och fosforförluster. Foto: Anuschka Heeb
Nya undersökningar har visat att alven kan ha stor betydelse för förluster av löst fosfor (Andersson, 2016). Vissa jordar kunde binda löst fosfor i alven, medan andra jordar frigjorde stora mängder fosfor från alven. Detta har även lett till frågeställningar om att löst fosfor kan frigöras från alven under syrefria förhållanden när marken är vattenmättad, på liknande sätt som fosfor frigörs från sediment på Östersjöns botten och där bidrar till övergödning. Under vilka förhållanden detta skulle vara aktuellt är ännu inte klarlagt, men forskning pågår kring detta.
Stående vatten och dåligt underhållen dränering ökar riskerna för fosforförluster.
Foto: Anuschka Heeb
Vatten från ett skogsdike rinner över höstsådd åkermark. Den höstsådda grödan förmår inte stoppa vattnet, vilket ger ytavrinning och erosion med fosforförluster som följd.
Foto: Janne Linder
Risken för lustgasavgång ökar vid dålig dränering
Lustgas (N2O) är en mycket stark växthusgas. 1 kg lustgas kan ge lika stor klimateffekt som ca 300 kg CO2. Det finns samband mellan dålig dränering och ökad lustgasavgång (Hauge och Tesfai, 2013). Sambandet är dock komplicerat och påverkas av många olika faktorer.
Lustgas kan bildas i samband med två olika processer i marken:
Nitrifikation, då ammoniumkväve (NH4+) omvandlas till nitratkväve (NO3-)
Denitrifikation, då nitratkväve (NO3-) omvandlas till kvävgas (N2)
Figur 1. Lustgas kan bildas i samband med nitrifikation eller denitrifikation i marken. (Efter Firestone and Davidson, 1989)
Nitrifikation
Vid nitrifikation krävs syre och om syretillgången blir för låg (som vid dålig dränering) bromsas processen och lustgas bildas i stället för nitrat (Figur 1). I en väldränerad jord med god syretillgång gynnas nitrifikationen och risken för att lustgas ska bildas minskar.
Syretillgången kan dock variera i marken och syrebrist kan uppstå lokalt i marken, t ex på ställen med hög mikrobiell aktivitet eller om markens porer har tryckts ihop vid
markpackning.
Denitrifikation
För denitrifikation gäller det omvända, det vill säga att det ska vara helt syrefritt för att få en fullständig denitrifikation. Det är denna process man vill uppnå i våtmarker för att kvävet ska omvandlas till ofarlig kvävgas (N2). Men om syre tillförs så kan denitrifikationen avstanna och lustgas bildas i stället för kvävgas. I en väldränerad jord är risken för denitrifikation låg, men risken finns att det sker lokalt där syretillgången är låg. Speciellt där det finns miljöer med växlande syretillgång finns också en risk för lustgasbildning. Eftersom lustgas kan bildas vid olika tidpunkter på året är det viktigt att dräneringen från fälten fungerar bra även under vintern när ingen gröda växer där.
Bildandet av lustgas påverkas alltså olika av syretillgången i de två olika processerna.
Gemensamt för de båda processerna är dock att växlingen mellan syrerik och syrefattig miljö gynnar bildandet av lustgas. Sambandet mellan lustgasavgång och dränering är därför
komplicerat.
Största risken för att lustgas ska bildas är när marken är relativt blöt, men ändå inte helt vattenmättad (se Figur 2). För att minska risken för att lustgas bildas i marken så ska man undvika förhållanden med stora mängder fritt kväve när marken är blöt och det finns färskt
nedbrytbart organiskt material tillgängligt (Kasimir Klemendtsson, 2009). Lustgasproduktion är även beroende av många andra faktorer så som pH, temperatur och odlingsåtgärder. Det går aldrig att helt undvika lustgasproduktion i marken.
Figur 2. Produktionen av lustgas (N2O) är som högst vid ca 60 % vattenfylld porvolym (Wesström och Joel, 2007).
Försök vid Lanna försöksstation under åren 2008-2010 har visat att lustgasavgång från
åkermark kan vara lägre än vad som anges inom klimatforskningen, vilket troligen berodde på väldränerade fält och relativt låga kvävegivor (Klemedtsson, 2016). Lustgasavgången var 0,68 kg per hektar och år jämfört med schablonvärdet från IPPC på 1,2-1,8 kg. Avgången var som högst utanför växtsäsongen och varierade kraftigt under vintern. Man kunde heller inte se något samband mellan kvävegiva och lustgasavgång vid givor lägre än 150 kg kväve per hektar.
Lustgas kan även avgå från dräneringsvatten. I en undersökning som genomfördes på Lilla Böslid och Mellby 2012-2014 mättes lustgasavgång via dräneringsvatten (Magnheden m fl, 2014). Lustgasavgången skedde i relativt korta och höga toppar och däremellan långa perioder med låg avgång. Mätningarna visar dock att det endast är en liten del av den totala lustgasavgången som sker via dräneringsvattnet.
Vad kan en förbättrad dränering göra?
Fosfor
I en väldränerad jord ökar infiltrationen, vilket minskar risken för ytavrinning och erosion som kan föra med sig partikulär fosfor. En jämn infiltration i marken gör också att vattnet passerar en större volym jord och genom att öka kontakten mellan jord och vatten kan löst fosfor bindas till markpartiklarna och minska förlusterna. Risken för att det bildas stående vatten minskar också vid god dränering.
Om vattnet rör sig snabbt genom dräneringssystemet, t.ex. genom kulverterade diken, finns det dock en risk att retentionen av fosfor på vägen mot vattendraget minskar. Men målet är att en större andel av vattnet transporteras genom markprofilen och att ytavrinning och annan snabb transport minskas.
Kväve
En god dränering ger en större jordvolym för rötterna att växa i. Detta gynnar grödans rottillväxt och därmed grödans vatten- och växtnäringsupptag, vilket är positivt både för skörden och för att motverka växtnäringsläckage av framför allt kväve. Mängden
lättillgängligt kväve i markprofilen kan vara högre på en väldränerad jord jämfört en dåligt dränerad jord eftersom den ökade syretillgången ökar kvävemineraliseringen och minskar denitrifikationen. Då en större andel av vattnet infiltrerar genom markprofilen och marken innehåller mer kväve så finns en viss risk för ökade kväveförluster. Men om man ser till helheten i odlingen så ger en väldränerad mark bättre förutsättningar för en bra gröda, som därmed kan ta upp mer kväve, vilket är positivt ur kvävesynpunkt.
Ta hänsyn till hela avrinningsområdet
När man förbättrar dränering högt upp i avrinningsområdet är det viktigt att se till hela avrinningsområdet och att det finns kapacitet att ta emot vattnet nedströms så att man inte får negativa konsekvenser på lägre liggande mark, till exempel kan avrinningen nedströms påverkas vid nederbörd på vattenmättad markprofil. En snabbare avrinning kan göra att dikena längre ner i avrinningsområdet inte hinner transportera undan vattnet, vilket kan ge våtare förhållanden och senare upptorkning som ger negativ inverkan på både odling och fosforförluster.
Kalkfilterdiken
Kalkfilterdiken är en metod som bygger på att man blandar in någon typ av strukturkalk (bränd eller släckt kalk eller blandprodukter) i jorden vid återfyllning av täckdiken på lerjordar. Kalkfilterdiken kan antingen anläggas i samband med nytäckdikning, restaurering av befintliga täckdiken eller anläggas längs ett vattendrag på sluttande mark, t.ex. i gränsen mellan brukad mark och skyddszon.
Kalken som blandas in i jorden ger samma effekt som en strukturkalkning och gör att man får en bättre struktur i marken, vilket ökar infiltration och minskar ytavrinningen. Dessutom ger kalken en bättre aggregatstabilitet som minskar risken för att lerpartiklar slammas upp och ger upphov till förluster av partikulär fosfor. Den kalkinblandade jorden ger en hållbar och porös återfyllnad som förbättrar dräneringens funktion på täta lerjordar och kan dessutom binda fosfor i det genomrinnande vattnet.
För att kalkfilterdiken ska vara så effektiva som möjligt är det viktigt att
dräneringsledningarna anläggs tvärs lutningen på fältet och avrinningsriktningen. Då når vattnet så fort som möjligt ett kalkfilterdike och infiltreringen sker jämt över fältet. Metoden kräver en noggrann planläggning av täckdikningssystemet för att denna effekt skall uppnås.
Anläggning av kalkfilterdike i Östergötland 2011. Foto: Dennis Wiström
I försök på 80-talet fann man att det gick att öka avrinningen från täckdiken upp till 6 gånger genom att blanda i kalciumoxid, CaO, i återfyllnaden (Eriksson, 1981). Annars finns det få fältförsök där man studerat effekter på fosforläckage men ett svenskt försök har visat på minskade förluster med 0,2 kg P/ha, eller 16 % (Lindström och Ulén, 2003). Både totalfosfor och mängden suspenderat material minskade i det försöket. Kalkfiltret ökade infiltrationen av vatten och minskade ytavrinningen av fosfor. I ett försök från Litauen blandades 0,6 % CaO in i återfyllnaden i form av skifferaska som innehåll 21,5 % CaO. Detta resulterade i
minskningar med 50 % av totalfosfor och 64 % av löst fosfor (Saulys och Bastiene, 2008).
I både de svenska och litauiska försöken mättes även effekterna på kväveutlakningen men endast i det svenska försöket fanns en koppling mellan förbättrad infiltration och större kväveutlakning. En ökad infiltration skulle alltså kunna orsaka en större risk för
kväveutlakning, men förmodligen gynnas grödan av en god infiltration, vilket ger förutsättningar för ett högre kväveupptag som i sin tur kan kompensera för det högre kväveinnehållet i markprofilen.
Underhåll av öppna diken
Underhåll av öppna diken är nödvändigt för att dräneringen ska fungera. Det är dock inte självklart hur underhåll av öppna diken påverkar fosforförlusterna på kort och lång sikt.
I ett väl underhållet dike med rätt släntlutning ökar kapaciteten samtidigt som
flödeshastigheten blir lägre, vilket gör att erosionen i slänterna minskar. Erosion i dikesslänter har i danska studier pekats ut som en av de största källorna till fosforförluster, men det beror bland annat på jordart. Eftersom vattennivån i ett väl underhållet dike blir lägre fungerar också detaljavvattningen på fältet bättre under en större del av året. Tillfällen med riktigt höga flöden och därmed stora fosforförluster inträffar mer sällan, vilket minskar fosforförlusterna från fältet över tid. I områden med erosionskänslig jord kan kulvertering av öppna diken också minska förluster av jord och fosfor som annars skulle ske i ett öppet dike.
I ett dåligt underhållet dike med mycket sediment och vegetation bromsas vattnet upp, vilket gör att vattennivån blir högre vid ett givet flöde. Kraftig igenväxning kan begränsa flödet ned till en tredjedel av vad diket dimensionerats för. Igenväxning kan dock fungera som en fosforfälla genom att bromsa upp vattenhastigheten och gynna sedimentation av partiklar i vattnet. Växtligheten kan också filtrera partiklar på liknande sätt som i en fosfordamm. När fosforrikt sediment ansamlas i dikena kan de behöva rensas för att inte riskera att sedimentet virvlar upp igen och transporteras vidare.
Underhåll av öppna diken ska göras med stor försiktighet så att man minimerar de negativa effekterna. Ett alternativ till att gräva ur sediment vid underhåll kan vara att klippa
vegetationen i diket så att dräneringsfunktionen bibehålls utan att man behöver gräva i bottenmaterialet.
Litteratur:
Andersson, H, 2016. The Role of Subsoil Properties for Phosphorus Leaching in Agricultural Soils. Doktorsavhandling. Uppsala: Sveriges Lantbruksuniversitet
Eriksson, 1981. A field method to check subsurface drainage efficiency. Rapport 128 Institutionen för markvetenskap, Avdelningen för lantbrukets hydroteknik, Sveriges lantbruksuniversitet.
Firestone, M.K. & Davidson, E.A. 1989. Microbiological basis of NO and N2O production and consumption in soil. In: Exchange of Trace Gases between Terrestrial Ecosystems and the Atmosphere (eds M.O. Andreae & D.S. Schimel), pp. 7–21. John Wiley & Sons, Chichester.
Hauge, Atle og Tesfai, Mehreteab, 2013. Dreneringsforholdenes effekt på lystgassutslipp fra landbruksjord. Resultater fra en pilotstudie på marin leirjord med korndrift. Bioforsk Jord og Miljø, Norge. Rapport 8 (42).
Kasimir Klemendtsson, 2009. Lustgasavgång från jordbruksmark, Institutionen för Geovetenskaper, Göteborgs Universitet.
Klemedtsson et al., 2016. Lustgasemission från odling på lerjordar; med en systemanalys över de Svenska lustgasemissionerna. Forskningssammanställning, Göteborgs Universitet.
Lindström och Ulén, 2003. Effekt av kalk i täckdikesåterfyllningen på fosforförluster från jordbruksmark. Institutionen för markvetenskap, Sveriges Lantbruksuniversitet.
Marie Magnheden, Marie Mattsson, Siegfried Fleischer, Maria Berglund, Erik Ekre & Helena Aronsson, 2014. Lustgas i dräneringsvatten från åkermark. Resultat del 2. Högskolan i
Halmstad, Hushållningssällskapet Halland och SLU.
Saulys, V och Bastiene, N. 2008.The impact of lime on water quality when draining clay soils. Ekologija. 54:1, 22-28.
Wesström, I. och Joel, A. 2007. Lustgasavgång från åkermark vid reglering av grundvattennivån – en litteraturstudie, Rapport 6, Institutionen för markvetenskap, Avdelningen för hydroteknik, Sveriges Lantbruksuniversitet.
