På uppdrag av Naturvårdsverket
SMED Rapport Nr 33-2009
Utveckling av mer platsberoende
parameterisering av ICECREAMDB
Karin Blombäck och Kristian Persson
Institutionen för mark och miljö, SLU
Publicering: www.smed.se
Utgivare: Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut Adress: 601 76 Norrköping
Startår: 2006 ISSN: 1653-8102
SMED utgör en förkortning för Svenska MiljöEmissionsData, som är ett samarbete mellan
IVL, SCB, SLU och SMHI. Samarbetet inom SMED inleddes 2001 med syftet att långsiktigt
samla och utveckla den svenska kompetensen inom emissionsstatistik kopplat till åtgärds-
arbete inom olika områden, bland annat som ett svar på Naturvårdsverkets behov av ex-
pertstöd för Sveriges internationella rapportering avseende utsläpp till luft och vatten,
avfall samt farliga ämnen. Målsättningen med SMED-samarbetet är främst att utveckla och
driva nationella emissionsdatabaser, och att tillhandahålla olika tjänster relaterade till
dessa för nationella, regionala och lokala myndigheter, luft- och vattenvårdsförbund, när-
ingsliv m fl. Mer information finns på SMEDs hemsida www.smed.se.
Förord
SMED (Svenska Miljöemissions Data), som är ett konsortium bestående av IVL,
SLU, SCB och SMHI, har genomfört detta projekt på uppdrag av Naturvårdsverket
som ett led i att förfina parameteriseringen av ICECREAMDB-modellen och där-
med förbättra beräkningarna av P-förlusterna från svensk jordbruksmark.
Innehåll
INNEHÅLL 2
SAMMANFATTNING 3
SUMMARY 4
BAKGRUND 5
SYFTE 7
GENOMFÖRANDE 8
Testdata och beskrivning av observationsfälten 8
Parameteriseringstester 10
Parameterbeskrivning 14
Texturfraktioner, organiskt material och pH 14
Porositet, fältkapacitet, vissningsgräns och kompaktdensitet 14
RESULTAT 16
Observationsfält 2M 16
Observationsfält 5O 22
Observationsfält 12N 27
DISKUSSION 32
SLUTSATSER 35
REFERENSER 36
Sammanfattning
Tidigare jämförelser mellan uppmätta fosforförluster och simulerade resultat med ICECREAMDB-modellen visade vissa systematiska avvikelser som kunde kopplas till jordarten i de studerade områdena (Djodjik m.fl., 2008). I den tidigare studien var simuleringarna gjorda med de standardiserade parameteriseringarna för olika jordarter som användes för PLC5-beräkningarna. Inför nästa PLC-omgång bedöm- de vi det därför som viktigt att se över generaliteten i den jordartsrelaterade param- eteriseringen och också göra en bedömning av hur platsberoende den är. I den här rapporten redovisas ett inledande arbete där den jordartsrelaterade PLC5-
parameteriseringen respektive mer platsspecifik parameterisering testades på tre olika fält som ingår i miljöövervakningsprogrammet ”Observationsfält på åker- mark”. Fälten består av jordarterna sandy loam och loam och valdes eftersom de representerar jordarter som förekommer i samtliga läckageregioner i Sverige och motsvarar över 50% av jordbruksarealen i 12 av de 22 regionerna. De spelar därför en viktig roll vid beräkningen av de regionala utlakningskoefficienterna.
Resultaten visade att standardparameteriseringarna för ICECREAMDB-modellen från PLC5-beräkningarna fungerade i stort sett bra för att återge avrinningsmönst- ret i de tre observationsfälten vid simuleringar under 5-9 års perioder. Simulering- arna återgav i stort sett mätvärdena för när flödestopparna börjar och slutar, men inte på något fält lyckades modellen återge pikflödena i flödestopparna och den ackumulerade avrinningen underskattades i fyra av de fem olika körningarna. För de simulerade resultaten av P-förluster gällde det omvända, då förlusten av både total-P och löst P överskattades med standardparameteriseringarna.
Med platsspecifik parameterisering underskattades avrinningen ytterligare, medan överskattningen av total-P minskade. Vid testen av den platsspecifika parameterise- ringen hade sättningen av vattenlagringskapaciteten i marken, dvs porositet, fältka- pacitet och vissningsgräns, stor betydelse för totala avrinningen och för fördelning- en av flödena mellan ytavrinning, makroporflöde och flöde i mikroporregionen.
Eftersom vattenflödena i sin tur styr P-flödena i modellen hade dessa parametrar även stor betydelse för P-flödena. Små förändringar i parameteriseringen av både lerhalten och pH hade stor påverkan på de simulerade fosforförlusterna. Inte i något fall förbättrades precisionen i beräkningarna då parametrar för vatten- lagringskapaciteten i marken sattes efter fältdata istället för enligt de funk- tioner som använts i PLC5-arbetet.
Det här presenterade arbetet var en inledande test av några av de standardpa-
rameteriseringar som användes i PLC5-beräkningarna. En fortsatt studie,
finansierad inom ramen för SLUs fortlöpande miljöanalysarbete kommer att
göras under 2009 för att täcka in fler jordarter och också större regionala
skillnader vad gäller klimatfaktorerna.
Summary
Previous comparisons of measured phosphorus (P) losses and simulated results obtained using the ICECREAMDB model revealed certain systematic deviations that could be attributed to soil texture in the study areas. In the previous investigation, simulations were performed with the standard parameterisations for different soil textures that are used for the PLC5 calculations. Before the next set of PLC we therefore deemed it important to review the generality of soil texture-related parameterisation and to make an assessment of its site-specificity. This report describes preliminary work in which soil texture-related PLC5 parameterisation and more site-specific parameterisation were tested in three different fields included in the environmental monitoring programme ‘Observation fields on arable land’. The soil texture in these fields consists of sandy loam and loam and the fields were chosen because they represent soils that occur in all leaching regions of Sweden, corresponding to over 50% of the agricultural area in 12 of the 22 regions, and therefore play an important role in calculation of the regional leaching coefficients.
The results showed that the standard parameterisations from the PLC5 calculations used for the ICECREAMDB model generally functioned well as regards capturing the run-off pattern in the three observation fields for simulation of 5-9 year periods. Starts and stops of run-off events were captured but the size of the peak flows as well as the accumulated run-off were underestimated. In contrast, the simulated results of P losses, both total-P and dissolved-P, were overestimated with the standard
parameterisations.The site-specific parameterisation further underestimated run-off, while overestimation of total-P losses decreased.
In the tests on site-specific parameterisation, the value given to the water storage capacity in the soil, i.e. porosity, field capacity and wilting point, was critically important for total run-off and for the distribution of flows between surface run-off, macropore flow and flow in the micropore region.
Since water flows in turn control P flows in the model, these parameters were also highly important for the P flows. Small changes in clay content and pH both had a large impact on simulated P losses. Not in any of the cases did the site-specific parameterisation improve the simulated results compared to parameterisation according to PLC5.
The study presented was an introductory test of a few of the standard parameterisations used for the PLC5 calculations. A continued study,
financed by the SLU Environmental mentoring and assessment program will
be performed during 2009 to cover more soil types and a broader spectrum
of climatic variations.
Termer och begrepp
• Curve number: En parameter som anger markens förmåga att infiltrera vatten. Parametern ingår vid beräkning av fördelningen mellan ytvatten- bildning och infiltration.
• Fältkapacitet: Vattenhalten i marken då fritt vatten dränerats av. Här är fältkapaciteten definierad att motsvara vattenhalten vid ett bindnings- tryck på 3 meter vattenpelare.
• Kompaktdensitet: Markpartiklarnas täthet (g/cm
3), dvs. markpartiklarnas massa/markpartiklarnas volym (m
s/V
s) .
• Känslighetsanalys: Undersökning av hur mycket de simulerade resultaten påverkas då olika parametervärden ändras. Känslighetsanalysen ger en bild av hur känslig modellen är för variationer i värdena för olika para- metrar.
• Pedo-transferfunktioner: Funktioner för att estimera egenskaper, t ex po- rositet och hydraulisk konduktivitet, för en jord utifrån dess textur.
• Porositet: Markens porvolym (%).
• Silt: Kornstorleksfraktion som i det svenska jordartsklassificeringssyste- met motsvaras av finmo och mjälafraktionerna.
• Skrymdensitet: Markens täthet (g/cm
3), dvs. markpartiklarnas mas- sa/markens totala volym (m
s/V).
• Vissningsgräns: Vattenhalten i marken då markvattnet anses så hårt bun-
det till markpartiklarna att det inte är möjligt för växterna att kunna ta
upp det. Den fysikaliska vissningsgränsen bestäms vid ett bindningstryck
på 150 meter vattenpelare.
Bakgrund
Uppmätta halter av total P (tot-P) i avrinningsvattnet från de i miljöövervaknings- programmet ingående ”Observationsfält på åkermark” visar på ett jordartsberoende samband för P-förlusterna så att koncentrationen är högre från lerjordarna än från de lättare jordarna. Simulerade resultat med ICECREAMDB-modellen (Johnsson m.fl., 2008) visade samma trend för de olika jordarterna, men visade också på någ- ra systematiska avvikelser (Figur 1). En jämförelse mellan simulerade och uppmät- ta medelvärden på P-koncentrationen i avrinningsvattnet visade att modellen över- estimerade värdena för de lättare jordarna, trots att en reduktionsfaktor för ytförlus- ter var pålagd. För lerjordarna var bilden mer komplicerad. Lättare lerjordar med låg P-klass överskattades medan styvare lerjord och lättare lerjordar med medium P-klass underskattades. I en test för att bestämma hur flödesfördelningen av avrin- ningsvattnet påverkade P-förlusterna och P-koncentrationerna justerades parame- tervärdet för ”curve number” (CN) (Djodjic m.fl., 2008). Förändringen i CN på- verkade fördelningen mellan ytavrinning och dräneringsförluster, men i ännu större utsträckning förlusterna av partikulärt P. Förändringarna i vattenflödena och i par- tikeltransporterna var inte proportionella, och sambandet mellan vattenflöde och transport av partikulärt P var jordartsberoende (Djodjic m.fl., 2008). Dessa resultat indikerade på ytterligare behov av test av ICECREAMDB-modellens parameterise- ring och dess påverkan på simulerade vatten- och P-förluster för olika jordarter. Vi gjorde bedömningen att en sådan test bör göras på fältnivå och mot specifika för- söksfält för att möjliggöra utvärdering av resultaten mot mätdata.
LoSa (a)
SiClLo
SaLo SiLo
Cl
SaLo
SiClLo
Lo
SiClLo
SiClLo SaLo
Lo
SiLo
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
uppmätt halt (mg P/l)
simulerad halt (mg P/l)
1:1 linje
Figur 1. Simulerade och uppmätta medelhalter av P-koncentrationen (tot-P) i avrinningsvattnet från de i miljöövervakningsprogrammet ingående ”Observationsfält på åkermark” (omarbetad från Johnsson m. fl., 2008). De uppmätta värdena är korrigerade för att kompensera för icke flödes- proportionella mätningar. SaLo - sandy loam, LoSa - loamy sand, Lo – loam, SiLo – silt loam, SiClLo – silty clay loam, Cl – clay.
Syfte
Syftet med föreliggande projekt är att 1) testa den parameterisering av olika jordar-
ter som använts i ICECREAMDB vid PLC5-beräkningarna, och 2) testa inverkan
av platsspecifika jordegenskaper i parameteriseringen på simulerade avrinnings-
och P-förluster.
Genomförande
Testdata och beskrivning av observationsfäl- ten
Tester och kalibreringar gjordes genom att ICECREAMDB-modellen applicerades på data från tre av de i miljöövervakningsprogrammet ingående ”Observationsfält på åkermark”. De tre olika observationsfälten 2M, 5O och 12N valdes för studien (Figur 2). Fälten består av jordarterna sandy loam och loam. Fälten valdes eftersom de representerar jordarter som förekommer i samtliga läckageregioner i Sverige och motsvarar över 50% av jordbruksarealen i 12 av de 22 regionerna (Johnsson m.fl., 2008) och spelar därför en viktig roll vid beräkningen av de regionala utlak- ningskoefficienterna. Dessutom ligger dessa jordar inom det texturella spannet där strukturella sprickor (makroporer) kan förväntas få en större betydelse. Antaganden i modellen om makroporflöden har visat sig vara viktiga för de simulerade resulta- ten av P-förluster och i parameteriseringen för PLC5-beräkningarna antogs en stor skillnad i makroporernas påverkan just mellan jordarterna sandy loam och loam.
Figur 2. Lokaliseringen av de i studien ingående observationsfälten 2M, 5O och 12N. Platserna är markerade med svarta cirklar på kartan.
Simulerade resultat jämfördes mot uppmätta värden av avrinning (mm/dag) och förluster av total-P och PO
4-P (kg/ha). Förlusterna av P beräknades utifrån uppmätt avrinning och uppmätt P-koncentration i avrinningsvattnet. Eftersom provtagning- arna av P-förlusterna inte var flödesproportionella gjordes en interpolering av P- koncentrationen mellan provtagningstillfällena (Johansson och Gustafson, 2008).
P-förlusterna är inte korrigerade för att kompensera för icke flödesproportionella
provtagningar. I samtliga testade observationsfält är uppmätta data en blandning av
yt- och dräneringsförluster. Klimatdata från närbelägna klimatstationer användes
vid simulering av avrinningen. Tillgången till lokal nederbördsdata var avgörande
för testperiodens längd. Nederbörden (regn och snö) korrigerades med +7% för att
kompensera för mätfel på grund av till exempel vindavdrift runt mätstationen. In-
formation om brukningen av fälten (grödor, gödsling, bearbetning och bevattning) har används som indata till modellen.
Fältet 2M är beläget i södra delen av det småkuperade sydvästskånska dödismorän- landskapet och består av baltisk moränlera. Jordarten klassas i det svenska systemet som en moränlättlera eller enligt internationellt klassificeringssystem som sandy loam/loam. Jorden kan betraktas som struktursvag, med ett svagt utvecklat aggre- gat- och spricksystem. Den har ett gott P-innehåll (P-AL klass III-IV). Under den studerade perioden odlades vår- och höstsådda spannmålsgrödor, sockerbetor och ärtor. Endast handelsgödselmedel tillfördes (N, P och K). Nederbördsdata från försöksplatsen användes i simuleringarna. Temperaturdata var från Skurup, 5 km NO om försöksplatsen. Årsmedelvärden för nederbörd, avrinning och P-förluster redovisas i Tabell 1.
Fältet 5O är belägen på Varaslätten. Matjorden består av lättlera och alven består av mellanlera. Hela profilen klassas som loam. Jorden har ett gott P-innehåll (P- AL klass III). Under den studerade perioden odlades höstvete, ärtor och vårrybs.
Stallgödsel och handelsgödsel (N, P och K) tillfördes. Klimatdata från Lanna för- söksgård, ca 10 km O om försöksplatsen, användes. Årsmedelvärden för neder- börd, avrinning och P-förluster redovisas i Tabell 1.
Fältet 12N är beläget 8 km söder om Laholm. Jordarten domineras av grovmo och sand och klassas som en sandig mo enligt det svenska klassificeringssystemet.
Enligt internationellt klassificeringssystem klassas jorden som sandy loam i mat- jorden, som loamy sand i övre delen av alven och som sand under 60 cm djup.
Under den studerade perioden odlades vår- och höstsådda spannmålsgrödor, potatis och sockerbetor. Stallgödsel och handelsgödsel (N, P och K) tillfördes. Klimatdata från Mellby, ca 5 km N om försöksplatsen, användes. Nederbördsdatan är komplet- terad med den bevattning som gjordes på fältet. Årsmedelvärden för nederbörd, avrinning och P-förluster redovisas i Tabell 1.
Tabell 1. Årsmedelvärden för nederbörd, avrinning och förluster av total-P och PO4-P från observationsfälten 2M, 5O och 12N (Johansson och Gustafson, 2008)
Årsmedelvärden
Fält: Nederbörda (mm) Avrinning (mm)b Tot-Pcd (kg/ha) PO4-Pcd (kg/ha)
2M 662 239 0,15 0,07
5O 558 240 0,24 0,07
12N 773 407 0,09 0,02
a) Nederbörd från näraliggande SMHI-stationer, Medelvärde för perioden 1961-1990.
b) Medelvärden för perioden 1977-2006 för fälten 2M och 12 N och för perioden 1998-2006 för fält 5O.
c) Mängder Tot-P och PO4-P är beräknade från uppmätta värden på avrinning och P-koncentration i avrinningsvattnet. Dagliga värden på P-koncentrationen beräknades genom linjär interpolation mellan mättillfällena.
d) Medelvärden för Tot-P för perioden 1977-2006 för fälten 2M och 12N och för perioden 1998- 2006 för fält 5O. Medelvärden för PO4-P för perioden 1977-2000 för fälten 2M och 12 N och för perioden 2006-2007 för fält 5O.
Parameteriseringstester
Parameteriseringstesterna utfördes i två steg på varje fält:
- Först testades den parameteruppsättning för de aktuella jordarterna som användes i PLC5-beräkningarna, här kallad standardparameterisering (Ta- bell 2-4). Detta gjordes för att få ett mått på standardparameteriseringens giltighet på fältnivå. I standardparameteriseringen är parametrar kopplade till jordarten baserade på pedo-transferfunktioner (Johnsson m.fl., 2008).
- I det andra steget anpassades parameteriseringen till tillgängliga mätdata från varje enskilt observationsfält (Tabell 2-4). En känslighetsanalys gjor- des för att bestämma varje enskild parameters inverkan på den beräknade avrinningen och P-förlusten.
På fältet 5O testades även inverkan av lutningsklass eftersom detta fält har en stör-
re kupering. De parametrar som ändrats för de olika fälten redovisas i tabellerna 2-
4.
Tabell 2. Parametervärden för fältet 2M enligt standardparameterisering för sandy loam och loam från PLC5-beräkningarna och enligt tillgängliga mätdata från fältet
Parameter Enhet Standardparameterisering Fältdata Källa
Sandy loam Loam Standard/Fältdata
Lerhalt % 10d 19d 17;17;18;18d Rawls m.fl., 1982/Svensson, O., 1999
Sandhalta % 62d 42d 50;50;48;46d Rawls m.fl., 1982/Svensson, O., 1999
Organisk haltb % 4,3;4,3;1;1 4,3;4,3;1;1 2,6;2,6;2;1 Rawls m.fl., 1982/Svensson, O., 1999
Porositet % 45,3 46,3 49,6;49,6;43,6;41 Rawls m.fl., 1982/Svensson, O., 1999
Vissningsgräns % 9,5 11,7 8 Rawls m.fl., 1982/Svensson, O., 1999
Fältkapacitetc % 20,7 27 28;28;27;27 Rawls m.fl., 1982/Svensson, O., 1999
Kompaktdensitet ton m-3 2,6;2,6;2,75;2,75 2,6;2,6;2,75;2,75 2,6;2,6;2,65;2,65 Rawls m.fl., 1982/Svensson, O., 1999
pH 6,5 6,5 7,2;7,2;7,4;7,6 Rawls m.fl., 1982/Svensson, O., 1999
a Sand är här lika med summan av fraktionerna sand och grovmo (0.06-2 mm)
b Glödgningsförlust kompenserad för förlust av avdunstande vatten, dvs. enligt Ekströms mullhaltsbestämning
c Volumetrisk vattenhalt (θ) vid 3 m. vp. (30 kPa)
d För standardparameteriseringarna antas samma jordart i hela jordprofilen, medan för fältdata anges jordart i enlighet med kartering för de olika horisontdjupen 0-1, 1-29, 30- 65 och 65-100cm.
-
Tabell 3. Parametervärden för fältet 5O enligt standardparameterisering för loam från PLC5-beräkningarna och enligt tillgängliga mätdata från fältet
Parameter Enhet Standardparameterisering Fältdata Källa
Loam Standard/Fältdata
Lerhalt % 19d 14;14;39;41d Rawls m.fl., 1982/Gustafson, opublicerad data
Sandhalta % 42d 40;40;15;8,5d Rawls m.fl., 1982/Gustafson, opublicerad data
Organisk haltb % 4,3;4,3;1;1 3;3;0,1;0,1 Rawls m.fl., 1982/Gustafson, opublicerad data
Vissningsgräns % 11,7 7;7;14;15 Rawls m.fl., 1982/Gustafson, opublicerad data
Kompaktdensitet ton m-3 2,6;2,6;2,75;2,75 2,6;2,6;2,65;2,65 Rawls m.fl., 1982/Gustafson, opublicerad data
pH 6,5 6,3 Rawls m.fl., 1982/Gustafson, opublicerad data
a Sand är här lika med summan av fraktionerna sand och grovmo (0.06-2 mm)
b Glödgningsförlust kompenserad för förlust av avdunstande vatten, dvs. enligt Ekströms mullhaltsbestämning
c Volumetrisk vattenhalt (θ) vid 3 m. vp. (30 kPa)
d För standardparameteriseringarna antas samma jordart i hela jordprofilen, medan för fältdata anges jordart i enlighet med kartering för de olika horisontdjupen 0-1, 1-29, 30- 65 och 65-100cm
Tabell 4. Parametervärden för fältet 12N enligt standardparameterisering för loamy sand och sandy loam från PLC5-beräkningarna och enligt tillgängliga mätdata från fältet
Parameter Enhet Standardparameterisering Fältdata Källa
Loamy sand Sandy loam Standard/Fältdata
Lerhalt % 5d 10d 10;10;0,1;0,1d Rawls m.fl., 1982/Gustafson, opublicerad data
Sandhalta % 80d 62d 71;71;94;95d Rawls m.fl., 1982/Gustafson, opublicerad data
Organisk haltb % 4,3;4,3;1;1 4,3;4,3;1;1 6;6;1;1 Rawls m.fl., 1982/Gustafson, opublicerad data
Vissningsgräns % 5,5 9,5 5;5;2;2 Rawls m.fl., 1982/Gustafson, opublicerad data
Kompaktdensitet ton m-3 2,6;2,6;2,75;2,75 2,6;2,6;2,75;2,75 2,6;2,6;2,65;2,65 Rawls m.fl., 1982/Gustafson, opublicerad data
a Sand är här lika med summan av fraktionerna sand och grovmo (0.06-2 mm)
b Glödgningsförlust kompenserad för förlust av avdunstande vatten, dvs. enligt Ekströms mullhaltsbestämning
c Volumetrisk vattenhalt (θ) vid 3 m. vp. (30 kPa)
d För standardparameteriseringarna antas samma jordart i hela jordprofilen, medan för fältdata anges jordart i enlighet med kartering för de olika horisontdjupen 0-1, 1-29, 30- 65 och 65-100cm
Parameterbeskrivning
De parametrar som anpassats enligt fältdata påverkar flera olika processer i
ICECREAMDB-modellen. Ofta påverkar varje parameter flera processer samtidigt.
Här följer en kort beskrivning av dessa processer och hur parametrarna påverkar dem.
Texturfraktioner, organiskt material och pH
Markens mineralbundna P fördelas mellan tre olika pooler i modellen – den stabila poolen med hårt bundet P, den aktiva poolen som är ”medelstabil” och den labila poolen med mer lättlösligt P. Lerhalten är en viktig faktor för hur markens mineral- P rör sig mellan de olika mineralpoolerna. Flödena beräknas utifrån olika jämvikts- ekvationer. Flödena mellan den stabila och den aktiva poolen respektive mellan den aktiva och den labila poolen är beroende av både lerhalt, basmättnadsgrad och pH. Flödet mellan den aktiva och den labila P-poolen är dessutom beroende av markens fuktighet och temperatur. Då lerhalten ökar blir mer P hårdare bundet i marken. Med ökat pH blir P mindre hårt bundet. Inverkan av pH på flödena mellan de olika P-poolerna avtar med ökad lerhalt.
Koncentrationen av löst P (DRP) i marklösningen är direkt proportionell mot den labila P-poolens storlek och därför indirekt påverkad av lerhalt och pH eftersom dessa faktorer styr inlagringen av P i den labila poolen. Koncentrationen av DRP är också direkt kopplad till lerhalten och med ökad lerhalt minskar lösligheten av P.
Det innebär alltså att med ökad lerhalt minskar inlagringen av P i den labila poolen och dessutom minskar lösligheten av DRP.
Ler- och sandhalten bestämmer halten silt. Alla texturfraktionerna och halten orga- niskt material ingår i beräkningen av partikelflödet vid erosion och vid beräkning av anrikningsfaktorn som anger en anrikning av fina partiklar i erosionsflödet. De fina partiklarna har högre P-halt och därmed har erosionsmaterialet en högre P-halt än markprofilens P-halt.
Lerhalten påverkar den maximala storleken på den partikelpool som genererar partikulärt flöde i makroporerna. Högre lerhalt ger större pool och därmed ett högre partikel flöde och högre förlust av partikulärt P (PP).
Porositet, fältkapacitet, vissningsgräns och kompaktdensitet
Porositeten, fältkapaciteten (FC) och vissningsgränsen (WP) påverkar markens
förmåga att lagra vatten och bidrar därmed till att fördela vattenflödet mellan ytvat-
tenavrinning, makroporflöde och flöde genom mikroporregionen. Den maximal
aktiva vattenlagringsvolymen (ul) ges av porositeten minus vissningsgränsen. Då ul
är nära vattenmättnad kommer ytterligare tillskott av nederbörd att bilda ytavrin-
ning. Det innebär att ju större lagringsvolymen är desto mindre risk är det att vat-
tenmättnad och därmed ytavrinning uppstår. Fältkapaciteten minus vissningsgrän-
sen anger den största mängd vatten som kan bindas i marken (uf). Om markens
aktuella vattenhalt överstiger uf i en horisont uppstår perkolation och överskotts- vattnet transporteras till den underliggande horisonten eller ut ur profilen som drä- nering. Om markens vattenhalt är mycket nära eller motsvarar fältkapaciteten kan makroporflöde bildas.
Porositeten används också tillsammans med kompaktdensiteten för att beräkna
markens skrymdensitet.
Resultat
Observationsfält 2M
Observationsfältet 2M testades för perioden 1 juli 2000 - 31 december 2005. Den ackumulerade nederbörden för perioden uppgick till 3511 mm och den ackumule- rade uppmätta avrinningen till 951 mm. Den ackumulerade förlusten av total-P uppgick till 0,64 kg/ha och av PO
4-P (DRP) till 0,22 kg/ha. Fältet 2M har en jord- artssammansättning som ligger precis mellan klasserna sandy loam och loam och därför testades båda dessa standardparameteriseringar. Parameteriseringen för san- dy loam överskattade avrinningen något (1041 mm; +9%), medan parameterise- ringen för loam något underskattade den totala avrinningen (873 mm; -8%) (Figur 3). Båda resultaten får dock anses som bra. Vad gäller dynamiken på dygnsbasis startade avrinningen senare och avslutades senare i simuleringarna än i mätningar- na för både sandy loam och loam (Figur 4). Loam reagerade dock snabbare än sandy loam och hade på grund av makroporflöden tidiga flödespikar som snabbt stannade av. I sandy loam bildades inget makroporflöde. Simuleringarna nådde inte pikarna i flödestopparna. För beräkningarna av P-förluster underskattade mo- dellen total-P (0.48 kg/ha; -25%) och överskattade DRP (0.3 kg/ha; +36%) för sandy loam och överskattade både total-P (2.58 kg/ha; +300%) och DRP (0.41 kg/ha; +86%) för loam (Figur 5 och 6).
0 300 600 900 1200
2000-07- 01
2001-01- 01
2001-07- 01
2002-01- 01
2002-07- 01
2003-01- 01
2003-07- 01
2004-01- 01
2004-07- 01
2005-01- 01
2005-07- 01
mm
Mätning Standardloam Standard sandyloam 2M-loam 2M-sandyloam
Figur 3. Ackumulerad avrinning, uppmätt och simulerad med ICECREAMDB med olika varianter av parametersättningar, för observationsfältet 2M i miljöövervakningsprogrammet ”Observations- fält på åkermark” under perioden 1 juli 2000-31 december 2005. Standardparametersättningen är den som användes i PLC5-beräkningarna för respektive jordart och 2M är platsspecifik paramete- risering.
0 3 6 9 12 15
2000-07-01 2000-09-01 2000-11-01 2001-01-01 2001-03-01 2001-05-01 2001-07-01 2001-09-01 2001-11-01 2002-01-01 2002-03-01 2002-05-01 2002-07-01 2002-09-01 2002-11-01 2003-01-01 2003-03-01 2003-05-01 2003-07-01 2003-09-01 2003-11-01 2004-01-01 2004-03-01 2004-05-01 2004-07-01 2004-09-01 2004-11-01 2005-01-01 2005-03-01 2005-05-01 2005-07-01 2005-09-01 2005-11-01
mm
Mätning Standardloam Standard sandyloam 2M-loam 2M-sandyloam
Figur 4. Daglig avrinning, uppmätt och simulerad med ICECREAMDB med olika varianter av parametersättningar, för observationsfältet 2M i miljöövervakningsprogrammet
”Observationsfält på åkermark” under perioden 1 juli 2000-31 december 2005. Standardparametersättningen är den som användes i PLC5-beräkningarna för respektive jordart och 2M är platsspecifik parameterisering.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
2000-07-01 2000-09-01 2000-11-01 2001-01-01 2001-03-01 2001-05-01 2001-07-01 2001-09-01 2001-11-01 2002-01-01 2002-03-01 2002-05-01 2002-07-01 2002-09-01 2002-11-01 2003-01-01 2003-03-01 2003-05-01 2003-07-01 2003-09-01 2003-11-01 2004-01-01 2004-03-01 2004-05-01 2004-07-01 2004-09-01 2004-11-01 2005-01-01 2005-03-01 2005-05-01 2005-07-01 2005-09-01 2005-11-01
kg/ha
Mätningar Standard loam Standard sandyloam 2M-loam 2M-sandyloam
Figur 5. Ackumulerad förlust av total-P, uppmätt och simulerad med ICECREAMDB med olika varianter av parametersättningar, för observationsfältet 2M i miljöövervakningsprogrammet ”Ob- servationsfält på åkermark” under perioden 1 juli 2000-31 december 2005. Standardparameter- sättningen är den som användes i PLC5-beräkningarna för respektive jordart och 2M är platsspe- cifik parameterisering.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
2000-07-01 2000-10-01 2001-01-01 2001-04-01 2001-07-01 2001-10-01 2002-01-01 2002-04-01 2002-07-01 2002-10-01 2003-01-01 2003-04-01 2003-07-01 2003-10-01 2004-01-01 2004-04-01 2004-07-01 2004-10-01 2005-01-01 2005-04-01 2005-07-01 2005-10-01
kg/ha
Mätning Standard loam Standard sandyloam 2M-loam 2M-sandyloam
Figur 6. Ackumulerad avrinningsförlust av löst P (DRP), uppmätt och simulerad med
ICECREAMDB med olika varianter av parametersättningar, för observationsfältet 2M i miljööver- vakningsprogrammet ”Observationsfält på åkermark” under perioden 1 juli 2000-31 december 2005. Standardparametersättningen är den som användes i PLC5-beräkningarna för respektive jordart och 2M är platsspecifik parameterisering.
När parameteriseringen ändrades enligt fältdata (Tabell 2) ökades markens lag- ringskapacitet av vatten. Därmed underskattades den totala avrinningen med 19%
för både sandy loam och loam (774 respektive 767 mm) och det var alltså ingen skillnad mellan de båda jordarterna längre på den ackumulerade avrinningen (Figur 3). För sandy loam underskattades total-P fortfarande, dock inte lika mycket (0.54 kg/ha; -16%) medan förlusten av DRP nådde samma ackumulerade värde som vid standardparameteriseringen (Figur 5 och 6). För loam överskattades fortfarande både total-P och DRP kraftigt (2,44 kg/ha; +280% och 0,47 kg/ha; +114%).
För att undersöka varje enskild parameters betydelse för förändringen i vatten- och P-flödena gjordes en känslighetsanalys för de parametrar som ändrades enligt fält- data (Tabell 5). Parameterförändringarna redovisas i Tabell 2. För vattenflödena var det förändringar i parametrarna för porositet, fältkapacitet (FC) och vissnings- gräns (WP) som hade störst påverkan. Eftersom både lerhalten och pH påverkar lösligheten av P i modellen påverkades transporten av DRP kraftigt vid förändring av dessa parametrar. Sand- och lerhalten har inverkan på beräkningen av partikel- genereringen vid ytavrinning och makroporflöde. Beräkningarna sker dock på olika sätt och inverkan på förlusterna för PP genom makroporflöden påverkades mer än förlusten av PP via ytavrinning då ler- och sandhalten förändrades.
Resultaten från känslighetsanalysen visar tydligt på ICECREAMDB-modellens
komplexitet där många parametrar på olika sätt samtidigt påverkar flera processer.
Tabell 5. Beräknade förluster vid standardparametersiering och effekten av olika parametersättningar på beräkningarna av avrinning och fosforförluster i observa- tionsfältet 2M under perioden 1 juli 2000 – 31 december 2005. Beräknade resultat med parameterisering i enlighet med uppmätta fältdata jämförs med resultat beräknade med en standardparameterisering som är den parametersättning för jordarterna sandy loam respektive loam som använts vid PLC5-beräkningarna (Johnsson m.fl., 2008). Negativa värden betyder att parameterisering enligt fältdata givit ett lägre simulerat flöde än då standardparameterisering användes. Pro- centuell förändring i beräknade flöden för vatten, löst P (löst reaktivt PO4-P; DRP) respektive partikulärt P (PP) totalt och i ytavrinning och flöden i makropor- och mikroporregionen redovisas.
Förluster med standardparameterisering
Avrinning (mm) P-flöden (kg/ha)
Total Yta Makropor Mikropor Tot-P Tot-DRP PP yta PP makro DRP yta DRP makro+mikro
Loam 873 66 72 735 2,58 0,41 0,36 1,81 0,14 0,27
Sandy loam 1041 46 0 995 0,48 0,30 0,18 0 0,11 0,19
Förändring (%)
Avrinning P-flöden
Parameter: Total Yta Makropor Mikropor Tot-P Tot-DRP PP yta PP makro DRP yta DRP makro+mikro
Loam
Lerhalt -0,3 <-0,1 +0,3 -0,3 -7 +2 +0,6 -10 +3 +2
Sandhalt +0,5 -0,1 +9 -0,4 +9 +3 +3 +11 <-0,1 +5
Organiskt material - - - - -0,2 <+0,1 -1 <-0,1 <+0,1 <+0,1
Porositet -0,3 -5 +2 <-0,1 -3 -2 -7 -2 -6 -0,1
Fältkapacitet -1 +6 -2 -2 -0,4 +0,9 +8 -2 +6 -2
Vissningsgräns -12 -6 -0,5 -14 -2 -6 -4 -2 -6 -6
Kompaktdensitet - - - - <-0,1 <-0,1 <-0,1 <-0,1 <-0,1 <-0,1
pH - - - - +3 +20 -0,2 -0,2 +17 +21
Alla parametrar -13 -3 -2 -15 -5 +13 +10 -13 +14 +13
Sandy loam
Lerhalt +0,8 <+0,1 - +0,8 -8 -12 -1,8 - -10 -13
Sandhalt -1 <+0,1 - -1 -2 -0,7 -3 - -0,2 -1
Organiskt material - - - - -0,2 <-0,1 -0,6 - +0,1 <-0,1
Porositet -0,2 +7 - -0,5 -0,3 +1,4 -3 - +5 -0,5
Fältkapacitet -21 +40 - -24 +22 -0,8 +61 - +38 -24
Vissningsgräns -5 +2 - -6 -0,9 -3 +3 - +1 -6
Kompaktdensitet - - - - <-0,1 <-0,1 <-0,1 - <-0,1 <-0,1
pH - - - - +15 +24 -0,3 - +16 +29
Alla parametrar -26 +33 - -30 +16 +0,3 +44 - +36 -21
Observationsfält 5O
Observationsfältet 5O testades för perioden 1 januari 1999 – 31 december 2005.
Den ackumulerade nederbörden för perioden uppgick till 4398 mm och den acku- mulerade uppmätta avrinningen till 1547 mm. Den ackumulerade förlusten av to- tal-P uppgick till 0,99 kg/ha och av PO
4-P (DRP) till 0,60 kg/ha. Fältet 5O klassas som en loam. Med standardparameteriseringen beräknades avrinningen till 1008 mm, vilket är en underskattning med 35% (Figur 7). Tidsdynamiken simulerades bra, men flödena var för låga (Figur 8). Standardparamteriseringen överskattade förlusten av total-P (2,17 kg/ha; +119%) och underskattade DRP (0,45 kg/ha; - 25%) (Figur 9 och 10). När parameteriseringen ändrades efter tillgänglig fältdata (Tabell 3) minskade förlusten av P (Figur 9 och 10) medan beräkningen av avrin- ning i princip var oförändrad (1014 mm; Figur 7). Total-P överskattades dock fort- farande (1,62 kg/ha; +64%) och DRP underskattades ytterligare (0,39 kg/ha; -35%) (Figur 9 och 10). Det var förändringen av lerhalten och vissningsgräns som hade störst inverkan på beräkningarna (Tabell 6). Den lägre lerhalten i ytan gjorde att DRP i ytavrinningen ökade med 7% på grund av högre löslighet från den labila P- poolen och att PP minskade med 26% på grund av att den maximala partikelpoolen för makroportransport minskade. Under 30 cm djup ökade lerhalten och därmed också stabiliteten hos markfosforn, vilket bidrog till en minskning av DRP- förlusten genom dräneringen med 15%.
Även inverkan av lutningsklass testades. En ökning från låg (medellutning 1,43%) till medium (medellutning 2,57%) lutningsklass påverkade avrinningen främst genom att fördelningen mellan ytavrinning och flöden i makropor respektive mik- roporregionen. Detta i sin tur medförde stora omfördelningar av P-flödena mellan yt- och dräneringsförluster respektive PP och DRP (Tabell 6). Däremot hade änd- ringen av lutningsklass endast minimal påverkan på de totala förlusterna; +0,7%
för total avrinning och +0,4% för total P-förlust. I dessa beräkningar är inte någon
reduktion av ytförlusterna för att kompensera för fastläggning i zonen mellan fält-
kant och vattendrag pålagd. I PLC5-beräkningarna användes en generell reduk-
tionsfaktor på 55% för ytförlusterna, och vid ett sådant förfarande blir fördelningen
mellan yt- och perkolationsflöden av större betydelse för den totala förlusten än
vad som visats här.
0 500 1000 1500 2000
99-01-01 99-04-01 99-07-01 99-10-01 00-01-01 00-04-01 00-07-01 00-10-01 01-01-01 01-04-01 01-07-01 01-10-01 02-01-01 02-04-01 02-07-01 02-10-01 03-01-01 03-04-01 03-07-01 03-10-01 04-01-01 04-04-01 04-07-01 04-10-01 05-01-01 05-04-01
mm MätningStandardloam
5O-loam
Figur 7. Ackumulerad avrinning, uppmätt och simulerad med ICECREAMDB med olika varianter av parametersättningar, för observationsfältet 5O i miljöövervakningsprogrammet ”Observations- fält på åkermark” under perioden 1 januari 1999-31 december 2005. Standardparametersättning- en är den som användes i PLC5-beräkningarna för loam och 5O är platsspecifik parameterisering.
0 3 6 9 12 15
1999-01-01 1999-03-01 1999-05-01 1999-07-01 1999-09-01 1999-11-01 2000-01-01 2000-03-01 2000-05-01 2000-07-01 2000-09-01 2000-11-01 2001-01-01 2001-03-01 2001-05-01 2001-07-01 2001-09-01 2001-11-01 2002-01-01 2002-03-01 2002-05-01 2002-07-01 2002-09-01 2002-11-01 2003-01-01 2003-03-01 2003-05-01 2003-07-01 2003-09-01 2003-11-01 2004-01-01 2004-03-01 2004-05-01 2004-07-01 2004-09-01 2004-11-01 2005-01-01 2005-03-01 2005-05-01 2005-07-01 2005-09-01 2005-11-01
mm
Mätning Standardloam 5O-loam
Figur 8. Daglig avrinning, uppmätt och simulerad med ICECREAMDB med olika varianter av parametersättningar, för observationsfältet 5O i miljöövervakningsprogrammet
”Observationsfält på åkermark” under perioden 1 januari 1999-31 december 2005. . Standardparametersättningen är den som användes i PLC5-beräkningarna för loam och 5O är platsspecifik parameterisering.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
99-01-01 99-04-01 99-07-01 99-10-01 00-01-01 00-04-01 00-07-01 00-10-01 01-01-01 01-04-01 01-07-01 01-10-01 02-01-01 02-04-01 02-07-01 02-10-01 03-01-01 03-04-01 03-07-01 03-10-01 04-01-01 04-04-01 04-07-01 04-10-01 05-01-01 05-04-01 05-07-01 05-10-01
kg/ha Mätning
Standardloam 5O-loam
Figur 9. Ackumulerad avrinningsförlust av total-P, uppmätt och simulerad med ICECREAMDB med olika varianter av parametersättningar, för observationsfältet 5O i miljöövervakningspro- grammet ”Observationsfält på åkermark” under perioden 1 januari 1999-31 december 2005. . Standardparametersättningen är den som användes i PLC5-beräkningarna för loam och 5O är platsspecifik parameterisering.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
99-01-01 99-04-01 99-07-01 99-10-01 00-01-01 00-04-01 00-07-01 00-10-01 01-01-01 01-04-01 01-07-01 01-10-01 02-01-01 02-04-01 02-07-01 02-10-01 03-01-01 03-04-01 03-07-01 03-10-01 04-01-01 04-04-01 04-07-01 04-10-01 05-01-01 05-04-01 05-07-01 05-10-01
kg/ha Mätning
Standardloam 5O-loam
Figur 10. Ackumulerad avrinningsförlust av löst P (DRP), uppmätt och simulerad med
ICECREAMDB med olika varianter av parametersättningar, för observationsfältet 5O i miljööver- vakningsprogrammet ”Observationsfält på åkermark” under perioden 1 januari 1999-31 december 2005. . Standardparametersättningen är den som användes i PLC5-beräkningarna för loam och 5O är platsspecifik parameterisering.
Tabell 6. Förluster vid standardparametersiering och effekten av olika parametersättningar på beräkningarna av transport av vatten och fosfor i observationsfäl- tet 5O under perioden 1 januari 1999 – 31 december 2005. Beräknade resultat med parameterisering i enlighet med uppmätta fältdata jämförs med resultat beräk- nade med en standardparameterisering som är den parametersättning för jordarten loam som använts vid PLC5-beräkningarna (Johnsson m.fl., 2008). Negativa värden betyder att parameterisering enligt fältdata givit ett lägre simulerat flöde än då standardparameterisering användes.
Förluster med standardparameterisering
Avrinning (mm) P-flöden (kg/ha)
Total Yta Makropor Mikropor Tot-P Tot-DRP PP yta PP makro DRP yta DRP makro+mikro
Loam 1008 54 38 916 2,17 0,45 0,54 1,18 0,15 0,30
Förändring (%)
Avrinning P-flöden
Parameter: Total Yta Makropor Mikropor Tot-P Tot-DRP PP yta PP makro DRP yta DRP makro+mikro
Loam
Lerhalt -0,5 -0,2 <-0,1 -0,5 -16 -7 +0,7 -26 +7 -15
Sandhalt -0.1 <-0,1 <0.1 -0,1 <-0.1 <-0.1 -0.2 <-0.1 <-0.1 <-0.1 Organiskt
material
- - - - -0,3 <+0,1 -1.4 <-0,1 <+0,1 <+0,1
Vissningsgräns +1 +10 -27 +2 -11 -2 +10 -25 +10 -9
Kompaktdensi- tet
- - - - <-0,1 <-0,1 <-0,1 - <-0,1 <-0,1
pH - - - - -0.9 -5 <+0,1 <+0,1 -5 -5
Alla parametrar -13 -3 -2 -15 -5 +13 +10 -13 +14 +13
Lutningsklassa +0,7 +17 -28 +0,9 +0,4 -12 +109 -44 +20 -28
a Ändring av lutningsklass från låg lutningsklass (standardparameteriseringen; medellutning 1,43% ) till medium (standardparameterisering; medellutning 2,57%).
