Förbättring av beräkningsmetodiken för diffus belastning av fosfor från åkermark

Diffusa förluster av näringsämnen från åkermark är en stor och relativt osäker källa för belastning på vatten eftersom de inte går att mäta annat än i mycket små fältförsök utan måste beräknas. Metodiken för beräkning av fosforförluster för jordbruksmark är nyframtagen och grundas på läckagekoefficienter som framräknades med ICECREAMDB–modellen. Dessa läckagekoefficienter beräknades för PLC5-rapporteringen till HELCOM för 22 läckageregioner, 15 grödor, 10 jordarter, 3 lutningsklasser samt 3 klasser för markens fosforhalt (Phalt) (Brandt m.fl., 2008). Problem som uppträder på grund av bristfällig indata på nationell skala är inte fokus i detta projekt. Men eftersom bristande indata påverkar våra möjligheter att bedöma modellens prestation testades modellen och läckagekoefficienter i ett antal studieområden för vilka mer detaljerade indata redan finns eller kan skaffas. En analys av avvikelser mellan modellerade resultat och uppmätta data för avrinnande vatten utfördes för att identifiera både svagheter i metodiken och möjliga förbättringar inför framtida beräkningar. För att i största möjliga mån avskilja jordbruket som P-källa från övriga källor studerades små avrinningsområden där jordbruksförluster dominerar övriga P-källor. För att undvika osäkerheter kring Pretention i sjöar valdes dessutom områden med liten eller ingen sjöyta. Förutom denna avvikelseanalys studerades ytterligare två frågor. Den ena berör underlaget för införandet av säsongs- eller flödesberoende läckagekoefficienter vilket studerades genom statistiska analyser av mätdata. Den andra berör de iakttagna höga P-förluster i region 9 där det gjordes en jämförelse av beräkningsresultat och befintliga mätdata. Tre grundförklaringar för avvikelser mellan uppmätta och modellerade värden identifierades: 1) Indata är inte representativa eller är för grova för att kunna beskriva förhållanden i det berörda delavrinningsområdet. 2) Parametriseringen av ICECREAMDB modellen är inadekvat och/eller gjorda antaganden är osäkra 3) Processer i modellen är inte beskrivna på tillbördigt sätt och bör modifieras/bytas ut för att förbättra resultaten Beträffande gjorda antaganden med avseende på osäkerheter kring klassindelningen av lutningen och markens P-halt föreslår vi användning av regressionsekvationer som möjliggör användning av diskreta värden för varje delavrinningsområde istället för klasser. I detta projekt identifierades också ett antal områden där det finns stor potential att förbättra modellens beskrivning av viktiga processer för P-transport, där den 3 viktigaste är beskrivningen av P-kemi och P-pooler i marken. Dessutom kan användningen av modellen förbättras genom en mer jordartsberoende parametrisering av till exempel parametrar som styr fördelningen mellan ytavrinning och infiltration eller partikelgenerering. Därutöver föreslår vi en utökad kalibrering och testning av både ICECREAMDBmodellen och de framräknade läckagekoefficienterna genom att i ett första steg sätta upp, parametrisera, kalibrera och validera ICECREAMDB för relevanta observationsfält för att minska osäkerheter och testa modellens prestation. Sedan, i det andra steget, föreslår vi uppsättning, parametrisering, kalibrering och validering av en källfördelningsmodell för ett antal små, sjölösa, jordbruksdominerade avrinningsområden för att testa och validera framräknade läckagekoefficienter och ge feedback till fältmodellering samt till framtida beräkningar. Utförda statistiska analyser visar at det finns lite underlag för att kunna införa säsongsvisa eller flödesberoende läckagekoefficienter istället för den årsmedelhalt som används för tillfället. En jämförelse av de höga P-förluster i läckageregion 9 med uppmätt data visade att beräkningarna snarare underskattade än överskattade P-förluster.Diffuse losses of phosphorus (P) from arable land are high, but since they are not possible to measure at national scale they need to be estimated by use of nutrient transport models. A new methodology for estimation of P losses from agriculture has been developed for the purposes of HELCOM´s Pollution Load Compilation. This methodology is based on P export coefficients which are calculated with ICECREAMDB model. A matrix of export coefficients includes 22 leaching regions, 15 crops, 10 soil types, 3 slope classes and 3 soil P content classes. Considering limitations of input data and the validity of assumptions which were made in the calculations, as well as the limited testing of the applied model for Swedish conditions, an analysis of the discrepancies between calculated results and measured values was performed in this project to identify potential weaknesses and possible improvements to develop future calculations. Small catchments dominated by agriculture were studied in order to focus on diffuse sources from agriculture. Additionally, in order to minimize uncertainties connected to the P retention in lakes, a selection of catchments without lakes was done. Besides this analysis of discrepancies, additionally two issues were studied. The first issue is the seasonal and/or flow related differentiation of agricultural export coefficients which was done by statistical analyses of measured data. The other issue considers the evaluation of calculated high P losses in leaching region 9 which was done by comparison of modelled results and available measured values. Three main explanations were found for discrepancies between measured and modelled values: 1. Input data is not representative or its resolution is too low to properly describe conditions in the certain catchment 2. Parametrisation of the ICECREAMDB model is inadequate and or the assumptions that were made are too uncertain 3. The important processes in the ICECREAMDB model are not properly described and should be changed to improve results The problem with weak input data is outside the frames of this project but since weak input data influence our possibilities to evaluate model performance we suggest testing of ICECREAMDB model in catchments where we have better data or such data is easily collected. In order to minimize uncertainties connected to class definition regarding slope and soil P content, use of regression equations is suggested since it allows use of specific values for each given catchment. Several possibilities for further model development are also identified in this project. Some of the most important are improvement of the description of P chemistry and distribution of P in different P pools. Also, model application might be improved by better parametrisation of factors governing apportionment between surface runoff and infiltration as well as generation of soil particles. Additionally, a wider calibration and testing of ICECREAMDB and export coefficients are suggested. In the first step, set-up, parametrisation, calibration and validation of ICECREAMDB should be done on the field scale with the available water quality monitoring data. Then, in the second step set-up, parametrisation, calibration and validation of a source apportionment model for a number of small agricultural catchments is suggested in order to test and validate calculated export coefficients and to give feedback to field-scale modelling. Performed statistical analyses show that there is little statistical support for introduction of seasonal or flow-dependent export coefficients instead of the current annual average. A comparison between measured and modelled values in leaching region 9 shows a reasonable agreement where the calculated values are underestimated rather than overestimated