Var kommer fosforn ifrån? Kvantifiering av flödesvägar för fosfor och sedimentförluster i ett jordbruksdominerat avrinningsområden

Sammanfattning av slutrapport
Use of models for assessments of sources of P and sediments was investigated, with focus on possible added value of intense monitoring, efforts to include local information, and local model calibration. Fingerprinting techniques for assessments of sources to sediments was investigated and the potential of the use of 18O isotope ratios in water to reduce uncertainties of water flow paths. Also the potential to use oxygen isotope ratios in dissolved inorganic phosphate in riverine surface water to distinguish between P originating from agricultural runoff and from rural sewage effluents was assessed. Field work was carried out in two agricultural-dominated catchments, combined with hydrological modelling. The potential to use d18OP in the differentiation of P sources within small catchments with short riverine transit times was demonstrated. It was also concluded that it rather is the complexity of processes than database limitations that is the main cause of model uncertainty.

Populärvetenskaplig sammanfattning
Vad kommer fosforn från? Kvantifiering av källor och flödesvägar för fosfor och sedimentförluster i ett jordbruksdominerat avrinningsområde

Bakgrund och syfte

Genom ”Baltic Sea Action Plan” finns stärkta krav på reducering av fosfor till Östersjön, men även flera inlandssjöar och vattendrag. För att uppnå målen krävs kostnadseffektiva åtgärder. I projektet undersöks därför var fosforn i ett jordbruksdominerat område kommer ifrån. Syftet är att testa nya metoder för att kunna kvantifiera flödesvägar samt källfördelning för fosfor.

Vi har undersökt om variationer i sammansättningen av syreisotopen som är kopplad till löst oorganiskt fosfat kan användas för att skilja mellan fosfor från jordbruksmark och från fosfor från enskilda avlopp. Dessutom har vi analyserat om och hur ökad tillgång till lokal information om t.ex. hur jordbruk bedrivs minskar på osäkerheter i modelleringen. Vi har även tittat på hur stor inverkan lokal kalibrering av modeller har, jämfört med när man använder en modell som är uppsatt för hela Sverige med nationella databaser. Även andra tekniker för att spåra vattnet och fosforns flödesvägar har testats, t.ex. hur ”fingeravtryck” i form av innehåll av olika grundämnen i sediment från olika delar av landskapet speglas i sediment som lämnar ett avrinningsområde. En annan testad teknik är att se på hur fördelningen syreisotopen i vatten varierar över tiden. Eftersom vatten med olika uppehållstid i marken har olika signatur kan man använda denna teknik till att spåra vattnets (och därmed även fosforns) flödesvägar. Detta är viktig information för att bestämma vilka åtgärder som är lämpliga.

Material och metoder

För att undersöka den tidsmässiga variationen av syreisotopsignaturen hos fosfat i ett vattendrag genomfördes ett provtagningsprogram i ett litet (7.3 km2) jordbruksdominerat avrinningsområde. Vatten samlades in vid utloppet av avrinningsområdet, samt från dräneringsbrunnar på jordbruksmark och från avloppsvattensbrunnar. Samtidigt samlades vatten in för analyser av vattnets innehåll av total fosfor, fosfat och för isotopanalys av vattenmolekylen. Provtagningen gjordes så att säsongs och flödesdynamik fångades. Val av tidpunkt för provtagning gjordes med hjälp av SMHI:s hydrologiska prognosverktyg WebHyPro. En automatisk provtagare för intensivprovtagning (varannan timme) vid flödesförändringar orsakade av stora regnmängder och snösmältning. Provtagning av kväve, fosfor och kisel och suspenderat material genomfördes även i ett större avrinningsområde (162 km2), där även material in för ”fingeravtrycksanalys” med syfte att hitta källor till suspenderat sediment samlades in. Sedimentprovtagning gjordes för olika landskapselement, samt i en sedimentfälla i vattendraget. Den hydrologiska avrinningmodellen HYPE sattes upp för båda avrinningsområdena. Lokala uppsättningar av modellen, med olika kombinationer av tillgång till lokal information och lokala mätningar användes för att bedöma hur och om inkludering av denna information minskade modellosäkerhet.

Resultat

Resultaten visade att de uppmätta variationerna av syreisotopen i fosfatjonen verkligen speglade variationer i bidrag från olika källor. Tre källor för löst organiskt fosfor kunde identifieras; den geologiska bakgrunden, avloppsvattnet, samt fosfat som kommer från gödsling av åkrar.
Användning av lokal information förbättrade enbart i mycket begränsad omfattning förbättrade avrinningsområdesmodellens överenstämmelse med tillgängliga mätningar. Undantaget var väderdata (nederbörd och temperatur) från en lokal meteorologisk station, som sattes upp specifikt för projektet. Denna information förbättrade den hydrologiska modelleringen signifikant och indirekt påverkade den även modelleringen av fosfor. För perioderna med intensivprovtagning, där modellen kördes med både dygns- och timsteg visade det sig att prediktionerna inte förbättrades av den högre tidsupplösningen. Den nationella uppsättningen av HYPE bygger på regional kalibrering, som delvis kompletteras med lokala uppdateringar. Resultaten från denna studie visade att lokal kalibrering signifikant förbättrade resultaten. Det visade sig även att användning av information om dynamiken av fördelning av vattnets syreisotop i nederbörd och vattenflöden i kalibrering av modellen kunde minskade osäkerheten i prediktion av vattnets flödesvägar, vilket i sin tur ökade möjligheten att förstå fosforns flödesvägar. Testet av fingertrycksavtryck i det större avrinningsområet visade på signifikanta skillnader i signalen mellan olika landskapskomponenter. Studier för att bedöma om det går att särskilja på bidragen från olika landskapsdelar i den integrerade signalen i floden från sediment fångade i floden kommer att slutföras i december 2013.

Diskussion och slutsatser

Möjligheterna att använda syreisotopen i fosfat för att skilja på källor visade sig som en framkomlig väg, åtminstone för små områden med korta uppehållstider i vattendrag. Tekniken verifierade bl.a. dominansen av avloppsvatten under sommarens lågflödesperioder. En annan slutsats är att, med undantag för lokal meteorlogisk information, förbättras modellresultat kopplade till fosforflöden endast i begränsad omfattning genom användning av detaljerade lokala databaser istället för nationella databaser. Detta återspeglar att det snarare är komplexiteten i processerna än tillgång till lokal information som bidrar till den största delen av osäkerheter. Genom att inkludera information om syreisotopens sammansättning i nederbörd och bäckvatten förbättras möjligheten till förståelse av vattnets flödesvägar, vilket även ökar möjligheten till beslut om relevanta åtgärder. Kombination av analyser från övervakningsprogram, isotoptekniker, samt expertbedömningar rekommenderas därför som vägen framåt till lokal vattenförvaltning med syfte att nå mål kopplade till minskad transport av fosfor och andra näringsämnen.