Simulating runoff, erosion, and phosphorus transport from a field with the ICECREAM model

Yli 60 % Etelä- ja Länsi-Suomen pelloista ovat savimaita. Pohjoisten hydrologisten olosuhteiden takia suurin osa näistä pelloista on salaojitettu: Keskimäärin haihdunta on vähäistä ja sadanta suhteellisen runsasta, minkä lisäksi savimailla on korkea vedenpidätyskyky. Tästä johtuva maankosteus on liian korkea optimaalisiin viljelytuloksiin.

Pintavalunnan lisäksi salaojavalunnan on todettu olevan tärkeä kiintoaine- ja fosforihuuhtoumareitti, myös suhteellisen tasaisilla pelloilla. Savimaan pienen rae koon takia eroosio ja kiintoainehuuhtouma, sekä kiintoaineen mukana kulkeutuva fosfori, on merkittävä ongelma vesistöjen laadun kannalta. Suomessa valtaosa ihmisen aiheuttamasta fosforikuormasta Itämereen johtuu maataloudesta. Peltojen fosforitase on pitkään ollut positiivinen, koska muutaman viimeisen vuosikymmenen ajan peltoja on lannoitettu fosforilla enemmän kuin mitä sadon mukana on korjattu. Fosfori akkumuloituu tällöin maahan.

Tavoitteena oli arvioida ICECREAM-peltomallia Gårdskullan tutkimusalueelta kerättyä aineistoa vasten. Gårdskullan peltolohko on Etelä-Suomelle tyypillinen loiva, salaojitettu savimaa. Laaja aineisto koostuu pellon hydrologian seurannasta sekä valuntavesien kiintoaine- ja ravinnemittauksista yli kymmenen vuoden ajanjaksolta, jonka aikana siirryttiin viljanviljelystä luonnonmukaiseen nurmeen.

ICECREAM-mallin tietokanta kattaa kaikki Suomen valuma-alueet, ja mallinnustulosten vertailu mittaustuloksiin antoi tietoa operatiivisen mallin kyvystä arvioida maankäyttömuodon ja sääolojen vaikutusta hydrologisiin prosesseihin ja ainevirtoihin.

ICECREAM-malli toisti mittauksissa havaittua fosforikuorman fraktioiden suhteellista muutosta: siirryttäessä nurmiviljelyyn liukoisen fosforin osuus kokonaisfosforikuormasta kasvoi, ja vastaavasti hiukkasmaisen fosforin osuus laski. Malli kuitenkin yliarvioi huomattavasti vuosittaista valuntaa, mikä aiheutti ongelmia vesitaseessa, sekä kokonaisfosforikuormaa.

———————————–
Over 60 % of the agricultural fields in southern and western Finland are clayey. Because of the hydrometeorological conditions under a humid climate and a high water retention capacity of clay most of these fields need artificial drainage for proper cultivation measures and crop growth. In the region, over 70 % of the field area is subsurface drained, in the whole of Finland over 60 %.

Because of the small particle size of clay soils, erosion and leaching of solids and particulate phosphorus is a threat to the quality of the receiving water bodies. In Finland, the majority of the human-induced phosphorus load to the Baltic Sea traces from agriculture. For the last few decades, the fields have been overfertilized.

The objective was to evaluate ICECREAM, an agricultural management system model using field data collected during long-term campaign in Siuntio. The Gårdskulla field section is typical for southern Finland: a relatively flat, subsurface drained clay soil. The dataset consisted of field hydrology data and solids and nutrient load measurements from a period of over 10 years, during which there was a transition from grain crop cultivation to permanent grass. The ICECREAM database covers all Finnish watersheds, and comparison of the modeling results to the measurements provided information on the model capacity to estimate the effects of land management practices and climate on the hydrological and water quality processes in soil.

The ICECREAM model reproduced the observed relative change in phosphorus fractions: When changing from grain crop to permanent grass, the share of dis-solved phosphorus of the total phosphorus load increased, and the share of particulate phosphorus decreased. However, the model significantly overestimated the total absolute phosphorus load, and annual field runoff, which caused biases in the simulated water balance.

—————————–
Över 60 % av åkrarna i södra och västra Finland är lera. På grund av de hydrometeorologiska förhållandena i ett fuktigt klimat och lermarkers förmåga att binda vatten, kräver de flesta av dessa åkrar konstgjord dränering för anständiga odlingsresultat. Över 70 % av åkermarken i området är täckdikad.

Förutom via ytavrinning transporteras sediment och fosfor via täckdiken även på relativt svaga sluttningar. Eftersom lera har en väldigt liten partikelstorlek är erosion och utlakning av sediment och fosfor ur jordbruksmark betydliga problem för kvaliteten av mottagande ytvatten.

Av den fosforbelastning i Östersjön som orsakas av människan i Finland är merparten från jordbruket. Fosforbalansen i finsk jordbruksmark har länge varit positiv på grund av omåttlig gödning av åkrarna.

Data insamlad från Gårdskullas forskningsområde tillämpades för utvärdering av ICECREAM, en modell för hydrologi och ämnestransport. Åkeravsnittet i Gårdskulla är en för södra Finland typisk, relativt svagt sluttande täckdikad lerjord. Det omfattande materialet består av data över fälthydrologin och mätningar av näringsämnes- och sedimentkoncentrationer i avrinningsvatten samlad under en 10 års period. Under perioden skedde en ändring i produktionsriktningen från spannmåls- till ekologisk gräsodling. ICECREAM-modellens databas omfattar alla finska avrinningsområden, och jämförelse av modellresultat med mätresultat gav information om modellens förmåga att uppskatta effekter av produktionsriktning och klimat på hydrologiska processer och näringsämneskretslopp i marken.

ICECREAM-modellen återskapade den observerade relativa förändringen i fosforfraktioner: förändringen från odling av spannmål till gräs ledde till att andelen rörlig fosfor av total fosfor ökade, och andelen partikelbunden fosfor minskade. Modellen överskattade den absoluta fosforbelastningen och avrinningen från åkern, vilket orsakade problem i den simulerade vattenbalansen.