Status 2003

Kvælstofdynamik, planteproduktion og biodiversitet i økologiske sædskifter

Projektet består af otte delprojekter

• Del 1: Tilpasning af model for undersåede fangafgrøder og kløvergræs i konkurrence med dæksæd
  
• Del 2: Forbedring af model for rodvækst
  
• Del 3: Modellering af omsætning af organisk stof
  
• Del 4: Optimering af modeller
  
• Del 5: Kalibrering, validering og sammenligning
  
• Del 6: Modellering af rhizodeposition i FASSET (2002)
  
• Del 7: Udvikling af en ny stoftransport i FASSET (2002)
  
• Del 8: Målinger i sædskifteforsøg (2002)
  

Delprojekt 1: Tilpasning af model for undersåede fangafgrøder og kløvergræs i konkurrence med dæksæd
Det toårige felteksperiment i Foulum er blevet afsluttet, og alle data er samlet i en database. FASSETS konkurrencemodel er blevet testet imod data og viste sig i stand til at simulere effekterne af fangafgrøder på forskellige jordtyper, men én afprøvning imod feltdata fra dette delprojekt er blevet udsat, dvs. milepæl 4 er forsinket.

Delprojekt 2: Forbedring af model for rodvækst
En ny rodmodel er blevet foreslået og parametrene for hver afgrøde er blevet estimerede. Simuleringer har vist, at modellen kan en del af rodvækstmønstrene fra forskellige afgrøder på adskillige jordtyper. Scenarier med N-15 har dog vist, at modellen antagelig under-estimerer den effektive roddybde.

Delprojekt 3: Modellering af omsætning af organisk stof (inklusiv NITMOD DP1).
Kalibreringsredskabet (”CN-TOOL”) er færdiggjort og dannede fundamentet for arbejdet i delprojekt 3. Dette redskab er koblet til en database og et optimeringsmodul. Databasen indeholder, så vidt vi ved, den største samling af felt- og laboratorieeksperimenter omkring omsætning af organisk stof i verden. Dette har betydet, at vi har kunnet anvende flere datasæt end forventet, da vi skrev ansøgningen, hvilket har givet et meget stærkt fundament for udviklingen af SOM-modellen.

Kulstof 14-analyser fra Århus Universitet viste sig at være meget brugbare og fører muligvis til en revurdering af fundamentale parametre i mange SOM-modeller. Dataene indikerer klart, at kulstof-input-niveauet på bar jord er 5–10 gange større end tidligere antaget. Dette sandsynliggør, at 14C-udviklinger, der indtil nu har været anset for uforklarlige fejl (Jenkinson & Coleman, 1994, Eur. J. Soil Sci., p. 167-174), simpelthen er konsekvenser af større inputniveauer.

Modeludviklingen i dette delprojekt er nu afsluttet og har resulteret i en ny SOM-model, som generelt præsterer fortrinlige simuleringer af langtids-felteksperimenter, og generelt er god til acceptable simuleringer af kort-tids laboratorie-datasæt. Det er den første SOM-model, som opfylder følgende kriterier: 1) parameterisering ved udstrakt brug af statistisk baserede modeller, inklusiv confidens-intervaller for parametre, 2) brug af ”in situ” data fra adskillige lande og steder, 3) integration af kort- og langtidsmodellering, og 4) brug af C- og N-isotop målinger til beskrivelse af udviklingsforløb.

I denne rapporteringsperiode er den udviklede model, CN-SIM, blevet indarbejdet i modelkomplekserne FASSET og DAISY.

Delprojekt 4: Optimering af modeller
For at skaffe data til validering af modellen for afgræssede kløvergræsmarker og for eftervirkningen af græsmarker gennemføres målinger på to private kvægbrug, på sandjord (Brørup) og lerblandet sandjord (Assentoft). Der er benyttet to marker pr. brug med sædskiftet efter nedenstående diagram. Kløvergræsset har i 2000 været en 2. eller 3. års kløvergræsmark.

I korn er målt planteproduktion ugødet, normal gødet og dobbelt normal gødningsmængde, der måles kun N-udvaskning ved normal gødningsmængde. Der er gennemført en række målinger, herunder:

• Generelle bedriftsdata
  
• Anvendte gødningsmængder
  
• Startkarakterisering af jordprofiler
  Klima
  
• N-min og mikrobiel biomasse i jorden
  
• Overjordisk biomasse og udbytte i korn
  
• Over- og underjordisk biomasse i kløvergræs ved ompløjning
  
• Udvaskning af N, P, K og DOC
  
• Regnorme
  
• N-fiksering og lattergas-emission (gennemføres af DINOG-projektet)
  
  

Delprojekt 5: Kalibrering, validering og sammenligning
5.1 modelkalibrering

Arbejdet har for alle tre modellers vedkommende været centreret omkring hel-model kalibreringer og sammenligninger.

FASSET
Denne model er blevet testet imod Burrehøjvejeksperimentet, data fra Næringsstofhusholdnings-forsøgene og fra Sædskifteforsøgene. Burrehøjvej-eksperimentet har vist, at modellen fanger nogle af residualeffekterne ved forskellige græsningssystemer. Simuleringerne af den initielle græsvækst blev overestimeret, hvilket medførte højere udvaskning efter pløjning. Græsmodellen er under rekalibrering i forhold til observerede værdier. I forhold til data fra Næringsstofhusholdningsforsøgene kommer modellen ud med simuleringer for de forskellige afgrøder, der generelt ligger inden for spektret i de observerede værdier. En detaljeret analyse af de forskellige afgrøder har vist, at nogle af afgrøderne behøver en rekalibrering enten pga. hurtig nitratoptag eller pga. en fejl i totalt nitratoptag og fordeling imellem strå og kerne. Det hurtige nitratoptag er en konsekvens af den nye rodmodel fra delprojekt 2, som har medført et krav om nye rodparametre.

FASSET er også blevet testet imod sædskifteforsøgene fra Foulum, Flakkebjerg og Jyndevad, og modellen har vist sig i stand til at indfange fundamentale forskelle imellem behandling med forskellige mængder organisk gødning og fangafgrøder. Det skal dog nævnes, at der også her skal ske en tilpasning i forhold til den nye rodmodel.

DAISY
Arbejdet med at anvende DAISY-modellen på Burrehøjvej- og Sædskifteforsøgsdata (Jyndevad) har i 2003 været fokuseret på 1) kløvergræs og græsning, 2) forskellige fangafgrødespecifikationers indflydelse på nitratkoncentrationen og udvaskningssimuleringen, og 3) sammenligninger imellem forskellige SOM-moduler (default DAISY vs. CN-SIM, se delprojekt 3).

Simuleringerne af de initielle tre års græsvækst, kløvergræsvækst og græsning er blevet optimeret og kløvergræsmodellen fungerer ganske godt for de involverede steder og behandlinger, selvom den nuværende DAISY afgrødemodel til simulering af konkurrerende undersåede afgrøder synes at være for følsom overfor en række parametre. Til en korrekt simulering af residual-effekten af græsmarken anses den nuværende simulering for tilstrækkelig.

Efter ompløjningen af kløvergræs har vi fundet, at det tidsmæssige mønster i nitratkoncentration i jordvandet er stærkt afhængig af simuleringerne af rajgræssets (fangafgrøde) vækst imellem kornafgrøderne. Små ændringer i fangafgrødemodulet kan medføre både store overestimeringer og mindre underestimeringer af nitratkoncentrationerne, og der arbejdes på at gøre modellen mere robust overfor disse små ændringer.

Arbejdet med at kalibrere DAISY-modellen til grønsagssædskifterne fra Forskningscenter Årslev er blevet udført i samarbejde med Dr. Torsten Müller, Tyskland, og vil blive fortsat i resten af 2003.

Fødenetsmodellen (nu døbt FieldEco)
Helmodelkalibreringen af FieldEco er indtil videre blevet udført i forhold til et datasæt fra Burrehøjvej (kløvergræs uden gødning), og kontroldatasættet produceret af Petersen et al. i FØJO I.7. Simuleringerne af Burrehøjvejdatasættet er ganske gode. Simuleringerne af væksten af både kløver og rajgræs i de initielle tre år passer ganske godt med målingerne, specielt efter det første år. I perioden efter ompløjningen er simuleringen af byggen ganske god, dog med en tendens til en underestimering af biomasse det første år. Simuleringerne af rajgræs i konkurrence med bygafgrøden fungerer godt i to ud af tre år, men viser en underestimering i 1998. Der er dog hvert år en klar overestimering af rajgræssets vækst efter høst af byggen. Alt i alt synes FieldEco’s simulering af plantevækst og plantekonkurrence af fungere tilfredsstillende.

Angående simuleringerne af nitrogen i jorden er det for nylig blevet klart, at manglen på et udvaskningsmodul var et alvorligt problem, fordi der akkumuleres kvælstof i perioder uden plantevækst. Derfor er FieldEco blevet udvidet med en simpel simulering af udvaskning, og en allerede programmeret dybdefordeling blev aktiveret. Transporten af nitrat ned igennem jordlagene simuleres som værende proportionalt til nedbøren i ”udvaskningssæsonen” (1/9 – 30/4). Dette gør FieldEco i stand til at simulere transport af nitrogen ned igennem jordlagene og dermed også udvaskning. Simuleringerne af nitrogen i jorden stemmer ganske godt overens med de målte koncentrationer, men der er en tendens til en overvurdering af koncentrationerne i de to nederste jordlag (51 – 75 cm, og 76 – 100) og dermed også udvaskiningen de sidste to år af simuleringen. Disse resultater er dog sensitive overfor simuleringen af rodfordelingen af fangafgrøden (rajgræs) igennem efterår og vinter.

I FØJO I.7 datasættet er der målinger af regnormetætheder og Nmin igennem en periode på 1½ år efter ompløjning af kløvergræs. Simuleringerne af de to mest almindelige arter af regnorme fungerer godt med tørvægt mens antallet fungerer knapt så godt. Kvælstofdata viser en meget høj koncentration i pløjelaget (200 kg/ha) lige efter ompløjningen, som modellen ikke kan fange. Den viser en maksimal koncentration på 120 kg/ha i hele jordprofilen (1 m) og 70 i de øverste 25 cm. Den meget høje koncentration lige efter ompløjning skyldes antagelig lysering af friske planteceller, hvilke muligvis frigør betydelige mængder af let tilgængeligt kvælstof. Denne proces er p.t. ikke inkluderet i FieldEco.

5.2 Modelvalidering, sammenligninger og scenarieanalyser

Der er blevet præsenteret mange sammenligninger af modelsimuleringer. Disse er blevet grundigt diskuteret på delprojekt 5 gruppemøder igennem året. Det er blevet tydeligt, at selv om SOM modulet i FASSET og DAISY er identiske, er der andre afgørende forskelle såsom jordvand, afgrøde dynamik og transport af opløste stoffer, der bevirker at simuleringerne bliver ret forskellige i mange tilfælde. Dette er specielt tydeligt for de forskellige jordvandsmoduler.

FASSET
Der vil blive udført forskellige sensitivitetsanalyser baseret på Burrehøjvejeksperimentet. Disse vil fokusere på hvordan SOM modulet bliver initialiseret. Et andet scenarie vil blive baseret på Næringsstofhusholdningseksperimenterne, hvor der vil blive anvendt et simpelt kvægbrugssædskifte, og følgende faktorer vil blive undersøgt: 1) Jordtype (JB1 og JB4), 2) klima (tørt og fugtigt), 3) dyretæthed, og 4) jordens fertilitet (lav og høj, dvs. 1,5 % C og 3 % C i pløjelaget).

Et andet scenarie omkring plantavlsbrug vil blive baseret på sædskifteforsøgene, og de konkrete undersøgelsesfaktorer blive udvalgt i samarbejde med et andet projekt (”Danish Action Plans for the Aquatic Environment”).

DAISY
Arbejdet dette år har været centreret omkring afprøvningen af helmodeleffekterne af at udskifte DAISY’s eksisterende SOM-modul med det nyudviklede CN_SIM. DAISY’s standard SOM-modul er også blevet revideret med rekalibrerede parametre (men samme struktur) igennem de sidste par år, og der er derfor blevet lavet sammenligninger med både gamle og nye versioner. Selvom sammenligningerne afslørede betydelige forskelle i simuleringerne af SOM-puljens dynamik viste simuleringerne af nitratkoncentrationer og afgrødeproduktion ensartede tendenser. Arbejdet med disse sammenligninger vil blive fortsat og publiseret i den sidste del af projektet.

Arbejdet med at anvende DAISY til scenarier for grønsagssædskifter vil blive baseret på data fra Forskningscenter Årslev. Disse scenarier vil fortrinsvis fokusere på betydningen af fangafgrøders i) roddybde, og ii) placering i sædskiftet for hele sædskiftets kvælstofudnyttelse og tab. Dette vil delvist blive udført indenfor Anders Pedersens PhD-projekt og i samarbejde med VegCacth-projektet.

FieldEco
Regnormenes rolle er blevet analyseret ved sammenligning af simuleringer med og uden regnorme i det simulerede økosystem. Simuleringerne er blevet baseret på både FØJO I,7 dataene og simuleringerne af Burrehøjvej-eksperimenterme. Simuleringerne baseret på FØJO I.7 dataene viste ret svage effekter af regnorme på den simulerede koncentration af kvælstof, men viste en effekt på udbyttet af byg, der var 10% lavere uden regnorme. I simuleringerne baseret på Burrehøjvejdatasættet er effekten af at udelukke regnormene mere markant. Uden regnorme blev der frigjort mindre kvælstof i det første år efter pløjning og lidt mere i de efterfølgende år. Effekten på den simulerede byg-biomasse var betydelig med en reduktion til ca. 2/3 ved høst i de to første år efter ompløjning af kløvergræs. Årsagen til forskellen imellem de to simuleringer er i skrivende stund ikke klar, men har antagelig noget at gøre med ormenes populationsstruktur (stadiefordeling) på ompløjningstidspunktet at gøre.