Transcript Vittrings
Vittrings- och försurningsprocesser i skogsmark – jämförelse mellan mätdata och modeller Forskningsteam Johan Stendahl1, Cecilia Akselson2*, Magnus Simonsson1, Bengt Olsson3, Ingrid Öborn4 1Mark och miljö (SLU), 2Naturgeografi (Lund), 3Ekologi (SLU), 4Växtproduktionsekologi (SLU) i samarbete med Per Arne Melkerud (SLU), Mats Olsson (SLU), Johan Bergholm (SLU), Harald Sverdrup (Lund), Salim Belyazid (Lund) & Stephen Hillier, James Hutton Institute, UK Projektet finansieras av SLU Foma Försurning och Naturvårdsverket* Innehåll Bakgrund Syfte Tre metoder att kvantifiera/skatta vittring Resultat Sammanfattning Bakgrund Vi behöver kunna kvantifiera frigörelsen av baskatjoner från markens mineral för att bedöma: • Markens buffertförmåga mot försurning • Bärkraftigheten av olika produktionssystem– vilken näringslevererande förmåga kan man räkna med (hur mycket kan bortföras)? Biogeokemiska modeller används – simulera skogsmarkens kritiska belastningsgränser - bedömning av effekterna av ett intensifierat intensifierat skogsbruk. De är svåra att validera – integrerade processer, långsamma förlopp. Syfte • Att bättre kunna beskriva och kvantifiera mineralvittring i mark, framför allt med avseende på baskatjoner (Ca, K, Mg, Na) • Att med hjälp av mätdata från långliggande försök och övervakningsprogram skatta vittringens storlek, och • Att simulera vittring med PROFILE och analysera och jämföra modellsimuleringar med fältdata för att på sikt kunna förbättra förutsägelserna Tre metoder att kvantifiera vittring • Historisk vittring i markprofiler– använda intern standard (Zr) och jämföra med modermaterialet (Chorisonten) • Aktuell vittring genom massbalanser – beräkna inflöden, utflöden och förändringar i förråd i långa tidsserier. Differensen en skattning av vittringen. • Simuleringar av vittringen (steady state) med den biogeokemiska modellen PROFILE Tre metoder att kvantifiera vittring • Historisk vittring i markprofiler– använda intern standard (Zr) och jämföra med modermaterialet (Chorisonten) (Deltstudie 1, 2) • Aktuell vittring genom massbalanser – beräkna inflöden, utflöden och förändringar i förråd i långa tidsserier. Differensen en skattning av vittringen (Delstudie 2) • Simuleringar av vittringen (steady state) med den biogeokemiska modellen PROFILE (Delstudie 1, 2) Delstudie 1 Två olika metoder för att beräkna vittring – en jämförelse mellan koncept och beräknad vittring Johan Stendahl, Cecilia Akselsson, Per-Arne Melkerud, Salim Belyazid & Harald Sverdrup Två olika metoder har använts för regional kartläggning av vittring i Sverige… PROFILE Historiska vittringsmodellen (Zr-metoden) Delstudie 1 Två olika metoder för att beräkna vittring – en jämförelse mellan koncept och beräknad vittring Johan Stendahl, Cecilia Akselsson, Per-Arne Melkerud, Salim Belyazid & Harald Sverdrup Hur förhåller sig framräknade vittringshastigheter (50 cm) med PROFILE resp. Zr-metoden till varann? Hur borde de förhålla sig till varann (Historisk vittring i förhållande till ”steady state” vittring?) (Warfvinge et al., 1995) Vad kan skillnader på djupet lära oss? Att fundera på: Kan vi använda oss av en kombination av de båda metoderna för att säga mer om hur vittringen varierar i tid och rum, samt hur det påverkas av förändring i ett förändrat klimat? Delstudie 1 17 ytor med mycket detaljerade markdata Väderdata och skoglig information: -temperatur, nederbörd, avrinning -medeltillväxt Markdata för ett antal skikt (5-8 skikt ner till 50 cm): -totalkemisk analys -kornstorleksfördelning -densitet -stenighet Delstudie 1 2 Zr-method BC (mekv/m /y) 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Profile Delstudie 1 Ca (mekv/m2/y) 2 Mg (mekv/m /y) 60 40 Zr-method Zr-method 50 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 Profile Profile K (mekv/m2/y) 2 Na (mekv/m /y) 15 Zr-method Zr-method 20 10 5 0 0 5 10 Profile 5 10 15 20 25 30 35 40 45 15 20 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Profile Delstudie 1 Vittringens variationer på djupet i Stöde 0 PROFILE: Djup (cm) -20 -40 -60 -80 -100 -120 0 5 10 15 20 25 Ca vittringsintensitet (mekv/m3/år) Ca SITE1=Stöde PROFILE=132 Depth (cm) Historisk vittring (Zr): 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 0 10 20 Weathering intensity (mekv/m3/yr) 30 Delstudie 1 Några svar på frågorna… Hur förhåller sig framräknade vittringshastigheter (50 cm) med PROFILE resp. Zr-metoden till varann? Ingen systematisk skillnad för summa BC, Ca och K. Na lägre och Mg högre med Zr-metoden. Hur borde de förhålla sig till varann (Historisk vittring i förhållande till ”steady state” vittring? Historisk vittring (Zr-metoden) förväntades vara högre än vittring modellerad med PROFILE. Vad kan skillnader på djupet lära oss? PROFILE säger att det vittrar ganska mycket långt ner medan det med Zrmetoden avstannar på ett visst djup. PROFILE överskattar troligtvis vittringen på djupet, medan det finns risk att Zr-metoden underskattar den. Att fundera på: Kan vi använda oss av en kombination av de båda metoderna för att säga mer om hur vittringen varierar i tid och rum, samt hur det påverkas av förändring i ett förändrat klimat? Kombinationen användbar, vi hoppas fortsätta med detta. Delstudie 2 Skattning av aktuell vittring genom massbalanser i långliggande försök Magnus Simonsson, Bengt Olsson, Johan Bergholm, Stephen Hiller & Ingrid Öborn Kvantitativ mineralogi Baskatjonbalanser Skogaby: kvantitativ mineralogi (<2mm) 2 profiler 0-1 m i kontrollen och 2 i NS-ledet C24 NS19 Percent mineral Amor-Fe K-spar Smec Plag Kaol Verm Hydro Quartz 3 8 15 25 35 45 55 65 Depth (cm) 75 85 95 Bio/Phlo g Mus 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Amor-Fe K-spar Percent mineral 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Verm Hydro Quartz 8 15 25 Smec Plag Kaol Verm Hydro Quartz 3 8 15 25 35 45 55 65 Depth (cm) 75 85 95 Bio/Phlo g Mus 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 35 45 55 65 Depth (cm) NS7 75 85 95 Goethite Amor-Fe K-spar Percent mineral Percent mineral K-spar Bio/Phlog Mus 3 Amor-Fe Kaol Plag C3 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Smec Smec Kaol Plag Verm Hydro Quartz 3 8 15 25 35 45 55 65 Depth (cm) Bio/Phlo g Mus 75 85 95 Goethite Skogaby: kvantitativ mineralogi (<2mm) 2 profiler 0-1 m i kontrollen och 2 i NS-ledet C24 NS19 Percent mineral Amor-Fe K-spar Smec Plag Kaol Verm Hydro Quartz Bio/Phlog 3 8 15 25 35 45 55 65 Depth (cm) 75 85 95 Mus 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Amor-Fe K-spar Percent mineral 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Verm Hydro Quartz 8 15 25 Smec Plag Kaol Verm Hydro Quartz 3 8 15 25 35 45 55 65 Depth (cm) 75 85 95 Bio/Phlo g Mus 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 35 45 55 65 Depth (cm) NS7 75 85 95 Goethite Amor-Fe K-spar Percent mineral Percent mineral K-spar Bio/Phlog Mus 3 Amor-Fe Kaol Plag C3 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Smec Smec Kaol Plag Verm Hydro Quartz 3 8 15 25 35 45 55 65 Depth (cm) Bio/Phlo g Mus 75 85 95 Goethite Skogaby: kvantitativ mineralogi (<2mm) 2 profiler 0-1 m i kontrollen och 2 i NS-ledet C24 NS19 14 12 Amor-Fe Smec Percent mineral 10 Kaol 8 Amor-Fe 6 4 Smec Verm Hydro Mus 2 Bio/Phlog Amphibole Amor-Fe 10 Smec Amor-Fe Percent mineral 12 8 Kaol Verm 6 4 Verm Mus Smec Hydro Bio/Phlog 2 Amphibole Mus 0 3 8 15 25 35 45 55 65 Depth (cm) 75 85 95 0 3 8 15 25 45 55 65 75 85 95 Depth (cm) NS7 C3 14 Amor-Fe 10 Amor-Fe Smec 8 Kaol Verm 6 Verm Smec 4 Mus 2 Amphibole Hydro Bio/Phlog Amor-Fe 12 Smec Amor-Fe 10 Percent mineral 12 Percent mineral 35 Kaol 8 Verm Verm Hydro Mus Hydro 6 4 Smec 2 Bio/Phlog Amphibole 0 0 3 8 15 25 35 45 55 Depth (cm) 65 75 85 95 3 8 15 25 35 45 55 Depth (cm) 65 75 85 95 Vittring genom katjonbalanser samt skattning av variation och osäkerhet • Skogaby, 4 kontrollrutor, 12 års data • Vittring = bortförsel – tillförsel • medelvärde ± osäkerhet (rumslig variation + ”faktoriella fel”) Pools: Average over plots and years (kg/ha) K Mg Ca Needles 55 15 49 Living branches 37 10 45 Dead branches 2 2 14 Stem 67 18 82 Stump & roots 30 8 37 K 59 Mg 28 Ca 82 Exchangeable Na 33 Summan av kardemumman Soil balance: Weathering + Depositional input = Increase in exch BC + Leaching + Uptake Weathering (kg/ha/yr) Na K Mg Ca Average -3 1.3 0.8 1.5 U (ca 95%) ±19 ±2.5 ±2.1 ±3.7 Contribution to uncertainty Na K Mg Ca Dep input 54% 21% 77% 26% Exch BC 0% 4% 0% 1% Leaching 46% 1% 16% 4% Uptake 0% 74% 7% 70% Slutsatser • Låg vittring, stor osäkerhet • Bias oundvikligt: Gör (system) jämförelser med samma metod(er)! Leaching, Na • Hur extrapolerar vi över tiden? 35 14 Leaching, Na 30 12 70 20 600 50 6 500 10 40 5 30 0 20 2 200 10 0 100 400 0 -5 0 0 1988 4 400 300 100 1990 1992 200 1994 1996 Day No Year 300 1998 2000 Flux 800 8 700 60 15 900 2002 Plot 3 Runoff rate (mm/yr) 10 Concentration (mg/l) 80 25 Plot 3 Plot 15 Plot 15 Plot 18 Plot 18 Plot Plot24 24 Runoff Estimated K release rates based on annual mass balance calculations (30-40 years data) • • • • • Loamy sand (Hög) Silty clay (Vre) Clay (Kun) Loam (Eke) Sandy loam (Fjä) 8±10 kg ha-1yr-1, 40± 8 kg ha-1yr-1 45±10 kg ha-1yr-1 51±12 kg ha-1yr-1 65 ± 7 kg ha-1yr-1 (40 years; Simonsson et al., 2007) • Loamy sand, Countesswells, ~38 kg ha-1yr-1 (30 years; Öborn et al, 2010) Sammanfattning Jämförelse mellan historisk vittring (Zr-metoden)och vittringshastigheter från PROFILE simuleringar på 17 olika lokaler. Resultaten var oftast i samma storleksordning (arbetet klart; publicering på väg) Skogaby; Aktuell vittring skattad genom massbalanser och historisk vittring med Zr-metoden. Kvantitativ mineralogi analyserat för markprofiler. PROFILE skall köras (publicering på väg). Styrka att använda flera oberoende metoder på samma lokaler. Metoderna beräknar dock inte samma sak; (i) historisk vittring sen istiden (Zr), (ii) steady state vittring (med nuvarande markförhållanden) (PROFILE), (iii) aktuell vittring (massbalanser) Kombinationen fältdata, modellering och olika kompetenser i gruppen en styrka. Karaktärisering och kvantifiering av mineralogin med ny teknik ger bättre förutsättningar att estimera vittringshastighet och dynamik RESULTS Total K g kg-1 (XRF) in surface soil (Ap-horizons) 40 Scottish soils 35 Swedish soils 25 20 ‘Global span’ 15 10 5 (Andrist Rangel, 2008) ST f FD f ER f ER p SH f D Lf Fj ä FD p ol l B f AK Ek e H ög ST p p TH f nn Ö W C Vr e Lj Ö Ku n f 0 TH TotalK XRF (g kg-1) 30 Quantitative mineralogical analysis X-ray powder diffraction (XRPD)- random orientation Sample preparation crucial! Spray drying 3000 Counts Spray dried Prepared mixture of four minerals 25% w/w each. Milled in water, spray dried, loaded/emptied/loaded, 3 operators, 6 times each 2000 1000 0 28.5 29 30 31 32 33 2Ø Co K-alpha 50 μm (Hillier, 1999;2003) 34 35 36 FD P Ap SH F Ap B C DL F Soilass B C Ap B C B Combining mineralogy and geochemistry C The mineralogical speciation of K (g kg-1) K in K-feldspar K in M uscovite (di) K in Illite (di) K in M ixed layer(di) K in Biotite (tri) Phyllosilicates K (g kg-1) Ap B C Ap B C ERp Ap B C FDf FD F Ap B C FD P Ap B C SH F Ap B C DL F ERf Ap B C FDp SHf DLf 35 40 45 0-25 25-50 50-70 Önn 0-25 25-50 50-70 Hög 0-25 25-40 40-70 70-110 Ö nn H ög Eke 0-25 25-40 40-70 70-110 Boll 0-25 25-50 50-70 Fjä Phyllosilicates Scottish soils K in K-feldspar K in M uscovite K in Illite K in M L dioct K in Biotite 0 ÖLj Ö Lj 30 Eke CW F TH F THp TH P Ap B C ER F THf ER P Soilassociation,drainage class and horizon Ap B C 25 B oll CWf 20 Site and depth (cm ) Ap B C 15 Fja AKf STp 10 0-25 25-40 40-70 70-110 Vre 0-25 25-40 40-70 70-110 Kun 0-25 25-40 40-70 70-110 Vre ST P Ap B C STf 5 Kun ST F Ap B C AK F 0 K (g kg-1) Swedish soils (Andrist Rangel, 2008) 5 10 15 20 25 30 35 PROFILE – biogeokemisk steady state modell Sverdrup, Warfvinge m fl