Search

To gain insight in the environmental impacts of crop, soil and nutrient management, an integrated model framework INITIATOR was developed predicting: (i) emissions of ammonia (NH3) and greenhouse gases (GHG) from agriculture, including animal husbandry and crop production and (ii) accumulation, leaching and runoff of carbon, nutrients (nitrogen, N, phosphorus, P, and base cations) and metals in or from soils to groundwater and surface water in the Netherlands. Key processes in soil are included by linear or non-linear process formulations to maintain transparency and to enable data availability for spatially explicit application from field up to national level. Calculated national trends in nutrient losses over 2000–2020 compared well with independent estimates and showed a reduction in N and P input of 26 to 33 %, whereas the surplus declined by 33 % for N and 86 % for P due to increased crop yields and reduced inputs. This was accompanied by a reduction of 30–35 % in atmospheric emissions of ammonia and nitrous oxide as well a decline in N and P runoff of 35 and 10 %, respectively, whereas the emission of methane increased with 4 %. Model results compared well with (i) large scale observations of ammonia concentrations in air and nitrate concentrations in upper groundwater and ditch water, (ii) with nitrous oxide emissions and phosphorus adsorption in experiments at field scale and (iii) with metal adsorption in large scale soil datasets. Various mitigation measures were evaluated in view of policy ambitions for climate, soil and environmental quality for 2030, i.e. a reduction of 50 % for NH3, 11–17 % for GHG, 20 % for N runoff and 40 % for P runoff and an ambition of 50 % GHG emission reduction for 2050. The measures focused on a combination of animal feeding, low emission housing and application technologies, improved crop, soil and nutrient management, all being applied with an effectiveness of 100 % and 50 %, respectively. In addition, we evaluated impacts of 50 % livestock reduction, and combination scenarios of measures and livestock reduction. Full implementation of all measures can reduce NH3 emission, N leaching and N runoff by approximately 40–50 % and GHG emissions by approximately 30 %, but there is less potential to reduce P runoff, being

In de Maasregio wordt onder landbouwgronden de norm van 50 milligram nitraat per liter in het bovenste grondwater nog overschreden en wordt in een substantieel aantal waterlichamen nog niet aan de KRW-doelen voor N- en P-concentraties voldaan. In deze studie wordt de effectiviteit van maatregelen in de landbouw verkend en wordt nagegaan in welke mate ze kunnen bijdragen aan het voldoen aan KRW-doelen voor N- en P-concentraties van het oppervlaktewater. Hiertoe is een viertal scenario’s opgesteld met maatregelpakketten, waarbij opeenvolgend meer maatregelen aan de pakketten zijn toegevoegd. De opgave voor het verminderen van de N- en P-uitspoeling uit landbouwgronden is afgeleid aan de hand van de overschrijding van de N- en P-concentraties in KRW-waterlichamen in het zomerhalfjaar in de periode 2014-2017 en de proportionele bijdrage van landbouw in het totaal van alle bronnen. Voor de uitgangssituatie in 2018 wordt voor het oostelijk deel van Noord-Brabant en Noord-Limburg berekend dat de bemesting hoger is dan de gebruiksnorm. Voor enkele gebieden wordt een bemesting tot meer dan 50% boven de gebruiksnorm berekend. De met Initiator berekende bemesting boven de gebruiksnorm is opgelegd aan het ANIMO-model, waarmee een duidelijk effect van deze overbemesting op de N- en P-belasting van het oppervlaktewater is berekend. Bij een berekende bemesting volgens de mestgebruiksnormen zullen uit- en afspoeling en daarmee de opgave voor de vermindering van nutriëntenuitspoeling in belangrijke mate afnemen, vooral in het oostelijk deel van Noord-Brabant en Noord-Limburg. Desondanks resteert in veel gebieden nog een opgave voor landbouw om te voldoen aan de KRW-doelen. Bij bemesting volgens de gebruiksnormen zal in 2027 in 72% van het gebied de nitraatconcentratie onder landbouwgrond maximaal 50 mg/L bedragen. Als ook in het resterende deel aan dit concentratiedoel van de Nitraatrichtlijn voldaan zou worden, heeft dit een gering effect op de gebiedsgemiddelde stikstofbelasting van het oppervlaktewater. In enkele gebieden zou de nutriëntenuitspoeling uit landbouwgronden zodanig verminderen dat landbouw daar aan de KRW-opgave voldoet. Echter, in de meeste gebieden blijft de restopgave even groot.

Sinds de uitspraak van de RvS in 2019, die een streep heeft gezet door de PAS-systematiek, zoeken de overheid en de sectoren naar oplossingen voor het stikstofprobleem. In de brief van 24-4-2020 van LNV kondigt de minister een pakket met natuurherstel- en stikstofreducerende maatregelen aan met als doel om in 2030 minimaal 50% van het areaal stikstofgevoelige natuur onder de kritische depositiewaarden te krijgen. Hiervoor wordt een landelijk pakket aan bronmaatregelen in diverse sectoren ingezet. In een uitwerking hiervan voor de provincie Gelderland is onderzocht op welke manier bronmaatregelen in de landbouw gebiedsgericht zo slim mogelijk ingezet kunnen worden. Slim inzetten leidt tot een hogere reductie van de stikstofdepositie, is kosteneffectiever en sluit beter aan bij de andere gebiedsopgaven.

Agricultural production in the EU has increased strongly since the 1940s, partly driven by increased nitrogen (N) fertiliser and manure inputs. Increased N inputs and associated losses, however, adversely affect air and water quality, with widespread impacts on terrestrial and aquatic ecosystems and human health. Managing these impacts requires knowledge on ‘safe boundaries’ for N inputs, i.e., N flows that do not exceed environmental thresholds. We used a spatially explicit N balance model for the EU to derive boundaries for N losses and associated N inputs for three environmental thresholds: (i) N deposition onto natural areas to protect terrestrial biodiversity (critical N loads), (ii) N concentration in runoff to surface water (2.5 mg N l−1) to protect aquatic ecosystems and (iii) nitrate (NO3−) concentration in leachate to groundwater (50 mg NO l−1) to meet the EU drinking water standard. Critical N losses and inputs were calculated for ~40,000 unique soil-slope-climate combinations and then aggregated at country- and EU-level. To respect thresholds for N deposition, N inputs in the EU need to be reduced by 31% on average, ranging from 0% in several countries to 59% in Ireland and Denmark. The strongest reductions are required in intensive livestock regions, such as Benelux, Brittany and the Po valley. To respect thresholds for N concentration in runoff to surface water, N inputs need to be reduced by 43% on average, ranging from 2% in Estonia to 74% in the Netherlands. Average critical N inputs in view of the threshold for NO3− concentration in leachate to groundwater are close to actual (year 2010) inputs, even though leaching thresholds are exceeded in 18% of agricultural land. Critical N inputs and their exceedances presented in this paper can inform more targeted mitigation policies than flat-rate targets for N loss reductions currently mentioned in EU policies.

INITIATOR is a model that calculates all important nitrogen (N) and phosphate (P) fluxes in agricultural and natural ecosystems at national and regional scale. A key module in the INITIATOR model calculates manure production, manure application, livestock grazing, use of chemical fertilisers and the associated ammonia emissions, and uses these to determine the spatial distribution of manure application and ammonia emissions. These data are used as inputs to the AERIUS model and the National Water Quality Model (LWKM) for policy support activities such as the evaluation of the Manure Act (EMW) and for the Pollutant Release and Transfer Register (PRTR). This report reviews the quality requirements that Status A models have to meet. It summarises the theoretical basis of the INITIATOR model and the technical documentation, and describes the tests, validation and sensitivity analysis of the model. INITIATOR is een model dat alle belangrijke stikstof (N)- en fosfaat (P)-fluxen in landbouw- en natuurlijke ecosystemen op nationale en regionale schaal berekent. Een belangrijk onderdeel van INITIATOR betreft de berekeningen van de mestproductie, mesttoediening en beweiding en het gebruik van kunstmest alsmede de emissie van ammoniak die hiermee gepaard gaat. Dit onderdeel van het model wordt gebruikt om de ruimtelijke verdeling van mesttoediening en de ammoniakemissie te berekenen voor de modellen AERIUS en het Landelijk Waterkwaliteitsmodel (LWKM) ten behoeve van diverse beleidsondersteunende activiteiten, zoals de Evaluatie Mestwet (EMW) en de Emissie Registratie. In dit rapport wordt een overzicht gegeven van de kwaliteitsaspecten voor het verkrijgen van het zogeheten Status A voor modellen. Zo geeft dit rapport een samenvatting van de theorie waar het model op gestoeld is, de technische documentatie hiervan alsmede een beschrijving van het testen, het valideren en de gevoeligheidsanalyse van het model.

In preparation of the Seventh Action Programme Nitrates Directive (2022-2025), an Environmental Impact Assessment at plan level (EIA) has been prepared, primarily assessing effects of measures on water quality. Special attention is paid to nitrate concentrations in the southern sand and loess area because the limit value of 50 mg L-1 for nitrate is exceeded in these areas on average. A first step in the calculation of effects is an assessment of the water quality in 2027 based on implemented policy measures and the expected development of the livestock population. According to this projection, the nitrate concentration in the southern sandy area will decrease by about 10 mg L-1 until 2027 as a result of measures taken in the 6th Action Programme. The effects of a reduction of fertilizer application, a broader crop rotation, the maximum application of catch crops and the establishment of fertilizer-free field margins were calculated with three different models. The reduction in nitrate concentration is calculated to be a few milligrams up to about 15 mg nitrate per liter under extreme assumptions. It is calculated that with the measures of the most far-reaching scenario the nitrate concentration in the southern sand area in 2027 will not exceed the limit value of 50 mg L-1, but is still exceeded in the loess area. Furthermore, it is calculated that on national average the nitrogen load on surface water from agricultural soils decreases by 6 - 13% and the phosphorus load by 1.2 – 4.4%. In a ‘Maximum Environmentally friendly Alternative’ scenario, just over 60% of WFD water bodies meet the nitrogen and phosphorus concentration standards in 2027. In 2027, a significant proportion of water bodies does not fully comply with standards for nutrient concentrations in surface water. The reduction in nutrient transport to surface water leads to a less than proportionate increase in the number of water bodies with a good quality status. Sustainable crop rotation schemes for arable crops on sandy and loess soils contribute to improving water quality. Their implementation has major implications for practice. Effects of the measures on emissions of ammonia (NH3), nitrous oxide (N2O), carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and on improving biodiversity, the counteraction of desiccation and the reduction of flooding have been estimated based on expert judgement. The impacts of the possible measures are expected to be small (on a national scale). Ter voorbereiding op de invoering van het Zevende Actieprogramma Nitraatrichtlijn (2022-2025) is een milieueffectrapportage op planniveau opgesteld (PlanMER), waarbij vooral effecten van maatregelen op de waterkwaliteit zijn beoordeeld. Speciale aandacht gaat uit naar nitraatconcentraties in het zuidelijke zand- en lössgebied, omdat daar gebiedsgemiddeld de grenswaarde van 50 mg L-1 voor nitraat wordt overschreden. Een eerste stap in de berekening van effecten is een prognose van de waterkwaliteit in 2027, uitgaande van geïnstrumenteerd beleid en de voorziene ontwikkeling van de veestapel. Volgens deze prognose zal de nitraatconcentratie in het zuidelijke zandgebied tot 2027 met ca. 10 mg L-1 dalen als gevolg van in het 6e Actieprogramma genomen maatregelen. De effecten van verminderde mestgiften, ruimere bouwplannen, een maximale inzet van vanggewassen en de aanleg van bemestingsvrije perceelranden zijn met drie verschillende modellen berekend. De vermindering van de nitraatconcentratie wordt berekend op enkele milligrammen nitraat per liter tot ca. 15 mg L-1 bij extreme aannames. Berekend wordt dat met de maatregelen van het meest vergaande scenario in 2027 de grenswaarde van 50 mg L-1 voor nitraat niet meer overschreden wordt in het zuidelijke zandgebied, maar in het lössgebied nog wel. Verder is berekend dat de landelijk gemiddelde stikstofbelasting van het oppervlaktewater door landbouwgronden met 6-13% daalt en de fosforbelasting met 1,2-4,4%. In een scenario ‘Maximaal Milieuvriendelijk Alternatief’ voldoet in 2027 iets meer dan 60% van de KRW-waterlichamen aan de normen voor stikstof- en fosforconcentraties. In 2027 resteert in een aanzienlijk deel van de wateren nog een opgave om te voldoen aan normen voor nutriëntenconcentraties in oppervlaktewater. De daling van de uit- en afspoeling leidt tot een minder dan evenredige toename van het aantal waterlichamen met een goede kwaliteitsstatus. Duurzame bouwplannen voor de open teelten op zand- en lössgronden dragen bij aan het verbeteren van de waterkwaliteit. De invoering ervan heeft grote implicaties voor de praktijk. Effecten van de maatregelen op de emissies van ammoniak (NH3), lachgas (N2O), koolstofdioxide (CO2), methaan (CH4) en op biodiversiteit, verdroging en wateroverlast zijn geschat op basis van expertbeoordelingen. Naar verwachting zullen de effecten van de mogelijke maatregelen (op nationale schaal) gering zijn.

Op het mogelijke effect van het aanbrengen van landschapselementen in de provincie Flevoland op de ammoniakdepositie op drie nabij de provincie Flevoland gelegen stikstofgevoelige Natura 2000-gebieden (De Wieden en Weerribben, Veluwe en Naardermeer) is een literatuurstudie gedaan en is een aantal indicatieve modelberekeningen uitgevoerd. Hierbij zijn voor de provincie Flevoland effecten van verschillende varianten van landschapselementen op de ammoniakdepositie op de drie Natura 2000-gebieden doorgerekend met de modellen INITIATOR en OPS. Hoewel er vrij extreme scenario’s zijn gehanteerd, zijn de te behalende reducties in depositie zijn relatief klein en sterk afhankelijk van de lokale omstandigheden.

Cadmium (Cd) and other heavy metals (lead (Pb), arsenic (As), chromium (Cr) and zinc (Zn)) occur naturally in fertilisers but at variable levels. To determine whether or not levels of metals in fertiliser affect the absorption of Cd and other metals by agricultural crops, a greenhouse study was performed to measure the uptake of Cd and other metals from 7 different soils grounds treated with either mineral fertiliser with increasing levels of Cd and one type of animal manure (cattle manure). The results show that there is no significant difference in absorption of Cd nor on other metals when P fertiliser is used with levels of Cd varying between 0.04 and 60 mg Cd kg-1 P2O5. Differences in soil properties (e.g. acidity and organic matter content) in combination with the content of Cd in the soil control the short term (1 harvest cycle) variation of Cd concentrations in crops. Long-term (100 years) calculations on a field and regional scale, however, show that the content of Cd in P fertilisers does affect both levels in soil and that in crops. Dynamic model simulations at EU level indicate that accumulation of Cd in soil (arable and grassland) continues if the Cd content in P fertilisers exceeds 20 mg Cd kg-1 P2O5. The calculated average long-term relative changes in both soil and arable crops relative to current levels are in the order of magnitude of +0.2% if no more Cd is applied via P fertiliser to 12.1% to 16% if, at the European level the concentration of Cd in mineral P-fertilisers averages 60 or 80 mg Cd kg-1 P2O5 respectively. Cadmium (Cd) en andere zware metalen (lood (Pb), arseen (As), chroom (Cr) en zink (Zn)) komen van nature voor in kunstmeststoffen, maar in variabele gehalten. Om na te gaan of het gehalte aan metalen in kunstmest de opname van Cd en andere metalen door landbouwgewassen beïnvloedt, is in een kasopstelling de opname van Cd en andere metalen bepaald uit 7 gronden behandeld met kunstmest of rundermest met oplopende gehalten aan Cd. De resultaten tonen aan dat er geen significant verschil in opname van Cd van noch andere metalen is wanneer P kunstmest gebruikt wordt met gehalten aan Cd die variëren tussen 0,04 en 60 mg Cd kg-1 P2O5. Verschillen in bodemeigenschappen (zuurgraad en organische stof gehalte) in combinatie met het initiële gehalte aan Cd in de bodem zijn op korte termijn (1 oogstcyclus) bepalend voor de variatie in de gehalten aan Cd in gewassen. Lange termijn berekeningen op veld- en regionale schaal tonen aan dat het gehalte aan Cd in P kunstmeststoffen wel van invloed is op zowel het gehalte in de bodem als dat in gewassen. Op regionale schaal is berekend dat accumulatie van Cd in de bodem in de EU (akkerbouw en grasland) gemiddeld genomen doorgaat indien het Cd gehalte in P kunstmeststoffen hoger is dan 20 mg Cd kg-1 P2O5. De berekende gemiddelde lange termijn veranderingen in het Cd gehalte van zowel bodem als akkerbouwgewassen t.o.v. de huidige gehalten liggen daarbij in de orde van grootte van +0.2% indien geen Cd meer via P kunstmest aangewend wordt tot 12.1% en 16% indien, op Europees niveau, het gehalte aan Cd in kunstmest respectievelijk 60 of 80 mg Cd kg-1 P2O5 bedraagt.

Spatially detailed information on agricultural nitrogen (N) budgets is relevant to identify regions where there is a need for a reduction in inputs in view of various forms of N pollution. However, at the scale of the European Union, there is a lack of consistent, reliable, high spatial resolution data necessary for the calculation of regional N losses. To gain insight in the reduction in uncertainty achieved by using higher spatial resolution input data. This was done by comparing spatially disaggregated agricultural N budgets for Denmark for the period 2000–2010, generated by two versions of the European scale model Integrator, a version using high spatial resolution national data for Denmark (Integrator-DK) and a version using available data at the EU scale (Integrator-EU). Results showed that the national N fluxes in the N budgets calculated by the two versions of the model were within 1–5% for N inputs by fertilizer and manure excretion, but inputs by N fixation and N mineralisation differed by 50–100% and N uptake also differed by ca 25%, causing a difference in N leaching and runoff of nearly 50%. Comparison with an independently derived Danish national budget appeared generally to be better with Integrator-EU results in 2000 but with Integrator-DK results in 2010. However, the spatial distribution of manure distribution and N losses from Integrator-DK were closer to observed distributions than those from Integrator-EU. We conclude that close attention to local agronomic practices is needed when using a leaching fraction approach and that for effective support of environmental policymaking, Member States need to collect or submit high spatial resolution agricultural data to Eurostat.

This paper quantifies the efficiency of emission control measures in agriculture at landscape scale on the N deposition and critical N load exceedances in Natura 2000 sites. The model INITIATOR2 was run with spatially explicit farm data to predict atmospheric emissions of ammonia. These emissions were input of an atmospheric transport model to assess the N deposition in the Natura 2000 sites. Using the Dutch province of Overijssel as a case study, calculations for the year 2006 show that only 35% of the N deposition in the Natura 2000 sites were caused by agricultural NH3 emissions within the province. Comparatively most cost-efficient measures were low-emission application, followed by measures to reduce the protein content in feed. Relocating farms out of the Natura 2000 sites was very cost inefficient. Since critical N depositions of the Natura 2000 sites in Overijssel are largely exceeded in more than 90% of the area, the evaluated abatement measures were, however, not effective to reduce the area exceeding critical loads when only applied within the province Overijssel. Reductions of N deposition to a level below critical loads can only be achieved with the support of national and international emission reductions.