Phosphorus in the sediment of agricultural constructed wetlands

Fosforin karkaaminen hienojakoisilta maatalousmailta vesistöihin kiihdyttää rehevöitymistä. Vesieroosion mukana kulkeutuvaa maa-ainesta ja ravinteita pyritään pidättämään kosteikoiden ja laskeutusaltaiden avulla. Kosteikkoaltaiden syvänteisiin kertyy runsaasti partikkelimuotoista fosforia sisältävää hienojakoista sedimenttiä, jonka poistamista suositellaan 2-5 vuoden välein. Väitöstutkimuksessa selvitettiin maatalouskosteikosta poistetun sedimentin fosforisisältöä ja fosforin käyttökelpoisuutta kasveille sekä sedimentin käyttömahdollisuutta fosforin pidättämiseen valunnasta. Tutkimukseen valittiin viisi savimaille perustettua maatalouskosteikkoa, joissa kahdessa oli kemikaalikäsittely (ferrisulfaatti tai polyalumiinikloridi) tulevaan veteen. Sedimenttinäytteitä ja lähivaluma-alueen peltomaanäytteitä vertaamalla luonnehdittiin eroosioaineksessa tapahtuvia muutoksia. Astiakokeessa tutkittiin Italian raiheinän fosforinottoa peltomaa-sedimentti –seoksissa. Sadesimulointikokeessa laboratoriossa selvitettiin sedimentin kykyä pidättää valunnasta liukoista ja kiintoainekseen sitoutunutta fosforia. Tulokset osoittivat sedimentin sisältävän runsaasti fosforia, mutta sen käyttökelpoisuus kasveille oli hyvin huono. Eroosioainekseen pidättynyt helppoliukoinen fosfori vapautui veteen jo ennen aineksen laskeutumista kosteikon pohjalle ja pohjan usein hapettomat olosuhteet edistivät fosforin käyttökelpoisten muotojen liukenemista kosteikon veteen. Kosteikon sedimenttiin kertyi huomattava määrä hienojakoista maa-ainesta, jossa on luontaisesti paljon pidättymispintaa fosforille. Olosuhdemuutokset kosteikossa ja ruopattaessa lisäsivät entisestään sedimentin kykyä pidättää fosforia: Pelkistymisen ja hapettumisen sekä kuivumisen seurauksena syntyi uutta alumiini- ja rautaoksidipintaa, jonka fosforin pidätyskyky oli hyvin suuri. Tämä havaittiin selkeästi myös kosteikoissa, joissa kemikaalilisäystä ei ollut. Sedimentin suuri fosforin pidätyskyky näkyi astiakokeessa, jossa sedimenttiin sitoutui myös lannoitefosforia tiukasti kasvien ulottumattomiin. Sadesimulointikokeessa sedimentti vähensi valunnasta sitä enemmän liuennutta fosforia, mitä enemmän sedimenttiä oli sekoitettu peltomaahan. Kosteikkosedimentin peltolevityksestä ei ole kasvinravitsemuksellista hyötyä ja suuri sedimenttimäärä peltomaassa saattaa aiheuttaa jopa fosforin puutosta viljelykasveille. Sedimenttiä voisi sen sijaan hyödyntää eroosiontorjunnassa runsaasti helppoliukoista fosforia sisältävillä mailla (esim. karjan ruokintapaikat). Sedimentin suositeltava levitysmäärä fosforin sidontaan on ≤5 % muokkauskerroksen maan tilavuudesta.

————————————

Phosphorus (P) losses from agricultural soils impair the quality of receiving surface waters by enhancing eutrophication. Most of the P carried by surface runoff and field drainage waters from clay soils in SW Finland is in particulate form, but more than half of the total P is potentially bioavailable. Thus, decreasing the load of suspended particles is important in controlling eutrophication. Constructed wetlands and ponds (CWs) have become a popular means for trapping suspended material and particulate P in agricultural runoff. Efficient CWs can collect a large amount of particulate matter through sedimentation, and this needs to be removed regularly. Dredged sediment is often advised to be recycled back to the surrounding fields. However, the material ending up in CWs is subjected to several processes, which affect its P fractions and sorption-desorption characteristics. Changes in sediment characteristics occur 1) during erosion, 2) in the (anoxic) bottom of CW and 3) after dredging when the sediment is re-exposed to air. This thesis examines P speciation and P sorption properties of sediments collected from five agricultural CWs established on clay soils, and compares the differences between the sediments and the source field soils in the catchments. Dredged, air-dried sediments were characterised separately from fresh sediments to assess the drying-induced changes in the P sorption-desorption properties. Phosphorus availability to Italian ryegrass (Lolium multiflorum L.) was tested by mixing CW sediment with soil in different ratios. Furthermore, the potential of using dredged sediment to immobilise soil P was assessed by exposing sediment-amended soil to simulated rainfall. Overall, the soils and sediments were analysed to predict the likely environmental consequences of applying CW sediments to fields. The soils and CW sediments had similar total P contents, but clearly different P speciation when fresh sediments, air-dried sediments and the source soils were compared. In general, the sediment content of aluminium (Al)-associated P was significantly lower, and iron (Fe)-associated P significantly higher, than in the source soils. Reduced conditions, conducive to mobilisation of Fe-associated P and suggestive to Fe sulphide formation, were observed in all CWs. As a consequence of high clay and Al and Fe (hydr)oxide concentrations, possibly accentuated by Fe sulphide oxidation, dredged (re-oxidised) sediments showed a high affinity for P in sorption-desorption tests. In these tests a substantial decline in the equilibrium P concentration (EPC0) was observed already at 2% to 5% (by fresh volume) sediment addition rates. The high affinity for P by sediment matter was also supported by observations in a growth experiment and simulated rainfall test. The lower the P plant availability for ryegrass and dissolved reactive P (DRP) concentration in percolating water, the more sediment was mixed into the soils. The results suggest that the plant availability of P in CW sediments is very low due to the high concentrations of clay, and Al and Fe (hydr)oxides in sediments. Returning CW sediments to fields in large quantities is therefore likely to decrease the amount of P readily available for crop uptake. However, application of sediments dredged from CWs can be expected to immobilise soil P and decrease nonpoint source P loads when applied to critical source area soils with environmentally problematic P saturation. A practical rate of sediment addition to the surface soil layer could be approximately 5% (by fresh volume).