Freeze-thaw effects on phosphorus runoff risk in cover-cropped fields

Maatalouden fosforipäästöt lisäävät vesistöjen rehevöitymistä, mikä on merkittävä vedenlaatua heikentävä globaali ongelma. Suomessa valtaosa eroosion ja fosforihuuhtouman aiheuttamasta vesistöjen fosforikuormituksesta tapahtuu kasvukauden ulkopuolella runsaiden
sateiden ja lumen sulamisen seurauksena. Maanpeitekasveja viljellään ravinnepäästöjen ehkäisemiseksi sekä niiden muiden hyödyllisten ominaisuuksien vuoksi, kuten maan orgaanisen hiilen määrän ja mikrobien monimuotoisuuden lisäämiseksi sekä maan rakenteen
parantamiseksi. Talviaikaisten jäätymis-sulamis-syklien seurauksena maanpeitekasvit voivat kuitenkin lisätä helppoliukoisen fosforin aiheuttamaa vesistökuormitusta. Tämä vaikutus vaihtelee kasvilajien välillä ja näin ollen osa kasvilajeista soveltuu talviaikaisen
kasvipeitteisyyden lisäämiseen paremmin. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää jäätymis-sulamis-syklien vaikutus kahdentoista eri peitekasvilajin verson aiheuttamaan fosforihuuhtoumariskiin sekä kyseisten peitekasvien vaikutus maan helppoliukoisen fosforin
huuhtoumariskiin jäätymis-sulamis-syklien jälkeen fosforilannoituksen kanssa ja ilman fosforilannoitusta.

Syysrypsiä (Brassica rapa), öljyretikkaa (Raphanus sativus), italian raiheinää (Lolium multiflorum), ruokonataa (Festuca arundinacea), syysruista (Secale cereale), timoteitä (Phleum pratense), puna-apilaa (Trifolium pratense), ruisvirnaa (Vicia villosa), valkoapilaa (Trifolium
repens), valkomesikkää (Melilotus albus), hunajakukkaa (Phacelia tanacetifolia) ja tattaria (Fagopyrum esculentum) kasvatettiin kasvihuoneessa, jonka jälkeen osa ruukuista altistettiin jäätymis-sulatus -käsittelylle, joka koostui kuudesta syklistä (2°C 24 h, 4°C 24 h). Jäätymissulatus -käsittelyssä olleiden ruukkujen verso- ja maanäytteet pakastettiin (-20°C) näytteenoton jälkeen, mikä lisäsi käsittelyyn yhden jäätymis-sulamis-syklin. Peitekasveilla ei ollut vaikutusta maan helppoliukoisen fosforin pitoisuuteen jäätymis-sulamis-syklin jälkeen eli maan talviaikaiseen fosforihuuhtoumariskiin. Jäätymis-sulamis-sykli lisäsi verson vesiliukoisen fosforin pitoisuutta eli verson aiheuttamaa fosforihuuhtoumariskiä kaikilla kasvilajeilla lukuun ottamatta fosforilannoitettua hunajakukkaa. Perustuen arvioon versojen vesiliukoisista fosforireserveistä peltomittakaavassa tattari aiheutti suurimman talviaikaisen fosforihuuhtoumariskin. Pienin talviaikainen verson aiheuttama fosforihuuhtoumariski oli valkomesikällä ja ruokonadalla. Fosforilannoituksella oli minimaalinen vaikutus peitekasvien aiheuttamaan talviaikaiseen fosforihuuhtoumariskiin. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää talvipeitekasvien valitsemiseen sellaisilla peltoalueilla, joilla fosforihuuhtoumariski on erityisen merkittävä huolenaihe.

————————

Phosphorus loading through agricultural runoff and erosion induce eutrophication in waterbodies. Weather conditions outside the growing season are major drivers for phosphorus loss from agricultural fields. Overwinter cover crops are utilized to prevent phosphorus and
nitrogen nutrient loading and to gain other benefits, such as increased soil organic carbon content and microbial diversity and improved soil structure. However, vegetation can release easily soluble phosphorus after exposure to freeze-thaw cycles (FTC) and, therefore, increase the amount of phosphorus entering waterways. Different species respond to FTC with varying intensity, making some species more preferable for overwinter vegetation cover. The objective of this study was to determine FTC effect on twelve different cover crop species’ shoot-induced phosphorus runoff risk and cover crops’ effect on soil phosphorus runoff risk after FTC with and without P-fertilization.

Cover crop species, field mustard (Brassica rapa), oil radish (Raphanus sativus), Italian ryegrass (Lolium multiflorum), rye (Secale cereale), tall fescue (Festuca arundinacea), timothy (Phleum pratense), hairy vetch (Vicia villosa), honey clover (Melilotus albus), red clover
(Trifolium pratense), white clover (Trifolium repens), buckwheat (Fagopyrum esculentum) and lacy phacelia (Phacelia tanacetifolia), were grown in a greenhouse after which half of the replicate pots were exposed to FTC consisting of 6 cycles (-2°C for 24 h, 4°C for 24 h). One
extreme freeze-thaw event was added by freezing the shoot and soil samples (-20°C) after sampling. Compared to bare soil, presence of cover crops and different cover crop species did not affect freezing-induced phosphorus runoff risk in soil indicated by soil easily soluble
phosphorus concentration. FTC increased shoot-induced phosphorus runoff risk, indicated by shoot water-extractable phosphorus concentration, in all cover crops, except for P-fertilized lacy phacelia. Based on estimated field scale shoot water-extractable phosphorus pools, buckwheat had greatest risk for shoot-induced phosphorus runoff after FTC. The cover crop species with lowest shoot-induced phosphorus runoff risk following FTC were tall fescue and honey clover. P-fertilization had only minor effect on CC shoot- and soil-induced overwinter phosphorus runoff risk. The results of this study can be used for planning cover crop cultivation for overwinter vegetation cover in agricultural fields located near waterways where loss of dissolved phosphorus is significant concern.