Redox reactions and water quality in cultivated boreal acid sulphate soils in relation to water management

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1519-5
Julkaisun nimi: Redox reactions and water quality in cultivated boreal acid sulphate soils in relation to water management
Tekijä: Virtanen, Seija
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta, elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Kuuluu julkaisusarjaan: YEB - URN:ISSN:2342-5431
Tiivistelmä: Acid loading from cultivated acid sulphate soils (AS) deteriorates the quality of the recipient waters, especially on the coast of the Gulf of Bothnia. These fields reclaimed in the past without knowing their deleterious consequences still cause long-lasting hazards. The aim of this thesis was to explore redox processes in AS soils in relation to their water management aiming at mitigation the water quality. Redox processes and the quality of pore and discharge water were investigated for 2 ½ years in waterlogged cropped and bare lysimeters as well as in effectively drained cropped lysimeters. This methodology has not been previously used in studies on boreal AS soils. In addition, the level and quality of groundwater was monitored for three years in an AS field. Physical properties of the soil were determined to unravel the ripening processes under different water management systems. The results obtained at the lysimeter and field scales were compared using the similarity approach, a new methodology in soil science. Upon waterlogging, the reduction-induced elevation of pH immobilized Al but concomitantly increased the Fe2+ concentration in pore and discharge water. This reaction pattern maintained the acidity of discharge water. This finding contrasts with the results obtained in warmer environments. The main reasons for the discrepancy were: 1) acidic conditions favour iron reducers before sulphate reducers, 2) the AS soils rich in poorly ordered Fe oxides, 3) low temperature, 4) freshwater used in waterlogging and 5) low labile organic matter in horizons poor in root material. However, intensified drainage caused the oxidation of sulphidic material in subsoils. The oxidation proceeded rapidly, although the most reactive sulphides constituted only 1% of the total sulphides. Ripening processes enhanced the oxidation of sulphides by promoting the diffusion/convection of oxygen and nitrate into the sulphidic horizon. The findings suggest that nitrate may also oxidize sulphides in boreal AS soils. These results highlight the importance of preventing soil ripening in order to keep sulphidic horizons waterlogged and impermeable. The findings reveal that to mitigate environmental hazards it is not rational to waterlog cultivated boreal AS fields close to the plough layer. Otherwise there is a risk that Fe2+ will leach to watercourses, where it will cause acidity as well as oxygen depletion as a result of oxidation and hydrolysis. The study revealed that the acidity retained in the form of secondary minerals retards neutralization and thus counteracts the mitigation measures. Waterlogging of only the transition and sulphidic horizons appears to be the most efficient water management option to improve discharge water quality. This practice can especially be recommended on the coast of the Gulf of Bothnia, where AS soils are abundant in reactive sulphides and may oxidized by nitrate, leading also to increased nitrous oxide emissions.Itämeren rannikkoalueilla, erityisesti Pohjanmaalla, viljelykseen otetut happamat sulfaattimaat (HaSu) ovat huonontaneet valumavesistöjensä veden laatua. HaSu peltoja on raivattu viljelykäyttöön aikana, jolloin niiden pitkään jatkuvasta haitallisesta ympäristövaikutuksesta ei vielä ollut tietoa. Tässä väitöskirjatutkimuksessa selvitettiin hapetus-pelkistysreaktioita, joita HaSu maan vesitalouden säätö aiheuttaa. Käytännön tavoitteena oli vastata kysymykseen, voidaanko pohjaveden korkeutta säätämällä vähentää happamien sulfaattimaiden haitallisia ympäristövaikutuksia. Tutkimuksen lysimetrikokeessa seurattiin jatkuvatoimisesti HaSu maan hapetus-pelkistystilaa sekä huokosveden ja valumaveden laatua 2 1/2 vuoden ajan. Tämän lisäksi pohjaveden korkeutta ja laatua seurattiin kolmen vuoden ajan HaSu pellolla. Lysimetrejä oli 10, joista kahdeksassa kasvoi ruokohelpi, lisäksi kokeessa oli kaksi kasvitonta lysimetriä. Lysimetreissä oli kaksi täysin erilaista pohjaveden korkeutta: toisessa maa kyllästettiin vedellä muokkauskerrokseen asti ja toisessa taas maa kuivatettiin tehokkaasti. Kokeen loputtua lysimetrien tuloksia verrattiin pellon tuloksiin samankaltaisuus-testillä , jota ei aiemmin ole käytetty maaperätieteessä Suomessa. Korkean pohjaveden seurauksena HaSu maan pH nousi ja huokos- ja valumaveden alumiinipitoisuus pieneni, mutta raudan pitoisuus kasvoi. Tämä ylläpiti valumaveden happamuutta. Nämä havainnot olivat vastoin lämpimissä maissa saatuja havaintoja. Pääasialliset syyt eroon olivat 1) hyvin happamat maakerrokset, jotka suosivat raudan pelkistäjämikrobeja korkeammassa pH:ssa viihtyvien sulfaatin pelkistäjien kustannuksella, 2) heikosti kiteytyneiden rautayhdisteiden runsaus, 3) matala lämpötila, 4) sadevesi lämpimissä maissa käytetyn meriveden sijaan sekä 5) helposti mikrobien käytettävissä olevan orgaanisen aineksen vähyys maakerroksissa, joihin juuret eivät ulottuneet. Tehostettu kuivatus aiheutti rautasulfidien hapettumista, vaikka kokeen HaSu maassa reaktiivisimpien sulfidien määrä oli pieni. Kuivatus edisti rakojen muodostumista maahan ja se helpotti mm. hapen ja nitraatin pääsyä sulfidikerrokseen. Havaintojen mukaan myös nitraatti voi hapettaa sulfideja, mikä puolestaan voi lisätä typpioksiduulipäästöjä. Koe osoitti, että sulfidien hapettumiseen vaikuttaa myös pohjamaan rakenne ja vedenläpäisykyky. Tutkimuksen perusteella viljelykseen otettujen HaSu peltojen padottaminen pintaan asti ei näytä järkevältä, sillä se voi aiheuttaa raudan huuhtoutumista. Rauta kuluttaa veden happea ja sen saostuminen hapettumisen seurauksena lisää happamuutta vastaanottavissa vesistöissä. Tutkimus paljasti myös, että maakerroksiin on varastoitunut happamuutta, minkä vuoksi ympäristöhaittojen vähentämistoimien vaikutukset näkyvät vasta viipeellä. Happamuuden syntymistä voidaan vähentää nostamalla pohjaveden korkeutta niin, että ns. vaihettumiskerros ja sulfidikerros eivät pääse hapettumaan eikä maan rakenne pääse muuttumaan. Tätä menetelmää voidaan suositella mm. Pohjanmaan rannikolle, jossa reaktiivisten rautasulfidien määrä on suuri.
URI: URN:ISBN:978-951-51-1519-5
http://hdl.handle.net/10138/156508
Päiväys: 2015-10-02
Avainsanat: maaperä- ja ympäristötiede
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
redoxrea.pdf 2.479MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot