Phosphorus in the sediment of agricultural constructed wetlands

Show simple item record

dc.contributor Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta, elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos fi
dc.contributor Helsingfors universitet, agrikultur-forstvetenskapliga fakulteten, institutionen för livsmedels- och miljövetenskaper sv
dc.contributor University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences, Environmental Soil Science en
dc.contributor.author Laakso, Johanna fi
dc.date.accessioned 2017-09-27T08:16:13Z
dc.date.available 2017-10-10 fi
dc.date.available 2017-09-27T08:16:13Z
dc.date.issued 2017-10-20 fi
dc.identifier.uri URN:ISBN:978-951-51-3682-4 fi
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10138/224575
dc.description.abstract 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). en
dc.description.abstract 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. fi
dc.format.mimetype application/pdf fi
dc.language.iso en fi
dc.publisher Helsingin yliopisto fi
dc.publisher Helsingfors universitet sv
dc.publisher University of Helsinki en
dc.relation.isformatof URN:ISBN:978-951-51-3681-7 fi
dc.relation.isformatof Turku: Helsingin yliopisto, 2017, dissertationes schola doctoralis scientiae circumiectalis, alimentariae, biologicae. universitatis helsinkiensis. 2342-5423 fi
dc.relation.ispartof URN:ISSN:2342-5431 fi
dc.rights Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty. fi
dc.rights This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited. en
dc.rights Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden. sv
dc.subject fi
dc.title Phosphorus in the sediment of agricultural constructed wetlands en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Doktorsavhandling (sammanläggning) sv
dc.ths Yli-Halla, Markku fi
dc.ths Uusitalo, Risto fi
dc.ths Lehtoranta, Jouni fi
dc.opn Heathwaite, Louise fi
dc.type.dcmitype Text fi

Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
phosphor.pdf 8.561Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record