Potential bioavailability of particulate phosphorus in runoff from arable clayey soils

Abstract

Osa peltovalumavesien maa-ainekseen sitoutuneesta fosforista (P) voi vapautua leville käyttökelpoiseen muotoon maa-aineksen päädyttyä vesistöön. Tässä työssä tutkittiin valumavesien pelloilta kuljettaman maaaineksen fosforin (PP; partikkelimuotoinen P) vapautumista kahden uuttomenetelmän avulla: uutto anioninvaihtohartsin avulla (AER) ja uutto bikarbonaatilla puskuroidun ditioniitti-pelkistimen avulla (BD). Uuton AER:n avulla oletetaan kuvaavan hapellisissa oloissa vapautuvan PP:n määrää vedessä, kun taas BD-uutto kuvaa hapettomissa oloissa tapahtuvaa P:n vapautumista sedimentoituneesta maa-aineksesta. Menetelmien luotettavuutta tarkasteltiin laboratoriokokein, määritettiin eri olosuhteissa vapautuvan PP:n pitoisuuksia pinta- ja salaojavalunnassa ja arvioitiin P:n eri muotojen kulkeutumista neljältä savimaan koekentältä. Savisameista valumavesistä saatiin 20 tunnin AER-uuton aikana uutettua noin 50 % kolmen viikon aikana levätestissä käyttökelpoiseksi tulevasta PP:sta. Levätestin ja AER-uuton tulokset korreloivat hyvin keskenään (R2 = 0.94) ja AER uutti Selenastrum capricornutum-levän kanssa samaa maa-aineksen fosforijaetta. Hapettomia oloja jäljittelevässä BD-uutossa vapautuvan maaainesfosforin määrä oli noin 5 6 kertainen verrattuna AER-uuton tulokseen nähden. Laboratoriossa valmistetuilla oksideilla tehtyjen kokeiden mukaan BD-uutossa vapautuu lähinnä rautaoksidien sitomaa P:a (72 %:n P-saanto), kun P:n saanto oli selväsi pienempi (7 %) alumiinioksidien sitoman ja apatiitin sisältämän P:n (0,1 %:n saanto) osalta. Sekä AER- että BD-uutoissa vapautuvan P:n pitoisuutta valumavesinäytteissä säätelivät näytteen PPpitoisuus ja maan P-tila (R2 = 0,77 0,96). Eri koepaikoilla tehtyjen valumamittausten ja pitempiaikaisten valumavesien P-pitoisuuksien seurantojen perusteella laskettiin koemailta tulevan rehevöittävän Pkuormituksen määrät. Vuotuisen liuenneen P:n kuormituksen määrät (29 510 g ha-1) olivat suurempia kuin AER:lla uuttuvan PP.n määrät (13 270 g ha-1), mutta selvästi pienempiä kuin pelkistyneissä oloissa vapautuvan PP:n kuormat (94 1340 g ha-1). Näin ollen tehokas eroosiontorjunta pienentäisi kaikilla koepaikoilla rehevöittävän P:n kuormaa. Koska salaojavalunta saattaa olla hyvin merkittävä pintamaasta peräisin olevan maa-aineksen ja P:n kulkureitti pellolta vesistöön, pintamaan eroosioherkkyyttä tulisi vähentää koko pellon alalla, ei ainoastaan pellon reunamilla.

Runoff phosphorus (P) associated with eroded soil contributes to eutrophication to some extent. The present work examines two methods for estimating the potential bioavailability of particulate P (PP) in runoff, and studies the concentrations and losses of different P forms in surface and subsurface runoff from arable soils. The potential bioavailability of PP was approximated by extraction with (i) anion exchange resin (AER-PP), giving a measure of desorbable PP under aerobic conditions, and with (ii) bicarbonate-dithionite (BD-PP), which dissolves redox-labile PP. Both methods were applied in runoff analysis without sediment preconcentration. In turbid runoff, AER extracted about 50% of the PP pool utilized by Selenastrum capricornutum in 3-week biotests. The AER-PP yields correlated well (R2 = 0.94) with the algal uptake of PP. The BD extraction solubilized 5 6 times the amount of PP extracted by AER. Of the total P of rock phosphates (Ca-P) and P-amended synthetic Al and Fe(III) oxides, BD extracted 0.1% (Ca-P), 7% (Al-P), and 72% (Fe-P), respectively. Concentrations of AER-PP and BD-PP in runoff were closely related to the concentration of sediment-associated P (R2 = 0.77 0.96), and the estimates of annual surface runoff losses of BD-PP and AER-PP were derived from the relationships between PP and these P forms. The annual AER-PP losses in surface runoff from three field sites during 4 years ranged from 13 to 270 g ha-1 and the annual BD-PP losses from 94 to 1340 g ha-1. Since DRP losses at the same time equaled 29 510 g ha-1, runoff PP was considered to make at least as marked a contribution to bioavailable P losses as DRP. Soil P status affected the losses of all bioavailable P forms, but major fluctuations in the transport of AER-PP and BD-PP were due to the annual variation in soil losses. Therefore, erosion control was regarded as a necessary part of P loss abatement at all sites of this study. At one of the sites, drainflow P losses were 3 4 times those via the surface pathway, drainflow being the major runoff pathway. The particles carried by surface and subsurface runoff were enriched in clay-sized particles and 137Cs by a factor of about 2 as compared to topsoil, and contained about as much total P as did the bulk Ap horizon soil. The great drainflow losses of potentially bioavailable (topsoil-derived) PP show that soil dispersion and subsurface transport may be the major factors contributing to eutrophying P losses from subdrained clayey soils.