COMMUNICATIONES INSTITUTI FORESTALIS FENNIAE 111 FERTILIZER-INDUCED LEACHING OF PHOSPHORUS AND POTASSIUM FROM PEATLANDS DRAINED FOR FORESTRY ERKKI AHTI SELOSTE LANNOITUKSEN VAIKUTUS FOSFORIN JA KALIUMIN HUUHTOUTUMISEEN OJITETUILTA SOILTA HELSINKI 1983 COMMUNICATIONES INSTITUTI FORESTALIS FENNIAE THE FINNISH FOREST RESEARCH INSTITUTE (METSÄNTUTKIMUSLAITOS) Unioninkatu 40 A SF-00170 Helsinki 17 FINLAND telex: 125181 hyfor sf attn: metla/ phone: 90-661 401 Director: Professor Olavi Huikari Head of Information Office: Tuomas Heiramo Distribution and exchange of publications: The Finnish Forest Research Institute Library Unioninkatu 40 A SF-00170 Helsinki 17 FINLAND Publications of the Finnish Forest Research Institute: Communicationes Instituti Forestalls Fenniae (Commun. Inst. For. Fenn.) Folia Forestalia (Folia For.) Metsäntutkimuslaitoksen tiedonantoja Cover (front & back): Scots pine ( Pinus sylvestris L.) is the most important tree species in Finland. Pine dominated forest covers about 60 per cent of forest land and its total volume is nearly 700 mil. cu.m. The front cover shows a young Scots pine and the back cover a 30-metre-high, 140-year-old tree. COMMUNICATIONES INSTITUTI FORESTALIS FENNIAE 111 ERKKI AHTI FERTILIZER-INDUCED LEACHING OF PHOSPHORUS AND POTASSIUM FROM PEATLANDS DRAINED FOR FORESTRY SELOSTE LANNOITUKSEN VAIKUTUS FOSFORIN JA KALIUMIN HUUHTOUTUMISEEN OJITETUILTA SOILTA HELSINKI 1983 AHTI, E. 1983. Fertilizer- induced leaching of phosphorus and potassium from peatlands drained for forestry. Se loste: Lannoituksen vaikutus fosforin ja kaliumin huuhtoutumiseen ojitetuilta soilta. Commun. Inst. For. Fenn. 111:1—20. Ditch runoff from a peatland area drained for forest ry was sampled during May—October for one year befo re and six years after refertilization with phosphorus and potassium. Raised potassium concentrations were detected during the first snowless period after refertili zation, while the phosphorus concentration increased significantly the following year and continued to be high six years after refertilization. During three years, simultaneous sampling was per formed in a corresponding area partly fertilized 13-15 years earlier. Here, no significant differences between fertilized and unfertilized parcels were detected for po tassium. Instead, the runoff samples taken from the fertilized parcels contained significantly more phospho rus than did the samples taken from the unfertilized parts of the area. Ojitusalueelta otettiin ojavesinäytteitä touko—loka kuussa PK-jatkolannoitusta edeltäneenä vuonna ja kuu tena vuotena sen jälkeen. Korkeita kaliumpitoisuuden arvoja esiintyi vain lannoitusvuoden aikana. Fosforipi toisuudet kasvoivat merkitsevästi vasta seuraavana vuonna ja pysyivät jatkolannoitusta edeltänyttä tasoa korkeammalla havaintojakson loppuun asti. Vuosina 1980-82 otettiin samanaikaisesti vesinäyttei tä vastaavanlaiselta ojitusalueelta, joka oli osittain lan noitettu NPK:lla 13-15 vuotta aikaisemmin. Alueen lannoitettujen osien valumavesien fosforipitoisuus oli edelleen moninkertainen lannoittamattomiin osiin verrattuna. Kaliumpitoisuudet eivät poikenneet merkit sevästi toisistaan. Helsinki 1983. Valtion painatuskeskus ODC 237.4 + 114.26 + 114.58 + 114.444 ISBN 951-40-0610-0 ISSN 0358-9609 CONTENTS 1. INTRODUCTION 5 2. EXPERIMENTAL LAYOUT 6 21. Liesneva experiment 6 22. Kivisuo experiment 7 3. METHODS 8 31. Runoff measurements 8 32. Sampling and chemical analysis 8 4. RESULTS 10 41. Leaching of phosphorus and potassium in Liesneva 10 42. Phosphorus and potassium concentrations in Kivisuo 10 5. DISCUSSION AND CONCLUSIONS 13 REFERENCES 14 SELOSTE 15 APPENDIXES 17 4 Ahti PREFACE Since the 1950'5, a number of so-called ditch spacing experiments were established on peat soil by the Department of Peatland Forestry, the Finnish Forest Research Insti tute. The aim of the experiments was to stu dy the influence of varying ditching intensity on tree growth and hydrology. In the Lies neva experiment the main interest was con centrated on hydrology (cf. Huikari 1959), and later, fertilization studies were started. In 1975, before refertilizations in 1977 and 1978, the water quality aspect was included in the research activity of the area: in spite of weaknesses in experimental layout a pre liminary survey based on ditch water samp ling and runoff measurements was started. The survey was partly financed by the National Board of Forests. Prof. Eero Paa vilainen, Dr. Juhani Päivänen, Dr. Seppo Kaunisto, Dr. Michael Starr, and Antti Rei nikainen, Lie. Phil., greatly assisted in comp leting the manuscript. Mrs. Arja Ylinen and Miss Kirsti Mattila performed the time consuming and laborious laboratory ana lyses. The computations were done by Mr. Lauri Hirvisaari and Mr. Markku Ni kola. I wish to express my sincere gratitude to all the persons mentioned above as well as the National Board of Forests. Parkano November 1982 Erkki Ahti Commun. Inst. For. Fenn. 11l 5 1. INTRODUCTION In Finland, phosphorus and potassium are commonly used in peatland forest fertiliz ation. Some earlier studies (Karsisto 1970, Karsisto and Ravela 1971) have shown that compared to the amount of fertilizers app lied, leaching of fertilizer phosphorus from peatland forests can be regarded as negli gible. In acid mineral soils, fertilizer phosphorus is tightly bound in the. soil and biomass through formation of aluminium and iron phosphates and uptake by the vegetation. Also in peat soils, retention of phosphorus is closely connected with iron and especially aluminium (Kaila 1959). Presumably because of the low content of these elements (Ran nikko and Hartikainen 1980), acid Sphagnum peats have been shown to have a low capac ity to bind water soluble phosphates (Karsisto 1970, Fox and Kamprath 1971). Hence, it has been assumed that the low leaching rates found for phosphorus are due to the slowly soluble rock phosphates used in Finland rather than chemical fixation in peat. Potassium is more mobile in the soil than phosphorus and fertilizer potassium has been shown by the same authors to leach more readily from peat soils. However, leaching of potassium has been considered a pollution risk of minor importance (Särkkä 1970, Harriman 1978). In this paper, long term leaching of ferti lizer phosphorus and potassium is discussed on the basis of phosphorus and potassium concentrations of runoff water measured dur ing seven successive years. Additional data from an old fertilization area is examined. 6 Ahti 2. EXPERIMENTAL LAYOUT 21. Liesneva experiment The Liesneva area (61°59' N, 23°15' E, 150 m a.5.1.) was predrained (ditch spacing 200-250 m) as early as in 1915. In the site classification system described by Heikurai nen and Pakarinen (1982), the original site type was cottongrass pine bog with patches of ordinary small sedge bog. The present ditch network originates from 1955 (Huikari 1959). Ditch spacing varies from 5 to 100 meters (Fig. 1); the ditches, still functioning satisfactorily, originally were 0.8 m deep. Figure 1. The experimental layout at Liesneva, Ferti lizer treatments: a) 400 kg/ha ammonium sulfate, 300 kg/ha ground rock phosphate, 100 kg/ha potassium chloride in 1961; b) 500 kg/ha PK in 1961, 217 kg/ha urea in 1978; c) 500 kg/ha PK in 1965, 500 kg/ha PK and 400 kg/ha amm. nitrate in 1977; d) 500 kg/ha PK in 1965. Catchment areas: I, II, and III. Sampling points: 1-6. Kuva 1. Liesnevan koejärjestely. Lannoituskäsittelyt: a) 400 kg oulunsalpietaria, 300 kg hienofosfaattia ja 100 kg kalisuolaa hehtaarille vuonna 1961; b) 500 kg PK lannosta hehtaarille vuonna 1961, 217 kg ureaa heh taarille vuonna 1978; c) 500 kg PK-lannosta hehtaaril le vuonna 1965, 500 kg PK-lannosta ja 400 kg oulunsal pietaria hehtaarille vuonna 1977; d) 500 kg PK-lan nosta hehtaarille vuonna 1965. Valuma-alueet: I, II ja III. Näytteenottopisteet: 1-6. Average slope is approximately 0.5/100 me ters. The tree stand is dominated by Scots pine (Pinus sylvestris). According to a syste matic circular plot survey carried out in 1979, the volume of the stand varied with spacing as follows: In 1961 a strip across the ditches was fer tilized by using 400 kg of ammonium sul phate (N 20.5 %), 300 kg of ground rock phosphate (P 14.4 %), and 100 kg of po tassium chloride (K 41.5 %) per hectare (See Fig. 1). In 1965, another strip was treated with 500 kg of commercial PK-fertilizer (P 7.2 %, K 14.0 %) per hectare. In 1977 and Figure 2. The experimental layout at Kivisuo. Sampling points: 1-6. Kuva 2. Kivisuon koejärjestely. Näytteenottopisteet: 1-16. Spacing, m 5 10 20 40 60 80 100 Volume, m3 /ha 98.1 93.1 73.4 52.7 35.4 24.2 25.7 7 Commun. Inst. For. Fenn. 11l 1978, the latter strip was partly refertilized as follows: 1977: 500 kg of commercial PK-fertilizer (P 8.3 %, K 15.8 %, P as rock phosphate) per hectare 400 kg of commercial ammonium nitrate fertilizer (N 27.5 %) per hectare 1978: 217 kg of urea (N 46 %) per hectare. In 1977 and 1978, the fertilizer was applied by hand carefully avoiding the ditches. 22. Kivisuo experiment The Kivisuo area (61°53' N, 25°58' E, 125 m a.5.1.), here used for comparison, was drai- Ned in 1966-67. The area is divided by ditches into 16 hydrological units, which differ from each other with respect to spac ing (5, 10, 20, and 50 m), ditch depth (0.4 and 0.8 m), and tree stand (parcels 1-8: Scots pine, parcels 9-16: treeless; see Fig. 2). The original site types are: parcels 1-8: cottongrass pine bog - small sedge pine bog parcels 9-16: small sedge bog fuscum bog. In 1967, parcels 1-8 were fertilized with 600 kg of commercial NPK-fertilizer (N 14 %, P 7.9 %, K 8.3 %; P as easily soluble superphosphate) per hectare. The 0.4 m ditches were cleaned to their original depth in 1976. 8 Ahti 3. METHODS 31. Runoff measurements In the Liesneva area, discharge was meas ured five times weekly in the snowless period at observation points 1-6 (see Fig. 1) by using a stop watch and a fixed-volume vessel. To be able to estimate runoff (see Fig. 3), the water dividers between the ditches were approximated as follows: If we denote the relative gradients to the two ditches are Figure 3. Schematic cross section of the drainage pro file: b = spacing, H = ditch depth, h = distance to the water table at water divider, x, z1, and z 2 variables used in approximating the water divider with equation (3). Kuva 3. Kuivatusprofiilin poikkileikkauksen kaavio: h = sarkaleveys, H = ojasyvyys, h = pohjavesipinnan syvyys vedenjakajalla, x, z1 ja z 2 vedenjakajan sijain nin laskennassa käytettyjä muuttujia (ks. yhtälö (3)). By assuming grad, = grad 2 at water divider, and by solving with respect to x, we get By inserting 0.005 as slope, following distan ces of water divider from upper ditch are arrived at: The location of the water divider appears to vary as a function of water table depth. Hence, changes in the catchment area of the ditches due to water table fluctuations could be expected. However, because of the sys tematic layout and the fact that simultaneous water divider shifts in the same logical direc tion can be assumed for adjacent spacings, this source of variation in time was not taken into consideration. On the basis of mean distance to the water table, slope, and formula (3), three flow areas (I—III, Fig. 1) corresponding to 5-10, 20-40, and 60-80 meter spacings were approximated. 32. Sampling and chemical analysis In Liesneva area, water samples were taken once a week in 1975-79 and 1982 and twice a month in 1980-81. Before analysis the samples were kept at +s° C. Because a commercial laboratory (Viljavuuspalvelu Oy) had to be used in 1975-80 the storage z, -£• X and z 2 = £ • (b—x) (1) where f = slope x = distance between water divider and upper ditch b = spacing, H—z, h , H+z2 h m g 1 = x and Brad 2 = where H = ditch depth h = distance to the water table at water divider. = a + H-h - (a + H-h) 2 - 2a(H~h) (3) x 2(a/b) Spacing, m Distance to water table at water divider, m 0.1 0.2 0.3 0.4 Distance of water divider from upper ditch, m 5 2.5 2.4 2.4 2.4 10 4.8 4.8 4.8 4.7 20 9.3 9.2 9.0 8.8 40 17.2 16.8 16.1 15.3 60 23.8 22.9 21.7 20.0 80 29.4 27.9 26.0 23.4 100 34.0 31.9 29.3 26.0 9 Commun. Inst. For. Fenn. 11l time varied and on occations was as long as 3 months. In 1981-82 the samples were ana lyzed at Parkano Research Station within 24 hours of sampling. Total phosphorus was determined colorimetrically with the molyb denum blue method by using ascorbic acid as the reductant. Standard methods of atom absorption spectrophotometry were used for determining potassium. In 1980-82, simultaneous sampling was performed in the Kivisuo area. In 1980, the chemical analyses were done in the commer cial laboratory. In 1981-82 the cooled samp les were transported in styrox boxes to Par kano Research Station, where analysis could be started within 48 hours of sampling. For comparability, 30 of the 1981 samples were analyzed both at Parkano Research Station and the commercial laboratory (Appendixes 7-8). 10 Ahti 4. RESULTS 41. Leaching of phosphorus and potassium at Liesneva In the year of refertilization (1977), no logical change in the concentration of total phosphorus could be observed. However, the concentration increased in 1978 and was still high in 1982 (Table 1, Appendixes 1-3). Figure 4. Monthly averages of the K/P-ratio plotted against time. Liesneva 1976-82. Kuva 4. K/P-suhteen kuukausikeskiarvot ajan funktio na. Liesneva 1976-82. This change was accompanied by a consider able increase in the variation between adjacent sampling points. Sporadic high potassium concentrations occurred in May immediately after fertiliz ation and during August-September (Appendixes 4-6). No pronounced peak was observed. This may partly be because of a too long sampling interval (1 week). The mean concentration did not increase. In 1978-82 the potassium concentrations were even lower than before fertilization (Table 2). Because no reference area was available, the effect of fertilization on the total load of phosphorus and potassium could not be estimated. In order to make the overall change in water quality better discernable, K/P-ratios were calculated by using mean concentra tions weighted with monthly runoff values (Table 3). The ratio varied from 13.7 to 22.9 in 1976, increased to between 19.8 and 42.6 in 1977, and dropped below 10.0 in 1978 without any clear tendency to increase by the end of 1982. In Figure 4 the monthly unweighted averages are plotted against time. 42. Leaching of phosphorus and potassium at Kivisuo In 1980-82, 13-15 years after fertilization, the phosphorus concentration of runoff wa ter still was considerably higher than in the unfertilized control parcels (Table 4). Assuming 100 mm runoff during the snowless period, the difference corresponds 11 Commun. Inst. For. Fenn. 111 to an increase in the total load of phospho rus by 60-90 g/ha. Instead, the difference in potassium concentration was insignificant. Part of the differences in phosphorus con centration might be due to differences in ori ginal site type as well as tree stand effects. However, the tree stand being rather sparse (less than 10 m3/ha), and the K/P-ratio being fivefold in the unfertilized parcels during all three years of observation, the implication that long term effects are involved even when applying superphosphate is rather strong. Table 1. Mean phosphorus concentration (P) weighted by monthly runoff, runoff (q), and phosphorus load (L p ) at Liesneva 1976-1982. Taulukko 1. Valumavesien kuukausivalunnalla painotettu keskimääräinen fosfori pitoisuus (P), valunta (q) ja fosforikuormitus (Lp) Liesnevalla 1976-1982. Table 2. Mean potassium concentration (K) weighted by monthly runoff, runoff (q), and phosphorus load (Lk) at Liesneva 1976-1982. Taulukko 2. Valumavesien kuukausivalunnalla painotettu keskimääräinen kalium pitoisuus (K), valunta (q) ja kaliumkuormitus (Lk) Liesnevalla 1976-82. Year Spacing — Sarkaleveys Vuosi 5-10 m 20-40 m 60-80 m p mg/l q mm g/L P mg/l q mm g/fa p mg/l q mm g/?a 1976 .065 64.1 41.6 .070 51.7 36.1 .028 51.4 13.2 19 77 .039 171.6 67.3 .049 138.2 67.5 .019 147.7 27.4 1978 .091 92.1 83.8 .098 71.0 69.3 .037 67.5 24.8 1979 .064 116.7 74.7 .116 100.5 116.3 .036 95.9 34.9 1980 .067 130.5 87.8 .134 100.7 133.9 .063 100.5 63.0 1981 .174 283.4 495.5 .182 218.3 398.6 .051 210.6 106.5 1982 .110 22.6 24.8 .163 16.8 27.3 .041 19.6 7.9 Year Spacing — Sarkaleveys Vuosi 5-10 m 20-40 m 60-80 m K q Lk K q Lk K q Lk mg/l mm g/ha mg/l mm g/ha mg/l mm g/ha 1976 1.00 64.1 640 0.96 51.7 497 0.64 51.4 329 1977 0.82 171.6 1404 0.97 138.2 1285 0.81 147.7 1193 1978 0.58 92.1 533 0.71 71.0 501 0.40 67.5 272 1979 0.40 116.7 472 0.51 100.5 506 0.20 95.9 190 1980 0.46 130.5 602 0.44 100.7 437 0.23 100.5 226 1981 0.40 283.4 1453 0.45 218.3 969 0.17 210.6 352 1982 0.29 22.6 66 0.40 16.8 72 0.26 19.6 51 12 Ahti Table 3. K/P-ratios calculated from average concentrations weighted by monthly runoff at Liesneva 1976-81. Taulukko J. Kuukausivalunnalla painotettujen keskimääräisten K- ja P-pitoisuuk sien suhde Liesnevalla 7976-81. Table 4. Mean phosphorus and potassium concentrations of runoff water at Kivi suo 1980-82. Taulukko 4. Kivisuon valumavesien keskimääräiset fosfori- ja kaliumpitoisuudet vuosina 1980-82. Year Spacing - Sarkaleveys Vuosi 5-10 m 20-40 m 60-80 m 1976 15.4 13.7 22.9 1977 21.0 19.8 42.6 1978 6.4 7.2 10.8 1979 6.3 4.4 5.6 1980 6.9 3.3 3.7 1981 2.3 2.5 3.3 1982 2.6 2.5 6.3 1980 1981 1982 Fert. Unfert. Fert. Unfert. Fert. Unfert. Lann. Ei lann. Lann. Ei lann. Lann. Ei lann. Number oi samples 59 55 80 76 71 65 Näytteiden lukumäärä P, mg/l 0.089 0.016 0.101 0.013 0.109 0.016 K, mg/l 0.10 0.09 0.16 0.10 0.27 0.20 K/P 1.1 5.6 1.6 7.7 2.5 12.5 13 Commun. Inst. For. Fenn. 11l 5. DISCUSSION AND CONCLUSIONS Because not much has been published on long term effects of fertilization on runoff water quality, the data of Liesneva and Kivi suo can not be compared with many earlier studies. Long term effects of PK-fertiliz ation on phosphorus leaching from Scottish peatlands were reported by Harriman (1978): "Phosphorus continued to be lost to streams three and a half years after the initial fertilization, whereas losses of nitrogen and potassium returned to normal after three and two years respectively". According to Kenttämies (1981), "results from old drained and fertilized peatlands reveal significantly higher phosphorus concentrations compared with unfertilized areas, and it is obvious that the effect of fertilization on phosphorus discharge lasts at least 5-10 years". In their report on the environmental effects of forest drainage, Heikurainen et ai. (1978) mentio ned that the phosphorus contents of runoff water in drained areas in Southern Finland were on the average 6.5 times higher after PK-fertilization than those of virgin peat lands. According to the same report, ditc hing itself did not have any effects on the phosphorus concentrations. In this study, long term effects of fertili zation on phosphorus leaching were obser ved irrespective of whether rock phosphate (Liesneva) or superphosphate (Kivisuo) was applied. There are several reasons why the Liesne va material cannot be used for quantifying the change caused by fertilization more accurately. First, because of the lack of a reference area and the short calibration period, changes due to fertilization cannot be reliably separated from natural variation in time. Second, the observation periods do not include winter and maximum spring flow usually characterized by high rates of potassium leaching. According to earlier studies in Finland (Karsisto 1970, Karsisto and Ravela 1971, Särkkä 1970), the phos phorus concentration increased by about 0.02 - 0.035 mg/1 during the first year after application. This corresponds to 50-200 g/ha/year or about 0.16-0.46 % of the phosphorus amount applied. In contrast, Harriman (1978) reported an increase by approximately 0.1-0.2 mg/1 and an average loss of about 2 kg/ha/year, which corresponds to 4 % of the phosphorus amount applied. As regards the change in concentration, the data of this study seems to agree better with Harriman's (1978) report than the three Finnish ones. Because of smaller annual precipitation and runoff, the total amount of phosphorus leached assumably remains considerably smaller than reported by Har riman. However, Kauppi (1979) mentions the case of Korpijoki basin, where after partial forest fertilization the concentration of phosphorus was as high as 0.55 mg/1 during spring floods, which corresponds to a monthly load of 0.4-0.6 kg/ha. The long term effect of fertilization at Ki visuo (superphosphate) implies that a con siderable amount of fertilizer phosphorus is biologically bound and slowly released from the ecosystem. The effect of refertilization on the phosphorus concentrations at Liesne va (rock phosphate), where only 10 % of the area was fertilized, suggests as well that leac hing of fertilizer phosphorus is largely governed by other factors than merely the solubility of the phosphorus fraction in the fertilizer. 14 Ahti REFERENCES FOX, R.L., & KAMPRATH, E.J. 1971. Adsorption and leaching of P in acid organic soils and high organic matter sand. Soil Sei. Soc. Amer. Proc. 35:154-156. HARRIMAN, R. 1978. Nutrient leaching from fertilized forest watersheds in Scotland. J. Appl. Ecol. 15:933-942. HEIKURAINEN, L., KENTTÄMIES, K„ & LAINE, J. 1978. The environmental effects of for est drainage. Lyhennelmä: Metsäojituksen ympäris tövaikutukset. Suo 29 (3-4): 49-58. & PAKARINEN, P. 1982. Mire vegetation and site types. In "Peatlands and their utilization in Fin land", pp. 14-23. Helsinki 1982. HUIKARI, O. 1959. Metsäojitettujen soiden vesitalou desta. Referat: Über den Wasserhaushalt waldent wässerter Torfböden. Commun. Inst. For. Fenn. 51.2:1-45. KAILA, A. 1959. Retention of phosphate by peat samples. Selostus: Turvenäytteiden fosforin pidä tyksestä. J. Sei. Agr. Soc. Finland 31 (3):215—225. KARSISTO, K. 1970. Lannoituksessa annettujen ravin teiden huuhtoutumisesta turvemailta. Summary: On the washing of fertilizers from peaty soils. Suo 21 (3-4):60-66. & RA VELA, H. 1971. Eri ajankohtina annettujen fosfori- ja kalilannoitteiden huuhtoutumisesta met säojitusalueilta. Summary: Washing away of phosphorus and potassium from areas drained for forestry and, topdressed at different time of the year. Suo 22 (3-4):39-46. KAUPPI, L. 1979. Effect of drainage basin on the diffuse load of phosphorus and nitrogen. Tiivistel mä: Valuma-alueen vaikutus fosforin ja typen haja kuormitukseen. Pubi. Water Res. Inst., National Board of Waters, 30:21-41. KENTTÄMIES, K. 1981. The effects on water quality of forest drainage. Publ. Water Res. Inst., National Board of Waters, 43:24-31. RANNIKKO. M., & HARTIKAINEN, H. 1980. Re tention of applied phosphorus in Sphagnum peat. Proc. 6th Int. Peat Congr., Duluth, Minnesota, 1980, pp. 666-669. SÄRKKÄ, M. 1970. Metsänlannoituksen vaikutus ve sistöissä. Summary: On the influence of forest fer tilization on watercourses. Suo 21 (3-4):67-74. 15 Commun. Inst. For. Fenn. 111 SELOSTE Lannoituksen vaikutus fosforin ja kaliumin huuhtoutumiseen ojitetuilta soilta Johdanto Suometsien lannoitus on Suomessa pääasiassa PK lannoitusta. Aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että lannoitefosfori sitoutuu tiukasti turpeeseen ja huuhtoutumista tapahtuu vähän (Karsisto 1970, Karsis to ja Ravela 1971, Särkkä 1970). Toisaalta on huomau tettu, että pienetkin fosforikuormituksen lisäykset saat tavat olla vesistöjen kannalta kriittisiä (Särkkä 1970). Kaliumia on todettu huuhtoutuvan enemmän, mutta tätä ei ole pidetty vesistöjen kannalta riskitekijänä. Seuraavassa tarkastellaan PK-lannoituksen pitkäai kaisvaikutuksia seitsemän vuoden aikana tehtyjen vii kottaisten vesianalyysien avulla. Koealueet Liesnevan koealue sijaitsee Parkanon kunnassa ja on ollut tutkimuskohteena aikaisemminkin (Huikari 1959). Suo ojitettiin 200-250 m:n sarkoihin jo vuonna 1915. Alkuperäinen suotyyppi vaihtelee tupasvillarämeestä lyhytkortiseen nevaan. Nykyinen ojaverkosto, jon ka sarkaleveys vaihtelee viidestä sataan metriin, on teh ty vuonna 1955. Alkuperäinen ojasyvyys on 0.8 metriä. Mäntyvaltaisen puuston kuutiomäärä oli vuonna 1979 kapeimmilla saroilla n. 100 m'/ha ja leveimmillä n. 25 m 3/ha. Koejärjestely on esitetty kuvassa 1. Kivisuon sarkaleveyskoe sijaitsee Leivonmäen kun nassa. Alueella on suoritettu hydrologisia mittauksia vuodesta 1967 lähtien, jolloin ojasto kaivettiin. Koealue käsittää 16 ojilla toisistaan erotettua keinotekoista va luma-aluetta (Kuva 2), joiden pinta-ala vaihtelee sarka leveydestä riippuen I.2:sta 2.o:aan hehtaariin. Käytetyt sarkaleveydet ovat 5, 10, 20 ja 50 m, joten alue edustaa keskimäärin suhteellisen tehokasta ojitusta. Ojasyvyys käsittelyjä on kaksi: 0.4 ja 0.8 m. Matalammat ojat pe rattiin alkuperäiseen syvyyteensä vuonna 1976. Alkupe räinen suotyyppi vaihtelee lohkoilla 1-8 (vrt. kuva 2) tupasvillarämeestä lyhytkortiseen rämeeseen ja lohkoil la 9-16 lyhytkortisesta nevasta rahkanevaan. Lohkot 1- 8 ovat puustoisia (kuutiomäärä < 10 m 3 /ha) ja lohkot 9-16 täysin puuttomia. Vuonna 1967 puustoiset lohkot lannoitettiin 600 kg:lla Y-lannosta (N 14 %, P 7.9 %, K 8.3 %) hehtaaria kohti. Mittausmenetelmät Liesnevan koealueella valunta mitattiin vuosina 1976-81 keskimäärin viisi kertaa viikossa sarkaojien päihin asennetuista peltikouruista tilavuusmitalla ja se kuntikellolla. Vuonna 1982 valunta mitattiin kerran viikossa. Yhtälöä (3) käyttäen laskettiin valuma-aluei- Den leveydet kolmelle ojaparille (kuva 1), jotka vastaa vat 5-10, 20-40 ja 60-80 metrin sarkaleveyksiä. Vesinäytteet otettiin Liesnevalla kerran viikossa vuo sia 1980-81 lukuunottamatta, jolloin näytteet otettiin kaksi kertaa kuukaudessa. Ennen kemiallista analyysiä näytteitä säilytettiin +s°C:n lämpötilassa. Vuosina 1976-80, jolloin analyysit suoritettiin Viljavuuspalvelu Oy:n laboratoriossa, näytteitä jouduttiin säilyttämään Parkanossa eräissä tapauksissa jopa kolme kuukautta. Vuosina 1981-82 analyysit suoritettiin välittömästi näytteenoton jälkeen Metsäntutkimuslaitoksen Parka non tutkimusasemalla. Kokonaisfosfori määritettiin spektrofotometrisesti molybdeenisinimenetelmällä. Ka lium määritettiin atomiabsorptiospektrofotometrin avulla. Vertailukelpoisuuden varmistamiseksi osa näyt teistä analysoitiin sekä Parkanossa että Viljavuuspalve lussa (liitteet 7-8). Vuosina 1980-82 näytteitä otettiin vertailumielessä myös Kivisuon koealueelta. Vuonna 1980 analyysit suo ritettiin Viljavuuspalvelussa. Vuosina 1981-82 näytteet kuljetettiin kylmälaukuissa Parkanoon, missä kemialli set analyysit voitiin aloittaa noin kahden vuorokauden kuluttua näytteenotosta. Tulokset Liesnevan valumavesien fosforipitoisuuksissa ei ha vaittu lannoituksen vaikutusta lannoitusvuonna 1977, mutta pitoisuudet kohosivat vuonna 1978 ja olivat vuonna 1982 edelleen huomattavasti lannoitusta edeltä nyttä tasoa korkeampia (taulukko 1, liitteet 1-3). Yk sittäisiä poikkeuksellisen korkeita kaliumpitoisuuksia esiintyi lannoitusvuoden toukokuussa sekä elo—syys- kuussa, mutta selvää huuhtoutumishuippua ei havaittu. Keskimääräinen kaliumpitoisuus ei kasvanut. Vuosina 1978-82 kaliumpitoisuudet olivat jopa alempia kuin en nen lannoitusta (taulukko 2, liitteet 4-6). Valumavesien K/P-suhde oli lannoitusvuonna selvästi korkeampi kuin ennen lannoitusta, mutta laski vuonna 1978 huomattavasti ennen lannoitusta vallinneen tason alapuolelle (taulukko 3, kuva 4). Suhdelukusarjan voi daan tulkita ilmentävän kaliumin ja fosforin erilaista huuhtoutumista. Suhdeluku on suurimmillaan lannoi tusvuonna, jolloin kaliumia on huuhtoutunut enemmän kuin ennen lannoitusta; vuodesta 1978 lähtien lannoite kaliumia ei enää ole huuhtoutunut, mutta sen sijaan fosforia on huuhtoutunut enemmän kuin ennen lannoi tusta. Siitä huolimatta, että Kivisuolla käytettiin Y-lannos ta, jonka sisältämä fosfori on helppoliukoista superfos faattia, lannoitettujen lohkojen valumavesien fosforipi toisuus oli vielä 13-15 vuotta lannoituksen jälkeen mo ninkertainen lannoittamattomien lohkojen pitoisuuk siin verrattuna (taulukko 4). Kaliumpitoisuudet eivät merkitsevästi poikenneet toisistaan. 16 Ahti Tulosten tarkastelu PK-lannoituksen pitkäaikaisvaikutuksista fosforin ja kaliumin huuhtoutumiseen on julkaistu suhteellisen vä hän tutkimustuloksia, jotka toisaalta keskeisiltä osiltaan ovat sopusoinnussa Liesnevan ja Kivisuon aineistojen kanssa. Harrimanin (1978) mukaan fosforin huuhtou tuminen jatkui, kun 3 1/2 vuotta oli kulunut lannoituk sesta, kun taas kaliumpitoisuudet palautuivat ennalleen kaksi vuotta lannoituksen jälkeen. Kenttämiehen (1981) mukaan vanhoilta lannoitetuilta ojitusalueilta saadut mittaustulokset osoittavat, että PK-lannoituksen vai kutus valumavesien fosforipitoisuuteen kestää ainakin 5-10 vuotta. Tässä tutkimuksessa PK-lannoituksella havaittiin olevan pitkäaikainen vaikutus fosforin huuhtoutumi seen siitä riippumatta, käytettiinkö hienofosfaattia vai superfosfaattia sisältävää lannoitetta. Koska Liesnevalla käytettiin lannoitteena hienofosfaattia sisältävää PK lannosta ja vain 10 % alueen pinta-alasta lannoitettiin, fosforipitoisuuden muutosta on pidettävä voimakkaana. Kivisuolla, jossa fosfori oli helppoliukoisessa superfos faattimuodossa, lannoituksen vaikutusaika osoittautui yllättävän pitkäksi. Useasta eri syystä Liesnevan aineistoa ei voi käyttää huuhtoutuneiden lannoitemäärien arviointiin. Vertailu alueen puuttumisen ja kalibrointiajan lyhyyden vuoksi lannoituksen aiheuttamia muutoksia ei voida riittävän luotettavasti erottaa luonnollisesta vaihtelusta. Toisaal ta talvivalunta ja kevättulva, joille on ominaista korkeat kaliumpitoisuudet, jäävät havaintojaksojen ulkopuolel le. Aikaisempien Suomessa tehtyjen tutkimusten mu kaan (Karsisto 1970, Karsisto ja Ravela 1971, Särkkä 1970) lannoitusta seuraavan vuoden aikana huuhtoutuu 50-200 g/ha lannoitefosforia, mikä vastaa 0.16-0.47 % lannoituksessa annetun fosforin määrästä. Valumavesien fosforipitoisuudet kasvoivat em. tutkimusten mukaan vastaavasti 0.02-0.035 mg/l. Harrimanin (1978) mukaan pitoisuus kasvoi 0.1-0.2 mg/l ja lannoitefosforia huuh toutui vuodessa keskimäärin 2 kg/ha, mikä 3 1/2 vuoden havaintojakson aikana merkitsee n. 15 % lannoituksessa annetusta fosforimäärästä. Tämän tutkimuksen tulokset näyttävät pitoisuus muutosten osalta vastaavan paremmin Harrimanin kuin em. Suomessa tehtyjen tutkimusten tuloksia. Ero saat taa johtua siitä, että havaintoaineistot ovat viimeksi mainituissa tutkimuksissa yksivuotisia. Kun Harrima nin Skotlannissa sijaitsevan koealueen vuosisadanta oli n. 2000 mm ja vuosivalunta n. 1000 mm, ja kun vastaa vat luvut Suomen eteläosissa ovat keskimäärin 600 ja 300, on selvää, että vuotuinen PK-lannoituksen aiheut tama fosforikuormitus jää Suomessa selvästi pienem mäksi. AHTI, E. 1983. Fertilizer-induced le.-ching of phosphorus and potassium from peatlands drained for forestry. Seloste: Lannoituksen vaikutus fosfo rin ja kaliumin huuhtoutumiseen ojitetuilta soilta. Commun. Inst. For. Fenn. 111:1—20. 17 Commun. Inst. For. Fenn. 111 Appendix 1. Phosphorus concentration of ditch water at sampling points 5-6 (spacing 60-80 m). Liesneva 1975-82. Liite 1. Valumavesien fosforipitoisuus näytteenottopisteissä 5-6 (sarkaleveys 60-80 m). Liesneva 1975-82. Appendix 2. Phosphorus concentration of ditch water at sampling points 3-4 (spacing 20-40 m). Liesneva 1975-82. Liite 2. Valumavesien fosforipitoisuus näytteenottopisteissä 3-4 (sarkaleveys 20-40 m). Liesneva 1975-82. 18 Ahti Appendix 3. Phosphorus concentration of ditch water at sampling points 1-2 (spacing 5-10 m). Liesneva 1975-82. Liite 3. Valumavesien fosforipitoisuus näytteenottopisteissä I—2 (sarkaleveys s—lo m). Liesneva 1975 —82. Appendix 4. Potassium concentration of ditch water at sampling points 5-6 (spacing 60-80 m). Liesneva 1975-82. Liite 4. Valumavesien kaliumpitoisuus näytteenottopisteissä 5-6 (sarkaleveys 60-80 m). Liesneva 1975-82. 19 Commun. Inst. For. Fenn. 11l Appendix 5. Potassium concentration of ditch water at sampling points 3-4 (spacing 20-40 m). Liesneva 1975-82. Liite 5. Valumavesien kaliumpitoisuus näytteenottopisteissä 3-4 (sarkaleveys 20-40 m). Liesneva 1975-82. Appendix 6. Potassium concentration of ditch water at sampling points 1-2 (spacing 5-10 m). Liesneva 1975-82. Liite 6. Valumavesien kaliumpitoisuus näytteenottopisteissä 1-2 (sarkaleveys 5-10 m). Liesneva 1975-82. 20 Ahti Appendix 7. Interdependence of potassium concen trations determined from the same samples by Parka no research station and the commercial laboratory (Viljavuuspalvelu) . Liite 7. Parkanon tutkimusaseman ja Viljavuus palvelun samoista vesinäytteistä määrittämien kaliumpitoisuuksien keskinäinen riippuvuus. Appendix 8. Interdependence of phosphorus concen trations determined from the same samples by Par kano research station and the commercial laboratory ( Viljavuuspalvelu) . Liite 8. Parkanon tutkimusaseman ja Viljavuuspalvelun samoista vesinäytteistä määrittämien fosforipitoisuuk sien keskinäinen riippuvuus. ODC 237.4 + 114.26 + 114.58 + 114.444 ISBN 951-40-0610-0 ISSN 0358-9609 AHTI, E. 1983. Fertilizer-induced leaching of phosphorus and potassium from peatlands drained for forestry. Seloste: Lannoituksen vaikutus fosforin ja kaliumin huuhtoutumiseen ojitetuilta soilta. Commun. Inst. For. Fenn. 111:1—20. Seven years of monitoring runoff and water quality revealed long term effects of PK-fertilization on leaching of phosphorus. Raised potassium concentrations were detected only during the first year after fertilization. Author's address: The Finnish Forest Research Institute, Parkano Research Sta- tion. SF-39700 Parkano, Finland. ODC 237.4+ 114.26+ 114.58 + 114.444 ISBN 951-40-0610-0 ISSN 0358-9609 AHTI, E. 1983. Fertilizer-induced leaching of phosphorus and potassium from peatlands drained for forestry. Seloste: Lannoituksen vaikutus fosforin ja kaliumin huuhtoutumiseen ojitetuilta soilta. Commun. Inst. For. Fenn. 111:1 —20. Seven years of monitoring runoff and water quality revealed long term effects of PK-fertilization on leaching of phosphorus. Raised potassium concentrations were detected only during the first year after fertilization. Author's address: The Finnish Forest Research Institute, Parkano Research Sta- tion. SF-39700 Parkano. Finland. Tilaan kortin kääntöpuolelle merkitsemäni jul- kaisut (julkaisun numero mainittava). Please, send me the following publications (put number of the publication on the back of the card). Nimi Name Metsäntutkimuslaitos 1 1 I Kirjasto /Library Unioninkatu 40 A SF-00170 Helsinki 17 FINLAND 1 Osoite Address 1 1 1 1 ■1 THE FINNISH FOREST RESEARCH INSTITUTE DEPARTMENTS (Helsinki) Administration Office Information Office Experimental Forest Office Dept. of Soil Science Dept. of Peatland Forestry Dept. of Silviculture Dept. of Forest Genetics Dept. of Forest Protection Dept. of Forest Technology Dept. of Forest Inventory and Yield Dept. of Forest Economics Dept. of Mathematics RESEARCH STATIONS 1 Kolari 2 Rovaniemi 3 Muhos 4 Kannus 5 Parkano 6 Suonenjoki 7 Joensuu 8 Punkaharju 9 Ruotsinkylä 10 Oja joki FACTS ABOUT FINLAND Total land area: 304 642 km 2 of which 60—70 per cent is forest land Mean temperature, °C: Helsinki Joensuu Rovaniemi January -6,8 -10,2 -11,0 July 17,1 17,1 153 annual 4,4 2,9 0,8 Thermal winter (mean temp. <0°C): 20.11—4.4. 5.11.—10.4. 18.10.—21.4. Most common tree species: Pinus sylvestris, Picea abies, Betula pendula, Betula pubescens 107 Puikki, R. & Aitolahti, M. A mobile crusher for forest road construction. Seloste: Liikkuva moreenimurskain metsätien rakentamisessa. 108 Laasasenaho, J.Taper curve and volume functions for pine, spruce and birch. Seloste: Männyn, kuusen ja koivun runkokäyrä- ja tilavuusyhtälöt. 109 Kaunisto, S. Development of pine plantations on drained bogs as affected by some peat properties, fertilization, soil preparation and liming. Seloste: Männyn istutustaimien kehityksen riippuvuus eräistä turpeen ominaisuuksista sekä lannoituksesta, muok kauksesta ja kalkituksesta ojitetuilla avosoilla. 110 Harstela, P. & Tervo, L. 1983. Technology of the production of bare-root seedlings. Seloste: Paljasjuu risten taimien tuotannon teknologia. 111 Ahti, E. Fertilizer-induced leaching of phosphorus and potassium from peatlands drained for forestry. Se loste: Lannoituksen vaikutus fosforin ja kaliumin huuhtoutumiseen ojitetuilta soilta. ISBN 951-40-0610-0 ISSN 0358-9609 CONTENTS PREFACE 1. INTRODUCTION 2. EXPERIMENTAL LAYOUT 21. Liesneva experiment 22. Kivisuo experiment 3. METHODS 31. Runoff measurements 32. Sampling and chemical analysis 4. RESULTS 41. Leaching of phosphorus and potassium at Liesneva 42. Leaching of phosphorus and potassium at Kivisuo 5. DISCUSSION AND CONCLUSIONS REFERENCES SELOSTE