Nitrogen transformations in wetlands: Effects of water flow patterns

Abstract

In this thesis, I have studied nitrogen turnover processes in watermeadows. A watermeadow is a wetland where water infiltrates through the soil of a grassland field. It is hypothesized that infiltration of water through the soil matrix promotes nutrient transformations compared to surface flow of water, by increasing the contact between water, nutrients, soil organic matter and bacteria. I have studied how the balance between nitrogen removal (denitrification, assimilative uptake, adsorption) and release (mineralization, desorption) processes are affected by water flow characteristics.



Mass balance studies and direct denitrification measurements at two field sites showed that, although denitrification was high, net nitrogen removal in the watermeadows was poor. This was due to release of ammonium and dissolved organic nitrogen (DON) from the soils.



In laboratory studies, using 15N isotope techniques, I have shown that nitrogen turnover is considerably affected by hydrological conditions and by soil type. Infiltration increased virtually all the nitrogen processes, due to deeper penetration of nitrate and oxygen, and extended zones of turnover processes. On the contrary, soils and sediments with surface waterflow, diffusion is the main transfer mechanism. The relation between release and removal processes sometimes resulted in shifts towards net nitrogen production. This occurred in infiltration treatments when ammonium efflux was high in relation to denitrification. It was concluded that ammonium and DON was of soil origin and hence not a product of dissimilatory nitrate reduction to ammonium. Both denitrification potential and mineralization rates were higher in peaty than in sandy soil.



Vertical or horizontal subsurface flow is substantial in many wetland types, such as riparian zones, tidal salt marshes, fens, root-zone systems and watermeadows. Moreover, any environment where aquatic and terrestrial ecosystems meet, and where water level fluctuates, will possess some of the nutrient transformation features investigated in this thesis.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Våtmarker är en naturtyp som man finner i övergångszoner mellan land och vatten. Idag talas det mycket om våtmarkers positiva natur- och miljövärden i avrinningsområden i det moderna jordbrukslandskapet. Våtmarker ger omväxling i landskapet och är viktiga biotoper för växter och djur. I våtmarker ansamlas mycket dött växtmaterial och tillsammans med en god tillgång på vatten bildas betingelser för en hög mikrobiologisk aktivitet. Mikroorganismerna är viktiga komponenter i näringsväven i ett ekosystem och de är bl a inblandade i nedbrytning av organiskt material. I en bakteriell process som kallas denitrifikation övergår nitrat (NO3-) till kvävgas (N2) som är den största beståndsdelen i vanlig luft, och denna process kan vara omfattande i just våtmarker (se Fig. 2, sid. 7). Nitrat är ett växtnäringsämne innehållande kväve som skapat problem med övergödning i vattnet i havsområden runt Sverige. Problemet är att kväve, som man tillför för att öka tillväxten på jordbruksmark, läcker ut i vattendrag och transporteras till havet. Genom att anlägga våtmarker i vattendragets avrinningsområde, tror man sig kunna minska kvävetransporten till havet. I en våtmark blir det ofta syrebrist i botten (som kan bestå av jord eller sediment). När det inträffar börjar bakterierna att respirera med hjälp av nitrat istället för med syre, d.v.s. denitrifiera, och detta är den viktigaste kväveborttagande processen i våtmarker. Man kan säga att våtmarken tack vare denitrifikation fungerar som ett kvävereningsverk. Det finns dock flera viktiga kväveomvandlingsprocesser som sker samtidigt. Vid nitrifikation, som är en process som sker i syrerika miljöer, övergår ammonium (NH4+) till nitrat (Fig. 2). Vid mineralizering bryts det organiska materialet i marken ned, varvid löst organiskt kväve och ammonium bildas. Då jonformiga kväveföreningar både kan produceras och konsumeras i en våtmark, är balansen mellan dessa båda processer av stor vikt för nettoreningsresultatet. I min doktorsavhandling har jag studerat våtmarker där vatten rör sig genom ytliga jordlager, och då främst en speciell typ kallad översilningsmarker. Jag har antagit att vattenrörelser genom jord gynnar hög mikrobiell aktivitet jämfört med om vattnet står stilla eller rör sig ovanför jord- eller sedimentytan. Orsaken är att kontaktytan mellan vatten, jord, näringsämnen och bakterier blir större. Det finns våtmarker där infiltration dominerar, t.ex. översilningsmarker, och våtmarker där ytflöde dominerar, t. ex. dammar, men ofta finns i en våtmark båda typer av flöden. Under tre års tid har jag har med en speciell metod (acetyleninhiberingsmetoden) mätt denitrifikationsaktiviteten i två översilningsmarker - Vombs Ängar, i Lunds Kommun och Isgrannatorp, i Kristianstad kommun. De uppmätta värdena har jag sedan jämfört med massbalanssiffror. Vid massbalansmätningar uppskattar man processerna i marken genom att analysera kväveföreningarna i in- och utgånde vatten. Det har visat sig att trots att denitrifikationshastigheten har varit hög har våtmarkerna fungerat dåligt som kvävereningsverk. Detta har berott på att det har frigjorts andra kväveföreningar i marken, nämligen löst organiskt kväve och ammonium. Dessa ämnen har transporterats till grundvattnet och nått vattendraget som ligger i anslutning till våtmarken. I båda översilningsmarkerna har ungefär lika mycket kväve bildats och tagits bort. I tre lab-experiment har jag undersökt vad som styr balansen mellan dessa processer. Jag har funnit att vattenrörelser genom den aktiva ytjorden ökar såväl denitrifikationshastighet som kvävemineralisering (produktion av ammonium och löst organiskt kväve) jämfört med om vatten rör sig ovanför jord/sedimentytan. Även infiltrationshastigheten påverkar vilka kväveprocesser som sker, men vad som är bra ur kvävereningssynpunkt är inte uppenbart. Ett försök visade att vid låga infiltrationshastigheter denitrifierades en större andel av nitratet men mycket ammonium läckte ut. Vid höga infiltrationshastigheter var skillnaden mellan ut och ingående vatten väldigt liten. Det är också troligt att vattenregimen som tillämpades på översilningsmarkerna med alternerande översvämning och upptorkning leder till ökad mineralisering och frisläppande av jordens kväve. Det är tydligt att flera av de hydrologiska parametrarna (vattenrörelser, infiltrationshastighet, vattenregimer) samtidigt påverkar både denitrifikation och produktion av kväve, och det är med dessa resultat svårt att ge några råd om anläggning av översilningsmarker eller andra typer av infiltrationsvåtmarker. Det står dock klart att en högre koncentration av nitrat i vattnet medför högre dentrifikationsaktivitet och högre reningseffektivitet för våtmarken. En hög nitratkoncentration möjliggör en hög nitratbelastning och samtidigt en låg vattenbelastning och därmed en längre uppehållstid för nitratjonerna i våtmarken. Om man räknar på kvävebalansen, dvs jämför hur mycket kväve som finns lagrat i marken med vad som frisläpps och tillförs, kommer man fram till att en nyanlagd våtmark inte kan läcka kväve i det långa loppet. Förmodligen är det läckage av ammonium och löst organiskt kväve vi har observerat i Vombs Ängar och Isgrannatorp ett initialt fenomen som uppstår när man omställer jordbruksmark som har varit ett terrestert system i många år, till en våtmark som belastas av stora mängder vatten. Stora förändringar i miljöbetingelser brukar generellt leda till störd näringsbalans i ett ekosystem. I detta perspektiv kan fastslås att det är viktigt att bevara de våtmarker som existerar idag och som är i balans med avseende på kväve.



Föreslagna orsaker till det dåliga kvävereningsresultat i översilningsmarkerna Vombs Ängar - För hög hydraulisk belastning vilket orsakade en för kort uppehållstid för vattnet och nitratjonerna i vattnet (här denitrifierades inte allt nitrat och vattentillförseln var hög). - För hög hydraulisk belastning vilket medförde en utspolning av kväve från markens porvatten. - Ökad nedbrytning av organiskt material p.g.a. alternerande översilning och upptorkning. - Initial störningseffekt p.g.a. att man omför terrester mark med stort näringsförråd till en våtmark. - För låg nitrathalt i vattnet.



Isgrannatorp - För låg hydraulisk belastning medförde att för lite nitrat tillförs våtmarken (här försvann allt nitrat och vattentillförseln var låg). - Ökad nedbrytning av organiskt material p.g.a. alternerande översilning och upptorkning. - Initial störningseffekt p.g.a. att man omför terrester mark med stort näringsförråd till en våtmark. - För stor och för näringsrik pool av organiskt material i jorden. Vad man bör tänka på vid anläggande av våtmark - Anläggning en våtmarker där nitratkoncentrationen är hög rekommenderas - Vatten som infiltrerar eller rör sig som genom biologiskt aktivt jord gynnar hög mikrobiell aktivitet, vilket kan innebära både för och nackdelar ur ett kväveperspektiv - Att omställa jordbruksmark till våtmarker kan initialt medföra en utlakning av kväveföreningar, därför att man inför en störning av ett system som under lång tid tillförts näringsämnen. - Att anlägga våtmarker på jord som innehåller mycket torv kan medföra utlakning av kväve men också hög denitrifikationsaktivitet - När den initiala urlakningseffekten avtagit torde infiltrationsvåtmarker vara effektiva ur kvävereningssynpunkt

• author: Davidsson, Torbjörn
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Christensen, Søren, Copenhagen University
• organization: Department of Biology
• publishing date: 1997
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology; Environmental Sciences
• keywords: Hydrobiology, hydrology, infiltration, subsurface flow, surface flow, wetland, nitrogen, Denitrification, mineralization, nitrification, marine biology, aquatic ecology, limnology, Marinbiologi, limnologi, akvatisk ekologi
• pages: 114 pages
• defense location: Blå Hallen, Ecology Building, Sölvegatan 37, Lund, Sweden
• defense date: 1997-12-12 10:00:00
• external identifiers: other:ISRN: SE-LUNBDS/NBLI-97/1032+114pp
• ISBN: 91-7105-090-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Limnology (Closed 2011) (011007000)
• id: de5c0d3b-ae5e-45b9-b308-c1eada5b40cf (old id 29707)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:48:47
• date last changed: 2018-11-21 20:36:33