Seasonal variation in nutrient retention in a free water surface constructed wetland monitored with flow-proportional sampling and optical sensors

Constructed free water surface wetlands (CWs) are used to reduce nutrient and sediment loads to receiving waters in highly impacted catchments by e.g., agricultural land use. In this paper, we evaluated the retention effectiveness of a Swedish CW in two consecutive hydrological years, 3-4 years after construction respectively. We compared nutrient loads based on concentrations from flow-proportional sampling (C-fp) and turbidity and nitrate concentrations measured with optical sensors (C-s). CW's retention was estimated based on differences between inlet and outlet concentrations and flow (Q) at both the inlet and outlet (2Q), or only at the inlet (1Q). In the first year (2012/2013), with a cold winter (mean topsoil temperature -0.2 degrees C), nitrate-nitrogen (NO3N) retention was 32% (C-fp and C-s, 2Q). In the second year, with a mild winter (mean topsoil temp 1.8 degrees C) and less water runoff, the corresponding values were 37% (C-fp, 2Q) and 39% (C-s, 2Q). Nitrate-nitrogen retention was significantly correlated to water residence time and temperature, and was most effective relative to the load (80%) in summer and least effective (40%) in winter. Quantitatively, however, summer NO3N retention contributed only 7% (2Q) or 8% (1Q) of yearly NO3N mass retention. Particulate phosphorus (PP) concentrations were significantly correlated with suspended solids (SS) concentrations at both inlet and outlet. Seasonal PP retention (C-fp, 2Q) was related to particle residence time estimated from turbidity measurements by sensors, and was less effective in the cold winter (3%) than in the mild winter (32%) (C-fp, 2Q). Yearly retention (2Q) as a mean of the two years was: SS 40%, total P 36%, PP 34%, dissolved reactive P 30%, total N 56%, NO3N 35%, organic N 75%, and organic C 30%. Overall, the wetland satisfactorily removed nutrients from agricultural drainage water. However, longer-term studies over a range of flow and temperature conditions are needed to evaluate climate conditions and hydrological residence time as key factors in nutrient removal efficiency

Cost effectiveness of nutrient retention in constructed wetlands at a landscape level

Since 1990, over 13 000 ha of constructed wetlands (CWs) have been implemented to increase biodiversity and reduce nitrogen (N) and phosphorus (P) loads to Swedish waters. Despite the considerable number of CWs and ambitious investments planned for the coming three years, there is limited follow up of cost-efficiency of catchment- and landscape-scale nutrient retention by existing CWs. Such follow up evaluation could provide clear guidance regarding optimal size and location of future CWs. We present a three-step modelling approach to assess cost-efficiency of 233 CWs in two Swedish regions (East, 4321 km2, and West, 916 km2). Modelled nutrient retention in CWs was predominantly low, especially in the East, due to their suboptimal location in catchments, e.g., with inadequate upstream areas (low hydraulic loads) and/or low share of arable land (low nutrient loads). Suboptimal location of CWs generates both higher than necessary costs and low area-specific nutrient retention, leading to low cost-efficiency. Some high cost-efficiency CWs were identified, especially for N retention in the West. To increase their cost-efficiency, continued investments in CWs require clear guidance and instructions. To achieve optimal placement, both CW site and size in relation to incoming hydraulic and nutrient loads must be considered

Översvämningar på jordbruksmark

Dagens jordbruksproduktion är anpassat och uppbyggt efter nuvarande klimatförhållanden, men med förändringar i klimatet kommer också förutsättningarna för odling att förändras. Syftet med denna rapport var att göra en sammanställning av hur jordbruksmarkens egenskaper och funktion som växtplats kan påverkas av kortvariga och långvariga översvämningar. I rapporten ingår också en beskrivning av konsekvenser för jordbrukets miljöpåverkan på kort och lång sikt. Ett förändrat klimat med varmare vintrar och mer nederbörd, kommer att leda till högre avrinning och översvämning av vattendrag. En kortvarig översvämning innebär att markprofilen är helt vattenmättad under 1-3 dagar innan den kan dräneras till jämvikt. Vid en långvarig översvämning är marken vattenmättad i 1-2 veckor. God markstruktur är en av de viktigaste markegenskaperna för att upprätthålla jordbruksproduktionen och för att bevara markens bördighet. Klimatet påverkar strukturstabilitet både direkt genom variationer i nederbörd, temperatur och vindförhållanden och indirekt genom klimatets påverkan på de fysikaliska, kemiska och biologiska processerna i marken.Strukturstabiliteten är avgörande för transport och lagring av vatten, markandning, markens bärighet, erosionskänslighet och biologisk aktivitet. Processernas betydelse och den direkta påverkan på marken varierar beroende på jordart, mest känsliga är friktions- och flytjordar som förlorar sin struktur vid vattenmättnad och blir instabila. Makroaggregaten i kohesionsjordar kan falla sönder redan vid kortvariga översvämningar. Vid långvariga översvämningar gynnas tillväxten av anaeroba bakterier som vanligtvis är förknippade med kvävgasförluster, rotsjukdomar och ackumulation av för växterna skadliga toxiner. För att bevara en bra markstruktur krävs en kombination av olika åtgärder där de viktigaste åtgärderna är att hålla marken bevuxen så stor del av året som möjligt, god dränering och minimerad markpackning. De flesta grödor kan tolerera kortare perioder av vattenmättnad, men toleransen varierar beroende på faktorer som temperatur, luftfuktighet och utvecklingsstadium. Ett överskott av vatten i markprofilen kan ge lägre skördar dels på grund av att dålig markbärighet försenar vårbruk och dels på grund av att syrebrist leder till låg grobarhet, biokemisk förgiftning och dåligt växtnäringsupptag. I områden som regelbundet utsätts för översvämning kan man bygga skyddsvallar. Andra förebyggande åtgärder är att ha en bra dränering, ta bort skörderester och att odla sorter som kan återhämta sig efter vattenmättnad. I vissa fall kan även en tillskottsgiva av kväve minska skördeförluster efter översvämning. Översvämningar som påverkar växtproduktionen negativt medför ett lägre växtnäringsupptag och ökade förluster av näringsämnen som kväve och fosfor. Näringsförlusterna av kväve respektive fosfor sker med olika flödesvägar och skiljer sig framförallt åt beroende på jordart. Generellt är kväveförlusterna störst från friktionsjordar, medan fosforförlusterna främst sker från erosionskänsliga kohesions- och flytjordar. Åtgärder för att motverka fosforförluster bör sättas in framför allt i områden där man både har kritiska källområden och snabba transportvägar. Strukturkalkning är en bra åtgärd för att minska fosforförlusterna på lerjordar. Andra åtgärder är anpassade skyddszoner och fångdammar för fosfor. Viktiga åtgärder för att minska kväveförlusterna är fånggrödor, reglerbar dränering, tvåstegsdiken och våtmarker

Utan spaning ingen aning

Sedan 1990-talet har svenska staten gett medel för olika åtgärder som ska minska övergödningen av våra vatten. Trots 30 års åtgärdsarbete är kunskaperna bristfälliga om vissa åtgärders effekt, särskilt på lång sikt och under varierande förhållanden, då tillförlitliga mätningar endast skett på några fåtal platser under kort tid. Om åtgärderna utformas och placeras fel blir de ineffektiva och likaså användningen av stödmedlen

Tradeoffs and synergies in wetland multifunctionality: A scaling issue

Wetland area in agricultural landscapes has been heavily reduced to gain land for crop production, but in recent years there is increased societal recognition of the negative consequences from wetland loss on nutrient retention, biodiversity and a range of other benefits to humans. The current trend is therefore to re-establish wetlands, often with an aim to achieve the simultaneous delivery of multiple ecosystem services, i.e., multifunctionality. Here we review the literature on key objectives used to motivate wetland re-establishment in temperate agricultural landscapes (provision of flow regulation, nutrient retention, climate mitigation, biodiversity conservation and cultural ecosystem services), and their relationships to environmental properties, in order to identify potential for tradeoffs and synergies concerning the development of multifunctional wetlands. Through this process, we find that there is a need for a change in scale from a focus on single wetlands to wetlandscapes (multiple neighboring wetlands including their catchments and surrounding landscape features) if multiple societal and environmental goals are to be achieved. Finally, we discuss the key factors to be considered when planning for re-establishment of wetlands that can support achievement of a wide range of objectives at the landscape scale

Optimizing placement of constructed wetlands at landscape scale in order to reduce phosphorus losses

Constructed wetlands (CWs) are one of the main countermeasures to reduce diffuse phosphorus (P) losses, but there is still a lack of systematic guidance accounting for spatially variable effects of hydraulic and P load on P retention. We present a three-step modelling approach for determining suitable placement of CWs in four different size groups (0.1-1.0 ha), based on incoming hydraulic and P load. The modelled hypothetical CW area was only 17% of that previously estimated and area of efficient CWs is even lower. The mean area-specific P retention increased with CW size. However, the spatial variation in retention was large for all size groups and largest (6-155 kg ha(-1) year(-1)) for the smallest CWs due to highly variable incoming P loads, showing the possible benefits of targeted placement of CWs. The presented modelling approach has also flexibility to include and account for possible future changes in land cover and management

Particle deposition, resuspension and phosphorus accumulation in small constructed wetlands

To improve understanding of phosphorus (P) retention processes in small constructed wetlands (CWs), we analysed variations in sediment deposition and accumulation in four CWs on clay soils in east-central Sweden. Sediment deposition (in traps) generally exceeded the total suspended solids (TSS) load suggesting that resuspension and wetland base erosion were important. This was confirmed by quantification of particle accumulation (on plates) (1-23 kg m(-2) year(-1)), which amounted to only 13-23% of trap deposition. Spatial mean P concentrations in accumulated sediment on plates (0.09-0.15%) were generally similar to temporal mean P concentrations of particles in water (0.11-0.15%). Deposition/accumulation was minor in one wetland with high hydraulic load (400 m year(-1)), suggesting that such small wetlands are not efficient as particle sinks. Economic support for CWs are given, but design and landscape position are here demonstrated to be important for effective P retention.Funding Agencies|Swedish farmers foundation; Swedish Agricultural Board; Swedish Environmental Agency; Swedish Agency for Marine and Water Management</p

Effekter av åtgärder mot fosforförluster från jordbruksmark och åtgärdsutrymme

EU:s ramvattendirektiv ställer stora krav på åtgärder för minskade växtnäringsförluster från jordbruksmarken. Denna rapport uppdaterar kunskapsläget för det underlag som hittills använts inom Vattenmyndigheternas åtgärdsprogram för åtgärder mot fosforförluster, och sammanställer också kunskapen kring nya åtgärder för kväve och fosfor. En del uppdateringar kring åtgärders effekter och metoder för uppskattning av åtgärdsutrymmen föreslås, men för flera åtgärder är kunskapsunderlaget fortfarande litet. Det gäller till exempel kalkfilterdiken, tvåstegsdiken och strukturkalkning med de produktblandningar som används idag. Att man behöver sätta ett stort effektintervall för en åtgärd beror ibland på bristande underlag, men ofta på att effekten varierar naturligt beroende på förutsättningarna. Att snäva in åtgärdsutrymmet till de förhållanden som ger en god effekt är ett sätt att få större total effekt och säkrare resultat på ett mindre utrymme. För våtmarker, dammar och skyddszoner föreslås metoder för att optimera placering, t ex utefter hydraulisk belastning och fosforbelastning, för att begränsa åtgärdsutrymmet till de områden där man kan förvänta sig en viss effekt. Åtgärdsutrymmet behöver i vissa fall definieras efter fler kriterier än de rent naturvetenskapliga. För strukturkalkning bör det exempelvis inte bara begränsas av lerhalt utan också av faktorer som har med möjlighet till timing och tillgång på kalk att göra. För stallgödselåtgärder finns ett omfattande regelverk, och för områden som omfattas av Nitratdirektivet bör man kunna anta att åtgärder redan är genomförda och att utrymme för ytterligare implementering därmed är litet. Hur lång tid det tar innan en åtgärd ger effekt och dess varaktighet är något som måste beaktas i effektuppskattning. Här är åtgärden som gäller att minska markens fosforförråd genom minskad stallgödseltillförsel exempel på en åtgärd som får effekt först efter lång tid. Därför bör den tas bort ur åtgärdsprogrammet, som har ett annat tidsperspektiv vad gäller effektuppskattningar. Det är dock fortfarande en viktig åtgärd på gårdar med fosforrika marker. Åtgärder, som inte tidigare ingått i Vattenmyndigheternas åtgärdsprogram är exempelvis precisionsgödsling, fånggrödor, reducerad jordbearbetning, täckdikning och dikesunderhåll, samt reglerbar dränering. Dessa är åtgärder med god potential, men där några kan få motsägande effekter på kväve- respektive fosforförluster

Åtgärder i jordbruket mot övergödning - förslag till system för uppföljning av effekt

Läckage av kväve och fosfor från jordbruket bidrar till övergödning i vattendrag, sjöar och hav. I ett effektivt åtgärdsarbete för minskat näringsläckage behöver alla delar finns med, från kunskap om åtgärders funktion och effektivitet till uppföljning av den samlade effekten i jordbrukslandskapets vatten. Här ingår också att ta fram underlag i form av näringsläckage beroende av plats så att åtgärder kan väljas och lokaliseras dit de ger störst nytta. Det behövs också vägledningar, checklistor och verktyg till stöd i det lokala åtgärdsarbetet. För att allt ska fungera behövs systemstöd där inte bara rådata utan också beräknad information kan lagras och tillgängliggöras i en form som passar olika användare. Dessutom behöver det dokumenteras var, när och hur åtgärder har genomförts, inte bara de åtgärder som har stöd från Landsbygdsprogrammet. Stöd för samordning mellan myndigheter, organisationer, brukare med flera för erfarenhetsutbyte och delaktighet i utvecklingsarbetet är också en viktig funktion. Här sammanfattas förslag på hur arbetssättet för åtgärdsarbete mot övergödning kan utvecklas. Förslagen har valts så att de så långt som möjligt kompletterar eller bygger på redan existerande verksamheter, projekt och försök. Förslagets struktur kan också användas för exempelvis åtgärder för ökad biologisk mångfald och för klimatåtgärder. Rapporten har tagits fram med finansiering från SLU:s miljöanalys och Havs- och vattenmyndigheten