Phosphorus losses from grasslands in short-term ley rotations under boreal conditions : Doctoral Dissertation

Grasslands occupy 45% of agricultural land in Finland, but in provinces characterised by grassland-based dairy production the proportion can be 67%. Phosphorus (P) loads from grasslands to inland waters have received relatively little research attention. In the Finnish climate, soils are subjected to frost in winter and snowfall comprises a considerable part of total annual precipitation. Surface runoff is generated by limited infiltration of snowmelt water into partially frozen soil in spring, which is a crucial period for dissolved nutrient and soil particle transport, especially in central and northern Finland. This thesis examined the role of perennial grass vegetation in P dynamics in the soil-plant-water continuum and quantified P losses from grasslands under boreal conditions. Potential contributions of perennial vegetation to P losses were estimated indirectly, by determining changes in nutrient content of aboveground vegetation. Susceptibility of overwintering perennial ley regrowth to deliver P was assessed in a simulated snowmelt-induced surface runoff study. These approaches were complemented with five-year monitoring of a small (3.2 km2) agricultural and forested catchment, representing grassland-based dairy production areas in east-central Finland. Amount and inter-annual variation in P losses and erosion rate were quantified. The results showed that grasslands can release substantial amounts of plant-derived P when exposed to frost, freezing and thawing. Elevated P concentrations and losses of up to 0.69 kg ha-1 were detected in simulated snowmelt-induced runoff outflow. Higher P concentrations were also occasionally measured in early spring runoff at small catchment scale. More frequent freezing/thawing will enhance plant-derived P release, especially under a reduced snow layer and lack of insulating cover. In five-year monitoring of an agricultural sub-catchment with short-terms leys, where some fields were under grassland and others under cereals, mean annual total P (TP) losses were 1.0 kg ha-1 (range 0.6−1.5 kg ha-1). The proportion of this TP load transported as dissolved reactive P (DRP) averaged 44% (range 32−56%) for the agricultural sub-catchment and 34% (28−38%) for the whole catchment area, reflecting low erosion rate under the protective grass cover. Five-year annual soil erosion rate from the agricultural sub-catchment was only 46−287 kg ha-1 (mean 115 kg ha-1 yr-1). The results also suggested that P losses were partly associated with loss of organic material. These results indicate a need for P monitoring based on chemical analysis of water samples, instead of on turbidity measurements. Grasslands are prone to DRP losses, but substantially less susceptible to erosion than arable fields during harvest years. In Finnish short-term ley rotations, grass leys are typically renovated every 3−4 years, often including autumn ploughing, which can increase erosion and particulate P losses. Thus when quantifying P loads to waters from short-term grass leys, erosion and nutrient losses within the whole ley cycle should be considered, including the ley establishment and renewal year.202

Phosphorus losses from grasslands in short-term ley rotations under boreal conditions

Grasslands occupy 45% of agricultural land in Finland, but in provinces characterised by grassland-based dairy production the proportion can be 67%. Phosphorus (P) loads from grasslands to inland waters have received relatively little research attention. In the Finnish climate, soils are subjected to frost in winter and snowfall comprises a considerable part of total annual precipitation. Surface runoff is generated by limited infiltration of snowmelt water into partially frozen soil in spring, which is a crucial period for dissolved nutrient and soil particle transport, especially in central and northern Finland. This thesis examined the role of perennial grass vegetation in P dynamics in the soil-plant-water continuum and quantified P losses from grasslands under boreal conditions. Potential contributions of perennial vegetation to P losses were estimated indirectly, by determining changes in nutrient content of aboveground vegetation. Susceptibility of overwintering perennial ley regrowth to deliver P was assessed in a simulated snowmelt-induced surface runoff study. These approaches were complemented with five-year monitoring of a small (3.2 km2) agricultural and forested catchment, representing grassland-based dairy production areas in east-central Finland. Amount and inter-annual variation in P losses and erosion rate were quantified. The results showed that grasslands can release substantial amounts of plant-derived P when exposed to frost, freezing and thawing. Elevated P concentrations and losses of up to 0.69 kg ha-1 were detected in simulated snowmelt-induced runoff outflow. Higher P concentrations were also occasionally measured in early spring runoff at small catchment scale. More frequent freezing/thawing will enhance plant-derived P release, especially under a reduced snow layer and lack of insulating cover. In five-year monitoring of an agricultural sub-catchment with short-terms leys, where some fields were under grassland and others under cereals, mean annual total P (TP) losses were 1.0 kg ha-1 (range 0.6−1.5 kg ha-1). The proportion of this TP load transported as dissolved reactive P (DRP) averaged 44% (range 32−56%) for the agricultural sub-catchment and 34% (28−38%) for the whole catchment area, reflecting low erosion rate under the protective grass cover. Five-year annual soil erosion rate from the agricultural sub-catchment was only 46−287 kg ha-1 (mean 115 kg ha-1 yr-1). The results also suggested that P losses were partly associated with loss of organic material. These results indicate a need for P monitoring based on chemical analysis of water samples, instead of on turbidity measurements. Grasslands are prone to DRP losses, but substantially less susceptible to erosion than arable fields during harvest years. In Finnish short-term ley rotations, grass leys are typically renovated every 3−4 years, often including autumn ploughing, which can increase erosion and particulate P losses. Thus when quantifying P loads to waters from short-term grass leys, erosion and nutrient losses within the whole ley cycle should be considered, including the ley establishment and renewal year. Keywords: phosphorus, erosion, grassland, ley rotation, nutrient loading, surface runoff, winterSuomessa nurmikasveja viljellään keskimäärin 45 prosentilla käytössä olevan maatalousmaan pinta-alasta (sisältää myös kesantoalan). Keskeisillä maidon- ja naudanlihantuotantoalueilla nurmi on pääasiallinen viljelykasvi. Perämeren rannikkoalueilla (Pohjanmaa, Keski- ja Pohjois-Pohjanmaa) nurmien osuus maatalousmaasta on keskimäärin 48 %, kun niiden keskimääräinen osuus voi olla jopa 67 % Vuoksen ja Kymijoen vesistöalueilla (Etelä- ja Pohjois-Savo, Pohjois-Karjala). Vaikka Pohjois-Savon pintavesien ekologinen tila on valtaosiltaan hyvä tai erinomainen, on etenkin Iisalmen reitillä hyvää huonommassa tilassa olevien vesien osuus merkittävä. Tämän tutkimuksen yleisenä tavoitteena oli tuoda lisätietoa nurmiviljelyn aiheuttamasta vesistökuormituksesta boreaalisissa olosuhteissa. Tutkimuksessa selvitettiin lannoittamattomien suojakaistanurmien ja lannoitettujen säilörehunurmien maanpäälliseen kasvustoon talven ajaksi jääviä ravinnemääriä sekä arvioitiin kasvustoperäisen fosforin vapautumisalttiutta valumaveteen. Lisäksi selvitettiin, voidaanko säilörehunurmien niittoajankohdalla ja talveksi peltoon jäävän odelman määrällä vaikuttaa pintavalunnassa nurmelta huuhtoutuvaan fosforimäärään. Fosfori- ja kiintoainekuormituksen suuruutta ja vuosittaista vaihtelua tarkasteltiin pienen nurmiviljelyä edustavan peltovaltaisen osavaluma-alueen mittakaavassa (0,27 km2, pelto-% 93). Tutkimusvaluma-alue (3,2 km2) edusti kokonaisuudessaan tyypillistä pohjoissavolaista karjatalousaluetta (metsä-% 50, pelto-% 32, suo-% 18), jossa merkittävällä osalla pelloista viljellään nurmea. Tulokset osoittivat, että monivuotisesta nurmikasvustosta voi potentiaalisesti vapautua valumaveteen huomattavia määriä fosforia, kun maanpäällinen biomassa altistuu kasvukauden jälkeen pakkaselle sekä toistuvalle jäätymiselle ja sulamiselle. Keväällä lumen sulamisen alkuvaiheessa myös valuma-alueen sulamisvesistä mitattiin ajoittain kohonneita liukoisen fosforin pitoisuuksia. Kun syksyllä nostetuilla nurmilaatoilla toteutettiin lumensulannan aiheuttama pintavalunnan simulointi, suurimmat kasvustomassat sisältäviltä nurmilaatoilta huuhtoutui fosforia jopa 0,69 kg ha-1. Vähäluminen ja ilman pysyvää lumikerrosta oleva talvi altistaa kasvuston toistuvalle jäätymiselle ja sulamisella ja voi tehostaa kasvustoperäisen fosforin vapautumista valumaveteen. Viiden vuoden seurantajaksolla kokonaisfosforia huuhtoutui peltovaltaiselta osavaluma-alueelta keskimäärin 1,0 kg ha-1 v-1 (vaihteluväli 0,6−1,5 kg ha-1 v-1) ja koko tutkimusvaluma-alueelta 0,8 kg ha-1 v-1 (0,3−1,1 kg ha-1 v-1). Liukoisen fosforihuuhtouman osuus kokonaisfosforihuuhtoumasta oli peltovaltaisella osavaluma-alueella keskimäärin 44 % (32−56 %) ja koko tutkimusvaluma-alueella 34 % (28−38 %). Kiintoainekuormitus oli keskimäärin vain 115 kg ha-1 v-1 (46−287 kg ha-1 v-1) peltovaltaiselta osavaluma-alueelta ja 80 kg ha-1 v-1 (26−192 kg ha-1 v-1) koko tutkimusvaluma-alueelta. Tämä työ vahvisti, että nurmipeitteisestä maasta eroosio on vähäistä, mutta leville suoraan käyttökelpoisena pidetty liukoinen fosfori muodostaa huomattavan osan valumaveden kokonaisfosforista. Tulokset myös osoittivat, että nurmivaltaisilta alueilta peräisin oleva fosforihuuhtouma kytkeytyy osin orgaanisen aineksen huuhtoumaan. Peltovaltaisen osavaluma-alueen vesinäytteiden kiintoaineksen ja kokonaisfosforin pitoisuuksien välistä riippuvuussuhdetta kuvaava selitysaste jäi heikoiksi. Nurmi- ja metsävaltaisilla ja karkeampia maalajeja edustavilla valuma-alueilla, joissa liukoinen fosfori muodostaa merkittävän osan kokonaisfosforihuuhtoumasta, on laboratoriossa analysoitavilla vesinäytteillä keskeinen merkitys fosforikuormituksen seurannassa. Koska muutokset viljely- ja muokkauskäytännöissä vaikuttavat nurmiviljelyn ravinne- ja kiintoaineshuuhtoumiin, tulisi niitä tarkastella koko nurmikierron osalta, joka sisältää myös uusimis- ja perustamisvaiheita. Asiasanat: fosfori, eroosio, nurmet, nurmiviljely, pintavalunta, ravinnekuormitus, talven olosuhtee

Suomen McDonald’s-ketjun ravintolahenkilöstön sisäisen koulutuspolun mallintaminen

Tämän opinnäytetyön tavoitteena on mallintaa Suomen McDonald’s-ketjun ravintolahenkilöstön sisäinen koulutuspolku. Koulutuspolku sisältää ravintolahenkilöstön koulutusohjelmat ravintolatyöntekijästä ravintolapäällikköön asti. Mallintamisprosessin lopputuote on produkti, Koulutuspolku-opas, joka avaa Suomen McDonald’s-ketjun eri koulutusohjelmien sisältöä sekä eri työtehtävissä edellytettävää osaamista. Produktin avainkohderyhmänä on Suomen McDonald’s-ketjun ravintolajohto. Työn toimeksiantajana toimii McDonald’s Oy. Toimeksianto sai alkunsa ravintolajohdon kommunikoimasta tarpeesta koota Suomen McDonald’s-ketjun ravintoloiden eri työtehtävissä edellytettävä osaaminen ja ketjun tarjoama sisäinen koulutus yksiin kansiin. Näin opinnäytetyö myös tukee Suomen McDonald’s-ketjun henkilöstöstrategiaa, jossa pääroolissa on henkilöstön suoriutumistason kehittäminen, henkilöstön kokemus McDonald´s-ketjusta toimialansa parhaana työnantaja sekä johtamisen kulttuurin kehittäminen koko organisaatiossa. Produktin laadukkuuden varmistamiseksi on tietoperustan aiheiksi valittu koulutus ja oppiminen työelämässä sekä mallintaminen. Koulutus ja oppiminen työelämässä -luku käsittelee koulutuksen ja oppimisen teoriaa ja peruskäsitteitä, sekä esittelee McDonald’s-ketjun sisäiset koulutusohjelmat. Mallintamisen osiossa esittelemme mallintamisen ja prosessien kuvaamisen yleisiä periaatteita. Tietoperustaa voidaan tulevaisuudessa käyttää myös muissa koulutukseen ja mallintamiseen liittyvissä projekteissa. Valitsimme mallinnusprosessin prosessikaavion pohjaksi uimaratakaavion. Esittelemme mallinnusprosessin kaikkine vaiheineen luvussa 4. Kuvaus Suomen McDonald´s-ketjun ravintola-henkilöstön sisäisen koulutuspolun mallinnusprosessista

Nutrient retention by differently managed vegetation of buffer zones

Shoots growth and nutrient concentration of differently vegetated buffer zones(BZ) were studied in south-western Finland with clay soils. Aboveground plant biomasses differed greatly among each of the six vegetation types with different age and harvesting parctice. The concentration of P AAAc in soil surface increased with natural vegetation with no harvest. The preliminary results for the BZ plots emphasized the role of vegetation and grazing in an additional nutrient loading

Buffer zone water repellency: effects of the management practice

Water repellency index R was measured in a heavy clay and a sandy loam, used as arable land or buffer zone (BZ). Further, effect of management practise and ageing of BZs were studied. Water repellency was proved to be a common phenomenon on these soils. Harvesting and grazing increased water repellency as does ageing.Low water repellency is supposed to prevent preferential flows and provide evenly distributed water infiltration pattern through large soil volume, which favours nutrient retention

Biokaasulaitoksen käsittelyjäännös nurmen ja ohran lannoitteena

MTT Maaningalla tutkittiin vuosina 2009–2012 raakalannan, biokaasulaitoksen käsittelyjäännöksen ja jäännöksestä separoitujen kuiva- ja nestejakeiden käyttöarvoa nurmen ja ohran lannoitteena. Kenttäkokeet toteutettiin nurmelle ja ohralle erikseen, ja niissä verrattiin orgaanisia lannoitteita väkilannoitteena annettuun typpeen ja fosforiin. Nurmikoe oli nelivuotinen sisältäen perustamisvuoden suojaviljan (ohra), ohrakokeen tulokset ovat kolmelta vuodelta. Raakalanta ja käsittelyjäännös sijoitettiin 5–7 cm syvyyteen. Kuiva- ja nestejakeet levitettiin käsin pintaan ja kuivajae mullattiin äestämällä. Orgaaniset lannoitteet annettiin ohralle keväällä ja nurmelle toiselle sadolle. Lisäksi kokeessa oli kuusi erilaista väkilannoitteena annettua typpitasoa. Niiden avulla muodostettiin typen satovastefunktiot, joihin orgaanisten lannoitteiden typen hyväksikäyttöä verrattiin. Syksyisin otettiin maanäytteet kolmesta eri syvyydestä. Ohrakokeessa käsittelyjäännöksellä saatiin yhtä suuret sadot kuin vastaavalla liukoisen typen määrällä väkilannoitteessa, paitsi kuivana vuonna 2010, jolloin sato oli 10 % alhaisempi. Raakalannalla sadon määrä oli vain 85 % väkilannoitteeseen verrattuna. Separoinnista ja jakeiden käytöstä ei näyttänyt olevan ohralle erityistä hyötyä. Nurmikokeessa kuivuus aiheutti suuremman eron typen hyväksikäytössä kuin biokaasuprosessi tai separointi: kuivana vuonna raakalanta ja käsittelyjäännös tuottivat selkeästi väkilannoitetta heikomman tuloksen, mutta nestejakeella vastaavaa eroa ei havaittu. Raakalannalla ja käsittelyjäännöksellä ei ollut eroa lannoitusvaikutuksessa. Molemmissa kokeissa orgaanisten lannoitteiden sijoittaminen hillitsi helppoliukoisen fosforin rikastumista maan pintakerrokseen. Ohralla typen taseet olivat pääasiassa positiivisia, ja käsittelyjäännöksen tase oli raakalantaa alhaisempi kahtena vuonna. Nurmella ensimmäisen sadon taseet olivat tyypillisesti negatiivisia, mikä vaikutti myös kokonaissadon taseisiin. Nurmiruuduilla käsittelyjäännös tuotti raakalantaa alhaisemman typpitaseen ainoastaan vuonna 2012, jolloin sen liukoisen typen osuus kokonaistypestä oli suurempi kuin raakalannalla. Nestejakeella lannoitetut ruudut saivat enemmän kokonaistyppeä kuin muut koejäsenet, mikä näkyi positiivisina taseina joka vuosi. Myös fosforitaseet poikkesivat selvästi kasvilajien välillä. Ohralla fosforitase oli lähes aina positiivinen, myös väkilannoiteruuduilla, kun nurmella P-tase oli lähes poikkeuksetta negatiivinen.Orgaanisten lannoitteiden lannoitusvaikutus, ravinnetaseet sekä maaperän typpikierto ovat selvästi erilaisia nurmenviljelyssä kuin viljanviljelyssä. Tämä selittyy pääosin viljelytekniikan eroilla (mm. lannoitus- ja korjuukertojen määrät, jyvien tai koko kasvuston korjuu) sekä kasvien erilaisella ravinteidenottokyvyllä. Tämän kokeen perusteella käsittelyjäännöksen edut tulevat selvemmin esiin ohran- kuin nurmenviljelyssä

Compressive behaviour of the soil in buffer zones under different management practices in Finland

Soil structure that favours infiltration is essential for successful functioning of vegetated buffer zones. We measured bulk density, air permeability and precompression stress in a clay soil (Vertic Cambisol) and a sandy loam (Haplic Regosol) in Finland, to identify management-related changes in the physical and mechanical properties in the surface soil of buffer zones. In addition, the impact of texture on these properties was studied at depths down to 180?200 cm. Soil cores (240 cm3) were sampled from a cultivated field, from buffer zones harvested by grazing (only in a clay soil) or by cutting and removing the vegetation, and from buffer zones covered with natural grass vegetation. The samples were equilibrated at a matric potential of -6 kPa and compressed at a normal stress range of 20-400 kPa (7 h), followed by stress removal (1 h). Generally, the clay soil was more compressible than the sandy loam. Due to trampling by cattle, the young grazed buffer zone (0-3 cm) had the largest bulk density and the smallest total porosity. For the grazed sites, reduced air permeability (2.7-5.1 × 10-5 m s-1) was found, compared with that of the buffer zone under natural vegetation (15-22 × 10-5 m s-1), indicating decreased pore continuity. Although the old grazed site was easily compressed, compared with the younger site, it showed a greater resilience capacity due to the protective cover of organic residues accumulated on the soil surface

Estimating cation exchange capacity and clay content from agricultural soil testing data

Clay content and the ability to reversibly retain cations affect many essential chemical and physical properties of soil, such as pH buffering and carbon sequestration. Cation exchange capacity (CEC) and base saturation are also commonly used as criteria in soil classification. However, determination of CEC and particle-size distribution is laborious and not included in routine soil testing. In this study, pedotransfer functions including soil test cations (STCat; Ca2+ + Mg2+ + K+), pH and soil organic carbon (SOC) as explanatory variables were developed for estimating CEC, titratable acidity (TA; H+ + Al3+) and clay content. In addition, reference values for potential CEC and its components were determined for Finnish mineral and organic soils. The mean of potential CEC extracted by 1 M ammonium acetate at pH 7.0 ranged from 14 (range 6.4−25) in coarse soils to 33 (21−45) cmol(+) kg-1 in heavy clay soils, and from 42 (24−82) in mull soils to 77 (25−138) cmol(+) kg-1 in peat soils. The average CEC of clay and SOC were 27 and 160 cmol(+) kg-1, respectively. Titratable acidity occupied 53% and around 40% of the CEC sites in organic and mineral soils, respectively, evidencing that it is a prominent component of the potential CEC in these predominantly acidic soils. STCat, pH and SOC explained 96% of the variation in potential CEC. STCat and pH can be used in estimating the clay content especially for soils containing over 30% clay. In coarse textured soils, in contrast, SOC hampers the STCat based estimation of clay content.Peer reviewe