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

Characterization and classification of agricultural soils in North Savo, Finland

Information of soil properties is commonly needed in agricultural research. Experimental sites need to be documented in order to understand the factors influencing the results as well as to extrapolate the information to areas of similar soils. Soil data is used in modelling soil and environmental processes. Topsoil properties are usually obtained through agricultural soil testing but for comprehensive soil description deeper soil horizons need also to be analysed. Pedogenic soil classification according to international systems, such as the World Reference Base for Soil Resources (WRB), a system endorsed by the EU, is needed to put the soils into an international context. In this study, altogether 21 soil profiles were investigated in Maaninka and Iisalmi in North Savo, Finland. The selected sites are used for field experiments carried out in North Savo by the Natural Resources Institute Finland (Luke). The sites were investigated in the field by excavating a soil pit to the depth of 1–1.5 m. The soil profile was morphologically described and photographed. Soil samples were taken by the horizon and analysed for relevant properties. The profiles were classified by the WRB system (IUSS Working Group WRB 2022). On the basis of the morphological and analytical results, the most pronounced pedogenic soil processes of the area were identified and the common soil types in agricultural use were recognized. Almost all pedons had a horizon consisting of clay or clay loam within the investigated depth. It is obvious that these fine- and medium-textured soil materials are spread out throughout the agricultural soils of the area. Glacial till was rarely found in the fields. The plough layer was loamy in most soils. These clayic and fine loamic layers were at some sites covered with sandy esker material. The base saturation was usually above 50% indicating the abundance of weatherable minerals. All soils exhibited signs of wetness. Some pedons had brown redox concentrations and gray redox depletions only in the subsoil but in some other soils the redoximorphic features were observed right below the plough layer, while wetness and saturation with water has been the prerequisite of the formation of peat soils. Many soils had illuvial material on subsoil aggregate surfaces. In most soils there was a varved appearance in the subsoil below the frost depth, indicating negligible pedogenic development. It is noteworthy that no morphological signs of podzolization were observed. Altogether, six out of the 32 main soil classes of the WRB system were recorded in the area: Histosols (2 pedons), Gleysols (4), Planosols (6), Stagnosols (4), Arenosols (1) and Regosols (4). These soil classes indicate wetness and negligible pedogenic soil development

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