A rainfall simulation study on the relationships between soil test P versus dissolved and potentially bioavailable particulate phosphorus forms in runoff

Runoff from clayey soils often contains abundant particulate phoshorus (PP), part of which may solubilize in surface waters. Monitoring losses of potentially bioavailable forms of PP is expensive, calling for other ways to predict them. Such predictions could be based on soil loss and available soil P indices, e.g., agronomic P status. To study correlations between P pools in runoff versus soil P saturation (by Mehlich 3 extraction; DPSM3) and acetate soil test P (PAc), 15 clayey soils of south Finland were subjected to laboratory rainfall simulation. Runoff from these simulations was analyzed for concentrations of suspended soil (TSS), dissolved molybdate-reactive P (DRP), total P (TP), and, as normalized to soil loss, potentially bioavailable forms of PP: desorbable (anion exchange resin-extractable, AER-PP/TSS) and redox-labile PP (bicarbonate- dithionite-extractable, BD-PP/TSS). Correlation coefficients (r2) between DPSM3 and DRP, AER-PP/ TSS, and BD-PP/TSS equaled 0.92, 0.77, and 0.45, respectively. Runoff P forms were also correlated to soil PAc with r2 values of 0.84, 0.56, and 0.58 for DRP, AER-PP/TSS, and BD-PP/TSS, respectively. Prediction of soil loss-normalized concentrations of potentially bioavailable PP by the agronomic PAc test was considered possible. However, such predictions have a high degree of uncertainty, evidenced by comparison to published field data. Acceptably accurate predictive equations would require a large material as a basis for their construction, and soils should probably also be grouped according to other soil properties that would account for variation in P sorption capacity

Potential bioavailability of particulate phosphorus in runoff from arable clayey soils

Runoff phosphorus (P) associated with eroded soil contributes to eutrophication to some extent. The present work examines two methods for estimating the potential bioavailability of particulate P (PP) in runoff, and studies the concentrations and losses of different P forms in surface and subsurface runoff from arable soils. The potential bioavailability of PP was approximated by extraction with (i) anion exchange resin (AER-PP), giving a measure of desorbable PP under aerobic conditions, and with (ii) bicarbonate-dithionite (BD-PP), which dissolves redox-labile PP. Both methods were applied in runoff analysis without sediment preconcentration

Ferix-3 saostuskokeet Nuutajärven valuma-alueella 2012 ja 2013

Tässä raportissa kuvataan Nuutajärven alueella tehtyä koesarjaa, jossa kevätvalunnasta sidottiin veteen liuennutta fosforia kemikaalilisäyksen avulla. Ojavesien kemikaalikäsittelyn tarkoitus oli sitoa tämä leville välittömästi käyttökelpoinen liuennut fosfori sellaiseen muotoon, että fosforin käyttökelpoisuus levien näkökulmasta on vähäinen. Kemikaalin annostelu tehtiin käyttäen MTT:ssä kehitettyä annostelijaa, joka toimii ilman sähköä ja voidaan siten sijoittaa lähes minne tahansa. Keksinnön rakennusohjeet löytyvät tämän raportin liitteestä 3. Fosforinsitojana käytettiin rauta(III)sulfaattia (ferrisulfaatti), joka on yleisesti jätevedenpuhdistamoilla ja vesilaitoksilla käytettävä saostuskemikaali. Rautasulfaatti hajoaa vedessä rauta- ja sulfaatti-ioneiksi, ja rauta reagoi edelleen veden kanssa muodostaen pääasiassa rautahydroksideja. Rautahydroksideilla on voimakas taipumus pidättää liuennutta fosforia. Ferrisulfaattia annosteltiin keväällä 2012 kymmeneen ja seuraavana keväänä 11 Nuutajärveen laskevaan ojaan. Ojat, joihin kemikaalilisäykset tehtiin, valittiin aiemman kartoituksen perusteella. Ojien valuma-alueet vaihtelivat muutamasta aarista yli 100 hehtaarin aloihin ja siten niiden kautta kulki hyvin vaihtelevia määriä valumavettä, minkä lisäksi veden fosforipitoisuudet vaihtelivat laajalla skaalalla. Kokeiden teko ainoastaan kevätvalunnan aikana perusteltiin sillä, että kevätvalunta muodostaa useimmissa kohteissa suuren osan koko vuoden valunnasta. Ympärivuotinen annostelu olisi myös käynyt työlääksi järven suojeluyhdistykselle, joka hoiti annostelulaitteistojen täytön. Ensimmäisenä keväänä mitattu liuenneen fosforin poistoteho oli 44 % ja toisena keväänä se nousi 77 %:iin. Poistettuina fosforikiloina näiden tehojen arvioitiin vastaavan noin 9 ja 20 kg:n fosforimääriä. Käytettyä kemikaalikiloa kohden sidottu fosforin määrä oli 2-3 grammaa. Kemikaalikustannukseksi muutettuna rautaan sidottu fosforikilo tuli kaikkien kohteiden keskiarvona maksamaan noin 110-180 euroa. Yksittäisissä kohteissa fosforikilon sitomisen kustannus vaihteli alle 20 eurosta 460 euroon. Alhaisimmat kustannukset olivat kohteissa, joiden valuma-alue oli pieni ja liuenneen fosforin pitoisuus ojavedessä suuri. Ferrisulfaatin annostelu vaatii säännöllistä silmälläpitoa. Kemikaali paakkuuntui ajoittain, mikä johti annostelun keskeytymiseen. Toisaalta ojaan lumen ja jään vuoksi padottunut vesi aiheutti kemikaalin yliannostuksia, minkä seurauksena veden happamuus (pH) laski hyvin alhaiselle tasolle. Tutkimuksen johtopäätöksenä toteamme, että ferrisulfaattikäsittely on parhaimmillaan hyvin tehokas menetelmä liuenneen fosforin muuttamiseen leville huonosti käyttökelpoiseen muotoon. Kustannukset ja riskit haitallisista vaikutuksista vesistöihin (mm. hapan kuorma) voidaan pitää alhaisena, jos käsittelyyn otetaan vain sellaiset kohteet joissa liuenneen fosforin pitoisuus on korkea ja joissa käsittely voidaan toteuttaa lähellä kuormituksen alkulähdettä. Suurissa ojissa, joissa liuenneen fosforin pitoisuus on alhainen ja vesimäärä suuri, ferrisulfaatin annostelu on kuitenkin hyvin kallista.In this report we describe a field test series in which phosphate (viz. dissolved phosphorus), that is the phosphorus form directly utilized by freshwater algae, was converted into a sparsely algal-available form by ferric sulphate application in ditch water during spring floods of 2012 and 2013. Administration of the chemical was arranged by using a dispenser developed by the first author at MTT Agrifood Research Finland. The invention runs without electricity and can thus be flexibly placed on a desired site. The chemical used, granular ferric sulphate, is widely used in wastewater treatment plants and waterworks as a stripping chemical. It is highly water-soluble and decomposes into Fe3+ and SO4 2- ions. In water, the iron will form hydroxides that have a high affinity towards phosphate. In 2012 the treatment was carried out at ten ditches and in 2013 at eleven ditches of variable sizes and catchments areas (0.2 to more than 100 ha) by lake Nuutajärvi, SW Finland. Dissolved P concentrations in ditch water at these sites varied between 0.02 and 1.4 mg/l. Because the spring flood during and right after snowmelt makes a major proportion of the annual flow and phosphate load, the treatment applied during some weeks in spring could make a difference in the algae-fuelling load to the lake Nuutajärvi. During the first spring the chemical application converted 44% of the dissolved P into iron-associated form, and the percentage rose to 77% during the following spring. These figures were assessed to correspond to about 9 and 20 kg of P masses. For a kilogram of chemical applied, about 2-3 grams of P was converted into a less algal-available form. Calculation to chemical costs yielded an average of EUR 110-180 for a converted kilogram of P, but the cost was highly variable, from less than EUR 20 to about 460, between the different sites. The lowest cost was associated with sites that had the highest dissolved P concentrations and small catchment areas. Application of ferric sulphate requires regular oversight. The chemical may clump in the dispenser in damp weather if there is no flow into a ditch. The following flow event does not necessarily dissolve these clumps, interrupting dosing as a result. Conversely, snow and ice may obstruct flow over the vnotch weir of the dispenser installation which may lead to high overdose as ferric sulphate continuously dissolves in dammed water. The result will be acidified water; the lowest pH reading in such an event was less than 3 during our tests. As a conclusion of this study, we found that treatment of ditch water with ferric sulphate is at best highly efficient and cost-effective mean of converting dissolved P into a sparsely algal-available form. The costs and risks (e.g., acidic load) can be minimized by only constructing the dispensers in ditches that have high dissolved phosphorus concentrations and small catchment areas, i.e., in small critical source areas. For larger streams with dilute phosphate concentrations the ferric sulphate method is a cost-prohibitive solution

Yield response models to phosphorus application: a research synthesis of Finnish field trials to optimize fertilizer P use of cereals

v2011OKMA

Surface and Subsurface Phosphorus Discharge from a Clay Soil in a Nine-Year Study Comparing No-Till and Plowing

201

Fosforia vihannespelloille

201

Onko vihannesten fosforilannoituksen tarve oletettua pienempi?

201

Laskeutusallas-kosteikosta poistettavan sedimentin peltolevitys : onko maatalouden kosteikkosedimentin fosforista kasvinravinteeksi?

Maatalouden vesiensuojelussa käytettäviin laskeutusaltaisiin kertyy sedimenttiä, johon on sitoutunut runsaasti partikkelimuotoista fosforia. Fosfori on peräisin viljelysmaista, joista valunnan mukana kulkeutuu eroosioainesta kohti vesistöjä. Maatalouskosteikosta sedimentti on poistettava aika ajoin, ja se suositellaan levitettäväksi takaisin peltoon, mikä tukee pyrkimystä suljetumpaan ravinnekiertoon. Epäilykset sedimentin soveltuvuudesta kasvualustaksi ja yleinen keskustelu fosforivarojen riittävyydestä ovat synnyttäneet tarpeen tämän tutkimuksen tekemiseksi. Tässä MMM:n rahoittamassa hankkeessa selvitetään maatalouskosteikoiden sedimentissä tapahtuvaa fosforin pidättymistä ja vapautumista sekä sedimentin hyötykäyttömahdollisuuksia. Tutkimuskohteina oli kaksi savimaan maatalouskosteikkoa: Liedonperä (Tarvasjoki) ja Ojainen (Jokioinen). Sedimentin käyttökelpoisuutta kasvualustana tutkittiin astiakokeessa, jossa kosteikkosedimentin ja valuma-alueen peltomaan seoksia (sedimenttiä 0; 12,5; 25 ja 50 %) käytettiin raiheinän kasvatukseen kasvihuoneessa. Raiheinästä korjattiin kolme satoa, joista määritettiin kasvin kuiva-ainesato ja fosforinotto. Astiakokeen tueksi sedimenttinäytteistä ja lähivaluma-alueen peltomaanäytteistä analysoitiin perusominaisuudet ja fosforin fraktiot. Analyysit tehtiin sekä tuoreista että kuivatuista sedimenteistä, jotta saataisiin käsitys peltolevityksessä kuivuvan sedimentin ominaisuuksista. Astiakoe osoitti sedimentin pidättävän kasveille käyttökelpoista fosforia kasvien ulottumattomiin. Mitä enemmän sedimenttiä oli kasvualustassa, sitä pienempi kasvin fosforinotto oli runsaasta fosforilannoituksesta huolimatta. Kun kasvualusta sisälsi 12,5 % sedimenttiä, kasvin fosforinotto väheni 6 – 50 % verrattuna pelkässä peltomaassa kasvaneen kasvin fosforinottoon. Fosforinoton väheneminen havaittiin myös lannoittamattomilla kasveilla. Lannoittamaton raiheinä kärsi ankarasta fosforinpuutoksesta (P < 1 mg g-1 kasvin kuiva-ainetta), kun kasvualustassa oli 50 % sedimenttiä. Sedimentin suuri fosforinpidätyskyky johtui todennäköisesti siitä, että sedimentissä oli fosforia pidättäviä raudan- ja alumiininoksideja kaksinkertaisesti verrattuna valuma-alueen peltomaahan. Astiakoetta tukevat analyysit viittasivat kosteikkosedimentin suureen fosforireserviin, jonka saatavuus riippuu pitkälti raudan hapetus-pelkistystilasta. Kosteikkosedimentistä vapautui hapellisissa olosuhteissa tuoreena jopa kuusinkertaisesti helppoliukoista fosforia (Liedonperä 41 ja Ojainen 240 mg kg-1 maata) verrattuna kuivaan sedimenttiin (30 ja 61 mg kg-1) tai peltomaahan (26 ja 67 mg kg-1). Sedimentissä on myös suuri hapettomissa olosuhteissa mahdollisesti vapautuva fosforireservi (226 ja 698 mg kg-1). Sedimentti ei sellaisenaan sovellu kasvualustaksi, eikä sen peltolevityksestä ole kasvinravitsemuksellista hyötyä. Seuraavaksi tässä tutkimuksessa selvitetään sedimentin soveltuvuutta fosforinsidontaan runsaasti helppoliukoista fosforia sisältävillä mailla

Labile organic carbon regulates phosphorus release from eroded soil transported into anaerobic coastal systems

201