Redox reactions and water quality in cultivated boreal acid sulphate soils in relation to water management

The quality of pore and drainage water influenced by different water management practices was monitored for 2.5 years. The practical aim was to examine how water management affects soil redox processes, and further the off-site hazards caused by cultivated boreal acid sulphate (AS) soils. Soil processes were monitored at three scales: in five soil horizons (the horizon scale), separately in ten monolithic lysimeters (the pedon scale) and in a contemporary field experiment (the field scale). The responses of soil redox status and the quality of pore and discharge water were investigated in waterlogged and effectively drained lysimeters cropped with reed canary grass (Phalaris arundinacea). In addition, the impact of waterlogging on soil redox processes was studied in bare lysimeters without plants. The redox potential was continuously monitored and contemporary changes in the chemical quality of pore and discharge water were separately and systematically recorded. This methodology has not previously been used in studies on boreal AS soils. Physical properties of the soil were determined to unravel the ripening processes under different water management systems.

 The working hypothesis was that waterlogging results in reduction-induced precipitation of Fe sulphides and a pH rise, and the consequent immobilisation of Al. It thus mitigates the off-site hazards of cultivated boreal AS soils. The results only partly supported this hypothesis. Upon waterlogging, the reduction-induced elevation of pH immobilized Al but concomitantly increased the Fe2+ concentration in pore and discharge water. This reaction pattern maintained the acidity of discharge water. This outcome contrasts with the results obtained in warmer environments of the subtropics and tropics. The main reasons for the discrepancy were: 1) the acidic conditions favouring Fe reducers before SO42- reducers, 2) the abundance of poorly ordered Fe oxides in boreal actual acid sulphate soil (AASS) horizons, 3) the low temperature, 4) the use of freshwater instead of marine water in waterlogging and 5) low labile organic matter in horizons poor in root material. However, intensified drainage caused the oxidation of potential acid sulphate soil (PASS) layers containing hypersulphidic material. The oxidation proceeded rapidly, although the most reactive monosulphides constituted only 1% of the total sulphides. Ripening processes enhanced the oxidation of sulphides by promoting the diffusion of atmospheric oxygen and convection of NO3- into the PASS horizon. In addition, abundant N pools in the PASS horizon may contribute to the oxidation of sulphides by offering raw material for NO3- formation. These results suggest that increased N2O emissions particularly observed in AS soils at least partly result in the oxidation of sulphides by NO3-. These results highlight the importance of preventing soil ripening to keep hypersulphidic horizons waterlogged and impermeable.

 On the basis of these results, it seems unreasonable to waterlog cultivated boreal AS fields close to the plough layer as a measure to mitigate environmental hazards. There is a risk that Fe2+ will leach to watercourses, where it will cause acidity as well as oxygen depletion as a result of oxidation and hydrolysis. The study revealed that acidity retained in the form of secondary minerals retards neutralization and thus counteracts the mitigation measures. Waterlogging of only the transition and PASS horizons appears to be the most efficient water management option to improve discharge water quality. This practice can especially be recommended on the coast of the Gulf of Bothnia, where reactive monosulphides are abundant and NO3- transported into the reduced horizon may concomitantly oxidize Fe sulphides and cause an N2O emission risk.

——————-

Itämeren rannikkoalueilla, erityisesti Pohjanmaalla, viljelykseen otetut happamat sulfaattimaat (HaSu) ovat huonontaneet valumavesistöjensä veden laatua. HaSu peltoja on raivattu viljelykäyttöön aikana, jolloin niiden pitkään jatkuvasta haitallisesta ympäristövaikutuksesta ei vielä ollut tietoa. Tässä väitöskirjatutkimuksessa selvitettiin hapetus-pelkistysreaktioita, joita HaSu maan vesitalouden säätö aiheuttaa. Käytännön tavoitteena oli vastata kysymykseen, voidaanko pohjaveden korkeutta säätämällä vähentää happamien sulfaattimaiden haitallisia ympäristövaikutuksia. Tutkimuksen lysimetrikokeessa seurattiin jatkuvatoimisesti HaSu maan hapetus-pelkistystilaa sekä huokosveden ja valumaveden laatua 2 1/2 vuoden ajan. Tämän lisäksi pohjaveden korkeutta ja laatua seurattiin kolmen vuoden ajan HaSu pellolla. Lysimetrejä oli 10, joista kahdeksassa kasvoi ruokohelpi, lisäksi kokeessa oli kaksi kasvitonta lysimetriä. Lysimetreissä oli kaksi täysin erilaista pohjaveden korkeutta: toisessa maa kyllästettiin vedellä muokkauskerrokseen asti ja toisessa taas maa kuivatettiin tehokkaasti. Kokeen loputtua lysimetrien tuloksia verrattiin pellon tuloksiin samankaltaisuus-testillä , jota ei aiemmin ole käytetty maaperätieteessä Suomessa. Korkean pohjaveden seurauksena HaSu maan pH nousi ja huokos- ja valumaveden alumiinipitoisuus pieneni, mutta raudan pitoisuus kasvoi. Tämä ylläpiti valumaveden happamuutta. Nämä havainnot olivat vastoin lämpimissä maissa saatuja havaintoja. Pääasialliset syyt eroon olivat 1) hyvin happamat maakerrokset, jotka suosivat raudan pelkistäjämikrobeja korkeammassa pH:ssa viihtyvien sulfaatin pelkistäjien kustannuksella, 2) heikosti kiteytyneiden rautayhdisteiden runsaus, 3) matala lämpötila, 4) sadevesi lämpimissä maissa käytetyn meriveden sijaan sekä 5) helposti mikrobien käytettävissä olevan orgaanisen aineksen vähyys maakerroksissa, joihin juuret eivät ulottuneet. Tehostettu kuivatus aiheutti rautasulfidien hapettumista, vaikka kokeen HaSu maassa reaktiivisimpien sulfidien määrä oli pieni. Kuivatus edisti rakojen muodostumista maahan ja se helpotti mm. hapen ja nitraatin pääsyä sulfidikerrokseen. Havaintojen mukaan myös nitraatti voi hapettaa sulfideja, mikä puolestaan voi lisätä typpioksiduulipäästöjä. Koe osoitti, että sulfidien hapettumiseen vaikuttaa myös pohjamaan rakenne ja vedenläpäisykyky. Tutkimuksen perusteella viljelykseen otettujen HaSu peltojen padottaminen pintaan asti ei näytä järkevältä, sillä se voi aiheuttaa raudan huuhtoutumista. Rauta kuluttaa veden happea ja sen saostuminen hapettumisen seurauksena lisää happamuutta vastaanottavissa vesistöissä. Tutkimus paljasti myös, että maakerroksiin on varastoitunut happamuutta, minkä vuoksi ympäristöhaittojen vähentämistoimien vaikutukset näkyvät vasta viipeellä. Happamuuden syntymistä voidaan vähentää nostamalla pohjaveden korkeutta niin, että ns. vaihettumiskerros ja sulfidikerros eivät pääse hapettumaan eikä maan rakenne pääse muuttumaan. Tätä menetelmää voidaan suositella mm. Pohjanmaan rannikolle, jossa reaktiivisten rautasulfidien määrä on suuri.