Υγρότοποι που κατασκευάζονται με επιφανειακή ροή καθώς ο φωσφόρος καταβυθίζεται σε γεωργικές περιοχές που στραγγίζονται από πλακάκια
Η επέκταση της γεωργίας παγκοσμίως έχει οδηγήσει σε σημαντικά περιβαλλοντικά προβλήματα που σχετίζονται με την έκπλυση θρεπτικών ουσιών και τη ρύπανση των επιφανειακών υδάτων, η οποία συχνά οδηγεί σε ευτροφισμό και υποβάθμιση των υδάτινων πόρων (Εικόνα 1).
Στη Δανία, η επέκταση της γεωργίας συνοδεύτηκε από εντατική αποστράγγιση υδάτινων περιοχών, όπως υγροτόπων και τυρφώνων, που μειώνουν φυσικά το θρεπτικό φορτίο από τα εδάφη ανάντη μέσω της καθίζησης θρεπτικών σωματιδίων και βιογεωχημικών διεργασιών πριν η απόρριψη φτάσει στα επιφανειακά ύδατα κατάντη. Αυτό το γεγονός μείωσε σημαντικά την ικανότητα της γης να ελέγχει την απώλεια και την έκπλυση θρεπτικών ουσιών από τα γεωργικά χωράφια. Επιπλέον, οι γεωργικές περιοχές της Δανίας έχουν υψηλή αποστράγγιση (>50%), γεγονός που επιταχύνει τη μεταφορά των θρεπτικών ουσιών στα παράκτια και εσωτερικά ύδατα σε σύγκριση με άλλες οδούς απορροής νερού.
Στη Δανία, οι υγρότοποι που κατασκευάζονται με επιφανειακή ροή αναγνωρίζονται ως μέσο μείωσης των φορτίων αζώτου αυξάνοντας τον υδραυλικό χρόνο παραμονής και επιτρέποντας την απονιτροποίηση (Εικόνα 2). Δύο νέες μελέτες, ωστόσο, αξιολόγησαν τη δυνατότητα αυτών των συστημάτων ως καταβόθρες φωσφόρου (P) (Mendes et al., 2018b, 2018c). Πριν από τις μελέτες, ήταν αμφίβολο εάν η διατήρηση της P σε αυτά τα συστήματα θα ήταν σημαντική και/ή συνεπής, λαμβάνοντας υπόψη ότι η απόδοση μπορεί να είναι μάλλον μεταβλητή σε συστήματα που λαμβάνουν εκκένωση αποχέτευσης λόγω συμβάντων, σύμφωνα με προηγούμενες μελέτες. Επιπλέον, η γεωχημική σταθερότητα του P που διατηρείται στο έδαφος/ιζήματα είναι γενικά αβέβαιη και ελέγχεται από τη διαθεσιμότητα θέσεων προσρόφησης. Μια προηγούμενη μελέτη είχε δείξει ότι τα πεδινά ανοξικά και πλούσια σε σίδηρο εδάφη στη Δανία έτειναν να απελευθερώνουν P λόγω της αναγωγής του σιδήρου σε δισθενή σίδηρο (Forsmann και Kjaergaard, 2014). Επιπλέον, τα προκαταρκτικά αποτελέσματα έδειξαν ότι το έδαφος των υγροτόπων που ερευνήθηκαν ήταν αρκετά μειωμένο, πράγμα που σημαίνει ότι αναμενόταν διάλυση του P συνδεδεμένου σε οξειδοαναγωγικές ευαίσθητες μορφές σιδήρου και απελευθέρωση στη στήλη του νερού.
Για την ορθή αντιμετώπιση των ερευνητικών ερωτημάτων, επιλέχθηκαν και παρακολουθήθηκαν συστηματικά τρεις υγρότοποι κατασκευασμένοι επιφανειακής ροής με παρόμοιο σχεδιασμό, αλλά με μεταβλητό φορτίο P και κυρίαρχη μορφή P (σωματιδιακό ή διαλυμένο), καθώς και που βρίσκονται σε διαφορετικές γεωλογικές περιοχές (Εικόνα 3). . Οι υγρότοποι αποτελούνται από μια λίμνη καθίζησης (βάθους 1 m), ακολουθούμενη από μια λεκάνη με παρεμβαλλόμενες ζώνες, όπου τρεις είναι βαθιές (1 m) και δύο είναι ρηχές (0,3 m). Η έκταση αυτών των συστημάτων αντιπροσωπεύει το 1% της λεκάνης απορροής.
Πρώτον, η μελέτη διαπίστωσε ότι οι υγρότοποι λειτούργησαν ως καταβόθρες P (0,3-10,5 g m ετησίως) κατά την τριετή περίοδο παρακολούθησης. Το φορτίο P εξήγησε το 52-72% της διακύμανσης στο ποσοστό κατακράτησης P, δηλαδή ήταν μια σημαντική επεξηγηματική μεταβλητή, η οποία συμφωνούσε με προηγούμενες μελέτες. Ωστόσο, το φορτίο P είχε μικρή επίδραση στην απόδοση κατακράτησης P (%), της οποίας η διακύμανση αποδόθηκε εν μέρει στην κυρίαρχη μορφή P - οι σωματιδιακές μορφές διατηρούνται ευκολότερα μέσω καθίζησης στα ανώτερα ιζήματα από τις διαλυμένες μορφές - και στις εισροές σιδήρου (το κυρίαρχο ροφητικό P στη μελέτη) σε σχέση με το P. Ως εκ τούτου, η μελέτη κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η αποτελεσματικότητα συγκράτησης του P συνδέεται πιθανώς με τη γεωχημική σταθερότητα του P που διατηρείται.
Παρά την αρχική πεποίθηση ότι η σταθερότητα του P θα διακυβευόταν από το μειωμένο έδαφος και την πιθανή απελευθέρωση του δεσμευμένου με σίδηρο P, η απόδοση κατακράτησης P ήταν ακόμα αντιπροσωπευτική (41-51%). Αυτά τα ευρήματα οδήγησαν σε μια δεύτερη μελέτη (Mendes et al., 2018c), η οποία διερεύνησε τους μηχανισμούς συγκράτησης του P και τι διασφαλίζει τη σταθερότητα του P στο έδαφος/τα ιζήματα (Εικόνα 4). Η πειραματική διάταξη περιελάμβανε ανάλυση της γεωχημείας του εδάφους/ιζημάτων, της δυναμικής οξειδοαναγωγής και της συγκέντρωσης P στο νερό σε διαφορετικά σημεία στους υγροτόπους.
Τα νέα ευρήματα έδειξαν ότι το P διατηρήθηκε κυρίως στα ιζήματα που σχετίζονται με τον σίδηρο. Επιπλέον, παρά τη συνεχή φόρτωση του P, τα αποτιθέμενα ιζήματα παρουσίασαν γενικά υψηλή ικανότητα προσρόφησης P και διαθεσιμότητα σιδήρου στο P, που μειώνουν την πιθανότητα απελευθέρωσης P στη στήλη νερού, σύμφωνα με τους Forsmann και Kjaergaard (2014). Αλλά το ερώτημα σχετικά με τη σταθερότητα του δεσμευμένου με σίδηρο P παρέμεινε, δεδομένων των συνεπών συνθηκών μείωσης του εδάφους. Οι μετρήσεις της συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου κοντά στη διεπιφάνεια ιζήματος-νερού έδειξαν σαφείς ετήσιες διακυμάνσεις, αλλά κυρίως αερόβιες συνθήκες. Αυτό υποστήριξε την υπόθεση ότι οποιαδήποτε απελευθέρωση δεσμευμένου με σίδηρο P από τα μειωμένα εδάφη θα αντισταθμιζόταν από τις αερόβιες συνθήκες στη διεπιφάνεια ιζήματος-νερού, που θα ευνοούσαν τη σύνδεση του P με τον σίδηρο, ακολουθούμενη από κατακρήμνιση στα ιζήματα κορυφής. Αρνητικές σημαντικές συσχετίσεις (p ≤ 0,05) μεταξύ της συγκέντρωσης διαλυμένου αντιδραστικού P στη στήλη νερού και της συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου κοντά στη διεπιφάνεια ιζήματος-νερού υποστήριξαν επίσης αυτήν την υπόθεση.
Οι παραπάνω μελέτες υποδεικνύουν ότι η αποτελεσματικότητα των υγροτόπων που κατασκευάζονται με επιφανειακή ροή ως καταβόθρες P συνδέεται στενά με τις εισροές ροφητών P (π.χ. σίδηρο, αλουμίνιο και μαγγάνιο) σε σχέση με το φορτίο P στην εκκένωση αποστράγγισης και με τις συνθήκες οξειδοαναγωγής κοντά στη διεπαφή ιζήματος-νερού. Έτσι, οι υψηλές εισροές ροφητών P και η επικράτηση των αερόβιων συνθηκών θα υποστήριζαν τη διαθεσιμότητα θέσεων προσρόφησης P στα αποτιθέμενα ιζήματα και τη σταθερότητα του P που είναι συνδεδεμένο σε ευαίσθητες στην οξειδοαναγωγή μορφές σιδήρου, αντίστοιχα, παρατείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του συστήματος. Αυτές οι μελέτες τόνισαν επίσης τη σημασία μιας λίμνης καθίζησης ως το πρώτο στάδιο επεξεργασίας, κυρίως σε υγροτόπους που λαμβάνουν μεγάλο φορτίο P σε μορφή σωματιδίων, καθώς το μεγαλύτερο μέρος της κατακράτησης P μπορεί να συμβεί εκεί σε αυτήν την περίπτωση. Έτσι, οι εργασίες συντήρησης θα μπορούσαν να στοχεύουν ιδιαίτερα στην εκσκαφή της περίσσειας εναποτιθέμενων ιζημάτων και του συσσωρευμένου P στη λίμνη καθίζησης, προκειμένου να επιβραδυνθεί ο κορεσμός του P στο σύστημα και κατά συνέπεια να παραταθεί η διάρκεια ζωής του.
Τα πειράματα και τα ευρήματα περιγράφονται στα άρθρα με τίτλο Κατακράτηση φωσφόρου σε υγροτόπους που κατασκευάζονται με επιφανειακή ροή που στοχεύουν τα υδάτινα αποστράγγισης γεωργικών υδάτων και συσσώρευση και σταθερότητα φωσφόρου στα ιζήματα των υγροτόπων που κατασκευάζονται με επιφανειακή ροή, που δημοσιεύονται στα περιοδικά Ecological Engineering και Geoderma, αντίστοιχα. Οι εργασίες διεξήχθησαν από τους Lipe Renato Dantas Mendes, Bo Vangsø Iversen και Charlotte Kjaergaard από το Πανεπιστήμιο Aarhus και Karin Tonderski από το Πανεπιστήμιο Linköping.
Τα ερευνητικά έργα χρηματοδοτήθηκαν από το Δανικό Συμβούλιο Στρατηγικής Έρευνας, το GUDP και το Ίδρυμα CAPES.
*Αναθεωρήθηκε στις 7 Μαρτίου 2020.
