Phosphorus retention in forest soils and the functioning of buffer zones used in forestry

Phosphorus (P) retention properties of soils typical for boreal forest, i.e. podzolic soil and peat soils, vary significantly, but the range of this variation has not been sufficiently documented. To assess the usefulness of buffer zones used in forestry in removing P from the discharge by chemical sorption in soil, and to estimate the risk of P leaching after forestry operations, more data is needed on soil P retention properties. P retention properties of soils were studied at clear-cut areas, unharvested buffer zones adjoining the clear-cut and at peatland buffer zone areas. Desorption-sorption isotherms were determined for the humus layer, the mineral soil horizons E, B and C of the Podzol profile and for the surface layer peat (0-15 cm) and the subsurface layer peat (15-30 cm). The efficiency of buffer zones in retaining P was studied at six peatland buffer zone areas by adding P-containing solute in the inflow. A tracer study was conducted at one of the buffer zone areas to determine the allocation of the added P in soil and vegetation. Measured sorption or desorption rather than parameter values of fitted sorption equations described P desorption and sorption behaviour in soil. The highest P retention efficiency was in the B horizon and consequently, if contact occurred or was established between the soluble P in the water and the soil B horizon, the risk of P leaching was low. Humus layer was completely incapable of retaining P after clear-cutting. In the buffer zones, the decrease in P retention properties in the humus layer and the low amount of P sorbed by it indicated that the importance of the layer in the functioning of buffer zones is low. The peatland buffer zone areas were efficient in retaining soluble P from inflow. P sorption properties of the peat soil at the buffer zone areas varied largely but the contribution of P sorption in the peat was particularly important during high flow in spring, when the vegetation was not fully developed. Factors contributing to efficient P retention were large buffer size and low hydrological load whereas high hydrological load combined with the formation of preferential flow paths, especially during early spring or late autumn was disadvantageous. However, small buffer zone areas, too, may be efficient in reducing P load.

Turvemaista muodostetuilla suojavyöhykkeillä voidaan torjua fosforin huuhtoutumista vesistöihin metsätalousmailta. Tässä tutkimuksessa osoitettiin, että turvemaille perustetut suojavyöhykkeet pidättävät tehokkaasti liukoista fosforia, joka on merkittävä vesistöjä rehevöittävä ravinne. Valumaveden fosfori sitoutui suojavyöhykkeellä suurimmaksi osaksi maaperään erityisesti varhain keväällä, jolloin kasvillisuus ei vielä ole täysin kehittynyt. Tämä osoitti, että maaperän kyky sitoa fosforia on tärkeä suojavyöhykkeiden toimivuuteen vaikuttava tekijä. Suojavyöhykkeen turvemaan kyky sitoa fosforia valumavedestä vaihteli riippuen turpeen sisältämän raudan ja alumiinin määrästä. Mitä enemmän näitä aineita turpeessa oli, sitä tehokkaammin fosforia sitoutui. Vastaava ilmiö havaittiin, kun tutkittiin fosforin sitoutumista humuskerroksen puustoisilla suojavyöhykkeillä, jotka oli jätetty hakkuun ja vesistön välille torjumaan vesistökuormitusta. Sen sijaan humuskerros hakkuualalla ei sitonut lainkaan fosforia vaan sitä päinvastoin irtosi siitä. Kivennäismaille tyypillisessä podsolimaannoksessa B-horisontti eli kerros, johon on kertynyt rautaa ja alumiinia, pidätti tehokkaasti fosforia kun taas sen yläpuolinen E-horisontti eli huuhtoutumiskerros pidätti fosforia heikosti. Jos fosforipitoinen vesi imeytyy kivennäismaahan ja suodattuu B-horisontin läpi, lähes kaikki fosfori sitoutuu maaperään eikä huuhtoutumista vesistöön tapahdu. Fosforia voi huuhtoutua metsätaloustoimenpidealueelta, jos alueen valumavedet kulkevat vain heikosti fosforia pidättävien maakerrosten, kuten humuskerroksen ja E-horisontin läpi. Tutkimuksessa arvioitiin myös, miten maaperän fosforinpidätyskykyä voidaan mitata. Maaperän vesiliukoinen fosfori sekä alumiini- ja rautapitoisuus antavat yleiskuvan maan fosforinpidätyskyvystä. Nämä ominaisuudet voidaan määrittää melko yksinkertaisin laboratoriokokein.