Use of wetland buffer areas to reduce nitrogen transport from forested catchments: Retention capacity, emissions of N2O and CH4 and vegetation composition dynamics

The use of buffer areas in forested catchments has been actively researched during the last 15 years; but until now, the research has mainly concentrated on the reduction of sediment and phosphorus loads, instead of nitrogen (N). The aim of this thesis was to examine the use of wetland buffer areas to reduce the nitrogen transport in forested catchments and to investigate the environmental impacts involved in their use. Besides the retention capacity, particular attention was paid to the main factors contributing to the N retention, the potential for increased N2O emissions after large N loading, the effects of peatland restoration for use as buffer areas on CH4 emissions, as well as the vegetation composition dynamics induced by the use of peatlands as buffer areas. To study the capacity of buffer areas to reduce N transport in forested catchments, we first used large artificial loadings of N, and then studied the capacity of buffer areas to reduce ammonium (NH4-N) export originating from ditch network maintenance areas in forested catchments. The potential for increased N2O emissions were studied using the closed chamber technique and a large artificial N loading at five buffer areas. Sampling for CH4 emissions and methane-cycling microbial populations were done on three restored buffer areas and on three buffers constructed on natural peatlands. Vegetation composition dynamics was studied at three buffer areas between 1996 and 2009. Wetland buffer areas were efficient in retaining inorganic N from inflow. The key factors contributing to the retention were the size and the length of the buffer, the hydrological loading and the rate of nutrient loading. Our results show that although the N2O emissions may increase temporarily to very high levels after a large N loading into the buffer area, the buffer areas in forested catchments should be viewed as insignificant sources of N2O. CH4 fluxes were substantially higher from buffers constructed on natural peatlands than from the restored buffer areas, probably because of the slow recovery of methanogens after restoration. The use of peatlands as buffer areas was followed by clear changes in plant species composition and the largest changes occurred in the upstream parts of the buffer areas and the wet lawn-level surfaces, where the contact between the vegetation and the through-flow waters was closer than for the downstream parts and dry hummock sites. The changes in the plant species composition may be an undesired phenomenon especially in the case of the mires representing endangered mire site types, and therefore the construction of new buffer areas should be primarily directed into drained peatland areas.

Metsätalouden tehokkaimpana vesiensuojelukeinona pidetään tällä hetkellä pintavalutuskenttiä, joiden kautta metsänkäsittelyalueiden vedet ohjataan vesistöön. Pintavalutuskenttä voidaan perustaa joko johtamalla valuma-alueen vedet luonnontilaiseen kosteikkoon tai ennallistamalla valuma-alueella oleva ojitettu suo. Suon ennallistamisessa pyritään metsätaloutta varten ojitettu suo palauttamaan takaisin luonnontilaiseksi tai luonnontilaisen kaltaiseksi. Pintavalutuskentillä vesi puhdistuu kosteikkoekosysteemille luontaisten fysikaalisten, kemiallisten ja biologisten prosessien seurauksena. Pintavalutuskenttien käyttöä metsätalouden valumavesien puhdistamisessa on tutkittu kiintoaineen ja fosforin osalta, mutta niiden tehokkuudesta typen pidättäjinä tiedetään vähän. Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli selvittää pintavalutuskenttien käytön merkitys typpikuormituksen torjunnassa sekä tutkia käytön aiheuttamia ympäristövaikutuksia. Tutkimus osoitti, että pintavalutuskentät torjuvat tehokkaasti metsätalousalueiden valumavesien typpikuormitusta. Tärkeimmät pidätystehokkuutta selittävät tekijät olivat pintavalutuskentän koko ja muoto sekä kentälle tuleva valunta ja typpikuormituksen määrä. Riittävän suuri koko (yli prosentti valuma-alueen pinta-alasta) johtaa tehokkaaseen typen pidättymiseen pidentämällä veden viipymäaikaa kentällä sekä vähentämällä oikovirtausuomien syntymistä. Tulokset tukevat aiempaa käsitystä, että tehokas vesiensuojelu vesistöjä runsaasti kuormittavilla metsävaluma-alueilla edellyttää riittävän laajojen pintavalutuskenttien rakentamista metsätalousmaan ja vesistön välille. Pintavalutuskentät pidättävät valumavesien typpeä tehokkaasti, mutta niiden käytöstä voi aiheutua haitallisia ympäristövaikutuksia. Selvitimme, miten pintavalutuskenttien käyttö vaikuttaa kasvihuonekaasujen metaanin ja dityppioksidin päästöihin sekä pintavalutuskenttinä käytettyjen soiden kasvilajikoostumukseen. Metaani ja dityppioksidi kuuluvat hiilidioksidin ohella merkittävimpiin ihmisen tuottamiin kasvihuonekaasuihin. Metaani on yli 20 kertaa hiilidioksidia voimakkaampi kasvihuonekaasu, dityppioksidin lämmitysvaikutuksen ollessa 296-kertainen. Tutkimus osoitti, että dityppioksidipäästöt voivat hetkellisesti kasvaa suuren typpikuormituksen jälkeen, mutta kokonaispäästöt jäävät pieniksi verrattuna esimerkiksi metsäojitettuihin ravinnerikkaisiin soihin tai maatalouskäytössä oleviin soihin. Ojitetuista soista muodostettujen (ennallistettujen) pintavalutuskenttien metaanipäästöt jäivät selkeästi luonnontilaisille soille perustettujen pintavalutuskenttien päästöjä pienemmiksi. Syynä ennallistettujen pintavalutuskenttien pienempiin päästöihin oli ojituksen vaikutuksesta vähentyneen metaanintuottajamikrobiston hidas toipuminen ennallistamisen jälkeen. Soiden käyttö pintavalutuskenttänä muuttaa merkittävästi niiden kasvillisuutta. Pintavalutuskenttien käytön merkittävimmäksi haitalliseksi ympäristövaikutukseksi osoittautui kasvillisuuden lajikoostumuksen muuttuminen. Suurimmat muutokset havaittiin pintavalutuskenttien yläosissa ja rimpi- ja tasapinnoilla, kun taas kenttien alaosissa ja mätäspinnoilla muutokset olivat vähäisempiä. Kasvillisuusmuutoksista johtuen harvinaisista kasvilajeista koostuvia ja uhanalaisia suotyyppejä edustavia luonnontilaisia soita ei tulisi käyttää pintavalutuskenttinä, vaan uudet pintavalutuskentät tulisi ensisijaisesti rakentaa ennallistamalla aiemmin ojitettu suo.