| Summary: | Formålet med Ph.D.-studiet er at beskrive og måle kvælstoffjernelse i vådområder. En væsentlig del af formålet har været at udvikle en ny metode til måling af kvælstoffjernelse i vådområder. Rapporten indeholder seks engelsksprogede artikler, som er på vej til at blive, eller er publiceret, i internationale tidsskrifter samt en dansk baggrund. Hensigten med baggrunden er at give en historisk og faglig indgangsvinkel til emnet på en mere almen og overskuelig form og sætte resultaterne af de undersøgelser, der er udført under Ph.D.-studiet, i et lidt større perspektiv, end det har været muligt i de engelsksprogede artikler. I indledningen gives en kort historisk introduktion til vådområder og deres betydning som fjernere af kvælstof i tilstrømmende grundvand. Dernæst gennemgås selve denitrifikationsprocessen og dens mulige betydning for kvælstoffjernelse i vådområder. Herefter beskrives hvilken betydning grundvandsstilstrømning til og gennem vådområder har for kvælstoffjernelse og til sidst beskrives nogle miljømæssige konsekvenser, en høj kvælstoffjernelse i vådområder kan have på emission af drivhusgasserne CO2, CH4 og N2O, for udvaskning af fosfor og jern og ændring af flora-en i vådområdet. Resumé: Dette Ph.D. studium omhandler kvælstoffjernelse via denitrifikation i enge. Denitrifikation er den mikrobielle reduction af nitrat (NO3-) eller nitrit (NO2-) til kvælstofgas (N2) eller lattergas (N2O). En vigtig del af studiet har været at udvikle en ny metode til bestemmelse af denitrifikation i enge, hvor grundvandets strømningforhold ændredes så lidt som muligt. Kvælstoffjernelse i enge er en vigtig proces, som kan være med til at reducere landbrugets kvælstofbelastning til vandløb, fjorde og havet. I baggrunden er forskellige anvendte metoder til måling af denitrifikation i enge gennem-gået. Heraf fremgår, at denitrifikations rater målt i hele sedimentsøjler uden gennemstrømning af vand kun i begrænset omfang repræsenterer de rater der findes under naturlige forhold. Afkobling af grundvandsstrømmen i sedimentet vil i sig selv reducere nitrattilførslen til sedimentet og da denitrifikationraten ofte nettop er be-grænset af nitrattilførslen vil afkobling eller ændring af grundvandsstrømmen medføre at de målte denitrifikationsrater ofte er over eller underestimeret. I Ph.D. studiet blev en ny metode anvendt til at måle denitrifikation i felten. Metoden bygger på en kendt metode, nemlig at måle grundvandets indhold af opløste gasser, N2 og Ar. Som noget nyt blev metoden implementeret til at kunne anvendes i udstrømnings-områder, således at der korrigeres for den mængde N2, der afgasses, når der produceres mere gas end der kan opløses i grundvandet. Mængden af afgasset N2 blev bestemt ved at anvende grundvandets Ar indhold som en tracer for tab af gas. Resultaterne fra Ph.D. studiet viste at metoden var ganske anvendelig, NO3- reduktionen bestemt som massebalance kunne stort set genfindes som N2 produktion. Men også støkiometriske sammenhænge mellem heterotrof og autotrof denitrifikation, kunne genfinde NO3- reduktionen som enten omsætning af organiske stof, CO2 produktion (heterotrof denitrifikation) eller som oxidation af pyrit eller svovl, SO4-- produktion (autotrof denitrifikation). Ved at måle denitrifikation i felten ud fra grundvandets indhold af opløst N2 og Ar er det vigtig at kende grundvandets strømningsmønster. I Ph.D.studiet blev grundvandets strømningsmønster verificeret ved at tilsætte og genfinde en tracer bromid og grundvandets hydrauliske ledningsevne blev bestemt ud fra bromidets gennembrudskurve og Darcy's lov. Både bromidforsøget, den tidslige udvikling i sedimenttemperaturen for forskellige dybder og grundvandets klorid koncentration indikerede, at der var en god hydrologiske kontakt fra ådalsskrænten og ca. 8 m ind i engen. En høj kvælstoffjernelse ved denitrifikation i enge kan have andre miljømæssige effekter. I Ph.D. studiet blev det vist, at enge rent faktisk kan reducere N2O emissionen, fordi N2O tilført med grundvandet til engen blev reduceret i det område i engen, hvor der var en høj denitrifikation. Hvis engen f. eks. var drænet ville N2O emissionen have været 17 gange større. Men også andre miljømæssige effekter kan have en betydning. Ved en høj kvælstoffjernelse i enge er der en risiko for udvaskning af fosfor og jern og for at plantesammensætningen vil ændre sig, især fordi de hydrologiske forhold ændrer sig. Men planeterne vil evt. også kunne påvirkes direkte af høje N og P koncentrationer i grundvandet eller indirekte af stoffer, der er dannet ved denitrifikationen f. eks ændrede pH-forhold. * Preface: This PhD Thesis concerns nitrogen removal in riparian wetlands and decribes ap-proximately two years of research conducted during the period 1 January 1994 to 15 December, 1997 at the Department of Microbial Ecology, Biological Institute, Aarhus University and at the Department of Streams and Riparian Areas, National Environmental Research Institute. The aim of the study was to describe and measure nitrogen removal through denitrification in riparian wetlands. Denitrification is the microbial reduction of nitrate (NO3-) or nitrite (NO2-) to gaseous forms of nitrogen, namely dinitrogen (N2) or nitrous oxide (N2O). An important goal was to develop a new method for measuring denitrification in riparian wetlands under conditions of natural groundwater flow. This PhD Thesis includes six scientific papers written in English that either published or in press in international journals. The technical background for the study is written in Danish. This provides a historic and a technical review of the subject and places the results of my work in a broader perspective than was possible in the six scientific papers. While denitrification has positive environmental effects in that it reduces nitrogen loading of watercources, lakes, estuaries and marine waters, and can act as a sink for atmospheric N2O, it also has potentially negative effects such as leaching of phospho-rus and iron, and alternation of plant community composition. Summary: This PhD Thesis focuses on nitrogen removal through denitrification in riparian wetlands. Denitrification is the microbial reduction of nitrate (NO3-) or nitrite (NO2-) to gaseous forms of nitrogen, dinitrogen (N2) or nitrous oxide (N2O). A major goal was to develop a new method for measuring in-situ denitrification in riparian wetlands. In this context, special attention was placed on maintaining a natural pattern of groundwater flow. Nitrogen removal in riparian wetlands is important because it can reduce nitrogen loading of watercources, lakes, estuaries and marine waters. The technical background to this Thesis, which is written in Danish, discusses the va-rious methods for measuring denitrification in riparian wetlands. Denitrification rates measured in whole sediment cores with little or no water percolation do not represent true in situ denitrification rates. Prevention or alteration of groundwater flow through the sediment reduces the supply of nitrate and as denitrification rates in riparian wetlands are often nitrate limited the denitrification rates will often be under estimated. In my study I developed a new method for measuring denitrification in the field, ap-plying a well known method based on the groundwater content of dissolved N2 and Ar to a groundwater discharge area. This enabled correction for degassed N2 when gas production exceeded the amount of gas, that could remain dissolved in the groundwater. The amount of degassed N2 was estimated by using groundwater content of dissolved Ar as an internal tracer for degassing. The study confirms the validity and appli-cability of the method, as the NO3- reduction tabulated as a mass balance could largely be accounted for by the N2 production. The NO3- reduction could also be accounted for by stoichiometric calculations of heterotrophic and autotrophic denitrification either as the rate of decomposition of organic matter, of CO2 production (he-terotrophic denitrification) or by oxidation of pyrite or sulfur as SO4- production (autotrophic denitrification). Determination of denitrification in the field through the measurement of groundwater dissolved N2 and Ar necessitates knowledge of the groundwater flow path. The ground-water flow path in the study fen was therefore verified by bromide (Br-) tracer studies and the hydraulic conductivity of the sediment was estimated from the Br- breakthrough curve and Darcy's law. The bromide tracer experiment, the temporal pattern of sediment temperature at different sediment depths and the groundwater concentration of chloride all indicated that there was good hydrological contact between the hillslope and approximately 8 metres into the riparian fen. In addition to reducing nitrogen loading of the aquatic environment, high nitrogen removal in riparian wetlands may also have other environmental effects. Thus the present study shows that a riparian fen can act as a sink for atmospheric N2O because N2O in the recharging groundwater was reduced by denitrification in the riparian fen. In the event that this fen was drained, N2O emissions would be 17 times greater. Negetive environmental effects also result from denitrification, however. Thus high nitro-gen removal in riparian areas can cause leaching of phosphorus and iron, and alter the composition of the plant community.
|
|---|