Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Many agricultural streams in Sweden exhibit high concentrations of nitrogen, phosphorus, suspended sediments and dissolved organic matter (DOM). Together these substances cause eutrophication in streams, rivers and eventually the Baltic Sea. The interactions between different fractions of DOM and nutrients are not very well understood. The aims of this study were to investigate spatial and temporal patterns in DOM in Swedish agricultural streams and to understand how DOM and nutrients interact. Ten catchments in south – central Sweden that are dominated by arable land were compared. Most of the catchments have intensive crop production with high nutrient turnover and in some the livestock density is also high. All these factors can affect the qualitative and quantitative properties of DOM. Water samples from the catchments and fields were analyzed for week 2, 4, 6 and 8 2017, covering a time period of one and a half month. DOM was analyzed optically using excitation-emission fluorescence spectroscopy (EEM) and absorbance spectroscopy (UV/Vis). A number of spectroscopic indices were used to describe the DOM properties. Turbidity, total organic carbon, dissolved organic carbon, pH and orthophosphate concentration were also analyzed. In addition, information about nitrogen and phosphorus concentrations was available. Only weak temporal trends could be found in the dataset but clear spatial differences in DOM properties were observed between the catchments. Catchment F26 differed from most other catchments by having heavier, more labile and to a greater extent plant derived DOM. Catchments O18 and E21 had opposite characteristics to F26 in nearly all studied indices. The DOM was fresher and the molecular weight lower. Correlations between phosphorus and several particulate properties could be found, which describe the absorbing nature of dissolved phosphorus. Nitrogen correlated with the molecular weight of DOM and with the ratio of humic-like to fuvic-like fluorophores. Neither nitrogen nor phosphorus correlated with the protein-like fluorophore. The results demonstrate the importance of reducing leaching of particles and large dissolved organic molecules to streams, since these fractions are related to nitrogen and phosphorus concentrations. This can be done by installing ponds and wetlands and by preventing erosion along stream banks. However, catchment specific actions need to be taken, since the study clearly demonstrated differences between catchments when it comes to DOM and nutrient properties.

Många svenska vattendrag på jordbruksdominerade avrinningsområden bär höga koncentrationer av kväve, fosfor, suspenderade sediment och löst organiskt material (DOM). Tillsammans bidrar dessa substanser till övergödning av vattendragen. De biogeokemiska mekanismer som ligger bakom substansernas samverkan och sättet på vilket samverkar är inte välkända. Syftet med den här studien var att beskriva temporära och spatiala mönster i DOM egenskaper och koncentrationer, samt att undersöka hur DOM och näringsämnen samverkar. Tio jordbruksdominerade avrinningsområden i södra och centrala Sverige ingick i studien. På de flesta områdena bidrar en intensiv grödproduktion till hög näringsomsättning, vilket kan påverka egenskaperna hos DOM i omkringliggande vattendrag. Flödesproportionella vattenprov togs varannan vecka tillsammans med stickprov. I studien analyserades prover från vecka 2, 4, 6 och 8 år 2017, vilka täcker en tidsperiod av en och en halv månad. DOM analyserades optiskt med excitations-emissions fluorescensspektroskopi (EEM) och absorbansspektroskopi (UV/Vis). Olika spektroskopiska index användes för att beskriva DOM. Turbiditet, totalt organiskt kol, löst organiskt kol, pH och ortofosfat mättes även. Därtill användes tillgänglig information om olika kväve- och fosforkoncentrationer i vattendragen. Statistiska samband mellan de olika indexen och kväve, fosfor och kol analyserades, liksom temporära och spatiala mönster. Enbart svaga temporära trender kunde hittas. Däremot skiljde sig vattendragen tydligt från varandra. I avrinningsområde F26 var DOM av större molekylär storlek, mer labilt och till högre grad av växtursprung jämfört med övriga avrinningsområden. Område O18 och E21 hade motsatta egenskaper till F26 i så gott som alla undersökta index. Det organiska materialet var färskare och molekylerna av mindre storlek än i F26. Samband mellan fosfor och olika partikulära egenskaper kunde hittas, vilket beskriver absorberingen av fosfor till partiklar. Kväve korrelerade med molekylvikten av DOM och även med C:A, vilket beskriver förhållandet mellan humussyror och fulvosyror. Resultaten av studien demonstrerar vikten av att reducera avrinning av suspenderade partiklar och stora lösta organiska molekyler från jordbruksmark. Det kan göras genom att installera sedimentationsdammar eller våtmarker på odlingsområden, samt genom att minimera erosionsrisken längs vattendrag. Platsspecifika åtgärder bör dock planeras eftersom studien tydligt visade att avrinningsområden skiljer sig från varandra då det gäller DOM- och näringsegenskaper.