Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Climate change is predicted to lead to more frequent and intense extreme weather events, which poses a risk of increased nutrient leaching from agricultural land and as a consequence, worsened eutrophication in aquatic ecosystems. The aim of this thesis was to investigate how long-term trends in nitrogen and phosphorus export are influenced by extreme wet or dry conditions. The research question was: How do extreme wet and extreme dry periods affect total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) loads in agricultural catchments in southern Sweden?

To answer this, 30 years of environmental monitoring data from three small agricultural catchments (I28, M42, and N34) were analysed. The Standardised Precipitation-Evapotranspiration Index (SPEI) was applied at multiple timescales to identify periods of hydrological stress, which was combined with Generalised Additive Models (GAM) for trend analysis and event-based high-flow separation.
The results showed that wet agrohydrological years were associated with substantially higher nutrient export and more frequent high-flow events than dry years. In catchment N34, approximately 19% of the days during 1998–2002 had SPEI-3 values > 1.5, yet these periods accounted for around 70% of annual TN export. Similar patterns were observed for TP export during prolonged wet periods. TN export was primarily associated with sustained hydrological transport and subsurface flow pathways, whereas TP export showed a more episodic response linked to runoff events and first-flush processes.

The study further demonstrated that SPEI provided important hydrological context beyond runoff-based event identification alone. SPEI-1 showed the most consistent and statistically significant relationships with nutrient export across all three catchments and both nutrients, indicating the importance of antecedent moisture conditions and short-term hydrological variability. During dry periods, reduced hydrological connectivity generally lowered annual nutrient export, although prolonged drought conditions also appeared to increase the risk of elevated nutrient mobilisation during subsequent rewetting events.

In conclusion, current field-scale mitigation measures may be insufficient during extreme weather events, as they are not designed for the massive water volumes generated. To mitigate extreme nutrient export in a future climate, mitigation strategies must increasingly shift towards landscape-level measures focused on water retention.

Klimatförändringarna förväntas leda till fler och mer intensiva extrema väderhändelser, vilket innebär en risk för ökat näringsläckage från jordbruksmark och till följd ökad övergödning i akvatiska ekosystem. Syftet med detta arbete var att undersöka hur långsiktiga trender i kväve- och fosfortransport påverkas av extrema blöta och torra perioder. Forskningsfrågan är: Hur påverkar extrema blöta och extrema torra perioder totalkväve- (TN) och totalfosfor- (TP) belastning i jordbruksdominerade avrinningsområden i södra Sverige?

För att besvara detta analyserades 30 års miljöövervakningsdata från tre små jordbruksdominerade avrinningsområden (I28, M42 och N34). Standardised Precipitation-Evapotranspiration Index (SPEI) användes på flera tidsskalor för att identifiera perioder av hydrologisk stress, vilket kombinerades med Generalised Additive Models (GAM) för trendanalys samt händelsebaserad separation av högflöden.

Resultaten visade att blöta agrohydrologiska år var associerade med avsevärt högre näringstransport och en ökad frekvens av högflödeshändelser jämfört med torra år. I avrinningsområde N34 hade cirka 19 % av dagarna under perioden 1998–2002 SPEI-3-värden > 1,5, men dessa perioder stod för omkring 70 % av den årliga TN-transporten. Liknande mönster observerades för TP-transport under långvarigt blöta perioder. TN-transport var främst kopplad till kontinuerligt och ihållande läckage via flödesvägar under markytan, medan TP visade en mer episodisk respons kopplad till ytavrinning och första flödesevent (first-flush event).

Studien visade vidare att SPEI gav viktig hydrologisk kontext utöver enbart flödesbaserad händelseidentifiering. SPEI-1 uppvisade de mest konsekventa och statistiskt signifikanta sambanden med näringstransport i samtliga avrinningsområden och för båda näringsämnena, vilket indikerar att kortsiktiga skiften i markfuktighet är avgörande för mobilisering av näringsämnen. Under torra perioder minskade generellt näringstransporten till följd av minskad hydrologisk konduktivitet, men långvarig torka kunde samtidigt öka risken för förhöjd mobilisering vid efterföljande avrinning.

Sammanfattningsvis tyder resultaten på att nuvarande åtgärder på fältnivå kan vara otillräckliga under extrema väderhändelser, eftersom de inte är dimensionerade för de stora vattenvolymer som genereras. För att minska extrema näringsförluster i ett framtida klimat behöver åtgärder i högre grad vara på landskapsnivå med fokus på vattenhållande och fördröjande funktioner.