世界中での農業の拡大は、栄養素の浸出や地表水の汚染に関連する重大な環境問題を引き起こし、多くの場合、富栄養化と水資源の劣化をもたらしています (図 1)。
デンマークでは、農業の拡大に伴い、湿地や泥炭地などの浸水地域の集中的な排水が行われました。これにより、放出物が下流の地表水に到達する前に、粒子に結合した栄養素の沈降と生物地球化学的プロセスを通じて、上流の土地からの栄養負荷が自然に減少します。この出来事により、農地からの栄養素の損失と浸出を制御する土地の能力が大幅に低下しました。さらに、デンマークの農業地域は非常に排水されており (>50%)、他の水の流出経路と比較して、沿岸水域および内陸水域への栄養素の輸送が高速化されています。
デンマークでは、表面流で構築された湿地は、水力滞留時間を増やし、脱窒を可能にすることで窒素負荷を減らす手段として認識されています (図 2)。しかし、2 つの新しい研究では、これらのシステムがリン (P) シンクとしての可能性を評価しました (Mendes et al., 2018b, 2018c)。以前の研究によると、イベント駆動型の排水を受け取るシステムでは性能がかなり変動する可能性があることを考えると、研究の前に、これらのシステムの P 保持が有意および/または一貫しているかどうかは疑問でした。さらに、土壌/堆積物に保持されている P の地球化学的安定性は一般に不確実であり、収着サイトの利用可能性によって制御されます。以前の研究では、デンマークの低地の無酸素で鉄分が豊富な土壌は、第二鉄が第一鉄に還元されるため、P を放出する傾向があることが示されていました (Forsmann and Kjaergaard, 2014)。さらに、予備的な結果は、調査された湿地の土壌がかなり減少したことを示しました。これは、酸化還元に敏感な鉄の形に結合した P の溶解と水柱への放出が予想されることを意味します。
研究課題に適切に対処するために、同様の設計であるが、さまざまな地質地域に位置するだけでなく、さまざまな P 負荷と優勢な P フォーム (粒子状または溶解状) を受け取る 3 つの地表流で構築された湿地が選択され、体系的に監視されました (図 3)。 .湿地は、沈降池 (深さ 1 m) と、それに続く 3 つの深さ (1 m) と 2 つの浅さ (0.3 m) の中間ゾーンを含む盆地から構成されます。これらのシステムの面積は、流域面積の 1% を表します。
まず、この研究では、3 年間のモニタリング期間中、湿地が P シンク (0.3 ～ 10.5 g/m yr) として機能することがわかりました。 P負荷は、P保持率の変動の52〜72％を説明しました。つまり、これは主要な説明変数であり、これは以前の研究と一致していました。ただし、P 負荷は、P 保持効率 (%) にほとんど影響を与えませんでした。その変動は、部分的に優勢な P フォーム (粒子状フォームは、溶解したフォームよりも上部堆積物での沈降により容易に保持される) と、鉄の入力に起因するものでした。 (この研究で優勢な P 吸着剤) は、P との関係で。したがって、この研究では、P 保持効率は、保持された P の地球化学的安定性に関連している可能性が高いと結論付けました。
土壌の減少と鉄結合Pの潜在的な放出によってPの安定性が損なわれるという最初の考えにもかかわらず、P保持効率は依然として代表的でした（41〜51％）。これらの発見は、2 番目の研究 (Mendes et al., 2018c) につながり、P 保持メカニズムと、土壌/堆積物中の P 安定性を保証するものを調査しました (図 4)。実験のセットアップには、土壌/堆積物の地球化学、レドックスダイナミクス、および湿地全体のさまざまな地点における水中の P 濃度の分析が含まれていました。
新しい発見は、Pが主に鉄に関連する堆積物に保持されていることを示しました。さらに、Forsmann と Kjaergaard (2014) によると、P の継続的な負荷にもかかわらず、堆積した堆積物は一般に高い P 吸着容量と P への鉄の利用可能性を示し、水柱への P 放出の可能性を減らします。しかし、一貫した土壌還元条件を考えると、鉄に結合したPの安定性に関する問題は依然として残っていました.堆積物と水との界面付近の溶存酸素濃度の測定では、明確な年変動が示されましたが、それでも主に好気性条件が支配的でした。これは、還元された土壌からの鉄結合Pの放出は、堆積物と水の界面での好気的条件によって相殺されるという仮説を支持しました。水柱の溶存反応性リン濃度と堆積物-水界面付近の溶存酸素濃度との間の負の有意な相関 (p ≤ 0.05) も、この仮説を支持しました。
上記の研究は、P シンクとしての地表流で構築された湿地の効率が、排水中の P 負荷に関連する P 吸収剤 (鉄、アルミニウム、マンガンなど) の投入量、および酸化還元条件に強く関連していることを示唆しています。堆積物と水の界面の近く。したがって、P吸着剤の高い入力と好気的条件の普及は、堆積した堆積物中のP吸着サイトの利用可能性と、酸化還元に敏感な鉄の形態に結合したPの安定性をそれぞれサポートし、システムの寿命を延ばします。これらの研究はまた、主に粒子状のリンを大量に受け取る湿地での最初の処理段階としての沈殿池の重要性を強調しました。したがって、メンテナンス作業は、システム内のリンの飽和を遅らせ、結果としてその寿命を延ばすために、沈殿池に堆積した余分な堆積物と蓄積されたリンの掘削を特に対象とすることができます.
実験と調査結果は、ジャーナル Ecological Engineering と Geoderma にそれぞれ掲載された、農業排水を対象とした地表流で構築された湿地におけるリンの保持、および地表流で構築された湿地の堆積物におけるリンの蓄積と安定性というタイトルの記事で説明されています。この作業は、オーフス大学のリペ・レナート・ダンタス・メンデス、ボー・ヴァンソ・イヴェルセン、シャーロット・ケアガード、リンシェーピング大学のカリン・トンダースキによって行われました。
研究プロジェクトは、デンマーク戦略研究評議会、GUDP、および CAPES 財団によって資金提供されました。
*2020 年 3 月 7 日に改訂
