Closing the phosphorus cycle by recycling lake sediments in agriculture

Phosphorus (P) is an essential plant macronutrient, originating mainly from non-renewable phosphate rocks. Rock phosphate (phosphorite) is one of the critical raw materials listed by the European Commission. Unsustainable P use affects food and water security and causes serious environmental problems such as the eutrophication (i.e., nutrient enrichment) of lakes. Given the essential role of P recycled from sediment to overlaying water in sustaining eutrophication, the removal of nutrient-rich sediments from lakes is one of the most effective restoration techniques, especially for small shallow lakes. Sediment removal removes P accumulated in lake sediments and offers the opportunity to close the P cycle by using the removed P in a sustainable manner. In the three studies of this thesis, I examined the potential of closing the agricultural P cycle by using lake sediments for crop production. The studies focused on the best practice for sediment recycling based on pot (I) and field experiments (II) along with investigating the changes to lake P dynamics after sediment removal (III). Excavating all the 7500 m3 of sediment from a 1-ha shallow eutrophic Lake Mustijärv (Viljandi, Estonia) was the starting point of this work. During the lake restoration, 6.4 Mg of P was removed, including 2.4 Mg of NaOH-extracted P (Fe−P), one of the major potentially bioavailable P forms. In the next step, various application methods were examined to use large quantities of lake sediments for grass production during a nine-month lysimeter experiment. The heavy metal and organic contaminant contents in the sediment were below the levels that would pose ecological or health risks according to the threshold values set by Ministry of the Environment, Finland. Using the excavated sediment with a low Fe:P mass ratio (6) resulted in a greater plant-availability of P and other nutrients compared with the sandy loam soil from the lake shore. The fertilization effect and the substantial increase in the growth and P uptake of ryegrass in the sediment-based treatments made the sediment application advisable for crop production. Of all the P fractions, the Fe-P fraction contributed most to plant P uptake. From an environmental impact perspective, even if a relatively thick layer of sediment was applied on top of the soil, it did not increase the risk of phosphate and mineral nitrogen (N) leaching. In addition, a biochar layer slightly reduced P and N leaching from the sediment. Furthermore, the environmental effects of various sediment application methods for grass production were studied in a four-year field experiment on the shore of the restored lake. The treatment effects on greenhouse gas (GHG) emissions, N and P leaching, aggregate stability, and soil biota were analyzed. The excavated sediment sustained grass biomass yield of 12 Mg ha−1 in the field, even though yield enhancement was less obvious compared with the lysimeter experiment. In addition to 75 g m−3 of easily soluble P, the sediment had also high contents of other soluble essential plant nutrients, including sulfur (S), calcium (Ca), magnesium (Mg), boron (B), zinc (Zn), and a fair supply of copper (Cu). Also, the sediment continuously provided a moderate supply of N to the plants over the four-year field experiment, which was likely due to mineralization of the organic reserves of the sediment. Considering the environmental impacts, the sediment-based growing media were observed to have higher carbon dioxide (CO2) emissions (579 vs. 400 mg CO2−C m−2 h−1) yet broadly similar nitrous oxide (N2O) emissions compared with the soil surrounding the lake. Also, applying a thick layer of excavated sediment increased the risk of phosphate and mineral N leaching. In addition, sediment treatments had different bacterial and fungal community compositions compared with soil. This could result in different mineralization pathways in soil and sediment-based treatments. During a two-year follow-up period, internal P loading formation in a recently restored lake was examined using sediment and lake water chemistry data. Soon after sediment removal, a high pool of releasable P was rebuilt in the lake due to exceptionally high external P loading. In addition, extensive anoxia of the surface sediments and in the water overlying the lake bottom was revealed. This resulted in high internal P loading, which sustained the eutrophication. Variations in the release rate of P from the newly formed sediments were explained by changes in sediment Fe−P and labile P fractions. Moreover, the gradual decrease in different P forms and organic matter from lake inflow towards outflow revealed the important role of sediment accumulation basins in lake restoration. Sediment from Lake Mustijärv was rich in organic matter and was a good source of several essential nutrients, including P, in plant-available form. I suggest that, instead of using a thick layer of sediments alone as a growing medium, sediment would be applied to soils based on crop nutrient requirements. Such an application, similar to the application of organic fertilizers, may reduce nutrient losses through leaching. With the aim of closing the agricultural P cycle, this case study can be upscaled to other shallow lakes with similar sediment properties.Fosfori (P) on kasveille välttämätön makroravinne, joka on peräisin pääasiassa kiviaineksen uusiutumattomista raakafosfaattivarannoista. Raakafosfaatti (fosforiitti) on yksi Euroopan komission luettelemista kriittisistä raaka-aineista. Kestämätön fosforin käyttö vaikuttaa ruoka- ja vesiturvaan ja aiheuttaa vakavia ympäristöongelmia, kuten järvien rehevöitymistä (eli ravinteiden rikastumista). Koska sedimentistä veteen liukenevalla fosforilla on keskeinen rooli rehevöitymisen ylläpitämisessä, ravinnepitoisten sedimenttien poistaminen on yksi tehokkaimmista ennallistamistekniikoista erityisesti pienissä ja matalissa järvissä. Sedimentin poisto poistaa kertyneen fosforin ja mahdollistaa fosforin kierron sulkemisen hyödyntämällä sitä kestävällä tavalla. Väitöskirjani kolmessa osatutkimuksessa tarkastelin maatalouden fosforin kierron sulkemisen mahdollisuuksia käyttämällä järvisedimenttejä kasvintuotantoon. Tutkimukset kohdistuivat sedimentin kierrätyksen parhaisiin käytäntöihin perustuen astia- (I) ja kenttäkokeisiin (II) sekä järviveden laadun muutosten tutkimiseen sedimentin poiston jälkeen (III). Tutkimuksen alussa yhden hehtaarin kokoisesta, matalasta ja rehevöityneestä Mustijärv-järvestä (Viljandi, Viro) poistettiin järven koko sedimentti, yhteensä 7500 m3. Sedimentin mukana järvestä poistettiin 6,4 Mg fosforia, josta vähintään 2,4 Mg oli potentiaalisesti biosaatavassa muodossa, mukaan lukien NaOH-uuttoisen fosforin (Fe−P) ja labiilin fosforin (Plab) fraktiot. Seuraavassa vaiheessa yhdeksän kuukautta kestäneessä lysimetrikokeessa tutkittiin menetelmiä suurten sedimenttimäärien käyttämiseksi nurmentuotannossa. Raskasmetallien ja orgaanisten vierasaineiden pitoisuudet sedimentissä alittivat ympäristöministeriön asettamat raja-arvot, joita suuremmat pitoisuudet aiheuttaisivat ekologisia tai terveydellisiä riskejä. Matalan Fe:P-suhteen (6) vuoksi fosforin ja muiden ravinteiden käyttökelpoisuus kasveille oli suurempi sedimentissä kuin järven rannan hietamaassa. Jo pelkkä lannoitusvaikutus olisi riittävä syy suositella sedimentin hyödyntämistä kasvintuotannossa. Raiheinän kasvu ja fosforin otto lisääntyi huomattavasti sedimenttipohjaisissa käsittelyissä. Fosforifraktioista Fe-P-fraktio myötävaikutti eniten kasvien fosforinottoon. Ympäristövaikutusten näkökulmasta oli myönteistä, että vaikka vaikka maan päälle levitettiin suhteellisen paksu sedimenttikerros, se ei lisännyt fosfaatin ja mineraalitypen huuhtoutumisen riskiä. Lisäksi sedimentin päälle lisätty biohiilikerros vähensi hieman fosforin ja typen huuhtoutumista sedimentistä. Sedimentin eri hyödyntämismenetelmien ympäristövaikutuksia nurmentuotannossa selvitettiin edelleen kunnostetun järven rannalle perustetussa nelivuotisessa kenttäkokeessa, jossa mitattiin käsittelyjen vaikutuksia kasvihuonekaasupäästöihin, fosforin ja typen huuhtoutumiseen, maa-aggregaattien kestävyyteen ja maaperän eliöstöön. Kentällä sedimenttilisäyksen saaneissa koejäsenissä nurmibiomassan tuotto oli 12 Mg ha−1, mutta sadon lisääntyminen ei ollut yhtä ilmeistä kuin lysimetrikokeessa. Helppoliukoisen fosforin (75 g m−3) lisäksi sedimentissä oli helppoliukoisena runsaasti myös muita välttämättömiä kasviravinteita, kuten rikkiä (S), kalsiumia (Ca), magnesiumia (Mg), booria (B) ja sinkkiä (Zn). Sedimentissä oli myös kohtalaisesti typpeä kasveille käyttökelpoisessa muodossa koko nelivuotisen kenttäkokeen ajan, mikä johtui todennäköisesti sedimentin orgaanisen aineksen mineralisoitumisesta. Ympäristövaikutusten tarkastelu osoitti, että kentällä sedimenttipohjaisten kasvualustojen hiilidioksidipäästöt (CO2) olivat suurempia kuin järveä ympäröivästä hietamaasta (579 vs. 400 mg CO2−C m−2 h−1), mutta typpioksiduulipäästöt (N2O) olivat samalla tasolla. Lisäksi paksu sedimenttikerros lisäsi fosfaatin ja mineraalitypen huuhtoutumisen riskiä. Sedimenttikäsittelyiden bakteeri- ja sieniyhteisöt poikkesivat hietamaan yhteisöistä, mikä saattaa johtaa eroihin ravinteiden mineralisaatiossa. Kunnostetun järven sisäistä P-kuormitusta tutkittiin seuraamalla sedimentin ja järven ravinnepitoisuuksia kahden vuoden ajan. Suuren ulkoisen fosforikuormituksen vuoksi järven liukenevan fosforin varastot palasivat ennalleen pian sedimentin poiston jälkeen. Havaittiin myös, että järven sedimentti ja sitä välittömästi peittänyt vesikerros olivat laajalti vähähappisia. Tämä johti korkeaan sisäiseen fosforikuormitukseen, joka ylläpiti rehevöitymistä. Fosforin vapautumisnopeuden vaihtelut äskettäin muodostuneista sedimenteistä selittyivät sedimentin Fe−P- ja Plab-fraktioiden muutoksilla. Lisäksi eri fosforimuotojen ja orgaanisen aineksen asteittainen väheneminen sedimenttien laskeutusaltaissa, kun mentiin järven sisäänvirtauksesta kohti ulosvirtausta, paljasti sedimentin kertymisaltaiden tärkeän roolin järvien kunnostuksessa. Mustijärv-järven sedimentissä oli runsaasti orgaanista ainesta ja useita kasveille välttämättömiä ravinteita, kuten fosforia, kasveille käyttökelpoisessa muodossa. Suosittelen, että kasvintuotannossa maahan lisättävät sedimenttimäärät valitaan viljelykasvien tarpeiden perusteella, kuten maanparannusaineilla, sen sijaan että paksua sedimenttikerrosta käytettäisiin yksinomaisena kasvualustana. Tämä voi vähentää huuhtoutumisesta johtuvaa ravinteiden hävikkiä. Rehevöityneitä matalia järviä, joilla on samanlaiset sedimenttiominaisuudet kuin tämän tutkimuksen järvellä, voidaan kunnostaa ja niiden sedimenttiä voidaan hyödyntää maatalouden fosforikierron sulkemiseksi tässä tutkimuksessa kuvatulla tavalla