Export of organic matter, sulphate and base cations from boreal headwater catchments downstream to the coast: impacts of land use and climate

Abstract

The terrestrial export of dissolved organic matter (DOM) is associated with climate, vegetation and land use, and thus is under the influence of climatic variability and human interference with terrestrial ecosystems, their soils and hydrological cycles. The present study provides an assessment of spatial variation of DOM concentrations and export, and interactions between DOM, catchment characteristics, land use and climatic factors in boreal catchments. The influence of catchment characteristics, land use and climatic drivers on the concentrations and export of total organic carbon (TOC), total organic nitrogen (TON) and dissolved organic phosphorus (DOP) was estimated using stream water quality, forest inventory and climatic data from 42 Finnish pristine forested headwater catchments, and water quality monitoring, GIS land use, forest inventory and climatic data from the 36 main Finnish rivers (and their sub-catchments) flowing to the Baltic Sea. Moreover, the export of DOM in relation to land use along a European climatic gradient was studied using river water quality and land use data from four European areas. Additionally, the role of organic and minerogenic acidity in controlling pH levels in Finnish rivers and pristine streams was studied by measuring organic anion, sulphate (SO4) and base cation (Ca, Mg, K and Na) concentrations.

In all study catchments, TOC was a major fraction of DOM, with much lower proportions of TON and DOP. Moreover, most of TOC and TON was in a dissolved form. The correlation between TOC and TON concentrations was strong and TOC concentrations explained 78% of the variation in TON concentrations in pristine headwater streams. In a subgroup of 20 headwater catchments with similar climatic conditions and low N deposition in eastern Finland, the proportion of peatlands in the catchment and the proportion of Norway spruce (Picea abies Karsten) of the tree stand had the strongest correlation with the TOC and TON concentrations and export. In Finnish river basins, TOC export increased with the increasing proportion of peatland in the catchment, whereas TON export increased with increasing extent of agricultural land. The highest DOP concentrations and export were recorded in river basins with a high extent of agricultural land and urban areas, reflecting the influence of human impact on DOP loads. However, the most important predictor for TOC, TON and DOP export in Finnish rivers was the proportion of upstream lakes in the catchment. The higher the upstream lake percentage, the lower the export indicating organic matter retention in lakes. Molar TOC:TON ratio decreased from headwater catchments covered by forests and peatlands to the large river basins with mixed land use, emphasising the effect of the land use gradient on the stoichiometry of rivers.

This study also demonstrated that the land use of the catchments is related to both organic and minerogenic acidity in rivers and pristine headwater streams. Organic anion dominated in rivers and streams situated in northern Finland, reflecting the higher extent of peatlands in these areas, whereas SO4 dominated in southern Finland and on western coastal areas, where the extent of fertile areas, agricultural land, urban areas, acid sulphate soils, and sulphate deposition is highest. High TOC concentrations decreased pH values in the stream and river water, whereas no correlation between SO4 concentrations and pH was observed. This underlines the importance of organic acids in controlling pH levels in Finnish pristine headwater streams and main rivers. High SO4 concentrations were associated with high base cation concentrations and fertile areas, which buffered the effects of SO4 on pH.

Liuenneen orgaanisen aineen huuhtoutumiseen valuma-alueelta vesistöihin vaikuttavat useat tekijät kuten valuma-alueen ominaisuudet, maankäyttö ja hydrologia. Huuhtoutumistutkimukset ovat perinteisesti keskittyneet epäorgaanisiin ravinteisiin, vaikka erilaisilta maankäyttömuodoilta vesistöihin huuhtoutuu myös runsaasti orgaanisia ravinteita. Valuma-alueelta huuhtoutuva orgaaninen aines vaikuttaa veden laatuun, sillä se edistää rehevöitymistä sekä vaikuttaa veden lämpötilaan ja näkösyvyyteen. Tutkimuksessa selvitettiin orgaanisen hiilen, typen ja fosforin huuhtoutumista pieniltä luonnontilaisilta latvavaluma-alueilta sekä suurilta jokivaluma-alueilta. Lisäksi orgaanisen ja minerogeenisen happamuuden merkitystä veden pH-tason säätelijänä tutkittiin määrittämällä orgaanisen anionin, sulfaatin ja emäskationeiden pitoisuudet luonnontilaisissa puroissa sekä suurissa joissa.

Kaikissa joissa ja puroissa orgaaninen hiili muodosti suuren osan liuenneesta orgaanisesta aineesta. Orgaanisen typen ja orgaanisen fosforin pitoisuudet olivat huomattavasti pienempiä. Luonnontilaisissa puroissa yli 90 % kokonaistypestä ja yli 50 % liuenneesta kokonaisfosforista oli orgaanisessa muodossa. Suurin osa orgaanisesta typestä ja hiilestä oli liuenneessa muodossa. Orgaanista hiiltä huuhtoutui eniten alueilta, joilla topografia ja ilmasto-olosuhteet suosivat orgaanisen hiilen varastojen kertymistä valuma-alueelle, kuten Suomen runsassoisilla alueilla. Suomalaisilla puro- ja jokivaluma-alueilla orgaanisen hiilen huuhtouma lisääntyi soiden osuuden kasvaessa. Luonnontilaisilla latvavaluma-alueilla myös kuusen osuus puustosta korreloi positiivisesti sekä orgaanisen hiilen että orgaanisen typen pitoisuuksien ja huuhtoumien kanssa. Suomalaisissa joissa orgaanisen hiilen pitoisuuksiin vaikuttivat lisäävästi paitsi suot myös maatalousalueet. Ihmistoiminnan vaikutus näkyi myös lisääntyneinä orgaanisen typen ja orgaanisen fosforin kuormina maatalousvaltaisilta ja taajamavaltaisilta jokivaluma-alueilta. Kaikkein voimakkaimmin orgaanisen aineen huuhtoumiin jokivaluma-alueilla vaikutti valuma-alueen järvisyys. Mitä suurempi oli valuma-alueen järviprosentti sitä pienemmät olivat huuhtoumat, mikä indikoi orgaanisen aineen pidättymistä järviin.

Orgaanisten ravinteiden osuus kokonaisravinteiden pitoisuuksista laski luonnontilaisilta metsäisiltä latvavaluma-alueilta alavirtaan suurille maankäytöltään vaihteleville jokivaluma-alueille tultaessa. Samalla orgaanisen typen ja fosforin pitoisuudet kuitenkin nousivat alajuoksua kohden. Orgaanisen hiilen pitoisuudet sen sijaan olivat korkeimmillaan latva-valuma-alueilla ja laskivat suurille jokivaluma-alueille tultaessa. Maankäytön muutos luonnontilaisilta latvavaluma-alueilta suuriin jokiin tultaessa aiheutti muutoksia huuhtoutuvaan orgaaniseen aineeseen, koska luonnontilaisilta, kaupunkimaisilta ja maatalousvaltaisilta alueilta huuhtoutuva orgaaninen aines on ravinnesuhteiltaan erilaista. Myös jokien eri merialueille kuljettaman orgaanisen aineen ravinnesuhteet vaihtelivat merkittävästi heijastaen kunkin valuma-alueen maankäyttöä. Nämä vaihtelut orgaanisen aineen ravinnesuhteissa vaikuttavat mahdollisesti orgaanisen aineen hajoamiseen ja biologiseen käytettävyyteen.

Valuma-alueiden maankäyttö vaikutti myös sekä orgaaniseen että minerogeeniseen happamuuteen joissa ja puroissa. Orgaaninen anioni dominoi pohjoisissa puroissa ja joissa heijastaen valuma-alueiden soiden runsautta, kun taas sulfaatti dominoi Etelä-Suomessa ja rannikkoalueilla, missä on runsaasti reheviä alueita, maatalous- ja taajama-alueita, happamia sulfaattimaita sekä korkein sulfaattilaskeuma. Korkea orgaanisen hiilen pitoisuus laski pH arvoja puroissa ja joissa, mutta sulfaatin ja pH:n välillä ei ollut riippuvuutta, mikä korostaa orgaanisten happojen merkitystä pH tason säätelijänä suomalaisissa puroissa ja joissa.