Hydrology of peat-dominated headwater catchments:theories and empirical analysis of the impacts of anthropogenic disturbance

• Main Author: Menberu, M. W. (Meseret Walle)
• Other Authors: Kløve, B. (Bjørn)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2018
• Subjects: dissolved organic carbon; drainage; hydrology; nutrients; restoration; hydrologia; liuennut orgaaninen hiili; ojitus; ravinteet; soiden ennallistaminen
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526219370; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526219370

Abstract Peatland drainage affects about half the peatland area in Finland. Drainage changes natural peatland hydrology and affects water quality through effects on peat decomposition, mineralization, and enhanced mobilization. Runoff water from degraded peatlands transports metals and nutrients and impairs downstream water quality. Peatland restoration through drain blocking can reverse or minimize the negative effects and return degraded peatlands to their natural state over time. In this thesis, a before-after-control-impact study was applied at national scale to 44 boreal peatlands representative of a south-north boreal climate gradient, to study peatland watertable and pore water quality responses to drainage and restoration. Runoff dynamics, watertable levels, and associated characteristics were studied after peatland forestry drainage and subsequent restoration at seven sites. Analysis of watertable-related hydrological responses of 24 drained and restored sites and 19 undisturbed control sites revealed that restoration generally returned watertable levels and fluctuations at restored sites to near-undisturbed levels. This created favorable high-watertable conditions under which peatland species typically flourish. Examination of drainage/restoration effects on local geochemical conditions by studying pore water quality at the same sites revealed that, compared with undisturbed sites, forestry drainage increased dissolved organic carbon (DOC), total phosphorus (Ptot), and total nitrogen (Ntot). Nutrient concentrations continued to increase in the first year after restoration because of significant peatland disturbance, but DOC and nutrient concentrations declined to near-undisturbed levels over time. Watertable level, soil and air temperature, peatland class, and trophic level influenced pore water quality. An investigation of catchment-scale runoff processes in response to drainage and restoration revealed the complexity of runoff dynamics in peatlands. The amount of event runoff water varied between sites, but disturbed sites had higher mean runoff efficiency than undisturbed sites. Raising the watertable increased mean runoff efficiency compared with drained and undisturbed control sites, as shown by higher mean event runoff coefficient. In periods of no rainfall, low flow in all treatment conditions (disturbed, restored, undisturbed) was similar. During rainfall, the drainage networks at disturbed sites created short flow paths and water reached the outlets faster. Watertable-related storage (i.e., specific yield) at disturbed sites was significantly smaller than at other sites, but restoration raised the watertable to near-undisturbed levels into the layer of less decomposed and significantly higher specific yield. Comparing the success of restoration against peatland ecological functions revealed some improvements to restoration techniques that could improve restoration efficiency. However, better hydrological indicators of peatland disturbance are needed. === Tiivistelmä Suomessa on ojitettu iso pinta-ala turvemaita. Ojituksen seurauksena turvemaiden hydrologia on muuttunut ja valumavesien laatu heikentynyt orgaanisen aineksen hajoamisen, mineralisaation ja ravinteiden liikkeellelähdön seurauksena. Valumavedet sisältävät usein metalleja ja ravinteita, jotka heikentävät alapuolisten vesistöjen laatua ja ekologista tilaa. Turvemaiden ennallistaminen ojia tukkimalla tai patoamalla voi vähentää näitä haitallisia vaikutuksia ja palauttaa suoekosysteemin luonnollisen toiminnan ajan saatossa. Tässä väitöstyössä hyödynnettiin kansallista soiden ennallistamisen monitorointiverkostoa, jossa on vedenlaadusta, valunnasta ja vesipintojen korkeudesta aineistoa ennen ja jälkeen soiden ennallistamisen sekä vastaavaa aineistoa luonnontilaisilta vertailualueilta. Tämä aineisto mahdollisti ojituksen ja ennallistamisen hydrologisten vaikutusten tutkimisen ”Ennen-Jälkeen-Kontrolli” – asetelmalla. Tutkimuksessa oli 44 tutkimuskohdetta, jotka edustivat kattavasti Suomen eri ilmastovyöhykkeitä. Näistä seitsemällä kohteella tutkittiin myös valunnan muodostumisen dynamiikkaa turvemetsätalousmailla, ennallistetuilla soilla sekä luonnontilaisilla soilla. Tutkimuksen havaittiin, että ennallistamisen seurauksena vesipintojen taso ja vaihtelu palautui (24 kohdetta) lähelle luonnon tilaa (19 kohdetta). Tulos osoittaa, että kunnostus mahdollistaa suoekosysteemille tyypillisten kasvien palautumisen. Vedenlaatuun liittyvät selvitykset sen sijaan osoittivat, että ojituilla alueilla liuennut orgaaninen hiili (DOC), kokonaisfosfori (Ptot) ja kokonaistyppi (Ntot) pitoisuudet olivat korkeita huokosvesissä. Ravinnepitoisuudet kohosivat edelleen ensimmäisenä vuotena ennallistamisen jälkeen, sillä varsinaiset ennallistamistoimet (puiden kaato, ojien tukkiminen) aiheuttivat häiriötä alueella. Tästä huolimatta DOC ja ravinnepitoisuudet laskivat lähemmäksi luonnontilaisia vertailualueita seuraavina vuosina. Aineiston perusteella, vesikorkeus, maaperän ja ilman lämpötila, suotyyppi ja suon ravinnetaso vaikuttivat veden laatuun. Valunnan vasteet valuma-alueella osoittivat monimutkaisia valunta-sadantaprosesseja turvemailla. Nuoren veden osuus valunnasta sateiden jälkeen vaihteli suuresti tutkimuskohteilla, mutta ojitetuilla/myöhemmin ennallistetuilla kohteilla oli keskimääräistä suurempi valunnan osuus kuin luonnontilaisilla vertailualueilla. Vesikorkeuden nosto ennallistuksessa lisäsi valunnan määrää verrattuna ojitettuun tilanteeseen tai luonnontilaiseen tilanteeseen. Ajanjaksoilla, ilman sadantaa, valuntaprosessit olivat hyvin samankaltaiset ojitetuilla ja myöhemmin ennallistetuilla sekä luonnontilaisilla vertailualueilla. Sateiden jälkeen ojaverkosto muodosti lyhyitä virtausreittejä ja viipymää valuma-alueella. Vesivarastoa kuvaava ominaisantoisuus oli ojitetuilla aluilla merkittävästi heikompi kuin luonnontilaisilla kohteilla. Ennallistaminen vedenkorkeutta nostamalla sen sijaan näkyi merkittävästi korkeampana ominaisantoisuutena. Tätä selittää heikommin maatunut turvekerros suon pinnalla. Työn tulokset edistävät tietoa suokunnostuksen hydrologiasta. Tuloksia voidaan käyttää arvioimaan ja suunnittelemaan soiden ennallistamisen toimenpiteitä ja vaikutuksia.