Rörlig fosfor i Fagersjövikens sediment

Transkript

1 Rörlig fosfor i Fagersjövikens sediment Emil Rydin Naturvatten i Roslagen AB Norr Malma Norrtälje Rapport 5:19

2 Sammanfattning Den fosfor som med tiden kommer att läcka ut från Fagersjövikens sediment har beräknats, under vissa antaganden, till drygt 5 g fosfor per kvadratmeter, och den återfinns i de översta centimetrarna sediment. Den fosforn är huvudsakligen bunden i organiskt material. Sedimenten är av transportbottenkaraktär vilket gör att det inte är möjligt att beräkna läckagehastigheten av fosfor utifrån resultaten i denna undersökning. En trolig tidsram för läckaget av dessa 5 g fosfor per kvadratmeter är något decennium. Den aluminiumbundna fosforn bedöms vara stabilt bunden. En eventuell frigörelse av fosfor från den låga och konstanta koncentrationen järnbunden fosfor i sedimentprofilerna kommer inte att öka om sediment muddras bort och djupare sedimentskikt bildar ny sedimentyta. Om mer än centimeter sediment muddras bort håller alltså den nya sedimentytan i betydligt mindre fosfor som kan komma att frigöras till vattnet jämfört med dagens sedimentyta. Då en liten frigörelse av fosfor från den järnbundna fosforn inte kan uteslutas, oavsett om sedimenten muddras eller ej, går det dock inte att säga att läckaget helt upphör. En av fem undersökta proppar höll relativt höga fosforhalter i -4 centimeters sedimentskikt, vilket har observerats på flera platser i viken i en tidigare undersökning. Innan eventuella muddringsarbeten planeras, bör rörligheten av fosfor i dessa skikt klargöras. Hur detta kan göras diskuteras. Inledning En omfattande sedimentundersökning av Fagersjövikens (Magelungen) sediment genomfördes för 15 år sedan (Enell & von Post 199). Bland annat analyserades sedimenten med avseende på olika fosforformer, så kallad fosforfraktionering enligt gängse metodik. Då fosforfraktioneringsmetoden har utvecklats sedan dess, samt att ny kunskap har tillkommit om mobiliserbarheten av de olika fraktionerna, har en ny sedimentundersökning genomförts på uppdrag av Stockholm Vatten AB. Undersökningen skall ge underlag för eventuella åtgärder (muddring eller aluminiumbehandling) för att minska utbredningen av vattenväxter. Målsättningen med undersökningen är beräkna hur mycket fosfor som med tiden kan frigöras från olika sedimentskikt från Fagersjöviken. Material och Metoder Provtagning Den maj 5 togs fem sedimentproppar i Fagersjöviken. En rörprovtagare på stång med ett 1 m långt plexiglasrör (diameter: 63 mm) trycktes ner 1 m i sedimenten. Innan provtagaren lyftes upp frigjordes en fjäderförsedd gummipropp som stängde till rörets övre öppning. Med denna metod erhölls dock bara 5 cm långa sedimentproppar. För att få upp resterande 5 cm sediment (5 till cm sedimentdjup) användes en modifierad Livingstonehämtare som tillhandahölls av Stockholm Vatten AB. Sedimentprofilerna skiktades omedelbart i 1 cm skikt ner till 5 cm, ur Livingstonehämtaren togs 5 cm skikt enligt Tabell 2. Sedimenten transporterades till Erkenlaboratoriet där fosforfraktioneringen påbörjades samma dag som provtagningen genomfördes. Ytterligare en sedimentprofil togs för analys av 137 Cs, där skikten -3, 5-8, -13, 15-18, -23, 25-28, -33 och 4-43 cm omhändertogs. Provtagningspositionerna bestämdes med GPS (Tabell 1, Fig. 1). 2

3 Figur 1. Sedimentprovtagningspunkter. Tabell 1. Provpunkter Beskrivning Position Djup Anm. RT 9; 2,5 gon V ekolod punkt A 1 Något syd A ,4 m - 5 cm punkt A 2 Tvärs Kräpplaåns utlopp - Esters "P-plats" ,4 m 51 - cm punkt B NV avloppsledningsdike ,4 m - cm punkt C i avloppsledningsdike ,2 m - cm punkt D SO avloppsledningsdike ,5 m - cm punkt E tvärs "Badflotte", 2 proppar; en för 137 Cs ,6 m - cm. Analyser Analyserna utfördes vid Erkenlaboratoriet, förutom mätningar av 137 Cs aktiviteten, vilka gjordes på Limnologiska avdelningen i Uppsala. Sedimentdensiteten beräknades utifrån vatten- och organisk halt efter Håkanson & Janson (1983). Fosforfraktionering Fosfor i sediment delas upp genom fosforfraktionering (Psenner m fl 1988). Man erhåller sex olika operationellt definierade former genom sekventiell extrahering: NH 4 Cl-rP (labil fosfor, inklusive fosfat i porvatten), BD-rP (järnbunden fosfor), NaOH-rP (aluminiumbunden fosfor), NaOH-nrP (organiskt bunden fosfor), HCl-rP (kalciumbunden fosfor) och Res-P (residualfosfor, huvudsakligen organiska fosforformer). Res-P beräknas genom att subtrahera extraherad och identifierad fosfor från sedimentets totala fosforinnehåll (TP). Den rörliga andelen fosfor i sedimenten finns i de tre fosforfraktionerna labil fosfor, järnbunden fosfor och organiskt bunden fosfor (Rydin ). Dessa former kommer att minska i koncentration med ökande sedimentdjup (ökad ålder), vilket indikerar att de frigörs till vattnet. Denna frigörelseprocess syns även i den totala fosforhalten i sedimenten, vilken 3

4 minskar med ökande sedimentdjup. I djupare sedimentskikt stabiliseras totalfosforkoncentrationen vid en lägre halt vilket betyder att fosforfrigörelsen har avklingat och enbart inerta fosforformer finns kvar. Labil fosfor och järnbunden fosfor är nära förknippade med varandra. Den järnbundna fosforn övergår snabbt i labil fosfor om sedimenten blir syrgasfria. Den labila fosforn anses vara direkt tillgänglig för att via någon transportprocess (diffusion, bioturbation etc) nå vattenmassan. Förrådet av dessa oorganiska fosforformer kan variera kraftigt i ytsedimenten över året och är de fosforformer som utgör den primära källan för internbelastning. Den organiskt bundna fosforn uppvisar inte samma snabba säsongsdynamik, utan omsätts långsammare. Den organiska fosforn utgör dock källan, via mineraliseringsprocesser, av fosfor till löst bunden och järnbunden fosfor. Resultat Färg Fyra av fem sedimentproppar (A, B, D & E) var färgmässigt uppdelade i 3 zoner. De översta 2 decimetrarna var brungröna, 2 till 4 decimeter var ljusare och gråare, för att nedanför 4 decimeter övergå i en ljusbrun färg. I proppen C, tagen från det muddrade området, övergick de översta 2 brungröna decimetrarna direkt i en ljusbrun färg i resten av proppen. Torrsubstans & organisk halt Trots att propparna var tagna på bara en dryg meters djup, höll ytsedimenten en hög vattenhalt på runt 95 %, vilken avklingade till runt 85 % på en meters sedimentdjup. Den organiska andelen av torrsubstansen i sedimenten minskade från i snitt 34 % till 25 % (Tabell 2). Totalfosfor Totalfosforhalten i sedimentprofilerna halveras från runt 15 i de översta cm sediment till mellan 7 och 8 µg P/g TS i sediment djupare än cm. Denna minskning förklaras av en minskning av organiskt bunden fosfor och residualfosfor. Detta mönster bryts dock i propp D där totalfosforhalterna är förhöjda mellan och 4 cm sedimentdjup. Fosforfraktioner Bortsett från förhöjda fosforhalter mellan och 4 cm i propp D jämfört med övriga proppar, visar resultaten av fosforfraktioneringen på en generell samstämmighet mellan de fem olika sedimentpropparna (Tabell 2, Fig. 2). Koncentrationen labil fosfor är låg och ligger mellan 15 och µg P/g TS i de översta cm sediment, i djupare sediment är koncentrationen mycket låg, runt 5 µg P/g TS. Även halten järnbunden fosfor är låg och varierar mellan 5 och µg P/g TS medan aluminiumbunden fosfor håller normala halter, runt µg P/g TS. Organiskt bunden fosfor minskar från omkring 5 µg P/g TS i ytsedimenten till låga halter runt under cm sedimentdjup, medan kalciumbunden fosfor höll halter runt 25 µg P/g TS i sedimentprofilerna. Residualfosforfraktionen följer överlag den organiskt bundna fosforn, en minskning i de översta cm följd av en stabilisering runt µg P/g TS i de djupare delarna av propparna. 137 Cesium aktivitet Aktiviteten av 137 Cesium var låg i alla undersökta skikt, mellan och 45 Bq/kg TS, vilket motsvarar bakgrundskoncentrationen. Variationen i de undersökta sedimenten kan förklaras av förändringar i sedimentens karaktär, som avspeglas i torrsubstanshalten (Fig. 3), i sedimentprofilen. 4

5 Tabell 2. Vatten- och organisk halt, beräknad densitet, fosforfraktioner och totalfosfor i 5 st sedimentproppar från Fagersjöviken. Positionerna för propparna återfinns i Tabell 1. Provpunkt Skikt Vattenhalt LOI Densitet NH 4 Cl-rP BD-rP NaOH-rP HCl-rP cm % % g/cm 3 µg P/g TS % av TP A , , A , , A , , A , , A , , A , , A , , A , , A , , A Saknas A , , A , , NaOH-nrP Res-P TP NH 4 Cl-rP BD-rP NaOH-rP HCl-rP NaOH-nrP Res-P B , , B , , B , , B , , B , , B , , B , , B , , B , , B , , B , , B , , C , , C , , C , , C , , C , , C , , C , , C , , C , , C , , C , , C , , D , , D , , D , , D , , D , , D , , D , , D , , D , , D , , D , , D , , E , , E , , E , , E , , E , , E , , E , , E , , E , , E , , E , , E , ,

6 A B Fosfor (µg P/g TS) Fosfor (µg P/g TS) NH4Cl-rP BD-rP NaOH-rP NaOH-nrP HCl-rP Res-P TP C D Fosfor (µg P/g TS) Fosfor (µg P/g TS) E Fosfor (µg P/g TS) Figur 2. Fosforfraktioner och totalfosforhalt i fem sedimentproppar från Fagersjöviken. Positionerna för de olika propparna (A till E) återfinns i Tabell 1. 6

7 Cs (Bq/Kg TS) TS halt (%) * Cs (Bq/kg TS) TS halt (%) * Figur 3. Aktiviteten av 137 Cs och torrsubstanshalten i sediment från position E. Diskussion Fagersjövikens sedimentdynamik Resultaten av mätningarna av aktivt Cesium visade att material som deponerades åren efter Tjernobylolyckan 1986 inte har stannat kvar på platsen där sedimentproppen togs. Det kan tolkas som att ingen nämnvärd sedimenttillväxt sker, utan att botten är av transportbottenkaraktär. Den höga vattenhalten (Tabell2) i den översta decimetern sediment tyder dock på att finpartikulärt material får ligga kvar under långa perioder. Material deponeras kontinuerligt men det kommer att virvlas upp och förflyttas av vattenrörelser orsakade av kraftiga vindar, företrädesvis vår och höst då undervattensvegetationsutbredningen är begränsad. Vegetationsklippningen som regelbundet görs i delar av viken rör också om i ytsedimenten. Fosfor i sedimenten Halterna av TP och fosforfraktioner överensstämmer generellt med de rapporterade i Enell & von Post (199). De högre halterna i skiktet till 4 cm i propp D (denna undersökning) återfinns i dock flera proppar i undersökningen av Enell & von Post (199). Oorganisk fosfor i sedimenten De generellt låga koncentrationerna av labil och järnbunden fosfor i sedimentprofilerna visar att sedimenten inte håller några betydande förråd av rörlig oorganisk fosfor, jämfört med koncentrationer som är vanliga i ackumulationssediment. De uppmätta halterna kan betraktas som naturliga bakgrundskoncentrationer i grunda sediment från produktiva sjöar. Enell & von Post (199) rapporterar generellt högre halter av labil P i -4 cm skiktet jämfört med - cm. I denna undersökning stämmer det bara i propp D, i de övriga fyra propparna håller ytsedimenten högre halter labilt P. Enell & von Post (199) belyser att både järnbunden och aluminiumbunden fosfor kan frigöras vid högt ph. Även om sedimentytan blir syrgasfri, vilket frigör järnbunden fosfor, 7

8 eller om ytsediment virvlas upp i vatten med högt ph (se nedan) är koncentrationerna så pass låga att läckaget torde bli begränsat från dessa fraktioner. Genom att inkubera sediment under olika betingelser kan mobiliserbarheten av fosforn i olika sedimentskikt ytterligare belysas, vilket diskuteras nedan. Både aluminium och kalciumbunden fosfor kan generellt betraktas som stabilt bundna i sedimenten. Då aluminiumbehandling av sjöar är en spridd metod för att binda fosfor i sedimenten och minska fosforfrigörelsen till vattenmassan, finns information om hur stabil aluminiumbunden fosfor är i sedimenten (Rydin m fl ). Aluminiumbunden fosfor går i lösning vid låga samt vid höga ph värden. Det krävs dock kontinuerlig exponering av aluminiumbunden fosfor för ph-värden över 9 för att dessa skall gå i lösning (Rydin & Welch 1998). Det räcker inte med att vattenmassan håller så pass höga ph värden dagtid under perioder av kraftfull fotosyntes, sedimenten är välbuffrade runt ph 6 till 7 vilket säkerställer bindningen. Även sjöar som har varit försurade i många decennier upprätthåller ett i det närmaste neutralt ph, vilket kan vara en förklaring till att försurade sjöar är så lågproduktiva fosforn binds till aluminium i sedimenten (Huser & Rydin 5). Det finns alltså inga belägg för att den aluminiumbundna fosforn i Fagersjövikens sediment kommer att frigöras, oavsett om nya sedimentytor kommer att friläggas genom muddring. Organisk fosfor i sedimenten I sedimentprofiler från ackumulationsbottnar betyder den minskande halten organiskt bunden fosfor att organiskt material mineraliseras och fosfor bunden i organiskt material frigörs. Med känd sedimentationshastighet kan mineraliseringshastigheten för den organiska fosforn beräknas. Snabbast minskar biogen fosfor som polyfosfat och pyrofosfat, medan fosfor bundet i esterbindningar bryts ner långsammare (Ahlgren m fl 5). Dessa fosforformer utgör majoriteten i NaOH-nrP fraktionen och kommer från plankton och makrofytrester, samt från det mikrobiella samhället som omsätter dessa. Även om Fagersjövikens sediment är av transportkaraktär är det rimligt att anta att ovan nämnda biogena och organiska fosforbindningar dominerar i NaOH-nrP fraktionen. De högre halterna i ytsedimenten reflekterar förmodligen lättnedbrytbart material inklusive ett aktivt nedbrytarsamhälle. Från denna omsättning av organiskt material mobiliseras fosfat som antingen binds i sedimenten, eller frigörs till vattenmassan. Den gemensamma avklingningen av organisk fosfor och TP i den översta decimetern sediment tyder på att en stor andel av den organiska fosforn frigörs till vattenmassan. En decimeter ner i sedimenten finns endast rester av detta kvar. Det bör påpekas att denna förhöjning av organisk fosforkoncentration i ytsedimenten är naturlig och behöver inte vara ett resultat av ökad fosforbelastning. Res-P fraktionens minskning parallellt med NaOH-nrP fraktionen tyder på att lättnedbrytbara organiska fosforformer har extraherats i de två första extraktionsstegen. Dessa detekteras ej då enbart fosfatanalys görs på dessa extrakt. Mängd rörlig sedimentfosfor Vilka fosformängder kan komma att frigöras från Fagersjövikens sediment? Om koncentrationen av t ex organiskt bunden fosfor i sedimentprofilerna djupare än cm kan antas vara de koncentrationer som de översta sediment kommer att hålla när det organiska materialet har mineraliserats och fosforn i det materialet har frigjorts (Fig. 4), kan mängden beräknas. Medelkoncentrationen organiskt bunden fosfor (NaOH-nrP) i alla fem propparna djupare än cm antogs utgöra den inerta andelen av fraktionen (Fig. 4). Den subtraherades från halterna i de övre två decimetrarna sediment. Resterande halt räknades om till mängd 8

9 fosfor i varje skikt. Skikt som inte analyserats interpolerades. Res-P och labil P behandlades på samma sätt. Även för TP gjordes motsvarande beräkningar, då summan av de rörliga fraktionerna bör motsvara minskningen i TP, vilket visar att minskningen av de rörliga fraktionerna har lett till läckage till vattenmassan och inte en omlagring till andra fosforformer i sedimenten. De erhållna mängderna utgör ett genomsnitt av de fem analyserade propparna. Labil fosfor är till stor andel direkt tillgänglig för transportprocesser till vattenmassan, medan NaOH-nrP, och förmodligen Res-P, i snitt behöver flera decennier för att brytas ner (Ahlgren m fl 5). Fosforkoncentration (µg P/g TS) TP NaOH-nrP Res-P Figur 4. Medelkoncentrationen av totalfosfor (TP), organisk fosfor (NaOH-nrP och Res-P) i de fem sedimentprofilernas olika skikt. Felstaplarna anger standardavvikelsen (n=5). De streckade vertikala linjerna anger bakgrundskoncentrationen, vilken har subtraherats från den uppmätta koncentrationen för att beräkna den rörliga andelen organiskt bunden fosfor. Tabell 3. Beräknade mängder fosfor i Fagersjövikens sediment som med tiden kommer att frigöras. De två fosforfraktionerna som utgör organiskt bunden fosfor (NaOH-nrP och Res-P) samt labil fosfor utgör tillsammans 5,4 g P/m 2 och återfinns i de översta cm sediment, vilket bör vara av samma storleksordning som den beräknade minskningen av totalfosfor (TP) i sedimenten. TP (totalfosfor) NaOH-nrP (organisk fosfor) Res-P (organisk fosfor) NH 4 Cl-rP (labil fosfor) g P/m 2 5,8 3,4 1,8,2 Fosfortillgången efter muddring och aluminiumbehandling Om de översta cm sediment muddras bort har både den lättnedbrytbara organiska fosforn och den labila fosforn avlägsnats, motsvarande drygt 5 g fosfor/m 2. I områden som inte håller förhöjda fosforhalter i -4 cm skikten (propp D i denna undersökning, samt flera proppar i Enell & von Post 199) erhålls då en sedimentyta utan lättnedbrytbara organiska fosforföreningar, utan labil fosfor och med bakgrundshalter av övriga fosforfraktioner vilka torde vara i det närmaste inerta. Kommer dessa sediment att fungera som fosforfälla för 9

10 fortsatt deposition av fosfor? Sedimentens fosforbindande förmåga består snarare i tillförseln av bindande ämnen såsom järn, aluminium etc. parallellt med depositionen av fosfor, än att den nya sedimentytan håller en fosforbindande yta. Om aluminium tillförs kommer labil fosfor bindas till aluminiumet, samt fosfat som med tiden frigörs från det organiska materialet. Det är dock tveksamt om tillsatt aluminium stannar kvar på så pass grunda bottnar. I områden med förhöjda halter i -4 cm skiktet bör mobiliserbarheten av fosfor i dessa lager ytterligare undersökas innan dessa skikt får utgöra ny sedimentyta. Det kan göras genom att de översta t ex cm sediment tas bort från ett par sedimentproppar, och den nya sedimentytan inkuberas med sjövatten under en vecka. Fosfatkoncentrationsutvecklingen i ovanstående vatten blir ett mått på fosforläckaget. En jämförelse med proppar där inget sediment har avlägsnats, samt med proppar där t ex 5 cm avlägsnats, skall visa skillnader i läckagehastigheter från olika sedimentskikt Referenser Ahlgren, J., Tranvik, L., Gogoll, A., Waldebäck, M., Markides, K. & Rydin, E. (5) Sediment depth attenuation of biogenic phosphorus compounds measured by 31 P NMR. Environmental Science & Technology 39: Enell, M & von Post, H. (199) Sedimentborttagning och vassröjning I sjön Magelungens nordvästra vik. IVL rapport, 52p. Huser, B., Rydin, E. (5) Phosphorus inactivation by aluminum in Lakes Gårdsjön and Härsvatten sediment during the industrial acidification period in Sweden. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. In press. Håkanson L. and Jansson M. (1983) Principles of Lake Sedimentology. Springer, Heidelberg, 316p. Psenner, R., B. Boström, B., M. Dinka, M., K. Pettersson, K., and R. Puckso, R. (1988) Fractionation of suspended matter and sediment. Arch. Hydrobiol. Beih. Ergebn. Limnol. 1988,, Rydin, E & Welch, E. (1998) Aluminum dose required to inactivate phosphate in lake sediments. Water Research 32: Rydin, E. () Potentially mobile phosphorus in Lake Erken sediment. Water Research 34(7): Rydin, E, Huser, B. & Welch, E. () Amount of phosphorus inactivated by alum treatments in Washington lakes. Limnology and Oceanography 45(1):226-2.