Search

Sub-Saharan Africa (SSA) is one of the world´s most vulnerable regions to climate change. Even though the proportion of greenhouse gas emissions produced in SSA is low, the agricultural sector has an enormous potential for climate change mitigation. The aim here is to increase understanding of the potential of climate change mitigation to enhance food security. The focus of the study is to identify the determinants of this potential, to estimate the possibilities to increase the proportion of carbon ending up in soil and to quantify the soil carbon sequestration potential of agroecological practices in Ethiopia. Identification of the determinants of the potential of climate change mitigation to enhance food security was based on in-depth interviews and focus group discussions. The assessment of carbon flows was based on interviews and sampling. Material flow analysis and carbon balance counting was used for tracking the carbon flows and for estimating the carbon losses. Quantification of the carbon sequestration potential of the agroecological practices was based on comparison of the existing plot pairs, including a plot with an agroecological practice and an adjacent plot with a traditional practice. Soil carbon sequestration in agricultural soil was considered as the most important means to promote climate change mitigation and to enhance food security. The primary factors enhancing food security were perceived to be increasing agricultural productivity and incomes from marketed crops. On the Ethiopian farms, 8 12% of the total harvested carbon was used for soil and 9 16% for food. The largest carbon losses were due to biomass burning and livestock metabolism. The proportion of carbon used for soil could mainly be increased by reducing gaseous losses. Agroforestry led to 11.4 t ha-1, restrained grazing to 9.6 t ha-1 and terracing to 1.7 t ha-1 greater soil carbon stock than did their control plots. The estimates are higher than those based on process-modelling studies. The difference probably resulted from the development and validation of process models under conditions that differ from those in East-Africa. From the results it can be concluded that the most important means perceived as enhancing food security through climate change mitigation is improving food availability through soil carbon sequestration. The proportion of carbon used for energy determines the proportion ending up in soil. Alternative energy sources are needed to increase the flow of carbon to soil. The soil carbon sequestration potential in Ethiopian agriculture is greater than previously estimated. Climate conditions and intercropping treatment should be incorporated into process models to improve their adequacy for farming systems in East Africa. Saharan eteläpuolinen Afrikka on yksi haavoittuvimpia alueita ilmastonmuutokselle. Vaikka osuus kasvihuonekaasujen tuottajana on maailmanlaajuisesti pieni, sisältää alueen maataloussektori suuren ilmastonmuutoksen hillintäpotentiaalin. Tämän väitöskirjan päämäärä on lisätä ymmärrystä ilmastonmuutoksen hillinnän mahdollisuuksista edistää ruokaturvaa. Tutkimuksen tavoitteet ovat tunnistaa tekijät, jotka vaikuttavat hillinnän mahdollisuuksiin edistää ruokaturvaa, arvioida mahdollisuuksia lisätä maahan päätyvän hiilen osuutta sekä arvioida agroekologisten menetelmien maaperän hiilensidontapotentiaalia Etiopiassa. Ilmastonmuutoksen hillinnän ruokaturvaan vaikuttavien tekijöiden tunnistaminen perustui syvähaastatteluihin ja fokusryhmäkeskusteluihin. Hiilivirtojen arviointi perustui haastatteluihin ja näytteenottoon. Hiilivirtojen jäljittämiseksi ja hiilen hävikkien arvioimiseksi hyödynnettiin materiaalivirta-analyysiä ja hiilitaselaskentaa. Arviot hiilensidontapotentiaalista perustuivat olemassa olevien, agroekologisin ja perinteisin menetelmin viljeltyjen lohkojen hiilivarastojen koon vertailuun. Tärkeimpänä ilmastonmuutoksen hillintää ja ruokaturvaa edistävänä keinona pidettiin maatalousmaan hiilensidontaa. Ensisijaisina ruokaturvaa edistävinä tekijöinä pidettiin maan tuottavuuden kasvattamista ja markkinoitavasta sadosta saatavia tuloja. Viljelyjärjestelmissä korjatusta hiilestä 8 12 % päätyi maahan ja 9 16 % ruokaan. Suurimmat hiilen hävikit syntyivät biomassan poltosta ja kotieläinten aineenvaihdunnasta. Maahan käytettävää hiiltä voitaisiin lisätä vähentämällä kaasumaisia hiilen hävikkejä järjestelmästä. Peltometsäviljelyllä saavutettiin 11.4 t ha-1, vapaan laidunnuksen rajoittamisella 9.6 t ha-1 ja viljellyillä terasseilla 1.7 t ha-1 suurempi maan hiilivarasto kontrollilohkoihin verrattuna. Arviot ovat suuremmat kuin aikaisemmin prosessimalleihin perustuvat julkaisut. Ero johtunee siitä, että mallit on kehitetty Itä-Afrikan olosuhteisin nähden poikkeavissa olosuhteissa. Tulosten perusteella voidaan päätellä, että maatalouden hillintätoimilla voidaan edistää ruokaturvaa, erityisesti parantamalla tuottavuutta ja lisäämällä ruoan saatavuutta sitomalla hiiltä maatalousmaahan. Energiaksi käytetty hiilen osuus määrittää maahan päätyvän hiilen osuuden: mitä vähemmän biomassan polttoa, sitä enemmän hiiltä päätyy maahan. Vaihtoehtoisia energialähteitä lannalle ja oljelle on kehitettävä hiilivirtojen suuntaamiseksi maahan. Etiopian maatalouden maan hiilensidontapotentiaali on aikaisempia arvioita suurempi. Ilmasto-olosuhteiden ja sekaviljelyn erityispiirteiden huomioiminen parantaisi prosessimallien soveltuvuutta Itä-Afrikassa.

Acid loading from cultivated acid sulphate soils (AS) deteriorates the quality of the recipient waters, especially on the coast of the Gulf of Bothnia. These fields reclaimed in the past without knowing their deleterious consequences still cause long-lasting hazards. The aim of this thesis was to explore redox processes in AS soils in relation to their water management aiming at mitigation the water quality. Redox processes and the quality of pore and discharge water were investigated for 2 ½ years in waterlogged cropped and bare lysimeters as well as in effectively drained cropped lysimeters. This methodology has not been previously used in studies on boreal AS soils. In addition, the level and quality of groundwater was monitored for three years in an AS field. Physical properties of the soil were determined to unravel the ripening processes under different water management systems. The results obtained at the lysimeter and field scales were compared using the similarity approach, a new methodology in soil science. Upon waterlogging, the reduction-induced elevation of pH immobilized Al but concomitantly increased the Fe2+ concentration in pore and discharge water. This reaction pattern maintained the acidity of discharge water. This finding contrasts with the results obtained in warmer environments. The main reasons for the discrepancy were: 1) acidic conditions favour iron reducers before sulphate reducers, 2) the AS soils rich in poorly ordered Fe oxides, 3) low temperature, 4) freshwater used in waterlogging and 5) low labile organic matter in horizons poor in root material. However, intensified drainage caused the oxidation of sulphidic material in subsoils. The oxidation proceeded rapidly, although the most reactive sulphides constituted only 1% of the total sulphides. Ripening processes enhanced the oxidation of sulphides by promoting the diffusion/convection of oxygen and nitrate into the sulphidic horizon. The findings suggest that nitrate may also oxidize sulphides in boreal AS soils. These results highlight the importance of preventing soil ripening in order to keep sulphidic horizons waterlogged and impermeable. The findings reveal that to mitigate environmental hazards it is not rational to waterlog cultivated boreal AS fields close to the plough layer. Otherwise there is a risk that Fe2+ will leach to watercourses, where it will cause acidity as well as oxygen depletion as a result of oxidation and hydrolysis. The study revealed that the acidity retained in the form of secondary minerals retards neutralization and thus counteracts the mitigation measures. Waterlogging of only the transition and sulphidic horizons appears to be the most efficient water management option to improve discharge water quality. This practice can especially be recommended on the coast of the Gulf of Bothnia, where AS soils are abundant in reactive sulphides and may oxidized by nitrate, leading also to increased nitrous oxide emissions. Itämeren rannikkoalueilla, erityisesti Pohjanmaalla, viljelykseen otetut happamat sulfaattimaat (HaSu) ovat huonontaneet valumavesistöjensä veden laatua. HaSu peltoja on raivattu viljelykäyttöön aikana, jolloin niiden pitkään jatkuvasta haitallisesta ympäristövaikutuksesta ei vielä ollut tietoa. Tässä väitöskirjatutkimuksessa selvitettiin hapetus-pelkistysreaktioita, joita HaSu maan vesitalouden säätö aiheuttaa. Käytännön tavoitteena oli vastata kysymykseen, voidaanko pohjaveden korkeutta säätämällä vähentää happamien sulfaattimaiden haitallisia ympäristövaikutuksia. Tutkimuksen lysimetrikokeessa seurattiin jatkuvatoimisesti HaSu maan hapetus-pelkistystilaa sekä huokosveden ja valumaveden laatua 2 1/2 vuoden ajan. Tämän lisäksi pohjaveden korkeutta ja laatua seurattiin kolmen vuoden ajan HaSu pellolla. Lysimetrejä oli 10, joista kahdeksassa kasvoi ruokohelpi, lisäksi kokeessa oli kaksi kasvitonta lysimetriä. Lysimetreissä oli kaksi täysin erilaista pohjaveden korkeutta: toisessa maa kyllästettiin vedellä muokkauskerrokseen asti ja toisessa taas maa kuivatettiin tehokkaasti. Kokeen loputtua lysimetrien tuloksia verrattiin pellon tuloksiin samankaltaisuus-testillä , jota ei aiemmin ole käytetty maaperätieteessä Suomessa. Korkean pohjaveden seurauksena HaSu maan pH nousi ja huokos- ja valumaveden alumiinipitoisuus pieneni, mutta raudan pitoisuus kasvoi. Tämä ylläpiti valumaveden happamuutta. Nämä havainnot olivat vastoin lämpimissä maissa saatuja havaintoja. Pääasialliset syyt eroon olivat 1) hyvin happamat maakerrokset, jotka suosivat raudan pelkistäjämikrobeja korkeammassa pH:ssa viihtyvien sulfaatin pelkistäjien kustannuksella, 2) heikosti kiteytyneiden rautayhdisteiden runsaus, 3) matala lämpötila, 4) sadevesi lämpimissä maissa käytetyn meriveden sijaan sekä 5) helposti mikrobien käytettävissä olevan orgaanisen aineksen vähyys maakerroksissa, joihin juuret eivät ulottuneet. Tehostettu kuivatus aiheutti rautasulfidien hapettumista, vaikka kokeen HaSu maassa reaktiivisimpien sulfidien määrä oli pieni. Kuivatus edisti rakojen muodostumista maahan ja se helpotti mm. hapen ja nitraatin pääsyä sulfidikerrokseen. Havaintojen mukaan myös nitraatti voi hapettaa sulfideja, mikä puolestaan voi lisätä typpioksiduulipäästöjä. Koe osoitti, että sulfidien hapettumiseen vaikuttaa myös pohjamaan rakenne ja vedenläpäisykyky. Tutkimuksen perusteella viljelykseen otettujen HaSu peltojen padottaminen pintaan asti ei näytä järkevältä, sillä se voi aiheuttaa raudan huuhtoutumista. Rauta kuluttaa veden happea ja sen saostuminen hapettumisen seurauksena lisää happamuutta vastaanottavissa vesistöissä. Tutkimus paljasti myös, että maakerroksiin on varastoitunut happamuutta, minkä vuoksi ympäristöhaittojen vähentämistoimien vaikutukset näkyvät vasta viipeellä. Happamuuden syntymistä voidaan vähentää nostamalla pohjaveden korkeutta niin, että ns. vaihettumiskerros ja sulfidikerros eivät pääse hapettumaan eikä maan rakenne pääse muuttumaan. Tätä menetelmää voidaan suositella mm. Pohjanmaan rannikolle, jossa reaktiivisten rautasulfidien määrä on suuri.

Winter turnip rape is a biennial crucifer oilseed. A problem associated with winter turnip rape is early sowing time in July, when farms are short of available land. The aim of this study was to determine if winter turnip rape can be established by undersowing with spring cereals without decreasing cereal and winter turnip rape yields. It was also studied, if cutting the vegetative leaves of winter turnip rape in autumn could be performed without affecting the yield and whether the composition of leaf material was nutritionally acceptable to be used as forage. The ability of winter turnip rape to act as a mineral nitrogen scavenging catch crop was studied as well. Field experiments were conducted at University of Helsinki experimental farm in Finland during 2009-2011. Winter turnip rape was either undersown with spring cereal or as pure stands. Cereals were six-row barley, two-row barley, oat and wheat. One third of the winter turnip rape plots were cut after cereal harvest to simulate forage harvest. Winter turnip rape yield and its quality was not compromised due to undersowing with a cereal, when the overwintering conditions following cereal harvest were favorable. Cutting the winter turnip rape stands in autumn decreased seed yield in the following year. Winter turnip rape leaf forage has very high crude protein content and low crude fibre content. The glucosinolate content of winter turnip rape leaf forage is comparable to other forage crucifers. Cereal yield was not decreased by the undersown winter turnip rape and quality of wheat was only slightly affected. Seed yield of six-row barley and oat was increased by the undersown winter turnip rape, indicating a facilitative interaction between the species. Undersown winter turnip rape decreased subsoil nitrate content effectively in late autumn under moist conditions that favored mineralization. Winter turnip rape can be established by undersowing to a cereal without decreasing the yields of both crops. Some cultivars of barley and oat may even benefit from the undersown winter turnip rape possibly due to root interactions. Even though winter turnip rape is nutritionally suitable as forage, autumn forage cuts should be avoided. Winter turnip rape seems to be an effective catch crop, which may decrease the leaching of soil nitrate. Syysrypsi on kaksivuotinen ristikukkaisöljykasvi. Eräs viljelyn ongelma on sen aikainen kylvöajankohta heinäkuussa, jolloin maatiloilla ei ole vapaata peltoa käytettävissä. Tässä tutkimuksessa selvitettiin syysrypsin perustamista suojaviljaan ja siihen liittyviä satovaihteluita. Lisäksi tutkittiin mahdollisuutta korjata kasvullisessa vaiheessa syksyllä lehdet rehuksi, korjuun vaikutus siemensatoon sekä lehtimassan rehulaatua. Myös syysrypsin soveltuvuutta maan mineraalitypen kerääjäkasviksi tutkittiin. Kenttäkokeet suoritettiin Helsingin yliopiston opetus- ja tutkimustilalla Viikissä vuosina 2009 2011. Syysrypsi kylvettiin joko suojaviljaan tai puhdaskasvustona. Käytetyt viljat olivat monitahoinen ohra, kaksitahoinen ohra, kaura ja vehnä. Kolmannes kustakin syysrypsin koeruudusta leikattiin syksyllä rehunkorjuun simuloimiseksi. Syysrypsin sato ja sen laatu eivät kärsineet suojaviljaan kylvöstä, jos viljan korjuuta seuranneet talvehtimisolot olivat suotuisat. Syysrypsin vegetatiivisen kasvuston korjuu syksyllä laski muodostuvaa siemensatoa. Syysrypsin lehtien raakaproteiinipitoisuus oli korkea ja raakakuitupitoisuus matala. Lehtien glukosinolaattipitoisuus oli verrattavissa muihin rehuksi käytettyihin ristikukkaiskasveihin. Aluskasviksi kylvetty syysrypsi ei laskenut viljasatoa. Vehnän laatu heikkeni vain hieman syysrypsin vaikutuksesta. Monitahoisen ohran ja kauran sato oli hieman runsaampi aluskasviksi kylvetyn syyrypsin kanssa, mikä osoittaa lajien välillä olevan fasilitatiivista vuorovaikutusta. Aluskasviksi kylvetty syysrypsi vähensi pohjamaan nitraattipitoisuutta myöhään syksyllä mineralisaatiota edistävissä kosteissa oloissa. Syysrypsi voidaan kylvää suojaviljaan heikentämättä viljan tai syyrypsin satoa. Osa ohra- ja kauralajikkeista saattaa hyötyä syyrypsistä mahdollisesti niiden juuristojen välisten vuorovaikutusten myötä. Vaikka syyrypsin lehdet soveltuvat rehuksi, syksyistä rehunkorjuuta tulee välttää. Syysrypsi osoittautui myös tehokkaaksi kerääjäkasviksi joka voi vähentää nitraatin huuhtoutumista.

The acidity and low redox potential in soils in Finland render selenium (Se) scarcely soluble, thereby severely restricting its availability to plants. To achieve an adequate intake level of this microelement essential for human beings and animals, a national Se fertilization programme has been in operation in Finland since the 1985 growing season. Nutritionally, supplementing compound fertilizers with sodium selenate has been a success. The practice is, however, challenged by the unknown cycle of annual Se additions in the environment. In this study, several soil extractants were explored to find methods of sound basis for routine soil Se analyses and for a more detailed characterization of the soil Se status. To increase understanding of the behaviour of fertilizer Se in soil, both long- and short-term changes in soil Se reserves in response to Se additions were examined. The efficiency of plant uptake of fertilizer Se was also studied, emphasizing the influence of Se-adsorbing oxides and organic components on the retention of Se in soil. In addition, the uptake rhythm and translocation of Se within plants were determined. Sequential extractions of selenate-fertilized organic and mineral soils with varying Se content revealed a characteristic pattern in the distribution of Se. A mere 1% of the soil Se reserves were extracted with a KCl solution, nearly 20% were recovered in adsorbed, 40% in organically associated, 15% in elemental and around 30% in recalcitrant fractions. The change in soil Se concentrations after a 13-year period of Se fertilization remained small. However, the data indicated that in mineral soils residual fertilizer Se had accumulated as adsorbed selenite and in the organically associated and recalcitrant pools. The minor fraction of salt-soluble Se reflected the instability of selenate in soils in Finland. Pot experiments, however, demonstrated that under moisture conditions drier than field capacity, easily soluble selenate may persist in acidic soils throughout the growing period. Since Se accumulates in poorly soluble pools, very weak extraction methods are not suitable for describing changes in soil Se reserves. Of the single extractions tested, acid ammonium oxalate or phosphate buffer with high pH appeared to be more suitable extractants for estimating the soil Se status than the hot-water extraction used in national monitoring at present. However, salt solutions, which were less efficient than hot water in extracting Se, recovered more Se than what was found within plants. These weak extractants can thus be used in assessing the immediately bioavailable soil Se pool, although the association between the amounts of Se acquired by soil analyses and that absorbed by plants needs to be further clarified. The Se uptake of wheat and ryegrass ranged between 5% and 50% of the amount of fertilizer selenate added in pot experiments. The Se uptake by wheat continued throughout the growth period and wheat transported over 50% of its Se content into the grains. Ryegrass grown in soil with residual Se, however, accumulated over 80% of its total Se uptake in the roots. The translocation pattern within the plant can thus have a marked influence on the apparent uptake efficiency of Se when only the harvested portion of the crop is considered. Since reduction of selenate to selenite was low during the growth period, the content of Se sorption components in the soil had minor influence on the plant availability of Se. As selenite, Se was retained very efficiently in both peat and in peat enriched with iron hydroxides. On artificial mineral surfaces, Se was adsorbed by ligand exchange, but in pure peat an unknown mechanism of retention was operating. This study revealed that new approaches are needed in Se research to unravel the nature of the unfamiliar forms of organically bound Se that dominate Se reserves in soil. The results of the pot experiments suggest that processes other than rapid reduction and subsequent fixation of the added selenate govern the uptake of the annual fertilizer Se addition by plants. Factors limiting plant Se uptake from the soluble pool in soil need to be addressed in future studies. Maaperän happamuuden ja matalan hapetus-pelkistyspotentiaalin johdosta ihmisille ja eläimille välttämätön hivenravinne seleeni (Se) esiintyy suomalaisissa maissa pääosin kasveille käyttökelvottomissa, niukkaliukoisissa muodoissa. Suomalaisten riittävä seleeninsaanti onkin varmistettu vuodesta 1985 lähtien kansallisella Se-lannoitusohjelmalla. Ravitsemuksellisesti natriumselenaatin lisääminen lannoitteisiin on ollut menestyksekästä. Vuosittain toistuvien Se-lisäysten kiertoa ympäristössä ei kuitenkaan tunneta tarkasti, mikä varjostaa lannoituskäytäntöä. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin erilaisia maan uuttomenetelmiä pyrkimyksenä löytää rutiinianalyyseihin toiminnallisesti perusteltu, yksinkertainen uuttotapa sekä maan Se-varannon yksityiskohtaisempaan tutkimukseen sopiva menetelmä. Lannoiteseleenin maaperäkäyttäytymisen selvittämiseksi työssä tarkasteltiin Se-lisäysten pitkä- ja lyhytaikaisia vaikutuksia maan Se-varantoon. Kasvien lannoiteseleenin ottotehokkuutta tutkittiin painottaen Se pidättävien oksidien ja orgaanisen aineksen merkitystä lisätyn Se:n käyttökelpoisuudelle. Lisäksi tarkasteltiin kasvien Se:n oton rytmiä ja Se:n kuljetusta kasvissa. Kokonaisseleenipitoisuudeltaan toisistaan eroavilla Se-lannoitetuilla orgaanisilla ja kivennäismailla tehdyt perättäiset uutot osoittivat maan Se-varannolle tyypillisen jakauman. Vain 1 % maan Se:stä uuttui helppoliukoisena KCl-liuoksella, lähes 20 % oli adsorboituneena, 40 % orgaaniseen ainekseen sitoutuneena, 15 % alkuainemuodossa ja noin 30 % niukkaliukoisena. Seleenilannoituksen aikaansaamat muutokset maan Se-pitoisuuksissa 13-vuoden tarkastelujaksolla olivat pieniä, mutta kivennäismaalla Se:n havaittiin kertyneen adsorboituneeseen, orgaaniseen sekä niukkaliukoiseen fraktioon. Helppoliukoisen Se:n pieni osuus kuvastaa selenaatin pysymättömyyttä suomalaisissa maissa. Astiakokeissa havaittiin kuitenkin, että kenttäkapasiteettia kuivemmissa olosuhteissa selenaatti voi säilyä maassa läpi kasvukauden. Koska Se kertyy maassa vaikealiukoisiin muotoihin, heikot uuttomenetelmät eivät sovellu maaperän Se-varannon muutosten seurantaan. Työssä testatuista yksittäisuutoista hapan ammoniumoksalaatti ja fosfaattipuskuri korkeassa pH:ssa osoittautuivatkin Se-seurannassa käytettävää kuumavesiuuttoa lupaavammiksi menetelmiksi maan Se-varannon arviointiin. Tehokkuudeltaan kuumaa vettä heikommalla suolaliuoksella maasta uuttui kuitenkin huomattavasti kasvien ottamaa määrää enemmän Se. Nämä heikot uuttomenetelmät ovat siten käyttökelpoisia välittömästi biosaatavissa olevan Se:n tarkasteluun, joskin maauuttojen ja kasvien Se:n ottotehokkuuden välistä yhteyttä tulee selvittää tarkemmin. Vehnä- ja raiheinäkasvustot ottivat 5-50 % astiakokeissa lisätystä lannoiteselenaatista. Vehnän seleeninotto jatkui läpi kasvukauden. Yli 50 % vehnäkasvuston ottamasta Se:stä päätyi jyviin, kun taas edellisen vuoden selenaattilannoituksen jäännöksellä kasvaneen raiheinän ottamasta Se:stä 80 % kertyi juuriin. Seleenin kuljetuksella kasvissa voi siten olla merkittävä vaikutus laskennalliseen Se:n ottotehokkuuteen, jos vain sadoksi korjattu osa kasvista tulee huomioiduksi. Astiakokeissa selenaatin pelkistyminen seleniitiksi oli vähäistä, joten maan Se:ä pidättävillä komponenteilla ei ollut juuri vaikutusta Se:n käyttökelpoisuuteen. Seleniittinä Se kuitenkin pidättyi tehokkaasti sekä puhtaaseen että rautaoksideilla rikastettuun rahkaturpeeseen. Keinotekoisilla mineraalipinnoilla Se:n pidättyminen tapahtui ligandinvaihtomekanismilla, mutta puhtaassa turpeessa pidättymistapa jäi tuntemattomaksi. Tämä työ osoitti, että tulevaisuuden Se-tutkimuksessa tarvitaan uusia menetelmiä toistaiseksi tuntemattomien, mutta maassa hallitseviksi osoittautuneiden orgaanisten Se-muotojen tarkasteluun. Astiakokeiden tulosten perusteella muut tekijät kuin selenaatin nopea pelkistyminen ja sitä seuraava pidättyminen vaikuttavat määräävän kasvien lannoite-Se:n ottotehokkuuden. Maan helppoliukoisen Se:n kasvien ottoa rajoittavia tekijöitä onkin jatkossa syytä selvittää.

The physical properties of surface soil horizons, essentially pore size, shape, continuity and affinity for water, regulate water entry into the soil. These properties are prone to changes caused by natural forces and human activity. The hydraulic properties of the surface soil greatly impact the generation of surface runoff and accompanied erosion, the major concern of agricultural water protection. The general target of this thesis was to improve our understanding of the structural and hydraulic properties of boreal clay soils. Physical properties of a clayey surface soil (0 - 10 cm, clay content 51%), with a micaceous/illitic mineralogy subjected to three different management practices of perennial vegetation, were studied. The study sites were vegetated buffer zones located side by side in SW Finland: 1) natural vegetation with no management, 2) harvested once a year, and 3) grazed by cattle. The soil structure, hydraulic properties, shrinkage properties and soil water repellency were determined at all sites. Two distinct flow domains were evident. The surface soil was characterized by subangular blocky, angular blocky and platy aggregates. Hence, large, partially accommodated, irregular elongated pores dominated the macropore domain at all sites. The intra-aggregate pore system was mostly comprised of pores smaller than 30 μm, which are responsible for water storage. Macropores at the grazed site, compacted by hoof pressure, were horizontally oriented and pore connectivity was poorest, which decreased water and air flux compared with other sites. Drying of the soil greatly altered its structure. The decrease in soil volume between wet and dry soil was 7 - 10%, most of which occurred in the moisture range of field conditions. Structural changes, including irreversible collapse of interaggregate pores, began at matric potentials around -6 kPa indicating, instability of soil structure against increasing hydraulic stress. Water saturation and several freezethaw cycles between autumn and spring likely weakened the soil structure. Soil water repellency was observed at all sites at the time of sampling and when soil was dryer than about 40 vol.%. (matric potential < -6 kPa). Therefore, water repellency contributes to water flow over a wide moisture range. Water repellency was also observed in soils with low organic carbon content (< 2%), which suggests that this phenomenon is common in agricultural soils of Finland due to their relatively high organic carbon content. Aggregate-related pedofeatures of dense infillings described as clay intrusions were found at all sites. The formation of these intrusions was attributed to clay dispersion and/or translocation during spring thaw and drying of the suspension in situ. These processes generate very new aggregates whose physical properties are most probably different from those of the bulk soil aggregates. Formation of the clay infillings suggested that prolonged wetness in autumn and spring impairs soil structure due to clay dispersion, while on the other hand it contributes to the pedogenesis of the soil. The results emphasize the dynamic nature of the physical properties of clay soils, essentially driven by their moisture state. In a dry soil, fast preferential flow is favoured by abundant macropores including shrinkage cracks and is further enhanced by water repellency. Increase in soil moisture reduces water repellency, and swelling of accommodated pores lowers the saturated hydraulic conductivity. Moisture- and temperature-related processes significantly alter soil structure over a time span of 1 yr. Thus, the pore characteristics as well as the hydraulic properties of soil are time-dependent. Maan pintakerroksen fysikaaliset ominaisuudet, kuten huokosten koko, muoto ja jatkuvuus sekä maan vedenhylkivyys, säätelevät veden imeytymistä syvempiin kerroksiin. Nämä luonnonvoiminen ja ihmistoiminnan vaikutuksesta herkästi muuttuvat maan ominaisuudet vaikuttavat pintavirtauksen ja edelleen eroosion syntyyn. Maatalouden vesiensuojelussa eroosion ehkäiseminen on yksi tärkeimmistä tavoitteista. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli parantaa käsitystämme boreaalisen savimaan rakenteellisista ja hydraulisista ominaisuuksista. Tutkimus tehtiin Jokioisten savimaalla (savespitoisuus 51 %) sijaitsevalla koekentällä, jonne oli perustettu eri tavoin hoidettuja monivuotisen kasvillisuuden peittämiä suojavyöhykkeitä: 1) hoitamaton luonnontilainen, 2) vuosittain niitetty ja 3) laidunnettu suojavyöhyke. Keväällä 2005 otetuista maanäytteistä (0-5 ja 5-10 cm) tutkittiin maan rakennetta, hydraulisia ominaisuuksia, kutistumisominaisuuksia ja vedenhylkivyyttä. Pintamaan rakenne muodostui kulmikkaista, hieman pyöristyneistä tai litteistä muruista. Murujen väliin jäi suuria epäsäännöllisiä pitkänomaisia huokosia, joita pitkin vesi liikkuu. Murujen sisällä oli pääasiassa pieniä huokosia (alle 30 μm), jotka varastoivat vettä maahan. Laidunnetulla suojavyöhykkeellä maa oli tiivistynyttä: isot huokoset olivat vaakatason suuntaisia ja huokosten jatkuvuus oli heikoin, minkä seurauksena veden- ja ilmanjohtavuus oli käsittelyistä huonoin. Savimaan kuivuminen vaikutti merkittävästi sen rakenteeseen. Maan tilavuus pieneni 7-10 %, kun kyllästynyt maa kuivattiin täysin. Valtaosa tilavuuden muutoksesta tapahtui kuitenkin jo luonnossa esiintyvissä kosteusolosuhteissa. Rakenteelliset muutokset, mm. huokosrakenteen romahtaminen, alkoivat maan ollessa vielä hyvin kosteaa (matriisipotentiaali -6 kPa), eli heikotkin hydrauliset voimat aiheuttivat pysyviä muutoksia maan rakenteeseen. Kasvukauden ulkopuolinen märkyys sekä jäätyminen ja sulaminen ovat oletettavasti heikentäneet maan rakennetta. Maa oli näytteenottohetkellä vettä hylkivää (R>1,95) kaikilla suojavyöhykkeillä. Vedenhylkivyyttä esiintyi maan vesipitoisuuden ollessa alle 40 % maan tilavuudesta (matriisipotentiaali > -6 kPa), joten vedenhylkivyys vaikuttaa veden liikkeisiin laajalla kosteusalueella. Vedenhylkivyyttä esiintyi myös maan orgaanisen aineen pitoisuuden ollessa alhainen (< 2 %). Koska suomalaisten maiden orgaanisen aineksen pitoisuus on suhteellisen korkea, on vedenhylkivyys oletettavasti yleinen ilmiö maatalousmaissamme. Ohutleikkeiden (paksuus 30 μm) mikromorfologisessa tarkastelussa havaittiin maamatriisista poikkeavia tiheitä saveskeskittymiä. Nämä muodostumat ovat voineet syntyä keväällä dispergoituneen ja/tai kulkeutuneen saveksen kuivuessa vielä syvemmältä routaisen maan pintakerrokseen. Prosessin seurauksena syntyy uusia maamurusia, joiden fysikaaliset ominaisuudet oletettavasti poikkeavat aiempien murujen ominaisuuksista. Murujen synty osoittaa, että kasvukauden ulkopuolinen märkyys heikentää maan rakenteen kestävyyttä (dispersio), mutta toisaalta se synnyttää uusia rakenneyksiköitä. Väitöskirjan tulokset osoittavat savimaan fysikaalisten ominaisuuksien olevan dynaamisia. Kun maa on kuivaa, kutistumisen seurauksena syntyneet halkeamat ja vedenhylkivyys lisäävät veden oikovirtausta. Maan kostuessa vedenhylkivyys vähenee, mutta osa halkeamista sulkeutuu, mikä heikentää hydraulista johtavuutta. Vuotuiset kosteuden ja lämpötilan muutoksiin liittyvät prosessit muuttavat maan fysikaalisia ominaisuuksia merkittävästi. Siten maan huokosrakenne ja hydrauliset ominaisuudet vaihtelevat vuodenajan mukaan.

The low solubility of iron (Fe) depresses plant growth in calcareous soils. In order to improve Fe availability, calcareous soils are treated with synthetic ligands, such as ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and ethylenediimi-nobis(2-hydroxyphenyl)acetic acid (EDDHA). However, high expenses may hinder their use (EDDHA), and the recalcitrance of EDTA against biodegra-dation may increase the potential of cadmium (Cd) and lead (Pb) leaching. This study evaluated the ability of biodegradable ligands, i.e. different stereo-isomers of ethylenediaminedisuccinic acid (EDDS), to provide Fe for lettuce (Lactuca sativa L.) and ryegrass (Lolium perenne cv. Prego), their effects on uptake of other elements and solubility in soils and their subsequent effects on the activity of oxygen-scavenging enzymes in lettuce. Both EDTA and EDDHA were used as reference ligands. In unlimed and limed quartz sand both FeEDDS(S,S) and a mixture of stereo-isomers of FeEDDS (25% [S,S]-EDDS, 25% [R,R]-EDDS and 50% [S,R]/[R,S]-EDDS), FeEDDS(mix), were as efficient as FeEDTA and FeEDDHA in providing lettuce with Fe. However, in calcareous soils only FeEDDS(mix) was comparable to FeEDDHA when Fe was applied twice a week to mimic drip irrigation. The Fe deficiency increased the manganese (Mn) concentration in lettuce in both acidic and alkaline growth media, whereas Fe chelates depressed it. The same was observed with zinc (Zn) and copper (Cu) in acidic growth media. EDDHA probably affected the hormonal status of lettuce as well and thus depressed the uptake of Zn and Mn even more. The nutrient concentrations of ryegrass were only slightly affected by the Fe availability. After Fe chelate splitting in calcareous soils, EDDS and EDTA increased the solubility of Zn and Cu most, but only the Zn concentration was increased in lettuce. The availability of Fe increased the activity of oxygen-scavenging enzymes (ascorbate peroxidase, guaiacol peroxidase, catalase). The activity of Cu/ZnSOD (Cu/Zn superoxide dismutase) and MnSOD in lettuce leaves followed the concentrations of Zn and Mn. In acidic quartz sand low avail-ability of Fe increased the cobalt (Co) and nickel (Ni) concentrations in let-tuce, but Fe chelates decreased them. EDTA increased the solubility of Cd and Pb in calcareous soils, but not their uptake. The biodegradation of EDDS was not affected by the complexed element, and [S,S]-EDDS was biodegraded within 28 days in calcareous soils. EDDS(mix) was more recalcitrant, and after 56 days of incubation water-soluble elements (Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Ni, Cd and Pb) corresponded to 10% of the added EDDS(mix) concentration. Kasvit saavat Suomen lievästi happamista peltomaista riittävästi rautaa (Fe) kasvuunsa. Peltoviljelyssä raudan puutosta esiintyy kalkkipitoisissa maissa, koska raudan liukoisuus alenee nopeasti maan pH:n kohotessa. Myös kasvihuoneviljelyssä voi esiintyä raudan puutosta. Raudan liukoisuutta voidaan lisätä käyttämällä synteettisiä kelatointiaineita kuten etyleenidiaminitetraetikkahappoa (EDTA) tai etyleenidiimonobis(2-hydroksyphenyyli)etikkahappoa (EDDHA). Kelatointiaineet ovat kuitenkin kalliita (EDDHA) tai niiden biohajoaminen on hidasta (EDTA). Pysyvyys maaperässä voi lisätä haitallisten raskasmetallien, kuten kadmiumin ja lyijyn, liukoisuutta ja siten niiden huuhtoutumisriskiä. Tässä tutkimuksessa selvitettiin biohajoavien kelatointiaineiden (etyleenidiaminidisukkinaatti, EDDS) muodostamien rautakelaattien soveltuvuutta salaatin ja raiheinän raudan lähteeksi sekä kelaattien vaikutusta muiden alkuaineiden ottoon ja liukoisuuteen maassa. Verranteina käytettiin EDTA:ta ja EDDHA:ta. Tulokset osoittivat, että biohajoavat kelaatit (Fe-EDDS(S,S) ja stereoisomeerien seos, FeEDDS(mix), jossa 25 % [S,S]-EDDS, 25 % [R,R]-EDDS ja 50 % [S,R]/[R,S]-EDDS) turvasivat salaatin ja raiheinän raudansaannin kvartsihiekassa yhtä hyvin kuin Fe-EDTA ja Fe-EDDHA, riippumatta hiekan pH:sta. Tulosten perusteella biohajoava [S,S]-EDDS voisi olla kasvihuoneviljelyssä potentiaalinen kelatointiaine raudalle, kun kasvualustana on kivivilla. Vaikka [S,S]-EDDS hajoaa maassa nopeasti, voitaisiin kasvihuoneissa yleisesti käytetyn tippukastelun avulla todennäköisesti ylläpitää riittävä Fe-EDDS(S,S):n pitoisuus kasvien raudan saannin turvaamiseksi. Kalkkipitoisissa maissa Fe-EDDS(S,S):n teho oli heikompi, mutta Fe-EDDS(mix) kasvatti salaatin rautapitoisuuden samalle tasolle kuin Fe-EDDHA, kun lannoite annettiin tippukastelun tapaan kaksi kertaa viikossa. Kalkkipitoisessa maassa [S,S]-EDDS biohajosi 28 vuorokaudessa. EDDS(mix) oli heikommin biohajoava ja 10 % lisätystä määrästä oli jäljellä 56 vuorokauden jälkeeen, kun mittarina käytettiin kelatoituneita raskasmetallipitoisuuksia (Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Ni, Cd ja Pb). Raudan puutos kasvatti salaatin mangaanipitoisuutta kvartsihiekassa ja kalkkipitoisessa maassa, kun taas rautakelaatit pienensivät sitä. Samoin tapahtui sinkin ja kuparin pitoisuuksille happamassa kvartsihiekassa. EDDHA vaikutti todennäköisesti myös salaatin hormonitasapainoon alentaessaan salaatin sinkki- ja mangaanipitoisuuksia enemmän kuin muut kelaatit. Raudan saatavuus vaikutti vain vähän raiheinän ravinnepitoisuuksiin. Salaatilla tutkittiin myös kelatointiaineiden vaikutusta happiradikaaleja vähentävien entsyymien (askorbaattiperoksidaasi, guajakoliperoksidaasi, katalaasi, Cu/Zn-superoksididismutaasi ja Mn-superoksididismutaasi) aktiivisuuksiin. Raudan saatavuus vaikutti salaatin askorbaattiperoksidaasin, guajakoliperoksidaasin ja katalaasin aktiivisuuksiin, ja vaihtelu sinkin, kuparin ja mangaanin pitoisuuksissa puolestaan Cu/Zn- ja Mn-superoksididismutaasin aktiivisuuksiin. Kalkkipitoisessa maassa EDDS ja EDTA lisäsivät tutkituista raskasmetalleista (Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Ni, Cd ja Pb) sinkin ja kuparin liukoisuutta eniten sen jälkeen kun Fe-EDDS ja Fe-EDTA -kompleksit hajosivat, mutta vain sinkkipitoisuus kasvoi salaatissa. EDTA kasvatti kadmiumin ja lyijyn liukoisuutta kalkkimaissa, mutta ei niiden pitoisuutta salaatissa. Happamassa kvartsihiekassa raudan heikko saatavuus lisäsi salaatin koboltti- ja nikkelipitoisuutta, mutta rautakelaatit alensivat pitoisuuksia.

Mining of phosphorus (P) and lead (Pb) ores increases their amounts in biogeochemical cycles and, consequently, their environmental risks. Phosphorus is an important nutrient, but P loading from sewage waters and agricultural activities to watercourses may result in eutrophication, a process eventually detrimental to aquatic ecosystems. Lead, on the other hand, poses a direct risk of intoxication to all living organisms. In addition to technical applications, Pb is used in pellets and shots on shooting ranges, which accounts for a large source of Pb loading to the environment. Prevention and abatement of detrimental impacts of P and Pb require large-scale, cost-effective techniques that do not compromise the environment. This thesis was undertaken to investigate the potential of tailings from apatite ore beneficiation at the Siilinjärvi phosphate mine, Finland, in the dephosphorization of sewage and in the remediation of metal-contaminated areas. The material is a mixture of minerals, mainly phlogopite [KMg3(Si3Al)O10(OH)2] and calcite (CaCO3), accompanied by apatite [Ca5(PO4)3F] residues. Based on the versatile chemical properties, this geomaterial was hypothesized to act as a sorbent for P and Pb, rendering the tailings a potential agent for environmental remediation. A part of the original tailings material was artificially weathered by treating with a strong acid to create reaction-active aluminium (Al) and iron (Fe) (hydr)oxide sites. Some of the acidified material was further subjected to partial neutralization by treating with a strong base to precipitate any metals dissolved from the mineral structure during the acidification. Furthermore, all of the tailings materials were sieved into two particle-size fractions somewhat differing in their mineralogical composition and investigated as separate amendments. The ability of the tailings to retain P and Pb from aqueous solutions as well as the tailings-induced changes in the Pb retention capacity of a mineral soil were studied by means of an isotherm technique. A sequential fractionation procedure was undertaken to investigate (a) the distribution of inherent and added P between various chemical pools in the tailings and (b) the tailings-induced changes in the distribution of Pb between various chemical pools in a mineral soil artificially contaminated with Pb as well as in an organic shooting range soil contaminated with pellet-derived Pb. Because the toxicity of dissolved Pb depends on its chemical speciation, the tailings-induces changes in the chemical speciation of water-extractable Pb in contaminated shooting range soil was tested separately by means of a cation exchange resin. The tailings retained both P and Pb efficiently. The removal of soluble P was primarily due to specific sorption by Al and Fe (hydr)oxides and possibly to retention to calcite. Lead sorption by the untreated tailings was a combination of various sorption mechanisms taking place simultaneously, primarily through precipitation and surface complexation. All tailings materials increased the Pb sorption capacity of a mineral soil and transferred Pb from the NH4NO3-extractable pool to the more strongly bound forms. In a contaminated shooting range soil, the pellets were found to undergo continuous weathering processes that released Pb into the soil. Amending the soil with the untreated tailings (a) reduced the solubility of the pellet-derived Pb through the formation of sparingly soluble fluorpyromorphite and cerussite, (b) reduced the bioavailability of Pb by transferring it from the water-soluble and NH4NO3-extractable pools into the NaOH-extractable one and (c) transferred the most toxic cationic Pb species to the less toxic non-cationic form. The results suggest that the tailings may serve as an agent for dephosphorization of sewage and for Pb immobilization in polluted soil. The sorption properties of the material may be further optimized by chemical and physical pre-treatments. At present, the tailings material represents an uneconomic fraction of the ore deposit, but its components may render it a natural, environmentally sound and cost-effective remediation agent. Kaivostoiminta nopeuttaa ratkaisevasti kallioperän alkuaineiden päätymistä luonnonkiertoon. Kallioperän mineraalivarannoista louhitaan kasvinravinteita lannoiteteollisuuden käyttöön samoin kuin eliöille haitallisia metalleja ja metalloideja teollisiin tarkoituksiin. Fosfori on välttämätön kasvinravinne, mutta sen lisääntyneet päästöt vesiluontoon voivat aiheuttaa haitallista rehevöitymistä. Suurimpia vesistöjen fosforikuormittajia ovat maatalouden valumavedet sekä viemäriverkoston ulkopuoliset jätevedet. Lyijy puolestaan on kaikille eliöille myrkyllinen raskasmetalli. Sen lukuisista käyttötarkoituksista tunnetuimpia ovat akut ja haulit. Suomessa ampumatoiminta on aiheuttanut merkittävää ympäristön pilaantumista. Fosforista ja lyijystä aiheutuvien ympäristöhaittojen torjumiseksi tarvitaan ekologisesti kestäviä ja edullisia ratkaisuja. Tässä väitöskirjassa tutkittiin, voitaisiinko Siilinjärven fosforikaivoksella apatiittimalmin rikastamisen sivutuotteena muodostuvaa kiviainesta eli rikastushiekkaa käyttää fosforin ja lyijyn sitojana. Rikastushiekka koostuu pääasiassa flogopiitista, kalsiitista sekä rikastusprosessissa hyödyntämättä jäävästä apatiitista. Monipuolisten mineralogisten ominaisuuksiensa ansiosta rikastushiekan oletettiin pystyvän pidättämään fosforia ja lyijyä erilaisin mekanismein ja näin poistamaan jätevesistä fosforia sekä immobilisoimaan lyijyä ampumaratamaista. Kokeissa tutkittiin käsittelemättömän rikastushiekan lisäksi ainesta, joka oli esikäsitelty väkevällä hapolla mineraaliaineksen rapauttamiseksi ja reaktioaktiivisen raudan ja alumiinin oksidien muodostamiseksi. Osa hapotetusta rikastushiekasta käsiteltiin edelleen väkevällä emäksellä mineraalirakenteista liuenneiden metallien saostamiseksi. Sekä käsittelemätön että kemiallisesti esikäsitelty aines jaettiin seulomalla kahteen mineralogialtaan toisistaan jonkin verran poikkeavaan hiukkaskokoluokkaan, joita tutkittiin erillisinä materiaaleina. Systemaattisissa kokeissa selvitettiin, miten eri rikastushiekkamateriaalit pystyvät pidättämään fosforia ja lyijyä vesiliuoksista samoin kuin pidättymisen todennäköisiä mekanismeja sekä materiaalien vaikutusta mineraalimaan lyijynpidätyskykyyn. Uuttotesteissä tutkittiin, miten rikastushiekan luontainen fosfori ja pidätyskokeissa sitoutunut fosfori jakautui liukoisuudeltaan erilaisiin luokkiin, joiden katsottiin edustavan erilaisia pidätyspintoja. Lyijyllä keinotekoisesti saastutetulla mineraalimaalla ja ampumatoiminnan kuormittamalla orgaanisella maalla tehdyissä uuttotesteissä selvitettiin, miten lyijy jakautui erityyppisten pidättävien hiukkaspintojen välillä. Koska liukoisen lyijyn myrkyllisyys eliöille riippuu sen kemiallisesta esiintymismuodosta, tutkittiin työssä myös rikastushiekan vaikutusta vesiuuttoisen lyijyn spesiaatioon. Tutkimustulokset osoittivat rikastushiekan pidättävän tehokkaasti sekä fosforia että lyijyä. Liukoinen fosfori pidättyi pääasiassa rikastushiekan alumiini- ja rauta(hydr)oksidien pinnalle sekä todennäköisesti jossain määrin myös kalsiittiin. Happokäsittely lisäsi materiaalin fosforinpidätyskykyä oleellisesti. Käsittelemätön rikastushiekka pidätti myös liukoista lyijyä muodostamalla sen kanssa heikkoliukoisia saostumia sekä pintakomplekseja. Sekä käsittelemätön että happokäsitelty rikastushiekka lisäsivät mineraalimaan lyijynpidätyskykyä ja siirsivät biosaatavaa lyijyä tiukemmin pidättyneeseen muotoon. Lyijyllä saastuneella ampumaratamaalla tehdyissä kokeissa huomattiin, että hauleista vapautuu jatkuvasti lyijyä maaperään. Käsittelemättömän rikastushiekan lisääminen maahan kuitenkin vähensi hauleista peräisin olevan lyijyn liukoisuutta muodostamalla sen kanssa heikkoliukoisia fosfaatti- ja karbonaattiyhdisteitä. Rikastushiekka myös vähensi lyijyn biosaatavuutta ja siten ekotoksisuutta maassa. Tulosten perusteella Siilinjärven rikastushiekka voi soveltua jätevesien fosforinpoistoon ja lyijyn immobilisointiin saastuneilla maa-alueilla. Materiaalin pidätysominaisuuksia voidaan optimoida erilaisin kemiallisin ja fysikaalisin esikäsittelyin. Tulevaisuudessa tämä nykyisellään jätteenä läjitettävä geomateriaali saattaa tarjota luonnonmukaisen, ympäristöystävällisen ja kustannustehokkaan keinon erilaisiin ympäristön kunnostustarpeisiin.

Phosphorus (P) losses from agricultural soils impair the quality of receiving surface waters by enhancing eutrophication. Most of the P carried by surface runoff and field drainage waters from clay soils in SW Finland is in particulate form, but more than half of the total P is potentially bioavailable. Thus, decreasing the load of suspended particles is important in controlling eutrophication. Constructed wetlands and ponds (CWs) have become a popular means for trapping suspended material and particulate P in agricultural runoff. Efficient CWs can collect a large amount of particulate matter through sedimentation, and this needs to be removed regularly. Dredged sediment is often advised to be recycled back to the surrounding fields. However, the material ending up in CWs is subjected to several processes, which affect its P fractions and sorption-desorption characteristics. Changes in sediment characteristics occur 1) during erosion, 2) in the (anoxic) bottom of CW and 3) after dredging when the sediment is re-exposed to air. This thesis examines P speciation and P sorption properties of sediments collected from five agricultural CWs established on clay soils, and compares the differences between the sediments and the source field soils in the catchments. Dredged, air-dried sediments were characterised separately from fresh sediments to assess the drying-induced changes in the P sorption-desorption properties. Phosphorus availability to Italian ryegrass (Lolium multiflorum L.) was tested by mixing CW sediment with soil in different ratios. Furthermore, the potential of using dredged sediment to immobilise soil P was assessed by exposing sediment-amended soil to simulated rainfall. Overall, the soils and sediments were analysed to predict the likely environmental consequences of applying CW sediments to fields. The soils and CW sediments had similar total P contents, but clearly different P speciation when fresh sediments, air-dried sediments and the source soils were compared. In general, the sediment content of aluminium (Al)-associated P was significantly lower, and iron (Fe)-associated P significantly higher, than in the source soils. Reduced conditions, conducive to mobilisation of Fe-associated P and suggestive to Fe sulphide formation, were observed in all CWs. As a consequence of high clay and Al and Fe (hydr)oxide concentrations, possibly accentuated by Fe sulphide oxidation, dredged (re-oxidised) sediments showed a high affinity for P in sorption-desorption tests. In these tests a substantial decline in the equilibrium P concentration (EPC0) was observed already at 2% to 5% (by fresh volume) sediment addition rates. The high affinity for P by sediment matter was also supported by observations in a growth experiment and simulated rainfall test. The lower the P plant availability for ryegrass and dissolved reactive P (DRP) concentration in percolating water, the more sediment was mixed into the soils. The results suggest that the plant availability of P in CW sediments is very low due to the high concentrations of clay, and Al and Fe (hydr)oxides in sediments. Returning CW sediments to fields in large quantities is therefore likely to decrease the amount of P readily available for crop uptake. However, application of sediments dredged from CWs can be expected to immobilise soil P and decrease nonpoint source P loads when applied to critical source area soils with environmentally problematic P saturation. A practical rate of sediment addition to the surface soil layer could be approximately 5% (by fresh volume). Fosforin karkaaminen hienojakoisilta maatalousmailta vesistöihin kiihdyttää rehevöitymistä. Vesieroosion mukana kulkeutuvaa maa-ainesta ja ravinteita pyritään pidättämään kosteikoiden ja laskeutusaltaiden avulla. Kosteikkoaltaiden syvänteisiin kertyy runsaasti partikkelimuotoista fosforia sisältävää hienojakoista sedimenttiä, jonka poistamista suositellaan 2-5 vuoden välein. Väitöstutkimuksessa selvitettiin maatalouskosteikosta poistetun sedimentin fosforisisältöä ja fosforin käyttökelpoisuutta kasveille sekä sedimentin käyttömahdollisuutta fosforin pidättämiseen valunnasta. Tutkimukseen valittiin viisi savimaille perustettua maatalouskosteikkoa, joissa kahdessa oli kemikaalikäsittely (ferrisulfaatti tai polyalumiinikloridi) tulevaan veteen. Sedimenttinäytteitä ja lähivaluma-alueen peltomaanäytteitä vertaamalla luonnehdittiin eroosioaineksessa tapahtuvia muutoksia. Astiakokeessa tutkittiin Italian raiheinän fosforinottoa peltomaa-sedimentti –seoksissa. Sadesimulointikokeessa laboratoriossa selvitettiin sedimentin kykyä pidättää valunnasta liukoista ja kiintoainekseen sitoutunutta fosforia. Tulokset osoittivat sedimentin sisältävän runsaasti fosforia, mutta sen käyttökelpoisuus kasveille oli hyvin huono. Eroosioainekseen pidättynyt helppoliukoinen fosfori vapautui veteen jo ennen aineksen laskeutumista kosteikon pohjalle ja pohjan usein hapettomat olosuhteet edistivät fosforin käyttökelpoisten muotojen liukenemista kosteikon veteen. Kosteikon sedimenttiin kertyi huomattava määrä hienojakoista maa-ainesta, jossa on luontaisesti paljon pidättymispintaa fosforille. Olosuhdemuutokset kosteikossa ja ruopattaessa lisäsivät entisestään sedimentin kykyä pidättää fosforia: Pelkistymisen ja hapettumisen sekä kuivumisen seurauksena syntyi uutta alumiini- ja rautaoksidipintaa, jonka fosforin pidätyskyky oli hyvin suuri. Tämä havaittiin selkeästi myös kosteikoissa, joissa kemikaalilisäystä ei ollut. Sedimentin suuri fosforin pidätyskyky näkyi astiakokeessa, jossa sedimenttiin sitoutui myös lannoitefosforia tiukasti kasvien ulottumattomiin. Sadesimulointikokeessa sedimentti vähensi valunnasta sitä enemmän liuennutta fosforia, mitä enemmän sedimenttiä oli sekoitettu peltomaahan. Kosteikkosedimentin peltolevityksestä ei ole kasvinravitsemuksellista hyötyä ja suuri sedimenttimäärä peltomaassa saattaa aiheuttaa jopa fosforin puutosta viljelykasveille. Sedimenttiä voisi sen sijaan hyödyntää eroosiontorjunnassa runsaasti helppoliukoista fosforia sisältävillä mailla (esim. karjan ruokintapaikat). Sedimentin suositeltava levitysmäärä fosforin sidontaan on ≤5 % muokkauskerroksen maan tilavuudesta.