Kilder og variasjoner i jern langs et borealt vassdrag i Sørøst-Norge under en tørkeperiode

Abstract

Jern (Fe) har i de senere årene fått økt oppmerksomhet på grunn av den stadig økende konsentrasjonen i boreale vassdrag og hvordan det påvirker dette kjemiske og biologiske miljøet i ferskvannsystemene. I dette studiet ble kilder og variasjoner av Fe i et borealt nedbørsfelt, Ulverudåa, i Sørøst-Norge undersøkt, der vær og hydrologiske forhold og faktorer som bidrar til mobilisering av Fe ble koblet opp mot fordeling og variasjon av Fe. Da vekstsesongen var preget av lite nedbør og tørkeperioder, var de hydrologiske strømningsmønstrene og kontakttid med berggrunn og løsmasser en viktig årsak til variasjoner i Fe. Som tidligere observert i boreale vassdrag bl.a. i Skandinavia, var Fe-konsentrasjonen i Ulverudåa lavere i de skogsdominerte nedbørsfeltene enn i skog/våtmarksdominerte nedbørsfelt. I de skogsdominerte lokalitetene var det, på grunn av lite nedbør og lav strømningshastighet i nedbørsfeltet, liten variasjon i Fe-konsentrasjonen gjennom vekstsesongen, hvor pH og naturlig organisk materiale (NOM) var styrende faktorer for distribusjonen av løst og partikulært Fe. I nedbørsfeltet med skog/våtmark var Fe-konsentrasjonen og fordeling styrt av reduserende forhold med lav pH og høye konsentrasjoner av løst organisk materiale (DOM). Samtidig kan utilstrekkelig mengde svovel i redusert form, som potensielt kunne danne svovelforbindelser med Fe (FeS), vært årsak til økt mobiliseringen av Fe. Videre kan store variasjoner i Fe-konsentrasjonen gjennom vekstsesongen, ha hatt sammenheng med nedbørsmønsteret, hvor økt vannføring kan ha førte til en fortynningseffekt. Det ble også registrert økte konsentrasjoner av næringsstoffer (fosfor og nitrogen), i forbindelse med skogsgjødsling og en påfølgende nedbørsperiode. Til tross for økte Fe-konsentrasjoner i samme periode, er det vanskelig å bekrefte om gjødslingen er en pådriver for Fe-mobilisering på grunn av andre Fe mobiliserende faktorer som kan ha virket samtidig, f.eks. reduserte forhold og lav pH. I skog/landbruksdominerende nedbørsfelt var trolig hovedkilden til Fe, Fe-rike marine sedimenter (silt og leire) som var hydrologisk koblet til vassdraget ved tilstrekkelig avrenning. Innsjøen (Vindlandstjernet) tilbakeholdt mye av Fe-DOM-kompleksene for vassdraget nedstrøms Vindlandstjernet. Fe-konsentrasjonen økte derimot nedover vassdraget på grunn av høyere grad av grunnvannstrømning med økt kontakttid i berggrunn og løsmasser. Samtidig bidro trolig også landbrukspraksis til økt mobilisering av Fe, der bearbeiding av jordsmonn medførte økt erosjon og avrenning under nedbørsperioder. Økt pH og saltholdighet kan også være drivere for andelen av Fe som er på løst- og partikulær form, der økt pH og økt saltholdighet vil føre til økt Fe(oksy)hydroksider og avtagende Fe-NOM-komplekser.

Iron (Fe) has had an increased focus in recent years due to the ever-increasing concentration in boreal watercourses and how it affects the chemical and biological environment in freshwater systems. In this study, sources, and variations of Fe in a boreal river catchment Ulverudåa, South-Eastern Norway, were investigated. Weather and hydrological conditions and factors that contribute to the mobilization of Fe were linked to distribution and variation of Fe. As the growing season was characterized by periods of drought, the hydrological flow patterns and contact period with bedrock and gobbing were important causes for variations in Fe. As previously observed in boreal watercourses in Scandinavia among others, the Fe concentration in Ulverudåa was lower in the forest-dominated catchment areas than in the forest/wetlanddominated area. In the forest-dominated areas, due to low precipitation and low flow rate in the precipitation area, there was little variation in the Fe concentration during the growing season, where pH and natural organic matter (NOM) were governing factors for the distribution of dissolute and particulate Fe. In the catchment area containing forest/wetland, the Fe concentration and distribution were controlled by anaerobic conditions with low pH and high concentrations of dissolved organic material (DOM). Insufficient amount of sulfur in reduced form, which could potentially form sulfur compounds with Fe (FeS), might also have been the reason for the increased mobilization of Fe. Furthermore, large variations in the Fe concentration throughout the growing season may have been related to the precipitation pattern, where increased water flow may have led to a diluent effect. Increased concentrations of phosphorus and nitrogen were also registered in connection with forest fertilization and a subsequent rainfall period. Despite increased Fe concentrations in the same period, it is difficult to confirm whether fertilization is a driving force for Fe mobilization due to other Fe mobilizing factors that may have acted concurrent, e.g., reduced condition and low pH. In forest/ agriculturaldominant precipitation area, the main source of Fe was probably Fe-rich marine sediments (silt and clay) that were hydrologically connected to the watercourse by sufficient runoff. The lake (Vindlandstjernet) retained much of Fe-DOM-complexes from the watercourse downstream Vindlandstjernet. The Fe concentration, on the other hand, increased down the watercourse due to a higher degree of groundwater flow with increased contact time with bedrock and gobbing. Agricultural practice most likely contributed to increased mobilization of Fe, where cultivation of soil led to increased erosion and runoff during periods of precipitation. Increased pH and salinity could potentially have been drivers for the distribution of Fe, where increased pH and salinity will lead to increased Fe(oxy)hydroxides and decreasing Fe-NOM complexes.