indhold: nitratreduktion og vandmiljøet processen/processerne

REDUKTION AF NITRAT UNDER RODZONEN

Vibeke ErnstsenDanmarks og Grønlands Geologiske

Undersøgelse (GEUS)

Plantekongres 2006, Herning, 10. januar 2006

Indhold:

• Nitratreduktion og vandmiljøet

• Processen/processerne

• Umættet zone, udbredelse og potentiale for reduktion

• Mættet zone og potentiale for reduktion

• Vandets strømningsmønster og fordeling af nitrat

Rodzone

Denitrifikation under rodzonen

Denitrifikation under rodzonen og recipienter

• vandløb

VandløbGrundvand

• grundvand

• marine miljø

Marine miljø

• søer

Søer

Reduktion med organisk stof: 5 C + 4 NO3

- + 2 H2O 2 N2 + 4 HCO3- + CO2

Reduktion med pyrit: 5 FeS2 + 14 NO3

- + 4 H+ 7 N2 + 10 SO42- + 5 Fe2+ + 2 H2O

Reduktion med ferrojern og dannelse af frit kvælstof: 5 Fe2+ + NO3

- + 12 H2O 5 Fe(OH)3 + 0.5 N2 + 9 H+

Reduktion med ferrojern og dannelse af ammonium: 8 Fe2+ + NO3

- + 21 H2O 8 Fe(OH)3 + NH4+ + 14 H+

Reduktion med methan: 5 CH4 + 8 NO3

- + 3 H+ 4 N2 + 5 HCO3- + 9 H2O

Nitratreduktion - flere mulige processer

• biologisk eller abiotisk proces under iltfrie forhold

Reducerende stoffer:

• biotilgængeligt organisk stof• reduceret svovl (pyrit & svovlbrinte)• tilgængeligt ferrojern (opløst og strukturelt bundet)• mangan• methan• ?

NOGEN FORBRUGES - NOGEN GENDANNES

Umættet og mættet zone

Jordbundsdannende processer Jordb

unde

n

Um

ætte

t zon

e

Kapillære zone

Grundvandszone

Van

dspe

jls-

flukt

uatio

n

Permeabilitets-forskelle

Midlertidigt vandspejl

Porøsesedimenter

Spr

ækk

e

?

Nuværende grundvandsspejl

Maximum/minimum normalt vandspejl

Efter Looney og Falta, 2000

UMÆTTET ZONE• Rodzone eller

jordvandszone• Intermediære zone• Kapillære zone

MÆTTET ZONE(GRUNDVANDSZONE)

Udbredelse af umætttet zone

gul: 0-5 morange og rød: 5-10 m grøn: 10-20 m, lyseblå:20-50 m mørkeblå : 50-150 m

Sandområde - St. 6.08

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,090 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03

Gru

ndva

ndss

tand

(m u

nder

terr

æn)

Per Rasmussen, GEUS

Lerområde - St. 4.02

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,090 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03

Gru

ndva

ndss

tand

(m u

nder

terr

æn)

Nitratreduktion - umættet zone

• biologisk eller abiotisk proces under iltfrie forhold• potentialet for nitratreduktion afhænger af tilførsel af reducerende stoffer - den oprindelige pulje er opbrugt

Plantedække medfører løbende tilførsel af organisk stof• på overfladen, hvor det kan vaskes ned• i rodzonen - rødder mm• jordfauna og - flora inkl. bakterier

Organisk stof tilbageholdes:• sorption• kompleksbinding • forbruges• udfælder• mm

Max dybde 3 meter

0

5

10

15

0 2 4

Nitrate (mg NO3-N kg-1)

Dep

th (

m)

SBV

0

5

10

15

0 2 4 6


Dep

th (

m)

SBVI

0

5

10

15

0 2 4 6


Dep

th (m

)

SBIII

0

5

10

15

0 5 10


Dep

th (

m)

SBIV

0

5

10

15

0 1 2

Nitrate (mg NO3-N kg -1)

Dep

th (

m)

SBXII

0

5

10

15

0 2 4


Dep

th (

m)

SBXI

0

5

10

15

0 1 2


Dep

th (

m)

SBX

0

5

10

15

0 2 4


Dep

th (

m)

SBIX

0

5

10

15

0 8 16


Dep

th (

m)

SBVII

0

5

10

15

0 8 16


Dep

th (

m)

SBVIII

0

5

10

15

0 8 16


Dep

th (

m)

SBI

Ramsømagle

Ramsølille

Viby

SBISBIII

SBVIIISBIX

SBIV

SBVI

SBX

SBXISBV

SBXIISBVII

Nitratreduktion - under den umættede zone

15

20

25

30

0 0,1 0,2

Alkalinitet(mækv L-1)

Dep

th (

m)

15

20

25

30

0 50 100

Nitrat(mg NO3 L

-1)

Dep

th (

m)

15

20

25

30

0 50 100

Sulfat(mg SO4 L

-1)

Dep

th (

m)

15

20

25

30

0 5 10

Ferrojern (mg Fe L-1)

Dep

th (

m)

15

20

25

30

4 5 6 7

pH

Dyb

de (

m)

Kristiansen et al., 1991

GVS

Reduktion under iltfrie forhold ved de oprindelige reducerende stoffer- derfor i forskellig dybde. Betydelige geologiske forskelle.

Nitratkoncentrationen under natur og landbrug

N

32.535.0

37.5 40.0 42.5 45.0 47.5

Rabis bæk

Gru

ndva

ndss

kel

T8 T7

T3

T4

T5 T

6T1

T2

Granplantage og hedeAgerGrundvandspotentiale

1 km

dyrket dyrketplantage og hede

Postma et al., 1991

”Landbrugsvand” ”Naturvand”

Reduktionskapacitet og grundvandskvalitet

LAV HØJMIDDEL

NitratIlt

Dybd

e

Koncentration Koncentration

Dybd

e

Ilt

Nitrat

Koncentration

Dybd

e

Ilt

Nitrat

Lerholdige prøver med 15 % ler• Organisk stof: 0,05 % C• Pyrit: 0,003 % S• Ferrojern: 0,9 % Fe

Kapacitet: 90 -110 mol nitrat pr. m3

Pr. meter: 250 - 300 år

Sand med 1- 2 % ler• Organisk stof: 0,03 % C• Pyrit: 0,005 % S• Ferrojern: 0 % Fe

Kapacitet: 30 mol nitrat pr. m3

Pr. meter: 95 år

Lerholdige prøver med 30 - 40 % ler• Organisk stof: 0,10 % C• Pyrit: 0,005 % S• Ferrojern: 1,2 % Fe

Kapacitet: 150 -180 mol nitrat pr. m3

Pr. meter: 420 - 500 år

Sand med 1 - 2 % ler• Organisk stof: 0,15 % C• Pyrit: 0,012 % S• Ferrojern: 0 % Fe

Kapacitet: 160 mol nitrat pr. m3

Pr. meter: 465 år

Beregning af redoxkapacitet - eksempler

DENNE BEREGNING TAGER IKKE HØJDER FOR REAKTIVITETEN AF DE REDUCERENDE STOFFER

IV VI II III

Tilførsel af reducerende stoffer

Oxiderede sedimenterReducerede sedimenter

Grundvandsspejl

VNitrat

IVNitrat

IIINitrat

IINitrat

INitrat

Dyb

de

Dyb

de

Dyb

de

Dyb

de

Dyb

de

Reduktion af nitrat - geologiske typeområder

Vandets strømningsmønster - geologiske forskelle

Vandløb

Vandskel

Grundvands-spejl

Strømretning

Ækvipotentiale-kurve

Umættet zone

Ler- og sandlag

Kalk

NedsivningsområdeUdstrømningsområdeNedsivningsområde

Vandstand i nedre magasin

Afstrømning i øvre magasin

Nedsivning

Vandstand i øvre magasin

Boring

VandløbGrøft

Afstrømning i nedre magasin

Brønd

KonklusionEt godt kendskab til nitratreduktionsprocessen og dens udbredelse er en nødvendig forudsætning for at vurdere konsekvenser påvandmiljøet - grundvand, overfladevand og det marine miljø.

LITTERATUR:

• Miljøstyrelsen. 2001. Arbejdsrapport nr. 24 • Miljøstyrelsen. 2005. Miljøprojekt nr. 1023, 1024 og 1025

• Ernstsen, V., H.J. Henriksen og F. von Platen. 2001. Principper for beregning af nitratreduktion i jordlagene under rodzonen. Arbejdsrapport nr. 24.

• Ernstsen, V. 2005. Nitratreduktion i den umættede zone. Miljøprojekt 1023.

• Ernstsen, V., Jørgensen, N., og Lynge, C.R. 2005. Metode til analyse af reducerende stoffer i sedimenter. Miljøprojekt 1024.

• Ernstsen, V. 2005. Undersøgelse af reaktiviteten af reducerende stoffer i nogle danske sedimenter - et pilotstudie. Miljøprojekt 1025.

indhold: nitratreduktion og vandmiljøet processen/processerne

Documents