Indhold: Nitratreduktion og vandmiljøet Processen/processerne

1. REDUKTION AF NITRAT UNDER RODZONENVibeke ErnstsenDanmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelse (GEUS)Plantekongres 2006, Herning, 10. januar 2006

2. 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

3. Denitrifikation under rodzonen og recipienter • grundvand • vandløb • søer • marine miljø Denitrifikation under rodzonen Grundvand Vandløb Søer Marine miljø Rodzone

4. 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 • biologisk eller abiotisk proces under iltfrie forhold Nitratreduktion - flere mulige processer

5. Reducerende stoffer: • biotilgængeligt organisk stof • reduceret svovl (pyrit & svovlbrinte) • tilgængeligt ferrojern (opløst og strukturelt bundet) • mangan • methan • ? NOGEN FORBRUGES - NOGEN GENDANNES

6. Umættet og mættet zone Jordbunden Jordbundsdannende processer Midlertidigt vandspejl Permeabilitets- forskelle Porøse sedimenter Umættet zone Sprække Vandspejls- fluktuation ? Kapillære zone Grundvandszone Nuværende grundvandsspejl Maximum/minimum normalt vandspejl Efter Looney og Falta, 2000 • UMÆTTET ZONE • Rodzone eller jordvandszone • Intermediære zone • Kapillære zone MÆTTET ZONE (GRUNDVANDSZONE)

7. Udbredelse af umætttet zone Per Rasmussen, GEUS gul: 0-5 m orange og rød: 5-10 m grøn: 10-20 m, lyseblå:20-50 m mørkeblå : 50-150 m

8. 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

10. Nitratreduktion - under den umættede zone Ramsømagle SBIV SBI SBIII SBV SBVI GVS SBXII SBIV SBVIII SBVII SBIII SBIX Ramsølille SBVI SBXI Viby SBV SBX SBI SBXII Kristiansen et al., 1991 SBVIII SBIX SBX SBXI SBVII Reduktion under iltfrie forhold ved de oprindelige reducerende stoffer - derfor i forskellig dybde. Betydelige geologiske forskelle.

11. Nitratkoncentrationen under natur og landbrug 45.0 42.5 47.5 40.0 37.5 N 35.0 T2 32.5 T5 Grundvandsskel T1 T8 T7 T6 Rabis bæk T4 T3 Granplantage og hede Ager 1 km Grundvandspotentiale ”Landbrugsvand” ”Naturvand” dyrket plantage og hede dyrket Postma et al., 1991

12. Reduktionskapacitet og grundvandskvalitet Koncentration Koncentration Koncentration Ilt Ilt Dybde Dybde Dybde Nitrat Nitrat Ilt Nitrat HØJ MIDDEL LAV

13. Beregning af redoxkapacitet - eksempler • 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 • 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 DENNE BEREGNING TAGER IKKE HØJDER FOR REAKTIVITETEN AF DE REDUCERENDE STOFFER • 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

14. Reduktion af nitrat - geologiske typeområder I II III IV V Tilførsel af reducerende stoffer Oxiderede sedimenter Reducerede sedimenter Grundvandsspejl I II III IV V Nitrat Nitrat Nitrat Nitrat Nitrat Dybde Dybde Dybde Dybde Dybde

15. Vandets strømningsmønster - geologiske forskelle Vandstand i øvre magasin Vandstand i nedre magasin Grøft Boring Brønd Umættet zone Vandløb Afstrømning i øvre magasin Ler- og sandlag Nedsivning Vandskel Kalk Afstrømning i nedre magasin Grundvands- spejl Nedsivningsområde Udstrømningsområde Nedsivningsområde Vandløb Strømretning Ækvipotentiale- kurve

16. Konklusion Et godt kendskab til nitratreduktionsprocessen og dens udbredelse er en nødvendig forudsætning for at vurdere konsekvenser på vandmiljøet - grundvand, overfladevand og det marine miljø.

17. 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.