Hot spots, diel variability, and management implications of greenhouse gas emissions in an in-stream treatment wetland

Abstract

Põllumaadelt pärinev vesi on toitainerikas ning enne selle jõudmist jõgedesse ja järvedesse tuleb see puhastada. Üks efektiivne viis selleks on rajada tehismärgalasid. Kuigi need suudavad üsna tõhusalt eemaldada toitaineid ja hõljuvainet, võivad tehismärgalad eritada ka märkimisväärses koguses kasvuhoonegaase, nagu metaani (CH₄) ja dilämmastikoksiidi (N₂O). Seega võimaldavad tehismärgalad ühelt poolt parandada veekvaliteeti, kuid teiselt poolt võivad panustada kliima soojenemisse kasvuhoonegaaside emissioonide kaudu. Käesolevas doktoritöös uuriti Tartumaal asuvat Vända tehismärgala, mis rajati põllumajandusliku hajukoormuse vähendamiseks. Doktoritöö laiem eesmärk oli selgitada, kus ja millal CH₄ ja N₂O vood on suurimad, millised tegurid neid vooge mõjutavad ning milliste märgala majandamisviisidega oleks võimalik gaasivooge vähendada. Selleks tehti nii pikaajalisi välivaatlusi kui 24-tunniseid ehk ööpäevläbi kestvaid mõõtmisi, ning veetaseme manipuleerimise, taimkatte niitmise ning märgala setete kasutusvõimaluse katseid. Tulemused näitasid, et kasvuhoonegaaside vood ei jaotu märgalas ühtlaselt. Madalamad alad toimisid kasvuhoonegaaside kuumkohtadena ning andsid suure osa kogu märgala N₂O heitmest, kuigi moodustasid vaid väga väikse osa kogu pindalast. Veetase osutus peamiseks teguriks, mis määras gaasivoogude taseme: veetaseme tõstmisel vähenes N₂O emissioon järsult. CH₄ puhul oli varieeruvus samuti suur, kuid seda mõjutasid ka vees lahustunud hapnik ja temperatuur. Lisaks selgus, et oluline roll on taimestikul. Võrreldes avaveealadega sidusid tiheda hundinuiaga kaetud alad rohkem süsihappegaasi (CO₂), kuid samal ajal olid CH₄ ja N₂O vood oluliselt kõrgemad. Doktoritöös käsitleti ka praktilisi majandamisvõimalusi tehismärgalade jaoks. Näiteks võib veetaseme reguleerimine aidata vähendada N₂O kuumkohti, samas kui setete eemaldamine toetab märgala pikaajalist toimimist, vähendades toitainete kuhjumist ja seeläbi CH₄ teket. Eemaldatud setteid saab taaskasutada põllumajanduses, kus need võivad parandada mulla niiskusrežiimi ja taimede kasvu. Kokkuvõttes näitas töö, et tehismärgalasid tuleks majandada mitte ainult vee kvaliteedi parandamise eesmärgil, vaid arvestada ka nende mõjuga kliimale.

Treatment wetlands (TWs) are man-made wetlands built to clean water coming from agricultural land before it reaches rivers and lakes. They are effective at removing nutrients and suspended solids, but they can also release greenhouse gases (GHGs) such as methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O). This creates an important environmental trade-off: a wetland can improve water quality while also contributing to climate warming. This doctoral thesis studied an in-stream TW in southeastern Estonia to better understand where and when these GHGs are released, what controls their release, and how wetland management could reduce emissions. The study combined long-term field measurements, a water-level manipulation experiment, 24-hour measurements across different surface types, vegetation-harvesting, and sediment reuse experiments. The results showed that GHG emissions were not evenly distributed across the wetland. Some small shallow zones acted as “hot spots” and produced a large share of the total N₂O emissions. Water level was the main factor controlling these hot spots: when water levels were raised, N₂O emissions dropped sharply. CH₄ was also highly variable, but it was controlled by several interacting factors, including dissolved oxygen and temperature, rather than a single driver. The study also showed that wetland surface type matters. Areas with dense Typha vegetation took up more carbon dioxide (CO₂), but they also released more CH₄ and N₂O than open-water areas. The thesis further points to practical management options for TWs. Water-level management can help reduce N₂O hot spots, while sediment removal can support long-term wetland maintenance, which could help reduce nutrient buildup and, in turn, reduce CH₄ production. The removed sediment may also be reused in agriculture, where it has shown potential to improve soil moisture and crop growth. Overall, the thesis shows that TWs should be managed not only for water quality, but also with climate impacts in mind.