Evaluation of regulation functions of rural landscapes for the optimal siting of treatment wetlands and mitigation of greenhouse gas emissions

Abstract

In order to implement sustainable landscape planning, it is essential to have knowledge of landscape ecology and landscape evaluation principles. In this PhD dissertation we have proposed a few landscape evaluation methods in the context of regulation functions (waste treatment, water regulation, gas regulation etc.) of rural landscapes. A GIS-based method of complex landscape analysis has been developed in order to estimate the landscape suitability for the construction of surface flow wetlands (SFW) for wastewater treatment. The two-step assessment scheme consists of landscape classification according to the physical–chemical properties of landscape factors, expert decisions concerning landscape values, and suitability analysis. The analysis was carried out both, on regional and on local level, using various digital cartographic data. Resulting thematic maps would support decision making and provide more dynamic planning process. Potential areas for reconstruction of current point pollution sources or their provision with treatment wetland systems have been determined. This method demonstrated that in Estonia the share of very suitable areas for the construction of SFWs covers 16% of the entire country, and the share of suitable areas covers 25%. In addition, the suitability evaluation of areas on hydromorphic soils for treatment wetland creation with additional function of raw material production, was carried out. Annual biomass production was evaluated and the standing stock of N and P in the phytomass of broad-leaved cattail and reed was determined. The average aboveground biomass of cattail and reed varied from 0.3 to 1.8 kg DW m−2 and 0.6 to 1.3 DW m−2 respectively. The nutrient removal by cattail was considerably high. Cattail biomass has a large temporal and spatial variation in productivity, which makes it somewhat difficult to use them as a raw material for building and fibre production. According to executed GIS-analysis, there are 5412 km2 of potentially suitable sites for energy and treatment wetland creation. As part of the regulation function, greenhouse gas CH4 and N2O emissions from the main land use types of rural landscapes were estimated. The annual exchange of CH4 and N2O between the soil and atmosphere was estimated depending on the land cover types and different soils in Estonia. Natural peatlands and marshes appeared to be the most important CH4 emitters, whereas N2O is emitted mainly from drained peatlands and marshes, set aside areas, conventional arable lands, fertilized grasslands, and coniferous and mixed forests – all on hydromorphic soils. The estimated median value of annual CH4 and N2O fluxes for Estonian rural landscapes are 25,519 and 11,050 t respectively. For the optimization of GHG fluxes, avoidance of drainage on peatland soils, preferred development of organic agriculture, and plantation of shortrotation energy forests and energy crops could be mentioned. The GIS-based assessment of landscape functions serves as a promising tool for sustainable landscape planning and management allowing multi-functional land use and supporting sustainable development.

Maastikuplaneerimises tasakaalukate otsuste tegemiseks on vajalik välja töötada erinevate maastikufunktsioonide hindamise alused. Käesolev doktoritöö on peamiselt keskendunud maastike regulatsioonifunktsioonide (veerežiim ja kasvuhoonegaaside regulatsioon, reovee puhastus) hindamisele. Välja on töötatud GIS-il baseeruv meetod, mille alusel on võimalik hinnata maastiku potentsiaali avaveeliste märgalapuhastite rajamiseks reoveepuhastuse eesmärgil maapiirkondades. Kaheastmeline hindamisskeem koosneb maastike klassifitseerimisest lähtuvalt maastikufaktorite füüsilis-keemilistest omadustest, eksperthinnangust maastike väärtuste osas ja sobivusanalüüsist. Analüüs viidi läbi nii regionaalsel kui kohalikul tasandil, kasutades selleks erinevaid digitaalseid kaardiandmeid. Tulemusena valmisid teemakaardid, mis toetavad otsuste tegemist ning tagavad dünaamilisema planeerimisprotsessi. Leitud on potentsiaalsed alad olemasolevate reostusallikate ümberehituseks või järelpuhastiga varustamiseks. Meetod näitas, et väga sobivate alade osakaal avaveeliste märgalapuhastite rajamiseks Eestis on 16% ja sobivate osakaal 25% kogu riigi territooriumist. Lisaks eelmainitule hinnati töös ka hüdromorfsete muldadega alade sobivust neil ehitusliku toormaterjali tootmise lisafunktsiooniga heitveepuhastus-tehismärgalade rajamiseks. Töö käigus hinnati laialehise hundinuia ja hariliku pilliroo aastast biomassi tootlikkust ja N ning P varu fütomassis. Hundinuia ja pilliroo keskmine maapealne biomass varieerus vastavalt 0.3–1.8 ning 0.6–1.3 kg (kuivaines) m−2. Hundinuia poolt toitainete sidumine oli arvestatavalt kõrge. Tulemused näitasid, et tehismärgalades kasvava hundinuia produktiivsuses esineb suuri ajalisi ja ruumilisi varieeruvusi, mis teeb selle kasutuse potentsiaalse toormaterjali allikana ehitusotstarbel ja kiutootmisel üsna raskeks. Teostatud GIS-analüüsi põhjal on Eestis 5412 km2 potentsiaalselt sobilikke alasid hundinuia märgalapuhastite rajamiseks. Ühena maastiku regulatsioonifunktsioonidest hinnati ka kasvuhoonegaaside CH4 ja N2O voogusid Eesti maapiirkondades. Hinnati aastased CH4 ja N2O vood mulla ja atmosfääri vahel sõltuvalt maakatte tüübist ja muldkattest. Tulemused näitavad, et peamiselt madal- ja siirdesoode ning rabade arvel kujuneb Eesti maapiirkondade (42685 km2) CH4 emissiooni aastaseks mediaanväärtuseks 25518 tonni. Aastase N2O voo (mediaanväärtus kogu alalt 11050 t) suurimad väärtused hinnati põllumajanduslikele kõlvikutele ning okaspuumetsadele hüdromorfsetel muldadel. Kasvuhoonegaaside voogude leevendamise olulisemateks põhimõteteks on edasine kuivenduse vältimine turvasmuldadel, mahepõllumajanduse arendamise eelistamine, kiirekasvuliste energiametsade ja -võsade rajamine. Maastiku regulatsioonifunktsioonide hindamismetoodika väljatöötamine säästliku maastiku planeerimise eesmärgil on olulise tähendusega, kuna see võimaldab maastike multi-funktsionaalset kasutust ja toetab jätkusuutlikku arengut.