SAVE-kipsipilotissa levitettiin syksyllä 2016 kipsiä 1550 peltohehtaarille varsinaissuomalaisella Savijoen valuma-alueella. Tutkimusta ja seurantaa on jatkettu siitä asti.
Tuloksista kerrottiin hankkeen loppuseminaarissa 19.10.2022 Ympäristöministeriön Pankkisalissa. Hybriditilaisuuteen osallistui lähes 100 henkilöä. Samaan aikaan julkaistiin hankkeen loppuraportti sekä tiedote hankkeen tuloksista.
Samalla hanke julkaisi myös tiedotteen tiivistyksenä hankkeen tuloksista.
”Peltojen kipsikäsittely on Lounais-Suomen Savijoella toteutetun pitkän ja laaja-alaisen tutkimuksen mukaan vähentänyt fosforin ja orgaanisen hiilen huuhtoumaa. Kipsi tarjoaa nopeasti vaikuttavan ja viljelijälle helpon tavan vähentää maatalouden vesistöpäästöjä. Paras tulos saadaan, kun käsittely kohdennetaan eroosioherkkiin ja runsaasti fosforia sisältäviin peltolohkoihin riittävän laajalla alueella. Samalla tulisi puuttua myös huuhtoutumien juurisyihin, eli alentaa peltomaiden tarpeettoman korkeita fosforilukuja sekä parantaa maan rakennetta ja vesitaloutta.
– – ”Kipsikäsittely vähentää fosforin ja orgaanisen hiilen huuhtoumaa pelloilta ainakin viiden vuoden ajan. Kipsikäsittelyn piiriin tulisi saada riittävän laaja peltoala, jotta menetelmällä olisi merkittävä vaikutus kuormitukseen ja sitä kautta Itämeren rannikkovesien tilaan”, sanoo johtava tutkija Petri Ekholm Suomen ympäristökeskuksesta.
– – ”Erilaisten peltolohkojen kuormittavuudessa on isoja eroja. Suurin yhteiskunnallinen hyöty ja kustannusvaikuttavuus kipsikäsittelystä saadaan, kun se kohdennetaan eroosioherkkiin ja runsaasti fosforia sisältäviin peltolohkoihin”, toteaa ympäristötaloustieteen emeritusprofessori tutkimusjohtaja Markku Ollikainen.
– – ”Kipsi ei vaikuta maan pH-arvoon. Kipsin liukeneminen kohottaa maan huokosveden suolapitoisuutta eli johtolukua, mutta vapautuva sulfaatti huuhtoutuu muokkauskerroksesta parissa vuodessa. Kasvinäytteiden perusteella peltojen kipsikäsittelyllä ei ollut haitallisia vaikutuksia kasvinravitsemukseen,” toteaa maaperätieteen emeritusprofessori Markku Yli-Halla.”
Vaikuttaako kipsi peltomaan ravinnetasapainoon, kasvukuntoon tai mikrobiaktiivisuuteen? Näitä erityisesti viljelijöitä kiinnostavia kysymyksiä on selvitetty paitsi SAVE-pilottialueella maa- ja kasvinäyttein, myös maanparannusaineita testaavissa ruukkukokeissa. Ruukkukokeissa kipsi lisäsi magnesiumin ja kaliumin huuhtoumista, mutta savimailla vaikutus maan ravinnetilaan oli vähäinen eikä vaikuttanut viljavuusluokkaan. Satoisuutta kipsi ei ainakaan vähentänyt. Maan biologista aktiivisuutta kuvaavaan maahengitykseen kipsillä ei kokeen mukaan ollut vaikutusta. Vesiensuojelun kannalta keskeinen havainto oli, että maanparannusaineet vähensivät sadetuskokeen aiheuttamaa rasitusta maan rakenteelle, jolloin sadetuksen jälkeen kylvetyllä raiheinällä oli paremmat kasvuolosuhteet.
SYKE:n erikoistutkija Petri Ekholm on aiemmin kirjoittanut SAVE-hankkeen pilottialueen neljän vuoden seurannan maa- ja kasvinäytetuloksista. Niiden mukaan peltojen pintamaassa ei havaittu vähenemää magnesium tai kalium -määrissä. Savimailla, joille kipsiä ensisijaisesti suositellaan, onkin yleensä runsaasti sekä kaliumia että magnesiumia. Myöskään viljelijäkyselyissä kipsin ei havaittu heikentävän peltomaan laatua tai satoisuutta ja osalla vaikutukset olivat positiivisia.
Luonnonvarakeskuksen erikoistutkija Helena Soinne kertoo nyt tarkemmin, millaisia tuloksia maanparannusaineita testanneissa ruukkukokeissa saatiin.
Luonnonvarakeskuksen ja Suomen ympäristökeskuksen yhteisessä kokeessa tutkittuun kipsin, rakennekalkin ja maanparannuskuitujen vaikutuksia valumaveden laatuun ja kasvien ravinteidenottoon (kuvat: Johanna Nikama ja Helena Soinne).
Luonnonvarakeskuksessa tehtiin astiamittakaavan koe, jossa selvitettiin vesiensuojelutarkoituksessa käytettävien maanparannusaineiden (kipsi, rakennekalkki ja kuitulietteet) vaikutuksia maan sadontuottokykyyn ja sadon laatuun. Kokeessa oli mukana neljä erilaista maata, joissa oli erilaiset savespitoisuudet (6–69%) ja helppoliukoisen magnesiumin pitoisuudet (75–830 mg/l). Karkeimmassa, ja vähiten magnesiumia sisältävässä maassa Ca/Mg -suhde oli 9, kun taas savisimmassa maassa suhde oli 4. Ennen kasvatuskokeen aloittamista maanparannusaineiden vaikutuksia valumaveden laatuun ja erityisesti magnesiumin huuhtoutumiseen selvitettiin sadetuskokeissa laboratoriossa.
Ruukkukoetutkimuksen sadetuskokeen huuhtoutumistuloksista näkyi, että kipsikäsittely lisäsi magnesiumin huuhtoutumista. Määrällisesti eniten magnesiumia huuhtoutui kipsikäsitellyistä savisimmista maista ja vähiten karkeasta maasta. Kun huuhtoutuneet määrät suhteutetaan maan helppoliukoisen magnesiumin määrään, oli huuhtoutuneen magnesiumin määrä savisilla mailla noin 5% maan koko helppoliukoisen magnesiumin määrästä, kun karkealla maalla se oli jopa 15%. Käsittelemättömistä ruukuista, karkeista ja savimaista, sadetuskokeissa huuhtoutuneen magnesiumin määrät olivat samaa suuruusluokkaa, mutta suhteutettuna taas maan helppoliukoisen magnesiumin määrään, käsittelemättömistä karkean maan ruukuista valumaveden mukana lähti noin 2,5% maan helppoliukoisesta magnesiumista, kun savimaissa määrä jäi alle yhden prosentin.
Sadetuskokeiden jälkeen kaikille maille tehtiin viljavuusuutto helppoliukoisten ravinteiden määrittämiseksi. Magnesiumin osalta viljavuusluokka ei savimaissa muuttunut maanparannusainekäsittelyjen ja sadetusten seurauksena. Käsittelemätön karkea maan oli sadetuskokeen jälkeen luokassa ”huononlainen”, mutta kipsikäsitelty karkea maa putosi sadetuskokeessa huuhtoutuneen magnesiumin vuoksi luokkaan ”huono”. Muut maanparannusaineet eivät vaikuttaneet magnesiumin viljavuusluokkiin. Kaliumin viljavuusluokkaan ei kipsi- eikä muutkaan maanparannusainekäsittelyt vaikuttaneet lainkaan, vaikka kipsi jonkun verran kaliumin huuhtoutumista lisäsikin.
Sadetuskokeen jälkeen maista mitattiin myös hiilidioksidintuotto eli maahengitys, joka kuvaa maan biologista aktiivisuutta. Kipsillä käsiteltyjen maiden hiilidioksidintuotto oli samaa tasoa kuin käsittelemättömistä tai rakennekalkilla käsitellyistä maissa, mutta luonnollisesti maat, joihin oli lisätty orgaanista maanparannusainetta (kuituliete) hengittivät enemmän.
Sadetuskokeiden jälkeen maahan kylvettiin raiheinää ja maat lannoitettiin typellä ja fosforilla. Raiheinä sato korjattiin viisi kertaa ja sadon ravinnepitoisuudet tutkittiin ensimmäisestä, kolmannesta ja viidennestä sadosta, jos satoa oli korjattavaksi asti. Kontrollimaissa, joihin ei ollut lisätty maanparannusaineita, raiheinä kasvoi todella huonosti, eikä ensimmäisen sadonkorjuun jälkeen saatu enää riittävästi biomassaa ravinnepitoisuuksien määrittämiseksi. Syynä kontrollimaiden huonoon kasvuun oli todennäköisesti sadetuskokeen aiheuttama rasitus maan rakenteelle. Maanparannusaineet ehkäisevät maan liettymistä, eikä sadetuskäsittelyt näin ollen olleet yhtä tuhoisia käsitellyille maille.
Suurimmat raiheinäsadot saatiin kipsillä ja rakennekalkilla käsitellyistä ruukuista, kun kaikki viisi satoa laskettiin yhteen. Viimeisessäkään sadossa ei kipsillä käsitellyn karkean maanraiheinäsadon magnesiumpitoisuus juurikaan poikennut savimaista tai esimerkiksi rakennekalkilla käsiteltyjen maiden raiheinästä. Korjattujen satojen mukana poistuneen magnesiumin määrä voidaan karkeasti arvioida kolmesta sadosta mitattujen raiheinän magnesiumpitoisuuksien avulla. Savimaiden alkuperäisestä helppoliukoisen magnesiumin määrästä raiheinäsatojen mukana lähti alle 10%, kun taas karkeassa maassa raiheinän mukana poistuneen magnesiumin määrä oli noin 20–50% alkuperäisestä helppoliukoisen magnesiumin määrästä.
Yllättävää kokeessa oli, miten hyvin kipsillä käsitelty ja magnesiumin osalta viljavuusluokassa ”huono” oleva karkea maa kasvoi. Syynä voi olla, että ruukkuja ei ennen kasvatuskoetta tehdyissä sadetuksissa huuhdeltu tarpeeksi paljon, jolloin kipsin mukana lisätyn kalsiumin kationinvaihtopaikoilta syrjäyttämät magnesiumionit jäivätkin maaveteen välittömästi kasvien saataville. Tällaisessa tilanteessa kasvit varmastikin voisivat hyödyntää maassa olevan vähäisenkin magnesiumin hyvin tehokkaasti, eikä kasvua rajoittavaa puutosta olisi havaittavissa. Karkeilla mailla, joiden helppoliukoisen magnesiumin pitoisuus on lähtökohtaisesti alhainen, kipsin aiheuttama magnesiumin huuhtoutumisen lisääntyminen voi todennäköisesti pidemmän ajan kuluessa kuitenkin johtaa magnesiumin puutokseen. Tosin tällaiset maat tuskin ovat vesiensuojelumielessä kipsin käyttökohteita muutenkaan.
Helena Soinne, erikoistutkija, Luonnonvarakeskus (Luke)
Aika: Perjantai 19.10.2022 klo 9.30–11.30 (kahvitarjoilu alkaen klo 9.00)
Paikka: Ympäristöministeriön Pankkisali, Aleksanterinkatu 7, Helsinki
SAVE-kipsipilotissa levitettiin syksyllä 2016 kipsiä 1550 peltohehtaarille varsinaissuomalaisella Savijoen valuma-alueella. Tutkimusta ja seurantaa on jatkettu siitä asti. Nyt julkistamme seurantahankkeen tulokset!
Tilaisuuteen voi osallistua joko paikan päällä tai etänä. Kutsu on avoin kaikille ja tilaisuudessa on mahdollisuus esittää kysymyksiä. Pyydämme kaikkia osallistujia ilmoittautumaan tilaisuuteen viimeistään 14.10. tämän lomakkeen kautta.
Tilaisuus myös tallennetaan ja jaamme sen jälkikäteen katsottavaksi. Tilaisuuden puheenjohtajana toimii ohjelmapäällikkö Antton Keto ympäristöministeriöstä.
Kipsi maatalouden vesiensuojelumenetelmänä: viiden vuoden seurannan tulokset Savijoelta – akvaattisten tieteiden dosentti, johtava tutkija Petri Ekholm, Suomen ympäristökeskus
Kipsin vaikutus maahan ja viljelykasvien koostumukseen – maaperä- ja ympäristötieteenemeritusprofessori, tutkija Markku Yli-Halla
Kipsin ja rakennekalkin kustannusvaikuttavuus ja nettohyödyt vesiensuojelussa – ympäristöekonomian emeritusprofessori, tutkimusjohtaja Markku Ollikainen, Helsingin yliopisto
Loppukeskustelu (lisäksi puheenvuorojen välissä mahdollisuus lyhyisiin kysymyksiin)
Petri Ekholm Erikoistutkija SYKE +358 2952 51102 petri.ekholm (a) syke.fi
Savijoen peltojen syksyllä 2016 toteutettu kipsikäsittely edellytti, että 144 rekkakuormallista kipsiä rahdattiin Pohjois-Savosta Varsinais-Suomeen. Laskelmieni mukaan viime kevääseen mennessä, siis vajaan viiden vuoden aikana, noin 66 rekallista kipsiä on huuhtoutunut pelloilta Saaristomereen. Vähäinen määrä kipsistä on siirtynyt satoon, mutta yli puolet siitä on yhä pelloissa, tosin kulkeutuneena pintakerroksesta syvemmälle. Vuoden 2016 rekkarallin tarkoituksena oli selvittää, voidaanko kipsillä vähentää vesiin päätyvää fosforikuormitusta – isosti ja pitkään. Lähes viiden vuoden aineiston nyt tultua käsitellyksi, yritän seuraavassa arvioida, onnistuimmeko.
Kerrataan ensin aiempien suomalaisten tutkimusten tuloksia. Vuonna 2008 aloitetussa Jokioisten savimaalla tehdyssä kenttä- ja laboratoriosadetusten yhdistelmässä kipsin teho väheni ajan kuluessa, mutta runsaan kahden ja puolen vuoden keskiarvona kipsi vähensi huuhtoumia maa-ainesfosforilla jopa 70 %, liuenneella fosforilla 50 % ja liuenneella orgaanisella hiilellä 35 %. Suomen ensimmäinen valuma-aluepilotti osoitti kipsin vähentävän maa-ainesfosforin kuormitusta 50 % ja liuennutta fosforia 25 % runsaan neljän vuoden keskiarvona (2008–2013). Hiljattain päättynyt 3500 hehtaarin kipsin levitys Vantaanjoella päätyi maa-ainesfosforin vähentymälle myös noin 50 % tasoon. Liuennut fosforikin vähentyi, tosin hankkeessa seurattiin tilannetta vain 1,5 vuotta kipsin levityksen jälkeen.
Kyllä, Savijoen pilotti vahvisti kipsin tehon, mutta tuloksiin jäi myös pohdittavaa. Lukijat saattavat muistaa, että Savijoella kipsin tehoa seurattiin kahdella havaintopaikalla, Yliskulmalla ja Parmaharjulla, joiden vedenlaatua verrattiin Savijoen yläjuoksun kipsittömään vertailualueeseen. Yliskulman mittausten perusteella kipsi toimi jopa odotuksia paremmin: kipsipelloilta huuhtoutui käsittelemättömiin peltoihin verrattuna vajaan viiden vuoden keskiarvona yli 70 % vähemmän maa-ainekseen sitoutunutta fosforia, noin neljännes vähemmän liuennutta fosforia ja lähes puolet vähemmän liuennutta orgaanista hiiltä. Parmaharjulla teho oli kuitenkin huomattavasti heikompi: maa-ainesfosforin vähentymä oli vain 15 %, liuenneen orgaanisen hiilen 28 % ja liuennutta fosforia huuhtoutui yllättäen 17 % enemmän.
Kahden lähekkäisen alueen peltojen erilainen vaste kipsille on erikoista. Tutkijalle sinänsä kiusallinen ero näyttäytyy myös mahdollisuutena: ehkä ero alueiden välillä kertoo siitä, missä oloissa kipsi toimii parhaiten ja syyn selvitessä toimenpidettä voidaan kohdentaa entistä tarkemmin. Vaikka selkeää syytä eroihin ei ole löydetty, se tiedetään, että alueiden vaste kipsikäsittelyyn poikkesi toisistaan eniten ennätyksellisen märkänä alkuvuonna 2020. Ehkä tuolloin pellot olivat liian märkiä, jotta kipsi olisi voinut ylläpitää maahiukkasten eroosiokestävyyttä. Tai ehkä kipsin joen pohjalle saostama aines lähti liikkeelle poikkeuksellisen kovilla virtaamilla osassa uomia.
Tämän syksyn tulokset viittaavat kuitenkin siihen, että kipsi vähentää edelleen veden sameutta ja fosforipitoisuutta – kummallakin havaintopaikalla. Onneksi Savijoen seuranta jatkuu KIPSI-hankkeessa ja saamme siis tulevina vuosina lisätietoa kipsivaikutuksen kestosta ja kuka ties myös Yliskulman ja Parmaharjun välisten erojen syistä.
SAVE- ja SAVE2-hankkeiden aikana peltojen kipsikäsittely on muuttunut kokeilusta käytännön vesiensuojelutoimeksi. Vuonna 2019 alkaneen vesiensuojelun tehostamisohjelman tavoitteena on levittää kipsiä 65 000 peltohehtaarille Saaristomeren valuma-alueella vuoteen 2023 mennessä (KIPSI-hanke). Suomen kestävän kasvun ohjelmalla on lisäksi tarkoitus laajentaa kipsikäsittelyä eri puolille Suomen rannikkoa. Suunnitelmien toteutuessa yli 10 % kaikista kipsikelpoisista pelloistamme käsiteltäisiin. Kipsin vaikutusta tullaan selvittämään myös uusilla kohteilla.
Kuvat esittävät Savijoen kuljettaman maa-ainesfosforin määrän kiloina valuma-alueen pinta-alaa kohden kahdella asemalla, Yliskulmalla ja Parmaharjulla. Vuodet on jaettu kevät-, kesä- ja syyskausiin. Vajaan viiden vuoden aikana Savijoki olisi, vertailuasemaan perustuvan arvion mukaan, kuljettanut maa-ainesfosforia Yliskulmalla noin 630 kiloa valuma-alueen neliökilometriä kohden, mutta kipsin ansiosta määrä oli vain 420 kg/km2. Koska Yliskulman valuma-alueen pelloista vain 28 prosentille oli levitetty kipsiä, kipsikäsitellyiltä pelloilta on huuhtoutunut noin 70 % vähemmän maa-ainesfosforia kuin käsittelemättömiltä pelloilta. Parmaharjulla kipsin teho on ollut vaatimattomampi ja keväällä 2020 (3,8 vuotta kipsinlevityksestä) kipsipelloilta huuhtoutui laskennallisesti jopa enemmän maa-ainesfosforia kuin käsittelemättömiltä pelloilta. (Kuva: Petri Ekholm / SYKE)
Petri Ekholm Erikoistutkija SYKE +358 2952 51102 petri.ekholm (a) syke.fi
Kipsin levitys savipelloille vaikuttaa pintamaan ja kasvuston ravinne- ja hivenainepitoisuuksiin melko vähän. Jos maassa on kaliumin tai magnesiumin puutetta, on näiden ravinnekationien riittävyyteen kuitenkin hyvä kiinnittää huomiota kipsiä käytettäessä.
Vaikutukset maahan
Kipsi liukenee maassa kalsium- ja sulfaatti-ioneiksi. Tämä näkyy viljavuusanalyysin johtoluvussa. Ennen syksyllä 2016 toteutettua kipsinlevitystä, tutkittujen kipsilohkojen johtoluku oli keskimäärin 0,9, mutta seuraavana keväänä 3,4. Johtoluvun nousu oli kuitenkin lyhytaikainen: vaikka se oli vielä toukokuussa 2018 keskimäärin korkeampi kuin ennen kipsiä, ero ennen kipsiä -tilanteeseen ei enää ollut tilastollisesti merkitsevä.
Johtoluku kuvaa maanesteen sähkönjohtavuutta, jota kalsium ja sulfaatti kahdenarvoisina ioneina voimakkaasti nostavat. Johtoluvun nousu kipsikäsittelyn jälkeen oli siis odotettavissa – ja kipsivaikutuksen puolesta toivottavaa. Sen sijaan odotettavissa ei ollut, että johtoluku vaihteli lohkojen ja rinnakkaisnäytteiden välillä, myös kipsittömillä vertailulohkoilla. Eräällä kipsikäsitellyllä hiuesavilohkolla johtoluku ei noussut lainkaan, kun taas toisella vastaavanlaisella lohkolla johtoluku oli peräti 7 ensimmäisen kipsikäsittelyn jälkeisen talven jälkeen. Vaihtelu kertoo siitä, että kipsi ei ole levinnyt tasaisesti ja sekoittunut maahan. Ihan kaikki kipsi ei tosin liukene heti. Kipsiä on ollut jonkin verran havaittavissa pelloilla vielä levityksen jälkeisen talven jäljiltäkin, kuten suurin osa SAVEn pilottiviljelijöistä havaitsi.
Kipsissä peltohehtaarille tuli yli 600 kiloa rikkiä, kun lannoitteena rikkiä annetaan suurimmillaan muutamia kymmeniä kiloja. Maan rikkipitoisuus nousikin tilastollisesti merkitsevästi ensimmäisenä ja toisena kipsin jälkeisenä vuotena. Samoin kuin johtoluvussa myös rikissä oli kuitenkin suurta vaihtelua lohkojen ja rinnakkaisnäytteiden välillä. Kalsiumissa, jota kipsin mukana tuli maahan 800 kiloa hehtaarille, ei havaittu merkitseviä muutoksia, ehkä siksi, että kalsiumia on maassa luonnostaan runsaasti. Myös aiemmissa tutkimuksissa on havaittu johtoluvun ja rikin kasvu vuoden–kahden ajaksi, ja suuri vaihtelu näytteiden välillä.
Kalsium voi parantaa hienojakoisen maan, kuten saven rakennetta muodostamalla maahiukkasten välisiä mikromuruja. Kalsium voi parantaa maan rakennetta myös silloin, kun maassa on liikaa magnesiumia. Vaikutus perustuu kationinvaihtoreaktioihin, joissa kalsium “huuhtoo” hiukkasten pinnalta muita kationeja. Samalla tavoin karkeilla mailla kipsi voi lisätä magnesiumin ja kaliumin puutetta. Magnesiumissa ja kaliumissa ei kuitenkaan havaittu Savijoen peltojen pintamaassa muutoksia, lukuun ottamatta kaliumpitoisuuden nousua kipsilohkoilla ensimmäisenä ja toisena vuonna kipsin levityksen jälkeen. Savimailla, joihin kipsiä ensisijaisesti suositellaan, on yleensä runsaasti niin kaliumia kuin magnesiumia.
Kipsissä maahan levitettiin noin 8 kg/ha fosforia, mikä kannattaa ottaa huomioon lannoitettaessa. Viljavuusfosforissa ei havaittu tilastollisesti merkitsevää muutosta. Maan pH-arvo laski kipsilohkoilla yhden-kaksi kymmenystä kahtena ensimmäisenä kipsin jälkeisenä vuotena. Maan rakenteen muutoksia ei tutkittu.
Kolmelta kipsilohkolta ja kahdelta käsittelemättömältä lohkolta otettiin maanäytteitä pintakerroksen lisäksi (0–20 cm) myös kerroksista 20–40 cm ja 40–60 cm. Tulokset osoittivat, että rikki kulkeutuu maassa nopeasti alaspäin, sillä se sitoutuu heikosta maahiukkasiin, mutta kalsiumin, magnesiumin ja kaliumin kulkeutumista maassa alaspäin ei selvästi havaittu.
Vaikutukset kasvustoon
Kipsiä voidaan pitää rikki- ja kalsiumlannoitteena, tosin lannoitekäytössä levitysmäärät ovat pienempiä kuin vesiensuojelukäytössä. Kipsin ei ole aiempien tutkimusten – eikä myöskään Savijoen viljelijöiden mukaan – havaittu vaikuttavan epäedullisesti sadon määrään tai laatuun. SAVE-hanke ei suoraan arvioinut sadon määrää, mutta kasvustonäytteitä otettiin kemialliseen analyysiin samoilta paikoilta kuin maanäytteitäkin. Kasvien rikkipitoisuus kasvoi kaksinkertaiseksi kahtena ensimmäisenä kipsin jälkeisenä vuonna, mutta neljäntenä vuonna eroa ei enää havaittu. Muut muutokset olivat vähäisiä. Kasvien keskimääräiset rautapitoisuudet olivat kipsilohkoilla vuosina 2017 ja 2020 alentuneita samoin kuin fosforipitoisuudet vuonna 2020. Yleisesti huomionarvoista on se, että monella lohkolla – kipsikäsitellyllä tai -käsittelemättömällä – seleenin pitoisuus oli alle analyysin alarajan. Seleenilannoitukseen kannattaakin alueella kiinnittää erityistä huomiota.
Tietolaatikko: SAVE-hanke otti vuosina 2016, 2017, 2018 ja 2020 maa- ja kasvinäytteitä 29 havaintopaikalta, joista 11 oli kipsikäsiteltyjä ja 18 vertailulohkoja. Kultakin GPS-määritellyltä paikalta otettiin kaksi kokoomanäytettä. Maanäytteistä (0–20 cm) määritettiin viljavuusanalyysi hehkutushäviöllä täydennettynä. Kesä-heinäkuussa otetuista kasvinäytteistä määritettiin rikki, fosfori, typpi, kalsium, magnesium, kalium, natrium, boori, kupari, mangaani, rauta, sinkki ja seleeni. Näytteet otti ProAgrian asiantuntijat ja ne määritettiin Eurofins Viljavuuspalvelussa ja Lukessa.
Kipsi vähentää fosforin huuhtoutumista pelloilta vesiin. Kipsin peltolevitys kuitenkin lisää lähivesistöjen sulfaattipitoisuutta, koska kipsin liuetessa siitä vapautuu sulfaattia. Tämä rajoittaa kipsin käyttöä esimerkiksi järvien valuma-alueilla, koska kohonnut sulfaattipitoisuus saattaisi lisätä järvien rehevöitymistä. Merissä sulfaattia on luonnostaan runsaasti, joten kipsin käyttöä suositellaan valuma-alueilla, joilta vesi kulkeutuu suoraan tai jokia pitkin mereen.
Korkeat sulfaattipitoisuudet haittaavat jokien vesieliöstöä. Siksi viime vuosien hankkeissa peltojen kipsikäsittelystä aiheutuvan sulfaattipitoisuuden nousun mahdollisia vaikutuksia jokieliöstöön on seurattu ja tutkittu. Tulosten mukaan kipsinlevitys ei ole nostanut sulfaattipitoisuutta niin korkeaksi, että se olisi vaikuttanut haitallisesti Savijoen tai Vantaanjoen jokieliöstöön. Pitkäaikaisesta sulfaattialtistuksesta ei ole tutkimuksia.
Saaristomeren valuma-alueen pellot ovat yksi Itämeren suojelukomissio HELCOMin listaamista merkittävistä kuormituslähteistä (ns. Hot Spot -kohde). Nyt alueella käynnissä olevan KIPSI-hankkeen tavoitteena on levittää kipsiä yhteensä noin 50 000–85 000 peltohehtaarille ja siten vähentää alueelta kulkeutuvaa fosforikuormaa merkittävästi. Kipsinlevitykseen alueella on hiljattain myös osoitettu lisärahoitusta Suomen kestävän kasvun ohjelmassa.
Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) tutkijat Marie Korppoo ja Markus Huttunen kertovat tuloksia mallinnuksista, joilla on simuloitu laajamittaisen kipsinlevityksen vaikutuksia peltojen fosforihuuhtoumiin ja vesistöjen sulfaattipitoisuuksiin Saaristomeren valuma-alueella.
Alkuperäinen englanninkielinen teksti viitteineen on luettavissa sivun alaosassa. Tässä seuraavaksi suomenkielinen tiivistelmä tuloksista:
Fosforihuuhtoumavähennys kipsinlevityksen jälkeen
Mallinnuksen mukaan kipsi vähentäisi maatalouden kokonaisfosforihuuhtoumaa vuosittain keskimäärin 46 kg/km2, jos kaikki potentiaalisesti soveltuvat pellot Saaristomeren valuma-alueella käsiteltäisiin (Kuva 1, Figure 1). Oletuksena simulaatiossa käytettiin SAVEa edeltävän Trap-hankkeen tulosten mukaisia huuhtoumavähennyksiä: 50 % hiukkasmaisen fosforin ja 25 % liuenneen fosforin suhteen.
Kuva 1: Vähennys kokonaisfosforin huuhtoumassa (kg/km2) kipsinlevityksen jälkeen verrattuna nykyiseen pelloilta tulevaan huuhtoumaan. (Kuva: Marie Korppoo, SYKE)
Mallinnuksessa otetaan, huomioon ilmastonmuutoksen aiheuttamat lisähaasteet maatalouden vesiensuojelussa: nykytilanteen mukainen skenaario (BAU, business as usual) osoittaa, että fosforihuuhtoutumat uhkaavat kasvaa yhteensä 630 tonniin vuodessa vuosina 2020–2049 (Kuva 2, Figure 2).
Kipsikäsittelyn vaikutusaika fosforihuuhtouman vähentämisessä on ajallisesti rajallinen. Säännöllinen viiden vuoden välein toistettava kipsikäsittely saattaisi laskea vuosittaista kokonaisfosforihuuhtoumaa 450 tonniin vuodessa vuosina 2020–2049. Huuhtouma vähenisi edelleen 400 tonniin vuodessa, jos samanaikaisesti käytössä olisi myös muita maatalouden vesiensuojelukeinoja, kuten tarkennettu lannoitus, talviaikainen kasvipeitteisyys, kerääjäkasvit ja lannan injektointi maahan. Muiden pitkäkestoisempien keinojen käyttö kipsin rinnalla olisi suositeltavaa myös siksi, että yhden kipsikäsittelyn vaikutus on väliaikainen.
Kuva 2: Fosforipäästölähteiden vuosittaiset osuudet vuosina 2012–2019 sekä mallinnuksen tulokset eri skenaarioista vuosina 2020–2049: BAU (business as usual) eli nykyiset vesiensuojelutoimet, kipsikäsittelyn vaikutus maatalouden päästöihin sekä neljännessa pylväässä kipsikäsittely ja muut lisäsuojelutoimet maataloudessa. (Kuva: Marie Korppoo, SYKE)
Sulfaattipitoisuudet jokivesissä
Vuosina 2020–2025 tullaan levittämään arviolta 200 000 tonnia (4 tonnia/ha) kipsiä Saaristomeren valuma-alueen pelloille. Jos koko määrä levitettäisiin yhden vuoden aikana, sulfaattipitoisuudet miltei kaikissa joissa nousisivat yli 50 mg/litra (ylempi kuva 3). Jos levitys jakaantuisi tasaisesti viidelle vuodelle, pitoisuudet pysyisivät pääosin alle 50 mg/litra (alempi kuva 3). Tietyt alueet ovat herkempiä kipsin aiheuttamalle sulfaattipitoisuuden nousulle, erityisesti happamat sulfaattimaat Hirvijoen(29), Mynäjoen(30) ja Laajoen(31) valuma-alueilla sekä Uskelanjoen (25), Halikonjoen(26) and Paimionjoen (27) yläjuoksujen valuma-alueilla. Näillä aluilla tulisi seurata jokiveden sulfaattipitoisuuksia ja tutkia mahdollisia vaikutuksia taimenen kutuun.
Kuva 3: Mallinnuksen tulokset sulfaattipitoisuuksien noususta (mg/L) oletuksella, että kaikki alueen pellot kipsikäsiteltäisiin samana vuonna (ylempi kuva) ja tulokset oletuksella, että kipsinlevitys jakaantuisi tasaisesti viidelle vuodelle (alempi kuva). Tulokset kertovat keskimääräisen vuosittaisen maksimipitoisuuden kymmenen vuoden periodilla kipsikäsittelyn jälkeen. Kartassa olevat luvut viittaavat jokien valuma-alueisiin; (Kiskonjoki-24, Uskelanjoki-25, Halikonjoki-26, Paimionjoki-27, Aurajoki-28, Hirvijoki-29, Mynäjoki-30, Laajoki-31 ja rannikkoalueet-82). (Kuvat: Marie Korppoo, SYKE)
Alkuperäinen englanninkielinen teksti kuvineen:
Effect of large-scale gypsum amendment on the phosphorus losses and riverine sulfate concentrations in the Archipelago Sea catchment
Marie Korppoo and Markus Huttunen, Suomen ympäristökeskus (SYKE)
Gypsum amendment of agricultural fields decreases phosphorus (P) losses. The application of gypsum will lead to a reduction of annual total phosphorus losses on average by 46 kg/km2, over the agricultural areas of the Archipelago Sea catchment. This reduction in agricultural loading would lead to a total phosphorus loading of 455 t/y P (Figure 2) from the Archipelago Sea to the Baltic Sea, almost reaching the total TP loading target for the Archipelago Sea of 450 t/y P (Suomen meriympäristön tila 2018). However, sulfate released due to gypsum dissolution could pose a problem for the freshwater ecosystem. If all eligible agricultural fields are amended with gypsum in the same year, it would cause an increase of sulfate concentrations in the freshwater ecosystem that could harm fish and mussel populations. The harmful sulfate concentrations for various populations is still unclear. Therefore, sulfate concentrations in the river were grouped under 4 classes (0-25mg/L; 25-50mg/L; 50-100mg/L and above 100 mg/L) for visual presentation of the water quality (Figure 4a &4b). The maximum sulfate concentrations after gypsum application would be above 50 mg/L in most rivers/streams in the Archipelago Sea catchment. To investigate the benefits and restrictions of the gypsum application we used the nutrient loading model VEMALA (Huttunen et al., 2016) by simulating total phosphorus and sulfate concentrations and loads in the river network of the Archipelago Sea catchment (11250km2).
Total Phosphorus loading reduction after gypsum amendment
To simulate the effect of gypsum treatment, we assume a reduction of the losses by 50% for particulate P and 25% for dissolved P from agricultural fields to the rivers. These reduction percentages are based on an earlier catchment-scale pilot (the TraP project). The treatment is assumed to be repeated so that the reduction level will be maintained. On average, the reduction in annual total phosphorus loss is 46 kg/km2 over the agricultural areas in the catchment of the Archipelago Sea (Figure 1).
Figure 1: Total phosphorus loading reduction (kg/km2) after gypsum amendment compared to current loading from agricultural fields. (Marie Korppoo, SYKE)
Regular application of gypsum treatment could reduce TP (total phosphorus) loads to the target loading level in 2020–2049 (450 t/y P, Suomen meriympäristön tila 2018, Figure 2). However, the application of other agricultural mitigation measures, such as advanced fertilization, maximum acreage of winter vegetation cover, catch crops and manure injection beside the gypsum treatment would further decrease TP loading (400 t/y P). The gypsum treatment will provide rapid results but will only last for a maximum of 5 years, thus regular re-treatments will be required. In other words, other methods to reduce the loading more permanently should also be applied concurrently. This is especially true as the continuation of current practices (BAU) in agriculture will increase TP loading from the Archipelago Sea catchment from 520 t/y P to 630 t/y P over the period 2020–2049 due to change in climate (Figure 2).
Figure 2: Source apportionment of the annual TP loading to the Archipelago Sea in 2012-2019 and 2020-2049 assuming present measures (BAU), gypsum treatment and gypsum treatment/amendment together with other agricultural mitigation measures in the climate change scenario MOHC-HadGEM2-ES RCP 4.5. 1) BAU: agriculture will continue as is and other sources of pressure will remain at the current level. 2) gypsum treatment: gypsum amendment is carried out in all eligible fields. 3) agricultural measures: in addition to gypsum treatment, advanced fertilisation, maximum amount of winter vegetation cover, catch crops and manure injection will be introduced. (Marie Korppoo, SYKE)
Sulfate concentrations in the river network
In 2020–2025, some 200 000 tons of gypsum will be spread on agricultural fields (4 t/ha) to reduce phosphorus losses in southwestern Finland (KIPSI project run by the ELY Centre of Varsinais-Suomi). If all the eligible fields were amended with gypsum in the same year, the maximum annual sulfate concentrations would exceed 50 mg/L over most of the river network (Figure 3a). However, if the application is partitioned over 5 years, the sulfate concentration will mostly be below 50 mg/L (Figure 3b). Certain areas show more vulnerability to gypsum treatment, especially the acid sulfate soil areas in Hirvijoki (29), Mynäjoki (30) and Laajoki (31) and upstream catchments of Uskelanjoki (25), Halikonjoki (26) and Paimionjoki (27). These areas should be analysed regarding trout spawning and sulfate toxicity limits to better understand the sulfate sensitive areas within the Archipelago Sea catchment area.
Figure 3 : 10-year average maximum annual sulfate concentration (mg/L) per stretch of river simulated by VEMALA following gypsum treatment, if all eligible fields are amended the same year (a) and if all eligible fields are treated over a period of 5 years (b). The numbers refer to the river basin numbers (Kiskonjoki-24, Uskelanjoki-25, Halikonjoki-26, Paimionjoki-27, Aurajoki-28, Hirvijoki-29, Mynäjoki-30, Laajoki-31 and coastal areas-82). (Marie Korppoo, SYKE)
Reference:
Huttunen, I., Huttunen, M., Piirainen, V., Korppoo, M., Lepistö, A., Räike, A., Tattari, S., Vehviläinen, B., 2016. A national scale nutrient loading model for Finnish watersheds – VEMALA. Environ. Modell. Assess. 21 (1), 83–109. http://dx.doi.org/10.1007/s10666-015-9470-6
Suomen meriympäristön tila 2018. Samuli Korpinen, Maria Laamanen, Janne Suomela, Pekka Paavilainen, Titta Lahtinen ja Jan Ekebom (toim.). Syken Julkaisuja 4. http://hdl.handle.net/10138/274086
Kiitokset alueen viljelijöille ja kaikille muille yhteistyökumppaneille. Kuva: Janne Artell
Tulosten mukaan pilottiviljelijät suhtautuivat kipsikäsittelyyn pääosin myönteisesti. Menetelmän kustannukset osoittautuivat alhaisiksi verrattuna nykyisiin käytössä oleviin maatalouden vesiensuojelukeinoihin. Kipsiä voitaisiin levittää 0,5 miljoonalle peltohehtaarille Etelä-Suomessa. Kipsikäsittely saattaisi vähentää merkittävästi maatalouden fosforipäästöjä koko Itämeren tasolla ja mahdollistaa HELCOMin päästövähennystavoitteiden toteutumisen, jos sitä käytettäisiin laajamittaisesti kaikille Itämeren valuma-alueen soveltuville savipelloille.
Artikkeli on luettavissa kokonaisuudessaan täällä.
Alkuvuodesta vertaisarvioitiin on menossa artikkeli SAVEn ekotoksikologisista tutkimuksista eli kipsin vaikutuksista jokieliöstöön. Tekeillä on myös artikkeli kipsin vaikutuksista ravinnehuuhtoumaan ja peltoihin.
Kuinka mahdollisimman laaja-alainen Saaristomeren valuma-alueen peltojen kipsikäsittely vaikuttaisi rannikkovesien tilaan? Tutkijat Harri Kuosa ja Janne Ropponen Suomen ympäristökeskuksesta (SYKE) kertovat mallinnuksensa tuloksista.
Nyt kun kipsin levityksessä on päästy entistä laaja-alaisempiin tositoimiin Varsinais-Suomessa, niin mallintajille on esitetty otsikon kysymys: parantaako kipsi tosiaan Saaristomeren vedenlaatua. Malleilla ei pystytä ennustamaan tarkkaan tulevaisuutta, mutta voimme antaa todennäköisimmän kehityssuunnan – kuinka todennäköisen, riippuu mallien kyvystä ottaa huomioon muuttuvat olosuhteet.
Kipsin levityksen vaikutuksia Saaristomerellä selvitettiin mallintamalla valuma-alueilta tulevan fosforikuormituksen vähennyksen aiheuttamia muutoksia rannikon levämäärään. Työkaluna käytettiin viranomais- ja tutkimuskäytössä olevaa rannikon kokonaiskuormitusmallia, jonka avulla voidaan tarkastella rannikon vedenlaadun muutoksia kuormitusten muuttuessa. Levämäärähän on rannikollamme tärkein pintaveden tilan ilmentäjä ja sitä seurataan tarkasti.
Levämäärä on tärkein pintaveden tilan ilmentäjä rannikollamme. Kuva:Riku Lumiaro
Kokonaiskuormitusmalli
Rannikon kokonaiskuormitusmallia on kehitetty vuodesta 2013 ympäristöministeriön ja Suomen ympäristökeskuksen rahoituksella. Syy mallinnuksen tarpeeseen on ilmeinen; vesien- ja merensuojelutoimenpiteiden tehokkuutta on vaikea arvioida ilman näkemystä kaikkien kuormituslähteiden suhteellisista osuuksista eri rannikkoalueilla. Erityisesti Itämeren ulapalta rannikkoalueellemme tulevien ravinteiden vaikutus on ollut epäselvää.
Myös FICOS-nimellä (Finnish Coastal Nutrient Load Model) tunnettu järjestelmä yhdistää useiden eri mallien tuloksia ja kuormitustietoa kattavan vedenlaatukuvan saamiseksi rannikolta. Mallissa on mukana Vemala-järjestelmän tuottama valuma-aluekuormitus, pistekuormitukset, pohjasedimentistä vapautuva sisäinen ravinnekuormitus, ilmalaskeuma ja ulapan vedenvaihdon aiheuttama taustakuormitus. Ravinteet kulkeutuvat mallinnettujen kolmiulotteisten virtauskenttien kuljettamina ja vaikuttavat leväbiomassan (typpeä sitovat sinilevät ja muut levät), a-klorofyllin (kasviplanktonin kokonaismäärä) sekä fosfori- ja typpipitoisuuksien kehitykseen. Kuormituksen leviämisen pohjalla olevan virtausmallinnus tehdään yhteistyössä Ilmatieteen laitoksen kanssa. FICOS kattaa tällä hetkellä Suomenlahden, Saaristomeren ja Selkämeren rannikkovyöhykkeet ja ulottuu kattamaan myös Merenkurkun ja Pohjanlahden vuoteen 2023 mennessä.
’Kipsiskenaario’
Haimme mallinnuksen avulla kipsin levityksen suurinta saatavilla olevaa hyötyä. ’Kipsiskenaariossa’ on siten otettu mukaan kaikki käsittelyyn sopivat pellot ja käsittely on uusittu aina tarvittaessa. Saaristomeren vedenlaadun muutoksiin pelloille levitettävän kipsin ansiosta päästään käsiksi laskemalla valuma-alueilta tulevan ravinnekuormituksen muutokset Vemala-työkalulla, ja liittämällä tulokset Saaristomeren kokonaiskuormitusmallin syöttötiedoksi. ’Kipsiskenaarion’ teho on arvioitu laskemalla alueittain kipsiskenaarion ja ns. perustilan erotus. Perustilassa kuormitussyötteinä käytetään realistisia kuormituksia normaalitilanteessa ilman kipsikäsittelyä. Kipsikäsittelyn vaikutus Saaristomeren vedenlaatuun on arvioitu leväkasvun prosenttimääräisenä muutoksena yhden merimailin hilassa eli ruudukossa.
Mitä havaitsimme?
FICOS-malli tuottaa ravinteiden ja leväbiomassan määrän sekä kulkeutumisen merialueilla jokaiselle vuoden päivälle. FICOS käyttää syöttötietoinaan oikeaa havaittua Saaristomeren alueen säätietoa vuosilta 2006–2013. Yksittäisten ajanjaksojen tulokset ovat jo erilaisten vuosien vaihtelun seurauksena hyvin erilaisia jopa ilman mitään kuormitusmuutoksia. Siksi toimenpiteiden vaikutuksia tutkittaessa on järkevää tarkastella usean vuoden pidemmän jakson keskiarvoja.
Mallilaskennalla saadaan tarkasteltua yksityiskohtaisesti levien biomassojen ja alueellisten fosfori- ja typpiravinnesuhteiden alueellisia ja ajallisia muutoksia. Nyt keskityttiin kuitenkin vain yhteen rannikon tilan laatutekijään, a-klorofylliin eli lehtivihreällisten planktonlevien määrään. Mallin tuloksia on tiivistetty alla oleviin kuviimme kevään ja keskikesän levämäärän muutoksista. Kipsikäsittelyn myötä poistuvan fosforin vaikutus näkyy parhaiten luonnollisesti sisäsaaristossa lähellä rannikkoa jokien vaikutusalueella. Positiiviset vedenlaatuvaikutukset ovat väli- ja ulkosaaristossa melko vähäiset. Lisäksi jokivesien ollessa kyseessä vuodenaika vaikuttaa lopputulokseen. Keväällä vaikutus on laajempi ja voimakkaampi kuin kesällä. Kesällä havaitaan jopa muutosta huonompaan suuntaan. Se johtuu Itämeren ainutlaatuisesta ravinnerajoitteisuudesta, jossa kesän aikana molemmat levien käyttämät pääravinteet, typpi ja fosfori, kulutetaan loppuun. Kun poistetaan enimmäkseen fosforia, niin jokisuiden levätuotanto vähenee ja typpi kulkeutuu kauemmas. Typpi kulutetaan vesimassan kohdatessa käyttökelpoisen fosforin kuormituksen, jonka lähde Saaristomerellä on erityisesti pohjasta tulevan sisäisen kuormituksen alueet.
Levämäärän (a-klorofyllin) pitoisuuden muutoksen arvio (prosentteina nykytilasta) pitkän ajan keskiarvona keväällä ja keskikesällä. Mallinnuksessa on käytetty vuosien 2006–2013 mitattuja säähavaintoja, joita on käytetty vuosien 2022–2029 kipsikäsittelyn kuormitusmuutosten vaikutusten arvioon. Historiallisia säätietoja joudutaan käyttämään, sillä tulevien vuosien säätä ei pystytä ennustamaan. (Kuvat: tutkija Elina Miettunen, SYKE)
Mitä opimme?
Kuten eräässä länsimaisen kulttuurin tärkeimmistä taideteoksista todetaan ’Kukaan ei ole täydellinen (Well, nobody’s perfect)’. Tässä saman voi sanoa ainakin kahdesta seikasta: kipsikäsittelystä ja mallista. Mallinnustulosten perusteella peltojen kipsikäsittelyllä on saavutettavissa nopeita positiivisia vaikutuksia vedenlaatuun Saaristomeren sisäsaaristossa. Kauempana mahdolliset vaikutukset nähdään vasta pidemmällä aikaskaalalla, sillä siellä vaikuttavat enemmän avomereltä tuleva ravinnevarasto ja vuosikymmenien saatossa kertynyt sisäinen kuormitus. Vuodenaika vaikuttaa näkemykseen ratkaisevasti. Malli ei kuitenkaan ota vielä huomioon kumulatiivista, jopa vuosikymmenien aikana tapahtuvaa vaikutusta esimerkiksi Saaristomeren sisäisen kuormituksen varaston muutoksissa, joten pitkäaikainen vaikutus Saaristomeren vedenlaatuun voi ulottua paljon kauemmaksikin rannikosta. Kevään levätuotannon, pohjan happitilanteen ja sisäisen kuormituksen yhteyttä selvitetään ympäristöministeriön rahoittamassa MaaMeri-hankkeessa, jota SYKE koordinoi. Yhtenä tutkittavana seikkana on Saaristomeren sisäisen kuormituksen dynamiikka ja alueellinen tarkennus. Saamme MaaMeri-hankkeesta hyvin paljon tietoa, jolla voimme edelleen kehittää malliamme. Nyt saamamme mallinnuksen tulokset eivät ehkä yksinkertaistaneet asioita, mutta voivat olla keskustelun pohjana.
Johtava tutkija Harri Kuosa ja tutkija Janne Ropponen, Suomen ympäristökeskus (SYKE)
Tutkijatohtori Matti Sihvonen kertoo lokakuussa julkaistusta tutkimuksesta, jossa analysoitiin millaiset ympäristötoimenpiteet ja politiikkakeinot olisivat yhteiskunnan kannalta optimaalisia, kun typen ja fosforin käyttöä maataloudessa tarkastellaan pitkällä aikavälillä huomioiden myös ravinteiden aiheuttamat vesistöhaitat. Tutkimuksessa kipsikäsittely osoittautui optimaaliseksi keinoksi vähentää maatalouden fosforikuormitusta savisilla peltomailla, joilla fosforitila on hyvin korkea.
Huomioiden Itämeren suojelutavoitteet ja niiden saavuttamisen nopeasti sekä kustannustehokkaasti, SAVE-hanke on päätynyt suosittelemaan mahdollisimman laaja-alaista peltojen kipsikäsittelyä koko Varsinais-Suomen alueella.
Peltomaisemaa Varsinais-Suomessa (kuva: Janne Artell).
Tutkimusartikkelimme ”Management of legacy nutrient stores through nitrogen and phosphorus fertilization, catch crops, and gypsum treatment” julkaistiin 15.10.2020 Natural Resource Modeling -tiedejulkaisussa. Tutkimme artikkelissa yksityisen maanviljelijän ja yhteiskunnan kannalta optimaalista typen ja fosforin käyttöä pitkällä aikavälillä, sekä erityisesti politiikkakeinoja, joiden avulla päästään yksityisestä, eli viljelijän optimista yhteiskunnalliseen optimiin. Tarkastelimme myös kahta ympäristötoimenpidettä: kerääjäkasveja typpihuuhtouman ja kipsiä fosforihuuhtouman vähentämiseksi. Valitsimme nämä toimenpiteet, koska molemmat ovat osoittautuneet erittäin lupaaviksi huuhtoumaa vähentäviksi toimenpiteiksi (Aronsson ynnä muut 2016; Kleinman ynnä muut 2019).
Yksityinen optimi määritellään tutkimuksessa siten, että maanviljelijä maksimoi vuosittaisten satojen nettonykyarvon yli pitkän aikahorisontin. Yhteiskunnallinen optimi määritellään samaan tapaan, mutta myös sadon tuotannon vesistövaikutukset, eli typen ja fosforin huuhtouman aiheuttamat ympäristöhaitat huomioidaan. Näistä lähtökohdista on tehty tutkimusta jo vuosikymmeniä, aina Griffinin ja Bromleyn (1982) legendaarisesta artikkelista asti. Mallit ovat kuitenkin usein olleet staattisia, eli ne eivät ole ottaneet huomioon ajassa tapahtuvia muutoksia ravinnetilassa, jolloin pitkän aikavälin tarkastelu on jäänyt vähemmälle. Tutkimuksemme lähtökohtana olikin kehittää bioekonominen malli, jossa huomioidaan maaperän fosforin ja typen dynamiikka, eli maaperän ravinnevarantojen vuotuinen muutos lannoituspäätösten sekä satopoistuman funktiona, sekä molempien ravinteiden huuhtoumat. Keskityimme analyysissa ensisijaisesti optimaalisen politiikkainstrumentin, vero/tuki-kehikon tarkasteluun.
Analyysi eteni niin, että ensin määritimme yhteiskunnan ja yksityisen viljelijän kannalta optimaaliset vuosittaiset lannoitteiden ja ympäristötoimenpiteiden (kipsi ja kerääjäkasvit) tasot. Tämän jälkeen lisäsimme yksityisen viljelijän optimointiongelmaan (eli viljelijän pyrkiessä parhaaseen mahdolliseen tuottoon) verot lannoitteille ja tuet kerääjäkasville ja kipsille. Verojen ja tukien optimaaliset tasot määritettiin siten, että ne johtivat yhteiskunnan kannalta optimaaliseen tilanteeseen. Täten verot ja tuet ottivat huomioon maaperän ravinnevarannot, jotka ovat sadon kannalta hyödyllisiä, mutta toisaalta voivat aiheuttaa myös ulkoisvaikutuksia lisääntyneet ravinnehuuhtouman muodossa.
Seuraavaksi kiinnostuneille hieman tarkemmin, mitä analyysissä huomioitiin: Sato on siis (vähenevästi) maaperän typpi- ja fosforivarantojen nouseva funktio. Samalla kuitenkin myös ravinnehuuhtoumat ovat ravinnevarantojen (kasvavasti) nousevia funktioita. Niin ikään lannoituksen avulla saama sadon lisäys on maaperän ravinnevarantojen laskeva funktio, ja maaperän ravinnevarannon ollessa kasvin ravinteiden saannin kannalta riittävänä korkea, ei lisälannoittaminen ole taloudellisesti järkevää. Täten on syytä huomioida, että agronominen optimi on eri kuin taloudellinen optimi, jossa huomioidaan myös lannoitteiden hinnat. Edelleen, optimi muuttuu, kun ravinnehuuhtoumille annetaan hinnat, eli huomioidaan tuotannon ulkoisvaikutukset.
Vero/tuki, joka huomioi maaperän ravinnevarannon vaikutukset, on dynaaminen, eli muuttuu vuosittain varannon muuttuessa satopoistuman ja lannoituksen vaikutuksesta. Tämän kaltainen instrumentti on suhteellisen monimutkainen, ja käytännössä hallinnollisesti hankala. Se antaa kuitenkin meille eräänlaisen vertailutason, jota vasten voimme vertailla yksinkertaisempia politiikkainstrumentteja. Tarkemmin ilmaistuna, yksinkertaiset, staattiset, eli ajassa tapahtuvia muutoksia huomioimattomat instrumentit eivät johda yhteiskunnalliseen optimiin, eli niistä aiheutuu yhteiskunnallista hyvinvointitappiota verrattuna parhaaseen mahdolliseen tilanteeseen, jossa huomioidaan sekä viljelijän saamat hyödyt, että tuotannosta aiheutuvat ympäristöhaitat. Vertailutason avulla voimme arvioida, kuinka suuri tämä hyvinvointitappio on. Lisäksi, tarvitsemme jonkin lähtökohdan, jonka pohjalta yksinkertaiset ja staattiset verot/tuet johdetaan. Mikä olisi hyvä staattisen veron taso, jos tarkastelemme pitkän aikavälin ravinteiden käyttöä, jolloin maaperän ravinnedynamiikalla on oleellinen merkitys? Yksi suoraviivainen strategia tämän tason määrittämiseksi, on turvautua dynaamisen instrumentin tasapainotasoon. Eli, dynaamisen optimoinnin avulla määritetyt ravinnevarantojen, lannoitepanosten, ja ympäristötoimenpiteiden, sekä verojen/tukien optimaaliset urat konvergoituvat kohti tasapainoa (steady state), jossa optimaaliset tasot pysyvät samoina vuodesta toiseen. Voimme käyttää näitä tasapainotasoja staattisina, suhteellisen yksinkertaisina veroina ja tukina koko aikahorisontin ajan. Tällöin on selvää, että hyvinvointitappiota syntyy niiltä vuosilta, kun systeemi ei ole tasapainossaan. Tappiota syntyy erityisesti, jos alkuperäiset ravinnevarannot (legacy nutrient stores) ovat hyvin kaukana optimaalisesta tasapainotilastaan.
Tulostemme mukaan kerääjäkasvi on hyvä pitkän aikavälin keino typpihuuhtouman vähentämiseksi. Kipsi puolestaan osoittautui optimaaliseksi fosforihuuhtouman vähennyskeinoksi mailla, joilla alkuperäinen fosforivaranto oli hyvin korkea. Tämä tulos tukee Ihon ja Laukkasen (2012) saamaa tulosta. Määrittämämme maan fosforitilan eli viljavuusanalyysin niin sanotun P-luvun kynnysarvo, jota korkeammille arvoilla kipsin käyttö oli optimaalista, oli 16 mg/l savimailla ja 32 mg/l karkeilla mailla. Jos maaperän P-luku oli tätä kynnysarvoa alhaisempi, oli taloudellisesti optimaalista vähentää fosforihuuhtoumaa vähentämällä fosforilannoitteen käyttöä.
Kipsillä oli itseasiassa suuri merkitys epäoptimaalisten politiikkainstrumenttien käytöstä aiheutuvien yhteiskunnallisten tappioiden vähentämisessä. Ilman tukea kipsille, staattiset vero/tuki-kehikot johtivat merkittäviin hyvinvointitappioihin mailla, joissa ravinteiden pidätyskyky oli korkea (savimaat) ja maaperän alkuperäinen fosforivaranto oli hyvin suuri ja joilla kipsin vaikutus huuhtouman vähentämisessä olisi merkittävä. Täten, jos käytämme staattista systeemin tasapainoon perustuvaa vero/tuki-kehikkoa, jossa kipsin käyttöä tuetaan niinä vuosina, kun maaperän fosforivaranto on tietyn raja-arvon yläpuolella, yhteiskunnallinen hyvinvointitappio on lähes nolla ja ollaan hyvin lähellä optimia.
Tulostemme mukaanmyös maaperätyypillä on suuri merkitys optimaalisen lannoitteiden käytön ja ympäristötoimenpiteiden kannalta. Erityisesti maaperän kyky pidättää ravinteita on oleellista tässä suhteessa. Kuitenkin, epäoptimaalisesta politiikkainstrumentista aiheutuvan hyvinvointitappion kannalta maaperätyypillä oli vähäinen vaikutus. Tämä johtui siitä, että typpi- ja fosforilannoitteiden käyttö optimointiin yhtaikaisesti. Tulostemme mukaan ravinteet pystyvät jonkin verran korvaamaan toisiaan sadon tuotannossa toisen ravinteen tullessa suhteellisesti kalliimmaksi. Tässä tarkoitetaan siis sitä, että koska taloudellisessa optimissa kumpaakaan ravinnetta ei käytetä kasvin kannalta maksimaalista määrää, niin jos toisen ravinteen suhteellinen hinta nousee, niin voidaan lisätä toisen ravinteen käyttöä, jolloin hinnan muutoksen vaikutus satoon on vähäinen. On kuitenkin selvää, että ravinteet eivät ole substituutteja toisilleen agronomisessa mielessä, vaan viljelykasvi tarvitsee molempia ravinteita. Lisäksi on selvää, että maaperästä saatavat ravinteet ja vuosittain annetut ravinteet eivät ole täydellisiä substituutteja, koska vuosittain annettu lannoite on helpommin kasvin käytettävissä kuin ravinne jota vapautuu maasta, vaikkakin maaperän ravinnevarannoilla on suuri vaikutus vuosittaisiin optimaalisiin lannoituspäätöksiin. Tärkein tuloksemme onkin, että maaperän ravinnedynamiikkaa, eli ajassa tapahtuvien maaperän ravinnevarantojen muutosten vaikutusta ei sovi sivuuttaa, kun yritetään kehittää kestäviä ratkaisuja maatalouden ravinteiden käytön edistämiseksi.
Tutkijatohtori Matti Sihvonen, Helsingin yliopisto
Lähteet:
Aronsson, H., Hansen, E. M., Thomsen, I. K., Liu, J., Øgaard, A. F., Känkänen, H., & Ulén, B. (2016). The ability of cover crops to reduce nitrogen and phosphorus losses from arable land in southern Scandinavia and Finland. Journal of Soil and Water Conservation, 71, 41–55
Griffin, R. C., & Bromley, D. W. (1982). Agricultural runoff as a nonpoint externality: A theoretical development. American Journal of Agricultural Economics, 64, 547–552
Iho, A., & Laukkanen, M. (2012). Precision phosphorus management and agricultural phosphorus loading. Ecological Economics, 77, 91–102
Kleinman, P. J. A., Fanelli, R. M., Hirsch, R. M., Buda, A. R., Easton, Z. M., Wainger, L. A., … Shenk, G. W. (2019). Phosphorus and the Chesapeake Bay: Lingering issues and emerging concerns for agriculture. Journal of Environmental Quality, 48(5), 1191–1203
Lambert, D. M., Lowenberg‐DeBoer, J., & Malzer, G. (2007). Managing phosphorus soil dynamics over space and time. Agricultural Economics, 37, 43–53
Thomas, A. (2003). A dynamic model of on‐farm integrated nitrogen management. European Journal of Agricultural Economics, 30(4), 439–460
Watkins, K. B., Y‐c., Lu, W‐y., Huang (1998). Economic and environmental feasibility of variable rate nitrogen fertilizer application with carryover effects. Journal of Agriculture and Resource Economics, 23(2), 401–426
