Avainsana: Sulfaatti

Julkaistu

Laajamittaisen peltojen kipsikäsittelyn vaikutus fosforihuuhtoumiin ja jokien sulfaattipitoisuuksiin

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

  • https://www.syke.fi/en-US/Research__Development/Water/Models_and_tools/Models_for_river_basin_management_planning/A_water_quality_and_nutrient_load_model_system_for_Finnish_watersheds_VEMALA
  • ymparisto.fi/kipsinlevitys
Julkaistu

Arvio peltojen kipsikäsittelyn vaikutuksesta Paimionjoen patoaltaiden sulfaattipitoisuuteen on ilmestynyt

Varsinais-Suomessa toteutettava KIPSI-hanke, jonka tavoitteena on toteuttaa laajamittainen peltojen kipsikäsittely Saaristomeren valuma-alueella, tilasi Suomen ympäristökeskukselta (SYKE) selvityksen Paimionjoen patoaltaiden odotettavissa olevista sulfaattipitoisuuksista ja kohonneen sulfaattipitoisuuden vaikutuksesta patoaltaiden tilaan. Nyt aiheesta on ilmestynyt SYKEn erikoistutkija Petri Ekholmin selvitys.

Selvityksen yhteenveto ja suositukset ovat seuraavat:

Sulfaattipitoisuudet Juntolan ja Askalan patoaltaissa jäivät maltillisiksi kipsin levityksen jälkeisen voimakkaan nousun jälkeen. Koska patoaltaat ovat matalia, veden voimakas kerrostuminen on niissä epätodennäköistä. Tämän perusteella vaikuttaa epätodennäköiseltä, että kipsikäsittely alueella lisäisi fosforin vapautumista patoaltaiden pohjalla.

Täysin ei kuitenkaan voida poissulkea sitä mahdollisuutta, että kesällä veden viipymän ollessa pitkä ja lämpötilan korkea, pohja-aineksesta vapautuisi fosforia yläpuoliseen veteen. Tämän vuoksi asiaa olisi hyvä selvittää jatkossa esimerkiksi laboratoriossa tehtävällä inkubointikokeella, jossa tutkittaisiin sedimentin mineralisaatioprosessien herkkyyttä sulfaatille sekä seuraamalla vedenlaatua kesäisin kuivaan aikaan.

Selvityksessä aiheesta, tutkimuksesta ja sen taustasta tarkemmin täällä.

Kuva 1. Paimionjoen ja sen patoaltaiden valuma-alueet (Juha Riihimäki, SYKE).
Julkaistu

Sulfaattikuormitus ja vesiensuojelu

SAVEssa on tutkittu kipsin sisältämän sulfaatin merkitystä mm. virtavesieliöstöön, happamiin  sulfaattimaihin ja luonnonvesien rehevöitymiseen liittyen. Mereen päätyessään sulfaatista ei ole haittaa, sillä merivedessä sitä on luontaisesti paljon. SAVE-hankkeessa kipsinlevitykselle soveltuvasta peltoalasta on rajattu pois ne valuma-alueet, joilta vedet laskevat järviin.

Sulfaatti ja vesistöt on aiheena kuitenkin huomattavasti laajempi ja koskettaa monia toimialoja maa- ja metsätaloudesta teollisuuteen, kaivoksiin ja vesihuoltoon.

Elokuun lopulla on ilmestynyt Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) ja Aalto-yliopiston yhteistyönä tehty tutkimusartikkeli sulfaattikuormituksesta ja sen merkityksestä laajemmin vesiensuojelussa ja koko Suomen mittakaavassa.

Tutkimuksen vetäjä Petri Ekholm toimii tutkijana myös SAVEssa ja muissa meneillään olevissa kipsihankkeissa, samoin kuin mukana olevat tutkijat Jouni Lehtoranta ja Juha Riihimäki.

”Koko Suomen kattavan tutkimuksen mukaan vesistöihimme päätyy sulfaattia noin miljoona tonnia vuodessa. Tätä kuormitusta ei ole riittävästi huomioitu vesiensuojelussa. Sulfaatti voi muun muassa kiihdyttää järvien rehevöitymistä. Sulfaattia päätyy vesiin fossiilisista polttoaineista, kemikaaleista, maaperästä ja lannoitteista. Kaikilla sulfaattikuormittajilla ei ole velvoitetta seurata päästöjään ja seurantaa tulisikin laajentaa.”

Lisää aiheesta Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) sivulla.

Julkaistu

Ovatko sateet huuhtoneet kipsin vaikutuksen Savijoella?

Petri Ekholm
Erikoistutkija
SYKE
+358 2952 51102
petri.ekholm (a) ymparisto.fi

Syksyllä 2016 levitetyn kipsin tehoa on nyt runsaan kolmen vuoden aikana koeteltu poikkeuksellisen kuivilla ja varsinkin viime aikoina erittäin märillä keleillä – kaiken kaikkiaan kuitenkin sellaisissa oloissa, jotka vastaavat muuttunutta ilmastoamme. Kipsin levityksen jälkeen Savijoessa on virrannut vesimäärä, joka vastaa valuma-alueelle tasaisesti levitettynä 90 cm vesipatjaa. Onko kipsi huuhtoutunut vesimassan mukana ja miten on kestänyt sen fosforikuormitusta vähentävä vaikutus?

Säiden ääripäät: Kuvissa näkyy mittapato vähäisen virtaaman aikana kesällä 17.6.2019 sekä viime viikon maanantaina 10.2. (Kuvat: Matti Jantunen, Lounais-Suomen vesiensuojeluyhdistys)

Vuoden 2019 loppuun mennessä jatkuvatoimiset anturit rekisteröivät 30865 tunnittaista vedenlaatuhavaintoa niin yläjuoksun vertailualueella (Mittapato) kuin ylemmällä (Yliskulma) ja alemmalla kipsialueella (Parmaharju). Lisäksi näiltä kolmelta alueelta on otettu 85 laboratoriossa monipuolisesti analysoitua vesinäytettä. Aineiston perusteella Savijoen kuljettamien aineiden määrä on laskettu puolivuosittain ja tulosten perusteella on arvioitu kipsin vaikutusta ja sen mahdollista hiipumista.

Kipsistä on nyt huuhtoutunut Savijokeen noin 40 prosenttia, lopun ollessa edelleen pelloissa, mutta kulkeutuneena syvemmälle maaprofiilissa. TraP-hankkeen aiemmin (2008–2013) Nurmijärven Nummenpäässä toteuttamassa 100 hehtaarin pilotissa kipsistä huuhtoutui vastaavassa ajassa yli 60 prosenttia ja lähes kaikki kipsi huuhtoutui runsaassa viidessä vuodessa (Kuva 1). TraP-hankkeessa kipsi puolitti kiintoaineen ja siihen sitoutuneen fosforin huuhtoutumisen. Seuraavassa arvioin kipsin tehoa Savijoella kahden eri oletuksiin perustuvan laskelman avulla. Kutsutaan näitä vaikkapa pessimistiseksi ja optimiseksi laskelmaksi.

Kuva 1. Valumaveden sulfaattipitoisuuden perusteella arvioitu kipsin huuhtoutuminen pelloilta Savijoella (SAVE-hanke) ja Nummenpäässä (TraP-hanke). (Kuva: Petri Ekholm / SYKE)

Pessimistisen laskelman mukaan kipsi toimi erinomaisesti vähävetisenä syksynä 2016, mutta seuraavana keväänä päästiin enää 20–30 prosentin vähentymään (kuva 2). Syksyllä 2017 oltiin lähes 50 prosentin tasolla, mutta sen jälkeen jäätiin reilusti alle, lukuun ottamatta ehkä ylemmän kipsialueen suoritusta keväällä 2019. Syksyinä 2018 ja 2019 alemman kipsialueen pelloilta huuhtoutui jopa enemmän kiintoainesta ja hiukkasmaista fosforia kuin vertailupelloilta. Pessimistisen laskelman mukaan kipsi siis kyllä toimi, mutta oletuksiamme vaatimattomammin ja lyhyemmän aikaa.

Kuva 2. Pessimistisesti arvioitu vähenemä hiukkasmaisessa fosforissa (kipsikäsiteltyjä peltoja verrattu käsittelemättömiin peltoihin). (Kuva: Petri Ekholm / SYKE)

Optimistisen laskelmankin mukaan kipsin teho on heikentynyt ajan myötä, mutta teho on kuitenkin ollut hyvä, varsinkin ylemmällä kipsialueella (kuva 3). Jopa niin hyvä, että ajoittain on päästy yli 100 prosentin vähennyksiin.

Kuva 3. Optimistisesti arvioitu vähenemä hiukkasmaisessa fosforissa. (Kuva: Petri Ekholm / SYKE)

Miten pessimistinen ja optimistinen laskelma eroavat? Valuma-aluetason tutkimuksissa ei suoraan saada selville muutosta juuri kipsikäsiteltyjen peltojen fosforihuuhtoumassa, sillä vaikka anturit mittaisivat miten tiheästi vedenlaatua, ne kuvaavat kuitenkin vain Savijoen kuljettamaa kokonaisainemäärää. Tämä kokonaisainemäärä koostuu niin kipsikäsiteltyjen ja -käsittelemättömien peltojen kuin metsistä ja muilta alueilta tulevasta kuormituksesta. Pelloilta tuleva kuormitus saatiin vähentämällä joen kuljettamasta kokonaisainemäärästä metsistä ja muilta alueilta tuleva kuormitus muun muassa kirjallisuudesta löytyvien arvioiden perusteella. Pessimistisen ja optimistisen arvion ero löytyykin siitä, miten pelloilta tuleva kuorma on jaettu kipsikäsiteltyjen ja -käsittelemättömien lohkojen välille.

Pessimistinen laskelma olettaa, että kipsikäsitellyt pellot ovat peruskuormittavuudeltaan samanlaisia kuin pellot Savijoen yläosan vertailualueella. Tämä oletus on kuitenkin virheellinen. Kipsiä saaneet pellot ovat nimittäin luonnostaan kuormittavampia kuin vertailualueen pellot. Kipsin levitystä edeltävänä keväänä ylemmän kipsialueen pellot tuottivat 45 prosenttia ja alemman kipsialueen pellot 30 prosenttia suurempia hiukkasmaisen fosforin kuormituksia kuin vertailualueen pellot. Yksi syy eroon lienee se, että kipsialueen pellot ovat kaltevampia, ja siten herkempiä eroosiolle, kuin vertailualueen pellot.

Optimistisessa arviossa on oletettu, että ero vertailualueen ja kipsialueen peltojen välillä on pysynyt suhteessa samansuuruisena ennen ja jälkeen kipsin levityksen. Oletus vaikuttaa loogiselta, mutta senkin täytyy olla virheellinen, sillä yli 100 prosentin vähenemät eivät liene edes kipsillä mahdollisia. Ehkä jätämme pessimistiset ja optimistiset asenteet syrjään ja toteamme realismiin pyrkien, että kipsin todellinen teho on luultavimmin näiden kahden arvion välissä.

Yhteistä edellä esitetyillä kahdella arviolla on se, että kipsin teho vaikuttaa heikentyneen ajan myötä ja että ylemmällä kipsialueella kipsi on toiminut paremmin kuin alemmalla kipsialueella. Ilmeinen selitys tehon heikentymiseen voisi olla kipsin vähittäinen huuhtoutuminen pelloilta. Tosin TraP-hankkeessa tällaista tehon hiipumista kipsin huuhtoutuessa pellolta vesiin ei havaittu. Tehon väheneminen voi olla myös osin näennäistä johtuen viime syksyn poikkeuksellisesta märkyydestä, mikä on voinut alentaa maanesteen ionivahvuutta – kipsikäsittelystä huolimatta – tasolle, jossa maahiukkaset eivät aggregoidu ja eroosio pysyy voimakkaana.

Aiemmissa tutkimuksissa kipsi on vähentänyt myös rehevöitymisen kannalta erityisen ärhäkkään liuenneen fosforin kuormitusta. Savijoella vähenemää havaittiin vain ensimmäisen puolen vuoden aikana kipsin levityksestä. Liuennutta fosforia koskevat arviot ovat tosin hieman epävarmoja, sillä vesianalyysilaboratorion fosforimäärityksissä on paljastunut ongelmia. Fosforin lisäksi kipsi on vähentänyt sekä hiukkasmaisen että liuenneen orgaanisen hiilen huuhtoutumista pelloilta vesiin.

Savijokea seurataan tämän vuoden loppuun ja aineistoa syynätään yhä tarkemmin. Seurannan päätyttyäkään emme kuitenkaan tule esittämään tarkkaa prosenttilukua kipsin vaikutuksesta fosfori- ja hiilikuormitukseen, vaan erilaisiin lähtöoletuksiin perustuvia vaihteluvälejä. Toivottavasti nuo vaihteluvälit ovat kuitenkin kaventuneet nyt esitetystä.

Julkaistu

Älä tule hyvä kakku, tule paha kakku!

Erikoistutkija Jouni Lehtoranta Suomen ympäristökeskuksesta (SYKE) kertoo yhteistyössä Turun ammattikorkeakoulun kanssa tehdyistä kokeista, joissa selvitettiin sulfaatin vaikutusta luonnonvesien rehevöitymiseen. Mereen päätyessään sulfaatista ei ole haittaa, sillä merivedessä sitä on luontaisesti paljon. SAVE-hankkeen arviossa kipsinlevitykselle soveltuvasta peltoalasta on rajattu pois ne valuma-alueet, joilta vedet laskevat järviin.  Jouni kertoo blogissa miksi järvet eivät kestä sulfaattia.

Edellisessä blogijutussani esittelin sulfaatinpelkistyksen vaikutusta raudan ja fosforin kiertoon ja sen aiheuttamaa rehevöitymistä. Kipsinlevitys pelloille voi nostaa sulfaattipitoisuutta vesistöissä. Voisiko siitä aiheutua haittaa järvissä?

Sulfaatin vaikutusten tutkiminen itse vesistöissä on hankalaa, sillä sulfaatti vaikuttaa pohjasedimentin prosesseihin. Haitallisten vaikutusten havaitseminen saattaa kestää vuosia. Kätevämpää on tehdä laboratoriokoe, jossa olosuhteita voidaan säädellä tarkemmin kuin tottelemattomassa luonnonympäristössä.

”Selvittääksemme miten mikrobit kohottavat sedimenttikakkujamme, tapoimme pöpöt reilulla annoksella formaliinia osasta näytteitä. Kakkujen kypsennyslämpötila oli 20 astetta.” (Kuva: Wolf Helmhardt von Hohberg 1695, Frau beim Brotbacken, Deutsche Fotothek, Wikipedia Commons.)

Labrakokkailua Turussa

Kokkailimme siis yhdessä Turun ammattikorkeakoulun insinööriopiskelijoiden ja heidän opettajiensa johdolla sedimenttikakkuja. Kakkureseptimme työkeittiöstä arkeen ja juhlaan oli seuraava: Raaka-aineina jään alta nostettu Turun Maarian altaan pohjasedimentin pintakerros ja saman altaan vesi. Sitten sulfaattia kolmessa eri tasossa: ei lisäystä, 30 mg/L ja 100 mg/L. Halusimme myös virkistää joidenkin koeyksiköiden mikrobitoimintaa sokerilla aivan kuin pullataikinassa. Tosin tavoitteena oli saada bakteerien – ei hiivojen – toiminta piristymään. Lisäksi tylytimme happea hengittäviä mikrobeja poistamalla vedestä happea typpikuplituksella. Selvittääksemme miten mikrobit kohottavat sedimenttikakkujamme, tapoimme pöpöt reilulla annoksella formaliinia osasta näytteitä. Kakkujen kypsennyslämpötila oli 20 astetta ja niitä pidettiin pimeässä. Vaatimaton lämpötila piirakanpaistoon, mutta varsin korkea meikäläisissä vesistöissä.

Tavoitteena rautasulfidikakkuja

Tavoitteenamme oli pilata Maarian altaan hyvä sedimentti sulfaattilisäyksillä. Sedimentissä saattaa olla niukasti ravintoa sulfaatin pelkistäjille ja siksi ruuan riittävyys varmistettiin  sokerilla. Hapettomissa oloissa rautaoksidikakkujen pitäisi pelkistyä ja vapauttaa rautaa ja fosforia veteen. Sulfaattikäsittelyissä tulisi leipoutua rautasulfidikakkuja ja samalla fosforia pitäisi irrota veteen reippaasti. Tavoitteena oli siis havaita, miten hengitykseen käytettävä sulfaatti ja pöpöille tarjottu tuore ravinto aiheuttaisivat eroja monessa eri tekijässä käsittelyjen välillä. Oletuksena oli myös, että kaikissa formaliinilla tapetuissa kakuissa olisi taas varsin hiljaista.

Kokkailuissamme aistinvarainen kolmen tuomarin makustelu ei riittäisi. Nyt oli saatava numeroita veden sulfaatin, sulfidien, liukoisen raudan, fosfaattifosforin, kokonaisfosforin, mangaanin, nitraatin, ammoniumin pitoisuuksista ja vielä pH:n muutoksista niin leivonnan alussa kuin lopussakin. Tähtäimessä oli, että ymmärryksemme sulfaatin ja sokerin vaikutuksesta sedimentistä veteen irtoaviin useisiin aineisiin lisääntyisi.

Sedimenttikakkumme kuukausien kypsyttelyjen jälkeen

Vedessä lilluneet kakkumme muuttuivat mustiksi, joka viittaa rautasulfidien muodostukseen. Hapettomissa oloissa sedimentistä irtosi runsaasti fosforia veteen. Pitoisuus nousi jopa korkeammaksi kuin puhdistamattomassa jätevedessä. Sokeri lisäsi vain hieman fosforin vapautumista, mutta rautaa ja ammoniumia irtosi veteen sokerin avulla reippaasti enemmän. Tapetuissa näytteissä fosforipitoisuus pysyi lähtötasolla tai jopa laski, eli ilman mikrobitoimintaa fosforin vapautumista ei tapahtunut hapettomissakaan oloissa.

Mitä opimme sedimenttikakkujen mittailusta?

Jos Maarian altaan sulfaattipitoisuus nousee, niin fosforin vapautuminen sedimentistä kasvaa. Kokeissa sulfaatin lisäys vähensi myös vedessä tavatun raudan määrää, mutta melko vähän. Sulfaatti siis lisäsi fosforin vapautumista ja samalla vähensi fosforia sitovan raudan määrää vedessä luultavasti rautasulfidien muodostuksen vuoksi. Huonoon suuntaan mentiin, mutta tuliko niin pahaa kakkua kuin toivottiin? No ei tullut. Raudan väheneminen ja fosforin vapautuminen oli varsin maltillista. Sokerinkin lisääminen kasvatti fosforin vapautumista vain hillitysti sedimentistä veteen. Miksi näin kävi?

Vaikuttaa siltä, että Maarian altaan pöpöille itse sedimentissä on jerkkua takana kuin Pitkämäen heitossa aikoinansa. Sedimentissä on siis riittävästi polttoainetta käynnistämään fosforia vapauttavat hapettomat hengitysprosessit aina sulfaatinpelkistykseen saakka. Hapettomissa oloissa altaan sedimentistä irtoaa runsaasti fosforia ilman sulfaatti- tai sokerilisäystäkin. Tosin sokerin lisääminen saattoi kohentaa mikrobien kasvua ja sedimentistä irronnut ekstra fosfori voisi löytyä myös sokerista hyötyneistä pöpöistä.

Merkittävin tekijä vähäisen pahan kakun syntymiseen oli luultavasti se, että altaan sedimentissä on paljon rautaoksideja. Niiden pelkistyminen nosti raudan määrän vedessä hyvin korkeaksi. Kokeessa lisäämämme sulfaatti hengitettiin pois lähes täysin ja silti syntyneet sulfidit riittivät sitomaan vain osan raudasta. Sulfaattimäärämme eivät juuri vaarantaneet raudan kykyä sitoa fosforia, kun olot muuttuivat takaisin hapellisiksi. Mutta olisiko pahaa sulfidikakkua syntynyt enemmän, jos olisimme lisänneet sulfaattia kokeen edetessä? Jaa-a, kyllä näin olisi voinut tapahtua. Luonnossahan sulfaatti ei ehtyisi parissa kuukaudessa kuten kokeessamme.

Lopputulos

Kokeemme toi konkreettisesti esiin sen, että useita ravinteiden kiertoon osallistuvia aineita on otettava huomioon kun tarkastellaan kuormituksen vähentämistoimenpiteiden vaikutuksia vastaanottavassa vesistössä.

Voiko kipsiä nyt laittaa pellolle, vaikka sulfaattipitoisuus nousee vesistöissä? Tulostemme perusteella varsin reipaskaan sulfaattipitoisuuden kasvu Maarian altaassa ei lisää huimasti fosforin vapautumista, kun olosuhteet muuttuvat hapettomiksi. Kokeemme kesti kuitenkin vain pari kuukautta. Huolestuneisuus kohdistuu tässä siihen, että sulfaatti pääsi kokeessa ehtymään  melko nopeasti. Jos sulfaattia tulisi pidempiaikaisesti valuma-alueelta vesistöön  ja mikrobit pelkistäisivät sitä sedimentissä, niin se saattaisi johtaa rautasulfidien muodostukseen ja heikentyneeseen fosforin sidontakykyyn. Pahaa kakkua saattaisi syntyä, vaikkakin hitaasti. Suosittelisin siis edelleen kipsin käyttöä vain sellaisilla valuma-alueilla, joista vedet päätyvät jokien kautta suoraan mereen.

Blogini epilogi

Antaisin reseptille vaikeusasteen 4/5. Toteutus ja valmistuminen syövät resursseja ja aikaa. Kakkukäsittelyissä muodostuva bukee (tolkuton mädän kananmunan haju) karsii amatöörit ja vain karastuneimmat ajautuvat ammattilaisuuteen. Hapettomien olojen kokkailukokemuksista MP:tä ja näkiksii voi kysäistä opiskelijoilta, jotka opettajiensa kanssa toteuttivat kokeen näytteenotosta aina viimeisiin mittauksiin. Sedimenttikokeet vaativat suuren työmäärän. Näytteiden käsittely hapettomuudessa ei myöskään ole ihan yksinkertaista. Näistä vaativista töistä Turun AMK selvisi erinomaisesti ja siitä iso kiitos.

Jouni Lehtoranta
Erikoistutkija, Suomen ympäristökeskus (SYKE)

Julkaistu

Vesistönäytelmässä sulfaatin rikille lankeaa pahiksen rooli

Erikoistutkija Jouni Lehtoranta Suomen ympäristökeskuksesta (SYKE) kuvaa kirjoituksessaan, miten sulfaatti saattaa aiheuttaa rehevöitymistä vesistöissä. Tätä näytelmää lukiessa maallikollekin avautuu, mistä prosessissa on kyse. Sulfaatin vaikutusta luonnonvesien rehevöitymiseen on tutkittu yhteistyössä Turun AMK:n kanssa. Tuloksia kokeesta saadaan syksyllä. Keväällä julkaistussa arviossa kipsinlevitykselle soveltuvasta peltoalasta  on rajattu pois ne valuma-alueet, joilta vedet laskevat järviin.

Olemme Ekholmin Petrin kanssa pohdiskelleet sulfaatin aiheuttamaa rehevöitymistä vuosituhannen alusta saakka. Fosforin kierron kannalta ”mikrobiologinen dissimilatorinen sulfaatin pelkistys” on yksi merkittävimmistä tapahtumista vesistöissä. Työkaverit hauskuuttavat itseään tuon termin käytöllä ja hymyilyttäähän se minuakin. Totuus kuitenkin on, että prosessi tunnetaan heikosti meikäläisissä vesistöissä. Eikä tuo nyt luille kaluttu termi ole, jos se tulee tässä ensimmäistä kertaa esille. Ryhdytään nyt linkittämään sulfaattia fosforiin ja rehevöitymiseen teatterinäytelmän keinoin.

Kytkennät aineiden välillä ovat tietysti monimutkaisia, kuten näiden luonnon prosessien kanssa tahtoo olla. Mutta niin ovat monet näytelmätkin pää- ja sivuhenkilöineen. Hylätään kuitenkin aluksi termit ja rakennetaan sulfaatista näytelmä, jossa aineiden sitoutumiset ja vapautumiset esitetään kihlautumisina, eroina ja uusien kumppanien löytämisinä ja pysyvinä liittoina. Pääosissa ovat happi, rauta, rikki, fosfori ja eloperäinen hiili. Eri näytösten ohjaajat – tilannetajuiset mikrobit – osallistuvat näytökseen vain, kun tietyt reunaehdot näyttämöllä toteutuvat. Näyttelijät ja ohjaajat lavalle ja vedetään esirippu ylös!

Henkilöhahmoja Shakespearen näytelmistä. (Kuva 1800-luvun puolivälistä, tekijä tuntematon. Lähde: Wikipedia Commons)

Ensimmäinen näytös: Rauta-fosforiliitossa kaikki hyvin

Näyttämöllä on ruuhkaksi asti happea ja muutamia eloperäisen aineksen edustajia. Mikrobeista lavalla ovat vain ne, jotka tykkäävät hapesta, jota on runsaasti ympärillä. Timmissä kunnossa olevat hapettuneet ruosteraudat kihlautuvat nopeasti fosforin kanssa ja fosfori ei ole kiinnostunut suuresti levien flirttailusta. Levät eivät siis lisäänny liikaa. Sulfaatit pyörivät näyttämöllä kykenemättöminä turmelemaan raudan ja fosforin solmimia liittoja. Oi onnea!

Toinen näytös: Parisuhde alkaa rakoilla

Näyttämölle saapuu lisää eloperäistä ainesta ja mikrobit poistavat näyttämöltä lopulta kaikki happikaverit. Hapettomaksi muuttuneella näyttämöllä hyväkuntoisesta raudasta kiinnostunut mikrobiporukka heräilee ja alkaa murjoa eloperäisen aineksen avulla rautaa heikompaan kuntoon. Tällaisesta raudasta fosfori ei enää ole kiinnostunut ja fosfori purkaa kihlauksensa raudan kanssa. Voimaton rauta ja siitä eronnut fosfori eivät kykene sitoutumaan toisiinsa lukuun ottamatta muutamaa hassua susiparia, ja rauta ja fosfori vaeltelevat turhautuneina näyttämöllä. Osa fosforista tympääntyy touhuun täysin ja menee kimppaan levien kanssa.

Kolmas näytös: Parisuhdeongelma kärjistyy – rauta löytää uuden kumppanin

Lavalle tunkeutuu vielä lisää eloperäistä ainesta, sopivaa rautaa ei enää ole taottavaksi ja nyt eloperäisen aineksesta kiinnostuvat sulfaattia hyödyntävät mikrobit. Nämä veijarit tuottavat sulfaatista ärhäkkään, raudasta erittäin kiinnostuneen sulfidin. Sulfidi häiriköi, vie raudan vihille, ja pariskunnasta tulee musta, näyttämörakenteisiin hautautuva kiinteä rautasulfidi. Raudan seurustelu sulfidin kanssa on armoton fosforille, sillä rauta, liittouduttuaan sulfidin kanssa, ei kykene fosforiliittoon. Fosfori poistuu kolmantena pyöränä ja on vapaa seurustelemaan muiden kumppanien kanssa. Näytelmän loppu on onneton – fosfori kihlautuu sinilevän kanssa.

Näytelmän opetus

Esityksen ”hyvis” on rauta, tarkemmin ilmaistuna rautaoksidi, joka sitoo fosforin pois levien ulottuvilta. Sulfaatti ja sen sisältämä rikki on taas ”pahis”, joka sitoo raudan, jolloin se ei kykene sitomaan fosforia. Ensimmäinen näytös osoittaa, että sulfaatti on alussa ”harmiton”, mutta tilanne muuttuu ikäväksi, kun mikrobit voivat hyödyntää sitä suurin määrin, jolloin sulfaatin sisältämä rikki aiheuttaa riesaa sen estäessä raudan ja fosforin keskinäisen sitoutumisen.

Jokien sulfaattikuormalla on vähäinen vaikutus meren sulfaattipitoisuuteen, koska merissä sulfaattia on jo luontaisesti. (Kuva: Samuli Puroila)

Sulfaatin lisääminen vesistöön voi siis lisätä rehevöitymistä. Jos systeemi on niukkatuottoinen, niin sulfaatti tuskin aiheuttaa rehevöitymisongelmia – pohjasedimentissä kun ei ole käyttökelpoista eloperäistä ainesta sulfaatinpelkistäjille ja sulfaatti kulkee vesistön läpi. Toisin on rehevien vesistöjen kanssa, joihin sulfaatin lisääminen voi olla hyvinkin haitallista. Sulfaatin pelkistäjäbakteerit viihtyvät hyvin lämpimissä ja rehevissä ympäristöissä. Maataloutemme kuormittamat matalat ja hyvin, koko vesitilavuudeltaan lämpenevät järvemme eivät todellakaan tarvitse sulfaattilisäystä. Tämän vuoksi emme suosittele sulfaattipitoisuutta vesistössä nostavaa kipsin käyttöä kuin sellaisilla valuma-alueilla, joilta vesi kulkeutuu suoraan tai jokia pitkin mereen. Merivedessä sulfaattia riittää luontaisesti eikä lisäsulfaatti juuri vaikuta sulfaattipitoisuuteen.

Tätä aihetta ”sulfaatti ja rehevöityminen” ovat käsitelleet muutkin tasokkaissa tieteellisissä artikkeleissa, ja vieläpä reilusti ennen minua ja Petriä. Mutta jos meidän tekemä heavy-osasto kiinnostaa, niin kannattaa käydä vilkaisemassa artikkeleita AMBIO-tiedelehdestä tai kotimaisesta Vesitalous-sarjasta.

J.K. Tavoittelin tässä Shakespearen loistokkuutta, mutta tällaista pienen pitäjän kömpelöä kesäteatteria tuli. Menköön helteisen heinäkuun piikkiin.

Jouni Lehtoranta
Erikoistutkija, Suomen ympäristökeskus (SYKE)

Julkaistu

Sulfaattiselvityskoe – matka kohti tuntematonta

Sulfaatin vaikutuksesta luonnonvesien rehevöitymiseen kaivataan kipeästi lisää tietoa, sillä esimerkiksi SAVE-hankkeen kipsikäsittelyt ja Paattistenjoen ferrisulfaattikäsittelyt ovat lisänneet jokiveden sulfaattipitoisuuksia. Tuorein tutkimus toteutettiin Turun ammattikorkeakoulun laboratoriossa neljännen vuoden opiskelijoiden yhteistyönä. Tutkimuskohteena oli Turussa sijaitsevan Maarian tekoaltaan vesi ja pohjasedimentti. Syyskuun 2017 aikana järjestetyssä hankkeen infotilaisuudessa loksahtivat opiskelijaryhmän suut auki: mihin tässä oikein ollaan ryhtymässä?

Vuodenajan armoilla

Tammikuun toisena sunnuntaina oli hieman erikoista herätä aikaisin aamulla. Aamu poikkesi paljon tavanomaisesta päivärytmistä, mutta niin sen oli tällä kertaa tarkoituskin. Oli aika valmistautua näytteenottoon, joka polkaisi käyntiin muutaman päivän mittaisen työurakan alkavalle viikolle. Kolmen hengen tiimi kokoontui kampukselle tarkistamaan kaikki laitteet ja apuvälineet mitä näytteenotossa tarvitaan. Kaikki vaikutti olevan kunnossa, joten ei muuta kuin tavarat auton kyytiin ja matkaan kohti Maarian allasta.

Paikan päällä aamuaurinko alkoi jo pilkottaa taivaanrannasta antaen valoa alkavalle työpäivälle. Maarian altaalla kerättiin talteen ravinnepitoista sedimenttiä ja altaan vettä laboratoriokoetta varten. Ennen näytteenottoa oli tarvetta kuitenkin pienelle lihasvoimalle. Syynä oli noin 30 sentin jääkerros, minkä läpi oli päästävä monessa eri kohdassa. Urakkaa hankaloitti myös se tosiasia, että talviaikaan päivänvalolla on rajansa. Oli toimittava ripeästi ja koordinoidusti, jotta saimme näytteenoton onnistumaan. Lyhyet evästauotkin oli pakko porrastaa, jotta valoisa aika ei loppuisi kesken.

Haasteet olivat kuitenkin tällä kertaa vain pomppuja matkassa ja näytteenotto onnistui lähelle toivottua lopputulosta. Alkuillan pimeydessä pakkasimme tavarat ja näytteet autoon ja palasimme takaisin kampukselle. Näytteet saivat vielä odottaa maanantaiaamuun ennen kuin päätyivät varsinaiseen käsittelyyn.

Tutkimus pullotetuilla koeyksiköillä

Koevedestä valmistettiin lasipulloihin yhteensä 14 erilaista koeyksikköä, joista suurimmassa osassa oli lisäksi Maarian altaan pohjasedimenttiä. Eroavaisuuksia lähdettiin toteuttamaan lisäämällä tiettyihin pulloihin sulfaattia ja hiilen lähteenä toimivaa sokeria. Koeyksiköiden kokoamisen jälkeen odotettiin noin vuorokausi ennen ensimmäisiä määrityksiä. Kokeessa tarkoitus oli siis tarkastella lähtö- ja lopputilanteita.

Pintasedimenttiä Maarian altaasta (kuva: Eemeli Huhta/Turun AMK) sekä näytteenottoa koeyksiköistä (kuva: Emilia Suvanto/Turun AMK)

Mikäli suunnitelmissa oli päästä päivän päätteeksi nauttimaan raikkaasta tammikuisesta säästä, olivat ensimmäiset näytteet eri mieltä. Työpäivät venyivät jopa 16 tuntisiksi. Valmistautuminen oli tärkeässä roolissa. Pitkästä päivästä huolen piti etenkin näytteiden suodattaminen, koska koevesi oli hyvin sameaa. Analyysit valmistuivat kuitenkin suhteellisen nopeasti, koska työtaakka oli jaettu. Tittelin aikaa vievimmästä määrityksestä vei ylivoimaisesti sulfaatti, sillä yksi mittaus kesti 20 minuuttia.

Tutkimuksessa haluttiin asettaa myös mikrobitoiminta yhdeksi muuttujaksi. Ensimmäisen näytteenoton jälkeen tietyistä koeyksiköistä pyrittiin formaliinin voimalla poistamaan mikrobiologian vaikutus. Näiden toimenpiteiden jälkeen haluttiin pulloista poistaa lisäksi happi typpikaasulla. Tämän jälkeen pullot korkitettiin ja laitettiin pimeään tekeytymään kahdeksi kuukaudeksija odottamaan lopputilanteen tarkastamista. Tämän kahden kuukauden aikana ainoa toimenpide oli pullojen viikoittainen sekoittaminen.

Suodattaminen tuotti harmaita hiuksia (kuva: Emilia Suvanto/Turun AMK). Koeyksiköiden typettämistä (kuva: Emilia Suvanto/Turun AMK)

Hapettomat olosuhteet uutuutena

Sulfaatin vaikutus fosforin vapautumiseen tulee esille vasta hapettomissa oloissa. Näin ollen toisessa näytteenotossa tämä oli huomioitava myös laboratoriomääritysten osalta. Fokuksessa olikin se, miten laboratoriossa voidaan toimia hapettomasti. Tarvitsisiko koko laboratorio typettää hapettomaksi ja pitäisikö tutkijat varustaa avaruuspuvuin?

Näin järeisiin toimenpiteisiin ei sentään ollut tarvetta ryhtyä. Hapettomien olosuhteiden toimintamalliin lähdettiin hakemaan ratkaisua polyeteeniteltoista. Kyseessä on suljettu systeemi, jonka sisällä olevia olosuhteita, eli tässä tapauksessa happipitoisuutta, on mahdollista kontrolloida. Näiden telttojen rakenteissa oli kiinni neljä hansikasparia, kaksi kummallakin puolen, joten telttailemaan pääsi parhaimmillaan kaksi tutkijaa yhtäaikaisesti. Koeyksiköiden tavoin myös teltoista poistettiin happi typpikaasulla.

Typpiteltoilla työskentelyä (Kuva: Pasi Laaksonen/Turun AMK)

Typpiteltoilla työskentely laittoi käsiltään näppärimmänkin tutkijan kyvyt koetukselle, sillä teltan kömpelöillä hansikkailla jo pelkkä tavaroiden siirtely vaati erityistä tarkkuutta. Etenkin kaikkein pienimmät astiat olivat herkkiä kaatumiselle. Pelisilmä olikin valttia kahden tutkijan työskennellessä samassa teltassa samanaikaisesti. Tutkimuksen aikana haasteilta ei vältytty, esimerkiksi eräs näytepullo kaatui epäonnekkaasti useamman tutkijan toimesta. Kokonaisuus huomioiden telttahaasteesta selviydyttiin kuitenkin ansiokkaasti.

Loppu hyvin, kaikki hyvin

Toisesta määrityskierroksesta povattiin typpitelttojen takia erityisen haasteellista. Etenkin näytteiden suodattamista odotettiin kammoksuen. Suodattaminen sujui kuitenkin melko kivuttomasti, sillä koeyksiköiden vesi oli ensimmäiseen näytteenottoon verrattuna huomattavasti kirkkaampaa. Sen sijaan näytteiden määritykset veivät aikaa suodattamisenkin edestä, joten pitkiltä työpäiviltä ei tälläkään kertaa vältytty. Loppujen lopuksi hanketta voi pitää onnistuneena, erityisesti typpiteltoilla suoritettavat toimenpiteet oli melko hyvin suunniteltu etukäteen ja mutkia matkassa oli vain harvakseltaan.

Seikkailun tuloksista kerrotaan viimeistään loppukesästä. Kokeesta kerrottiin ensimmäisen kerran lyhyesti SAVEn blogissa helmikuussa.

 

Turun ammattikorkeakoulun opiskelijat:

Pasi Laaksonen (prosessi- ja materiaalitekniikka)

Jenni Ståhlberg (bio- ja elintarviketekniikka, sv. laboratoriotekniikka)

Tapio Kankaanpää (energia- ja ympäristötekniikka)

Julkaistu

Voiko sulfaatti vapauttaa joen pohjalta fosforia?

Kipsin levitys Savijoen valuma-alueen pelloille lisäsi jokiveden sulfaattipitoisuutta. Sulfaatin vaikutusta joessa on selvitetty ja selvitetään edelleenkin monin tavoin (mm. vaikutusta kalakantaan, vuollejokisimpukoihin ja niiden toukkiin sekä taimenen mätimuniin).

Turun ammattikorkeakoulussa aloitettiin tammikuussa koe, jossa tutkitaan, voiko kipsin tai paikalliseen Paattistenjokeen lisätyn kemikaalin sulfaatti vapauttaa joen suvantosedimenteistä fosforia.

Koepulloihin lisätään hapen poistamiseksi typpeä, jolloin hapettomat olot saavutetaan nopeammin. Pulloihin lisätään myös orgaanista hiiltä mikrobien ravinnoksi. Kuvat: Emilia Suvanto, Turun ammattikorkeakoulu

Paattistenjoen varrelle sijaitsevasta Maarian altaasta kerättyä pohja-ainesta pidetään hapettomissa oloissa eri sulfaattipitoisuuksissa kahden kuukauden ajan. Pulloihin lisätään eri määriä orgaanista hiiltä mikrobien ravinnoksi. Kokeet tehdään yhteistyössä toisen Raki-hankkeen kanssa (Fosforin saostaminen virtavedestä – pilottihanke Paattistenjoella) ja ne rahoittaa Maa- ja vesitekniikan tuki ry.

”Inkubointi aloitettu”. Kuvat: Emilia Suvanto, Turun ammattikorkeakoulu

Koe auttaa arvioimaan sulfaatin vaikutusta myös Savijoen pohjasedimenttiin ja mahdolliseen fosforin vapautumiseen joen pohjasta.

Tuloksista kerromme myöhemmin!

Julkaistu

Vaikuttaako kipsinlevitys kaloihin?

Suomen ympäristökeskuksen tutkijat Jarno Turunen ja Janne Markkula sähkökalastamassa Savijoella, Liedonperällä lokakuussa 2017.  Kuva: Jukka Rapo, Keksi / Ympäristöministeriö.

SYKEn tutkijat suorittivat lokakuussa sähkökalastuksia Savijoen valuma-alueella. Sähkökalastuksilla pyrittiin saamaan selville onko kipsin levityksellä merkittäviä vaikutuksia Savijoen kalastoon. Kipsin levitys lisää veden sulfaattipitoisuuksia, millä voi korkeina pitoisuuksina olla haitallisia vaikutuksia makean veden kaloihin ja niiden lisääntymiseen. Toisaalta kipsin levitys vähentää maahiukkasten huuhtoutumista vesistöön, mikä voi parantaa virtakutuisten kalojen, kuten taimenen, lisääntymismenestystä. Maahiukkaset voivat joen pohjalle laskeutuessaan tukkia sorapohjia veden virtaukselta, mikä haittaa sorapohjille kutevien kalojen, kuten taimenen, mätimunien kehitystä.

Sähköä Savijokeen

Kalaston selvitys tehtiin sähkökalastamalla, joka on standardimenetelmä virtavesien kalastoselvityksissä ja -tutkimuksissa. Menetelmässä sähkökalastuslaitteella luodaan kalastettavalle alueelle tasavirtasähkökenttä, mikä tainnuttaa kalat (katso menetelmästä kertova video). Sähkökalastajan apuna on haavitsija, joka nappaa taintuneet kalat haaviin. Haavista kalat kipataan vesiastiaan ja pyynnin päätyttyä lajit tunnistetaan ja mitataan. Sähkökalastetun alueen pinta-ala mitataan ja saaliista lasketaan kalalajien tiheyksiä suhteessa alaan. Sähkökalastus ei vaurioita kaloja, joten ne voidaan laskea mittausten ja kalojen virkoamisen jälkeen takaisin veteen.

Sähkökalastaja ja haavitsija yhteistyössä syksyisessä jokimaisemassa. Kuva: Jukka Rapo, Keksi / Ympäristöministeriö.

Sähkökalastus toteutettiin neljässä paikassa Savijoen valuma-alueella: Rynkön koskella, Yliskulman koskialueella, Yliskulman purossa ja Mittapadon koskella. Paikoista oli, Mittapatoa lukuun ottamatta, aiempaa sähkökalastusaineistoa ajalta ennen kipsin levitystä, johon saalista voitiin verrata. Mittapadon paikka taas sijaitsee kipsin levitysalueen ulkopuolella, joten myös sen saalista käytettiin kipsin vaikutusten arviointiin.

Kivisimppu, kivennuoliainen… taimen!

Kuten usein käy, päätti luonto taas tehdä tutkijoiden työstä hankalaa. Koetta edeltävän viikon sateet olivat nostaneet Savijoen veden tulvakorkeuteen eikä ennuste luvannut helpotusta seuraavillekaan viikoille. Homma päätettiin toteuttaa sovittuna päivänä.

Tulvalle eväänsä lotkauttamatta sähkökalastajat tekivät homman suunnitellusti. Saalistakin saatiin, jos kohta suuret maineteot jäivät uupumaan. Saalis koostui valtaosin kivisimpuista ja kivennuoliaisista, joita saatiin kymmenittäin. Taimenista saatiin kaksi havaintoa. Toinen, 31 cm pitkä vonkale, eksyi haaviin Rynkön koskesta ja toinen, 8 cm poikanen, Yliskulman purosta. Verrattuna aiempiin kalastuksiin, olivat kivennuoliaisten tiheydet samalla tasolla ja kivisimppujen jonkin verran korkeammalla syksyllä 2017.

Haaviin saatu kivennuoliainen tutkijan kädellä. Virrottuaan kalat pääsivät takaisin jokeen. Kuva: Jukka Rapo, Keksi / Ympäristöministeriö.

Savijoessa aiemmin tavattuja särkikaloja, kuten turpaa ja töröä, ei saatu saaliiksi. Näiden kalojen tiheydet ovat olleet pieniä myös aiemmissa kalastuksissa, joten puuttuminen saaliista selittynee satunnaisuudella ja hankalilla olosuhteilla. Lisäksi vesi oli jo jäähtynyt noin 8 asteiseksi, joten kyseiset lajit ovat voineet poistua koskialueilta talvehtimaan miedommin virtaaviin suvantoihin.  Kyseisiä lajeja ei myöskään saatu vertailualueena toimivalta Mittapadon paikalta, josta saaliiksi tuli vain kivennuoliaisia.

Taimenten tiheyksissä huomio kiinnittyy Yliskulman puron pieneen tiheyteen (0.6 yksilöä / 100 m2) verrattuna vuoden 2012 tiheyksiin (17 yksilöä / 100 m2). Ero selittynee osittain istutuksilla, joita ei keväällä 2017 tehty. Puroon on istutettu viimeksi 2016 keväällä taimenen vastakuoriutuneita poikasia (8000 kpl), joita ei siis tällä kertaa saatu saaliiksi. Ongelmallista arvion kannalta on myös se, ettei kalastuksia ole tehty viime vuosina. Taimenen poikasten luontainen kuolevuus vaihtelee runsaasti vuosien välillä. Saaliiksi saatu 8 cm poikanen edustaa todennäköisesti 2017 keväällä luonnonkudusta kuoriutuneita poikasia. Sen löytyminen on hyvä merkki ja osoittaa, että purossa on myös luontaista lisääntymistä.

Aiempien syksyjen ja syksyn 2017 (lihavoitu) sähkökalastusten tulokset. Luvut ovat ilmoitettu yksilömäärinä per 100 m2 kalastettua alaa. Tiheydet on laskettu yhden pyynnin perusteella.

Mitä tuloksista voisi päätellä?

Tulva varmasti heikensi kalojen pyydystettävyyttä. Vaikuttaa kuitenkin siltä, että kipsin levitys ei ole vaikuttanut ainakaan haitallisesti tyypillisiin koskikaloihin kuten kivisimppuihin ja kivennuoliaisiin. Taimenen osalta eroa ei Savijoen pääuomassa ole, ja ero Yliskulman puron taimentiheyksissä selittynee istutuksilla, tulvalla ja luontaisilla tekijöillä. Savijoen sulfaattipitoisuudet ovat olleet kipsin levityksen jälkeen keskimäärin 30 mg/l ja hetkellisesti reilu 400 mg/l. Yli 400 mg/l pitoisuuksilla on havaittu lieviä negatiivisia vaikutuksia lohikalojen mädin kehitykseen pitkän ajan altistuskokeissa, mutta hetkellisinä piikkeinä vaikutusta tuskin on.

Vertailualueen saaliin, aiempien sähkökalastusten ja matalien sulfaattipitoisuuksien valossa kipsin levitys ei näytä vaikuttavan merkittävästi kaloihin tai muihinkaan vesieliöihin. Toki vahvemman näytön saamiseksi sähkökalastusseurantaa olisi hyvä jatkaa ensi vuonna. Hankkeessa on lisäksi käynnissä taimenen mädin haudontakoe, joka antaa tärkeää lisävalaistusta kipsin levityksen vaikutuksista taimeneen. SAVE-hanke ei siis ole etsimässä pelastuskeinoja Saaristomerelle virtavesiluonnon kustannuksella.

Jarno Turunen, SYKE

 

Julkaistu

San Pellegrino ja Savijoki – sulfaatit vesissämme

Petri Ekholm
Erikoistutkija
Suomen ympäristökeskus

Kipsin sisältämä sulfaatti on herättänyt huolta: voisiko sillä olla haitallisia vaikutuksia vesiympäristössä? SAVE-hankkeessa näitä mahdollisia vaikutuksia tutkitaan, mutta mitä sulfaatti oikeastaan on ja mistä se on peräisin?

Sulfaatti (SO4) on yleinen osanen elollisessa ja elottomassa luonnossa. Kasveille se on tärkeä rikin lähde, ja valtameriveden sulfaattipitoisuus – peräti 2700 mg/l – kertoo kallioperän rikkipitoisten mineraalien rapautumisesta. Kemiallisesti määriteltynä sulfaatti on rikkihapon (H2SO4) anioni, ja ihmisen aiheuttamat sulfaattipäästöt liittyvätkin pitkälti rikkihapon käyttöön. Rikkihappo on maailman käytetyin kemiallinen yhdiste ja sen maakohtaisesta kulutuksesta voidaan tehdä päätelmiä jopa bruttokansantuotteesta. Rikkihappoa tarvitaan mitä moninaisimmissa teollisuuden prosesseissa lannoitteiden valmistuksesta ja sellun keitosta aina pigmenttien valmistukseen.

Eri vesien sulfaattipitoisuuksia. Kuva aukeaa suuremmaksi klikkaamalla.

Ympäristötutkimus kiinnostui sulfaatista 1970-luvulla, kun maailma havahtui happosateiden aiheuttamiin ongelmiin. Hiilivoimaloiden piiput tupruttivat ilmaan rikkidioksidia, joka muuntui ilmakehässä rikkihapoksi. Nykyisin voimalaitosten savukaasuja pestään ja happamoittavat rikkipäästöt ovat vähentyneet. Myös tässä prosessissa syntyy kipsiä. Sulfaatin toi uudelleen otsikoihin Talvivaaran kaivoksen natriumsulfaattipäästöt, jotka suolasivat lähijärviä. Esimerkiksi kaivoksen alapuolisen Kivijärven pohjanläheisessä vedessä sulfaattipitoisuus on ollut yli 6000 mg/l.

Talvivaaran tapauksessa sulfaatin alkuperä oli prosessissa käytetty rikkihappo ja osin myös malmin sisältämät rikkiyhdisteet (sulfidit). Järviä ja metsiä tuhonneen happaman laskeuman rikki taas oli peräisin kivihiilestä – jos kivihiili on aikoinaan muodostunut meriveteen kontaktissa olleesta turpeesta, sen rikkipitoisuus on erityisen korkea. Mutta mistä Siilinjärven kipsin sulfaatti on peräisin?

Kuten Samuli kertoi tehdasvierailua kuvaavassa blogissaan, kipsiä eli kalsiumsulfaattidihydraattia syntyy sivutuotteena, kun apatiittimineraalia liuotetaan rikkihapolla. Näin saadaan fosforihappoa lannoiteteollisuuden tarpeeseen. Tätä nykyä Siilijärvellä käytettävä rikkihappo valmistetaan kotimaisessa öljynjalostuksessa syntyvästä rikistä. Viime syksynä Savijoen pelloille levitettiin siis sulfaattia, joka on erotettu fossiilisista polttoaineista, ts. muinaisten levien ja bakteerien merivedestä sitomaa rikkiä, sekä Siilinjärven kalliosta peräisin olevaa kalsiumia.

Happamoitumistutkimuksissa sulfaattia pidettiin niin sanottuna läpivirtausionina, joka ei reagoi vesiympäristössä, mutta kuvastaa kylläkin happaman laskeuman suuruutta. Sulfaatilla on kuitenkin tärkeä rooli esimerkiksi pohjasedimenttien ainekierroissa. Itämeressä suurellakaan sulfaattikuormituksella ei ole merkitystä, sillä murtovesi sisältää luonnostaan runsaasti sulfaattia, esimerkiksi Helsingin edustalla 500 mg/l. Järviin sulfaattia ei kuitenkaan pidä päästää, ainakaan suuria määriä, sillä se voi vähentää niiden pohja-aineksen kykyä sitoa fosforia ja siten pahentaa rehevöitymiskierrettä.

Sulfaattia kuitenkin päätyy järviin monista eri lähteistä. Koska sulfaattikuormitusta seurataan vain muutamien kuormittajien osalta, voimme esittää pelkästään karkean arvion kuormituksen suuruudesta. Sen mukaan Suomen kolme suurinta järvien sulfaattikuormittajaa ovat maatalous, ilmalaskeuma ja selluteollisuus. Ilmalaskeuman kontolle on tässä laskettu metsistä tuleva sulfaattihuuhtouma, mikä kuvastanee aikojen saatossa maaperäämme sitoutunutta ilmaperäistä, siis energian tuotannosta peräisin olevaa sulfaattia.

Rautasulfaatteja käytetään niin raaka- kuin jäteveden puhdistuksessa. Esimerkiksi HSYn (Helsingin seudun ympäristöpalvelut) puhdistusprosessissa Päijänteen veden noin 8 mg/l sulfaattipitoisuus nousee yli kaksinkertaiseksi. Tämä ei kuitenkaan vielä riitä muuttamaan pääkaupunkiseudun kraanavettä kulinaariseksi kivennäisvedeksi, sillä esimerkiksi San Pellegrinon mineraalivedessä sulfaattipitoisuus on yhtä korkea kuin Suomenlahdessa. Makutestien mukaan sulfaatti parantaa veden makua. Optimaalinen pitoisuus kalsiumsulfaatille on 270 mg/l. Maailman terveysjärjestö WHO ei ole asettanut juomaveden sulfaatille ylärajaa, joskin laksatiivisia vaikutuksia saattaa ilmetä pitoisuuden ylittäessä 1000 mg/l, makuongelmia seuralaiskationista riippuen jo aiemmin – natriumsulfaatti ei ole yhtä hyvää kuin kalsiumsulfaatti.

Savijoessa toistaiseksi havaitut sulfaattipitoisuudet ovat suhteellisen pieniä: kipsin levityksen jälkeen keskiarvo on ollut vain runsas 30 mg/l. Hetkellisesti pitoisuus on toki ollut yli 400 mg/l. Blogeissamme on jo aiemmin käsitelty tämän pitoisuustason vaikutusta – tai paremminkin vaikuttamattomuutta – vuollejokisimpukkaan. SAVE-hankkeessa on tarkoitus vielä selvittää, miten sulfaatti vaikuttaa kaloihin ja päällysleviin. Lisäksi tutkitaan, voisiko jokien pohjalta vapautua fosforia sulfaattipitoisuuden nousun vuoksi samalla tavalla kuin järvissä. Korkeina pitoisuuksina sulfaatista on haittaa rakenteille, esim. teräkselle ja betonille, mutta tällaisia vaikutuksia ei ole odotettavissa Savijoen maltillisissa sulfaattipitoisuuksissa.

Palvelun tarjoaa WordPress