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

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.