Avainsana: Fosfori

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

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

Dataähkyä ja päänvaivaa – eli miten kipsin vaikutus saadaan esille valuma-aluepilotissa

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

Kun luonnontutkija haluaa jostain ilmiöstä tarkkaa tietoa, hän sulkeutuu laboratorion suojiin, säätää siellä yhtä vipua kerrallaan ja minimoi häiriötekijät. Kipsin vaikutuksen selvittämisessä tämä voisi tarkoittaa keinotekoista sadetusta ja fosforihuuhtoumien mittaamista maanäytteistä, jotka edustavat eri maalajeja, kasvipeitteisyyksiä ja muokkaustapoja. Labratutkijat tietävät, että ”älä koskaan toista onnistunutta koetta.” Olettaen, että tässä tutkimuksessa kaikki olisi mennyt kuin siinä kuuluisassa Yle Femman ohjelmassa, tulosten perusteella ei kuitenkaan voisi tehdä laajoja alueita koskevia laskelmia ja suosituksia. Erilaisten maalajien, kaltevuuksien, viljelykäytäntöjen ja säätilojen yhdistelmiä on laboratorion ulkopuolella yksinkertaisesti liikaa.

SAVE-hanke ei sulkeutunut laboratorioon vaan kipsin vaikutusta selvitetään paljaan taivaan alla, poikkeuksellisen laajalla käytännön kokeella, joka kattaa 82 neliökilometriä varsinaissuomalaista valuma-aluetta. Mitä yksityiskohtaisessa kipsimekanismien ymmärryksessä menetetään, voitetaan yleistettävyydessä. Näin voimme esimerkiksi paremmin arvioida, mikä on kipsin keskimääräinen vaikuttavuus Saaristomeren valuma-alueella. Laajan kenttätutkimuksen tuottaman aineiston käsittelyssä on kuitenkin omat kommervenkkinsa. SAVE-hankkeessa ne liittyvät pitkälti siihen, miten kipsisignaali erotetaan luontoäidin, ihmisen ja tekniikan tuottamasta kohinasta. Kyseessä kun ei todellakaan ole kontrolloitu laboratoriokoe.

Aineiston käsittely alkaa petollisen helposti: muutamalla hiiren klikkauksella saan ladattua Savijoen jatkuvatoimisten vedenlaatuanturien rekisteröimät tunnittaiset sameus-, sähkönjohtavuus-, fluoresenssi-, lämpötila- ja vedenkorkeusarvot Luode Consultingin serveriltä koneelleni. Vuotta 2018 aiemman aineiston saan vieläkin helpommin: laatuvarmistettuna Excel-tiedostona sähköpostiini.

Jatkuvatoimiset anturitkaan eivät kuitenkaan toimi jatkuvasti, vaan 1–2 % tunnittaisista tuloksista puuttuu. Antureiden ilmaisimiin menee roskia, tiedonsiirto serverille ei pelaa tai salama sekoittaa sähkönsaannin. Toistaiseksi pisin katkos kesti yli neljä päivää, kun Parmaharjun anturi uppoutui kevättulvassa 2017 joen pohjaan. Korvaan puuttuvat arvot olettamalla tasaisen muutoksen viimeisestä havainnosta ennen katkosta ensimmäiseen havaintoon katkoksen jälkeen, ts. lineaarisella interpoloinnilla. Näin luon Savijoen kolmelle havaintoasemalle helmikuun 19. päivästä 2016 alkavan yhtenäisen datasetin.

Tähän settiin lisään SYKEn hydrologeilta saamani tarkistetut valunta-arvot Savijoen mittapadolta ja laitan läppärini laskemaan kullekin asemalle maa-ainekseen sitoutuneen fosforin huuhtoumat. Laskennassa käytän hyväksi anturien mittaaman sameuden ja vesinäytteistä laboratoriossa määritetyn maa-ainesfosforin välistä yhteyttä.

Tulokseksi saan, että Savijoen yläosan kipsittömällä vertailualueella on huuhtoutunut ennen kipsinlevitystä, siis ajalla 19.2.–31.7.2016, keskimäärin 80 grammaa maa-ainesfosforia neliökilometriltä päivässä. Kipsialueen alaosan Parmaharjulla huuhtouma on ollut vastaavana aikana 50 % suurempi, 120 grammaa neliökilometriltä päivässä.

Eihän tämän näin pitänyt mennä! Oletimme nimittäin, että huuhtoumat ennen kipsiä olisivat samaa suuruusluokkaa Savijoen eri osissa. Onhan valuma-alue melko samanlainen ylhäältä alas. Kevään 2016 aineiston perusteella näyttää kuitenkin siltä, että alue, jolle kipsiä levitettiin, on eroosioherkempää kuin vertailualueeksi jätetty yläosa. Tällaista tilannetta ei olisi tullut vastaan kontrolloidussa laboratoriokokeessa.

Voisiko alueiden välinen ero johtua siitä, että vertailualueella on hieman vähemmän peltoja (39 % valuma-alueesta) kuin kipsinlevitysalueella (44 %)? Jos oletamme, että maa-ainesfosforia tulee vain pelloilta ja suhteutamme fosforihuuhtoumat peltoisuuteen, ero alueiden välisissä huuhtoumissa pienenee, mutta ei poistu. Eroa ei myöskään selitä peltojen maalaji, joka on enimmäkseen savea. Ainoa toistaiseksi tiedossamme oleva selitys on se, että yläjuoksun pellot ovat tasaisempia kuin kipsinlevitysalueella ja siten vähemmän eroosioherkkiä. Jos teillä hyvät blogimme lukijat on alueiden erosta näkemyksiä, niin kertokaa meille!

Kipsin levityksen jälkeen (1.11.2016–18.1.2018) fosforihuuhtoumat alueiden välillä ovat olleet päinvastaisia: vertailualueelta on huuhtoutunut 194 grammaa maa-ainesfosforia neliökilometriltä päivässä, mutta Parmaharjulla vain 174 grammaa. Tämä siitä huolimatta, että Parmaharjulle tultaessa vain 43 % kaikista pelloista on käsitelty kipsillä. Kipsi siis vaikuttaa purevan maa-ainesfosforiin, mutta tarkasti ottaen miten paljon? Tätä olen parhaillaan pohtimassa.

Savijoen veden sameus aleni kipsin levityksen jälkeen. Mutta mikä oli juuri kipsin vaikutus veden kirkastumisessa ja fosforihuuhtoumien vähenemisessä? Kuvassa Parmaharjun aseman tulokset suhteutettuna valuntaan. (Kuva: Petri Ekholm / SYKE)

Koska tutkimusalueemme ei ole tasalaatuinen, alueiden erot on otettava tuloksia tulkittaessa huomioon. Olen jakanut valuma-alueen kolmeen osaan: (1) Savijoen yläjuoksu mittapadolle asti on siis vertailualue, (2) mittapadolta Yliskulmalle kuljettaessa olemme kipsinlevitysalueen yläosassa ja (3) alue Yliskulmalta Parmaharjulle on kipsinlevitysalueen alaosa. Kunkin näistä kolmesta alueesta olen jakanut maankäytöltään viiteen luokkaan: pellot, joille ei ole levitetty kipsiä, kipsipellot (nämä luonnollisesti puuttuvat vertailualueelta), kivennäismailla olevat metsät, rakennetut alueet ja viimeisimpänä sekä vähäisimpänä luokka ”muu maankäyttö”. Maankäyttöalat saan SYKEn tuottamasta CORINE2012-tietokannasta.

Kartta tutkimusalueesta, jossa näkyvät ylhäällä oleva vertailualue, ylempi ja alempi kipsialue sekä näytteenottopaikat. Kartta: Elina Röman / SYKE

Tämän jälkeen arvioin kaikille kolmelle alueelle ja niiden viidelle maankäyttöluokalle ominaiskuormituksen. Vaikka Savijoki on peltovaltainen, yleisin maankäyttöluokka on metsä. Onnekkaasti metsälle löytyy alueelta mittaustietoa, sillä metsätalouden vesistökuormituksen seurantaverkon valuma-alueista kaksi (Ojakorpi ja Rantainrahka) sijaitsee vertailualueen latvoilla. Rakennetulle ja muulle alueelle sekä haja-asutukselle käytän kirjallisuusarvioita ja peltojen ominaiskuormituksen arvioin keräämämme aineiston avulla. Tässä otan huomioon kotieläimet ja viljelijöiltä saadut tiedot. Harjoituksen tuloksena saan arvioitua maa-ainesfosforin huuhtoumat kipsi- ja ei-kipsipelloille, ja näiden perusteella kipsin tuottaman reduktion. Kaikki huuhtoumiin vaikuttavat tekijät, joista on olemassa mittaus- tai kirjallisuustietoa, otetaan siis huomioon, jolloin kohinaa saadaan vaimennettua ja kipsisignaali mahdollisimman kirkkaana esille. Onneksi kipsin vaikutus on niin suuri, että valuma-aluetasonkin kokeesta saadaan oikean suuruusluokan tietoa, vaikka kaikkea epävarmuutta ei voidakaan eliminoida.

Seuraavassa blogissani esittelen tulokset eli sen, mikä on ollut kipsin vaikutus maa-ainesfosforiin, kiintoaineeseen, liuenneeseen orgaaniseen aineeseen ja sulfaattiin lähes kaksi vuotta kipsin levityksen jälkeen. Vastaavanlaisen arvion teen myös liuenneelle fosforille, sille kaikkein rehevöittävimmälle fosforimuodolle. Tällöin käytössäni ei kuitenkaan ole tiheää anturidataa vaan ainoastaan suhteellisen harvoin otetuista käsinäytteistä määritetyt pitoisuudet. Liuenneen fosforin suhteen joudumme siis sietämään suurempaa epävarmuutta.

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

Tilannekuva Savijoelta – vedenlaatu 405 päivää kipsin levityksen jälkeen

Petri Ekholm
Erikoistutkija Suomen ympäristökeskus

Säät ovat suosineet hankettamme. Viime vuoden kuiva syksy sopi kipsin levitykselle, ja tämän syksyn märkyys taas on asettanut kipsin koetukselle. Juuri tällaisia ankaria testejä tarvitsemme voidaksemme arvioida kipsin tehoa. Miltä siis näyttää lupauksemme kirkkaammasta Savijoesta ja vähentyneestä fosforikuormituksesta 405 päivää ja 232 valumavesimillimetriä kipsin levityksen jälkeen?

Blogieni lukijat muistavat, että fosforia kulkeutuu pelloilta vesiin kahdessa muodossa: maa-ainekseen sitoutuneena ja veteen liuenneena. Näiden fosforimuotojen rehevöittävyys ja huuhtoutumismekanismit poikkeavat toisistaan. Niinpä jotkut ympäristötoimet voivat purra maa-ainesfosforin huuhtoutumiseen, mutta jopa lisätä liuenneen fosforin huuhtoutumista. Tätä emme tahdo, ja aiempiin tutkimuksiin perustuva oletuksemme onkin, että kipsi vähentää kummankin fosforimuodon huuhtoutumista Savijoen valuma-alueella

Smoke-elokuvassa Auggie-kauppias otti joka päivä valokuvan liikkeensä edustan kaupunkimaisemasta. Jos tämä Harvey Keitelin esittämä hahmo olisi pitänyt kauppaansa Savijoen rannalla, saisimme kuivina kausina katsoa kuvia, jotka näyttäisivät pitkästyttävän samanlaisilta. Tulva-aikoina taas päivittäinenkään ”kuvanotto” ei riittäisi ilmentämään veden ja sen kuljettaman fosforin vaihtelua.

SAVE-hankkeen anturit rekisteröivät Savijoen veden laatua kerran tunnissa. Näin saamme tarkan käsityksen veden sameudesta ja sitä kautta maa-ainesfosforin pitoisuudesta. Ihan joka tunti dataa ei kuitenkaan kerry, sillä antureissa on aika ajoin häiriöitä: ne ovat hautautuneet joen pohjamutaan, niiden optiset sensorit ovat tukkiutuneet roskista ja välillä ne on ollut pakko nostaa ylös huoltoa varten. Katkostilanteet hoidan laskennallisesti; kokonaiskuva joesta kestänee pienen editoinnin.

Savijoki rauhoittumassa joulun viettoon. Mittapato joulukuussa 2017. Kuva: Jarkko Ylijoki

Tunnittaisesta aineistosta lasken kullekin havaintopaikalle maa-ainesfosforin kulkeuman kertomalla pitoisuuden valunnalla­­ – tai siis laittamalla SAS-nimisen ohjelmiston duuniin. Ohjelmistolta laskenta ja laatukonversiot hoituvat muutamassa sekunnissa, minulta siinä menisi hermot. Tulokseksi saan tiedon, kuinka paljon maa-ainesfosforia on kulkeutunut kipsittömällä vertailualueella Savijoen mittapadolla, pilottialueen keskellä Yliskulmassa ja alajuoksulla Parmaharjulla. Tulkitessani tuloksia oletan toistaiseksi, että kaikki maa-ainesfosfori tulee pelloilta, mikä ei toki pidä paikkaansa, mutta kohtelee kipsikäsiteltyjä ja kipsittömiä peltoja tasapuolisesti. Aineiston kertyessä myös laskentamenetelmää tullaan kehittämään niin, että erilaisia valuma-aluetekijöitä ja epävarmuuksia otetaan huomioon tilastotieteen keinoin.

Ajalta ennen kipsin levitystä aineistoa on 164 päivältä, helmikuun puolivälistä heinäkuun 2016 loppuun. Vettä tuona jaksona valui 112 mm ja Savijoen yläjuoksun vertailualueella huuhtoutui 0,34 kiloa maa-ainesfosforia peltohehtaaria kohden. Yliskulmassa vastaava arvo oli 0,46 kg/ha, mikä tarkoittaa, että pilottialueen yläosassa, mittapadon ja Yliskulman välisellä alueella, pellot ovat olleet kuormittavampia kuin vertailualueella. Pilottialueen yläosassa peltohehtaarilta on huuhtoutunut 0,53 kg fosforia ja pilottialueen alaosassa, Yliskulmalta Parmaharjulle, lähes saman verran 0,48 kg/ha. Miten tilanne muuttui kipsin levityksen myötä?

Kipsin levityksen jälkeistä aineistoa on toistaiseksi käsitelty 405 päivän ajalta ja 232 valuntamillimetrin osalta, marraskuun 2016 alusta joulukuun kymmenenteen päivään 2017. Tämän jakson aikana vertailualueen pelloilta kulkeutui 1,7 kg/ha maa-ainesfosforia, mutta kipsinlevitysalueen keskiosassa vain 1,4 kg/ha ja alaosassa 1,3 kg/ha. Jotakin on siis tapahtunut. Jotta näistä luvuista päädyttäisiin kipsin todelliseen tehoon, meidän on otettava huomioon kipsikäsiteltyjen peltojen määrä. Nimestään huolimatta kipsinlevitysalueen yläosassa ”vain” 47 % pelloista sai kipsikäsittelyn, alaosassa 54 %. Kun tämä otetaan huomioon, kipsikäsitellyiltä pelloilta on huuhtoutunut 42 % vähemmän maa-ainesfosforia kuin kipsittömiltä pelloilta. Tällaiseen lukuun päästään Yliskulman mittausten perusteella. Parmaharjun mukaan vähennysprosentti on korkeampi: 50. Kipsin teho on vieläkin suurempi, jos laskennassa otetaan huomioon se, että kipsinlevitysalueen pellot vaikuttivat olevan luontaisesti kuormittavampia kuin vertailualueella.

Entäpä liuennut fosfori? Siitä meillä on huomattavasti harvempi aineisto, vaikka Lounais-Suomen vesiensuojeluyhdistys on tuottanut meille lisäaineistoa. Koska liuenneen fosforin arviointi perustuu käsinäytteenottoon ja laboratoriomäärityksiin, ”valokuvia” eli näytteitä on otettu yli kahden viikon välein. Pitoisuudet ovat Parmaharjulla olleet noin 10 % pienempiä kuin mittapadolla, joten kipsikäsitellyiltä pelloilta näyttää huuhtoutuneen noin viidenneksen vähemmän liuennutta fosforia kuin kipsittömiltä pelloilta. Koska liuenneen fosforin pitoisuudet eivät vaihtele niin voimakkaasti kuin maa-ainesfosforin, tilannetta ei tarvitse joka päivä saati sitten joka tunti seurata. Tarkempi arvio vaatisi kuitenkin vielä muutaman näytteen täyden tulvatilanteen ajalta.

Maa-ainesfosforin osalta tiedämme, että kipsi on tepsinyt: Savijoki on tullut kirkkaammaksi. Muutosta voi ehkä olla vaikea uskoa. Syksyllä joessa on näkynyt, erästä viljelijää lainatakseni, kaikkea polkupyörää pienempää. Vaikka ihmissilmä ei eroa havaitsisikaan, Luoteen antureilla mitattuna sameusero on selvä. Toki myös maa-ainesfosforin vähentymäprosentti tarkentuu aineiston täydentyessä ja tulkintamenetelmien parantuessa, mutta enemmän alamme nyt jännittää sitä, kuinka pitkään kipsi vielä tehoaa. Laskelmieni mukaan noin 85 % kipsistä on vielä maassa, joten oletan anturien jatkossakin rekisteröivän Yliskulmalla ja Parmaharjulla pienempiä sameuksia kuin mittapadolla. Ennen kipsin levitystä tilannehan oli toisinpäin.

Julkaistu

Vähentääkö kipsi liuennutta, kaikkein rehevöittävintä fosforia?

Petri Ekholm
Erikoistutkija
Suomen ympäristökeskus

Valumavesissä on kahdenlaista fosforia: maa-ainekseen sitoutunutta fosforia ja liuennutta fosforia. Maa-ainekseen sitoutuneen fosforin määrää voi päätellä veden ulkonäöstä: mitä sameampaa vesi on, sitä enemmän siinä on maa-ainesta ja siihen sitoutunutta fosforia. Kipsin levityksen jälkeen valumavedet kirkastuivat silmin nähden. Kirkastumisen vahvistivat Savijoen jatkuvatoimiset anturit, jotka mittaavat veden sameutta tieteellisen tarkasti, hiukkasten aiheuttaman valon sironnan perusteella. Sameuden vähenemisestä voidaan päätellä, että kipsattujen peltojen eroosio väheni. Toisin sanoen maahiukkaset ja niihin sitoutunut fosfori eivät siis lähteneet aiemmassa määrin liikkeelle vaan jäivät peltoon.

Liuennut fosfori sen sijaan on niin silmille kuin antureillekin näkymätöntä: veden optisista ominaisuuksista ei voi päätellä, onko liuennutta fosforia vähän vai paljon. Pitoisuuden saa selville vain ottamalla vesinäytteen ja viemällä sen laboratorioon määritettäväksi. Siellä näyte suodatetaan hyvin tiuhan suodattimen läpi. Suodoksesta saadaan fosforin pitoisuus selville, kun fosfori värjätään siniseksi yhdisteeksi, jonka intensiteetti on suoraan verrannollinen pitoisuuteen.

Liukoisen fosforin vaikutukset vesistöissä on helppo havaita. Kuva: Pirjo Ferin

Vaikka liuennut fosfori ei silmille näy, näkyvät sen vaikutukset sitäkin selvemmin. Se on nimittäin levien herkkua. Niin sanottu liuennut ortofosfaatti on ainoa fosforin muoto, joka pystyy kulkeutumaan niin viljelyskasvien kuin levienkin solunseinän läpi. Se on siis ainoa suoraan kasveille käyttökelpoinen fosforiyhdiste. Jotta maa-ainekseen sitoutunut fosfori olisi käyttökelpoista, sen on ensin vapauduttava ortofosfaatiksi. Vuosikymmenten tutkimuksesta huolimatta on edelleen epäselvää, missä määrin ja millaisissa oloissa maa-ainesfosfori muuntuu käyttökelpoiseksi. Se kuitenkin tiedetään, että osa fosforista ei koskaan vapaudu vaan hautautuu hiukkasten mukana vesien pohjalle.

Maatalouden vesiensuojelumenetelmien olisi hyvä vähentää sekä maa-ainesfosforin että liuenneen fosforin kulkeutumista pelloilta vesiin. Valitettavasti näin ei aina ole. Esimerkiksi peltojen talviaikainen kasvipeite voi vähentää tehokkaasti eroosiota ja maa-ainesfosforin kulkeutumista, mutta saattaa lisätä liuenneen fosforin huuhtoutumista fosforin kertyessä pintamaakerrokseen, jossa se voimakkaimmin valumavesien huuhdottavana.

Kipsin etu on se, että se tehoaa kumpaankin fosforimuotoon. Näin tapahtui ainakin Nummenpään kipsikokeessa, jossa käsiteltiin 100 hehtaaria peltoa kipsillä Vantaanjoen valuma-alueella. Siellä maa-ainesfosforin kulkeuma väheni 60 prosenttia ja liuenneen fosforin huuhtouma 30 prosenttia. Mutta miten käy Savijoella? Tähän kysymykseen ei vielä voida vastata.

Lounais-Suomen poikkeuksellisen kuivien kelien johdosta SAVE-hankkeelle on kertynyt liian vähän edustavia vesinäytteitä, joiden perusteella liuenneen fosforin muutoksia voi arvioida. Siinä missä kipsinlevitysalueen alajuoksulta, Parmanharjulta, on kipsikäsittelyn jälkeen kertynyt yli 5000 sameushavaintoa, vesinäytteitä ja liuenneen fosforin määrityksiä on vain 12. Aineistossa oleva hajonta, ”kohina”, peittää vielä alleen mahdollisen kipsisignaalin. Tästä keväästä lähtien näytteenottoa on tihennetty, kun lisänäytteitä ottaa ja määrittää Lounais-Suomen vesiensuojeluyhdistys. Koska kesästä tulee kuiva ja lämmin, joutunemme odottamaan tietoa kipsin vaikutuksesta liuenneeseen fosforiin syksyyn asti.

Julkaistu

Kipsiä vai rakennekalkkia?

Eliisa Punttila, Projektikoordinaattori
Eliisa Punttila,
Helsingin yliopisto

Meiltä kysytään usein: miksi kipsi, miksei rakennekalkki? Mitä eroa niillä on? Milloin pitäisi käyttää kipsiä ja milloin rakennekalkkia? Nämä kysymykset ovat tärkeitä myös hankkeellemme. Vaikka tutkimuksissa keskitymmekin vain kipsiin, ajatuksena on oppia lisää myös rakennekalkista ja siitä, voisiko se olla kipsiin rinnastettava vesiensuojelukeino.

Kipsiä vai kalkkia?
Kuva-arvoitus: Kummassa kasassa on kipsiä, kummassa rakennekalkkia?

Opintoretki rakennekalkin pariin

Ruotsissa rakennekalkin käyttö tunnetaan paremmin, joten lähdimme viime syksynä etsimään tietoa sieltä. Matkustimme lokakuussa Ruotsin Södertäljeen tutustumaan Nordkalkin, Nefcon ja Tukholman veden yhteiseen Project Born -hankkeeseen. Hankkeen tavoitteena on tutkia rakennekalkin ja kalkkisuodinojien käyttöä savimailla fosforihuuhtoumien vähentämiseksi. Retkellä tutustuimme hankkeen perustamaan infopisteeseen ja kuulimme ruotsissa tehdyistä rakennekalkkikokeista. Alla muutama valokuva retkeltämme.

Vierailimme hankkeen perustamalla infopisteellä, jossa sai tietoa rakennekalkista ja sen käytöstä. Kuva: Eliisa Punttila
Infopisteellä pääsi kokeilemaan eri rakennekalkkimäärillä käsiteltyjen savimaiden muokattavuutta. Kuva: Eliisa Punttila
SLU:n Kerstin Berglund ja NordKalkin Lars Wadmark perehdyttivät meidät rakennekalkin saloihin. Kuva: Eliisa Punttila

Opintoretki antoi alkusysäyksen rakennekalkkia koskevien tutkimusten lukemiselle, ja ymmärryksemme aiheesta on lisääntynyt entisestään. Tutkimus ei rajoitu vain Ruotsiin, vaan myös Suomessa on tehty joitakin laboratorio- ja kenttäkokeita. Viimeisimpiä kenttäkokeita on tehnyt esimerkiksi hiljattain päättynyt LOHKO-hanke. Seuraavaksi avaan tarkemmin, mitä rakennekalkilla tarkoitetaan, millainen on sen vaikutusmekanismi, sekä mitä tiedetään sen vedenlaatuvaikutuksista.

Mitä rakennekalkki on ja miten se toimii?

Rakennekalkki määritellään siten, että siinä on reaktiivisena ainesosana joko poltettua kalkkia (kalsiumoksidia, CaO) tai sammutettua kalkkia (kalsiumhydroksidia, Ca(OH)2) sekä kalsiumkarbonaattia (CaCO3). Markkinoilla on erilaisia rakennekalkkituotteita, joissa näitä ainesosia voi olla erilaisissa suhteissa.

Rakennekalkituksen yhtenä tavoitteena on nostaa peltomaan pH:ta, minkä toteuttavat rakennekalkista irtoavat hydroksidi- ja karbonaatti-ionit. Toisena tavoitteena on mururakenteen parantaminen. Kun rakennekalkin reaktiivisesta ainesosasta irtoava kalsium liittää savihiukkasia toisiinsa, muodostuu suurempia savipartikkeleita. Reaktiivinen ainesosa aiheuttaa maassa muitakin reaktioita, jotka muodostavat pysyviä mururakenteita.

Edellytys reaktioiden syntymiselle ja rakennekalkituksen onnistumiselle on levityksen ja multauksen nopea toteutus, ettei reaktiivinen osa ehdi reagoida ilman hiilidioksidin kanssa. Silloin lopputuloksena olisi tavallista kalkkia. Käsittelyn onnistuminen edellyttää myös, että peltomaa on riittävän kuiva ja lämmin (yli 4 astetta). Multaus on suositeltu tehtäväksi kultivaattorilla tai lautasmuokkaimella kahdesti risteäviin suuntiin, jotta rakennekalkki sekoittuu hyvin. Riippuen käytettävästä rakennekalkista, levitys tapahtuu joko kuivan tai kostean kalkin levitysvaunulla.

Rakennekalkin käyttömäärälle ei ole olemassa yhtä suositusta, vaan se vaihtelee käsiteltävän kohteen savespitoisuuden ja pH:n mukaan, sekä ilmeisesti myös sen mukaan, missä suhteessa rakennekalkki sisältää eri ainesosia. Hehtaarille levitettävä määrä voi olla esimerkiksi 5 tai 15 tonnia.

Vedenlaatuvaikutuksista ei selviä lukuja

Rakennekalkin uskotaan olevan tehokas keino vähentämään fosforihuuhtoumaa. Perusteluna on muun muassa se, että rakennekalkin aikaansaama maan mururakenteen paraneminen edistää maan vedenläpäisykykyä, parantaa kasvien juuristoa sekä vähentää pintavaluntaa ja edelleen eroosiota. Toisaalta joissakin tilanteissa maan pH:n muutos muuttaa myös fosforin sitoutumista, mikä ainakin teoriassa voi vähentää fosforihuuhtoumaa.

Tällä hetkellä käsityksemme on, että rakennekalkin fosforikuormitusta vähentävistä vaikutuksista on saatu tutkimuksissa viitteitä, mutta julkaistuja tutkimustuloksia on vielä vähän. Yleisesti voidaan todeta, että rakennekalkituksella on havaittu olevan kiintoaineeseen sitoutuneen fosforin huuhtoumaa vähentävä vaikutus, mutta fosforikuormituksen vähenemisen suuruusluokasta tai rakennekalkin käyttömäärästä vesistövaikutusten aikaansaamiseksi ei toistaiseksi ole selviä vastauksia. Liukoisen fosforin tai muiden aineiden huuhtoumia on harvoin mitattu tai kokeista on saatu ristiriitaisia tuloksia.

Toistaiseksi rakennekalkin vedenlaatuvaikutuksia on selvitetty laboratorio- ja kenttäkokeilla, mutta ei vastaavin valuma-aluetasoisin tutkimushankkein, kuten kipsille on tehty. Vaikutuksia on seurattu suhteellisen lyhyen ajan. Kokeista saatuja tuloksia on vaikea verrata keskenään, koska niissä on käytetty erilaisia koeasetelmia. Tehtyjen kenttäkokeiden ongelmana on, ettei taustamuuttujien vaikutusta tuloksiin ole aina riittävästi huomioitu (mm. levitysolosuhteiden vaikutus, peltomaan ominaisuudet). Yleisenä haasteena on myös se, ettei rakennekalkin koostumukselle ole olemassa tarkkaa määritelmää, eikä sisältöä tai alkuperää ole aina ilmoitettu kokeen yhteydessä.

Lisätutkimusta tarvitaan

Jotta rakennekalkkia voitaisiin käyttää nimenomaan vesiensuojelumenetelmänä, tarvittaisiin lisää tietoa sen vaikutuksista vedenlaatuun pitkällä aikavälillä sekä eri koostumuksilla, käyttömäärillä ja erityyppisillä peltomailla. Toisaalta tarvittaisiin lisätietoa myös rakennekalkin käytettävyydestä ja kustannuksista. Näin voitaisiin arvioida esimerkiksi optimaalista käyttöä haluttujen vedenlaatuvaikutusten aikaansaamiseksi sekä mahdollisten sivuvaikutusten selvittämiseksi.

On siis toistaiseksi vielä vaikea antaa vastausta kysymykseen, ovatko rakennekalkki ja kipsi toisiinsa rinnastettavia vesiensuojelukeinoja. Kipsin vaikutuksista on olemassa vahvaa näyttöä ja tietomäärä kasvaa jatkuvasti hankkeen edetessä. Rakennekalkin vesiensuojelukäyttöön ja vedenlaatuvaikutuksiin liittyy vielä selvitettäviä kysymyksiä. Toisaalta rakennekalkilla ja kipsillä on myös muita käyttökohteita kuin vesiensuojelu. Se mihin pyritään, ratkaisee, tulisiko valita kipsi vai rakennekalkki. Rakennekalkki tulee kyseeseen esimerkiksi silloin, kun tavoitteena on nostaa pellon pH:ta.

Vastaus arvoitukseen: vasemmanpuoleisessa kuvassa on rakennekalkkia (kuva: Nordkalk), oikeanpuoleisessa kipsiä (kuva: Pasi Valkama).

Julkaistu

Kevätkatsaus vedenlaatuun

SAVE-hankkeen asiantuntija, SYKEn erikoistutkija Petri Ekholm vastaa kirjoituksessa kysymyksiin vedenlaadun kehityksestä Savijoella.

Syksy oli erittäin kuiva. Minkälaisia kevät ja mennyt talvi ovat olleet kelien ja lumitilanteen puolesta?

Keli on jatkunut melko kuivana. Talvella lunta oli hyvin vähän pilottialueella. Kevään myötä on tullut vesisateita, mutta ne eivät ole olleet runsaita.

Miten kelit ovat näkyneet Savijoessa virtaavan veden määrässä verrattuna syksyyn ja aiempiin vuosiin?

Kun verrataan Savijoessa virranneen veden määrää, niin virtaamalukemat ovat olleet toistaiseksi pienempiä kuin viime keväänä. Vuosi 2016 oli poikkeuksellisen kuiva, ja kelit ovat siis jatkuneet kuivina myös tämän vuoden puolella. Tämän kevään virtaamia voidaan pitää korkeintaan kohtuullisina.

Vaikka Savijoessa on keväällä virrannut vettä paikoin runsaasti, on kevät ollut kokonaisuudessaan kuiva ja virtaamat aiempaa alhaisemmat. Kuva: Janne Artell / NutriTrade

Ja entäpä sitten se kaikkein tärkein eli vedenlaatu: minkälaisia tuloksia mittauspaikoilta on saatu?

Erittäin rohkaisevia ja toisaalta odotetun kaltaisia. Parhaiten tietoa on maa-ainekseen sitoutuneen fosforin määrästä. Kipsinlevityksen jälkeisenä aikana marraskuun alusta maaliskuun puoliväliin asti ulottuvalla tarkastelujaksolla mittaustulokset noudattavat toivottua järjestystä: suurimmat fosforimäärät on havaittu vertailuvaluma-alueen mittapisteellä yläjuoksulla, keskiasemalla määrä on jo laskenut ja selvästi pienimmät maa-ainekseen sitoutuneen fosforin määrät on havaittu ala-asemalla eli kipsinlevitysalueen alareunalla. Toisaalta kipsin käytöstä indikoivat sulfaattiluvut noudattavat käänteistä järjestystä, mikä on erittäin loogista.

Ala-aseman eli Parmanharjun mittauspisteen läpi on tarkastelujakson aikana kulkenut 26 % prosenttia vähemmän maa-ainesfosforia kuin yläaseman läpi vesimäärään ja valuma-alueen kokoon suhteutettuna. Ala-aseman valuma-alueella sijaitsevista pelloista kuitenkin 57 prosenttia on sellaisia, joille kipsiä ei levitetty viime syksynä. Tämä tarkoittaa sitä, että kipsikäsitellyiltä pelloilta valuvan partikkelifosforin määrä on vähentynyt jopa 60 prosenttia!

Miten tulokset näkyvät käytännössä?

Käytännössä kipsikäsittelyn vaikutuksen voi parhaiten havaita yksittäisissä peltolammikoissa. Savijoessa vaikutusta on vaikea nähdä. Tämä johtuu osittain juuri siitä syystä, että kipsikäsittelemättömien peltojen osuus alueella on niin suuri.

Joillain peltolohkoilla lammikot ovat olleet kristallinkirkkaita. Kuva: SAVE-hanke.

Voiko tuloksista tehdä johtopäätöksiä kipsikäsittelyn tehokkuuden suhteen?

Sen voi sanoa, että jos tulokset jatkavat samalla mallilla, niin päästään todella lähelle samoja tuloksia kuin aiemmassa kipsikäsittelyn tutkimushankkeessa Nummenpäässä. Liuenneesta fosforista on kuitenkin vielä niin vähän havaintoja, että muutoksen suuruutta sen määrissä on toistaiseksi vaikea arvioida.

Onko vedenlaadun mittaamisessa koettu vastoinkäymisiä?

Parmanharjun mittalaitteisto koki kovia maaliskuun puolivälissä. Savijoen kasvaneet vesimäärät saivat soraa ja muuta materiaalia joen pohjalla liikkeelle ja nämä onnistuivat peittämään laitteiston. Tilanne korjattiin nopeasti, mutta muutaman vuorokauden mittaustulokset tuolta asemalta joudutaan julistamaan kelvottomiksi eli ne niin sanotusti liputetaan. Tällä ei kuitenkaan ole hankkeen kannalta merkitystä. Kun dataa on tulevaisuudessa tarpeeksi, ala-aseman luvut interpoloidaan keskiaseman lukujen avulla noille muutamalle päivälle. Tämä oli ensimmäinen tämän kaltainen tapaturma ja suurin yksittäinen vastoinkäyminen – aiemmat liputukset ovat johtuneet mittareihin ajautuneista roskista ja ovat olleet lyhytaikaisempia. Mutta kuten sanottu, tällä ei ole merkitystä hankkeen onnistumisen kannalta.

Savijoki ja Parmanharjun mittauspiste kuvattuna lintuperspektiivistä. Kuva: Janne Artell / NutriTrade

Mitä vedenlaadun seurannassa on lupa odottaa seuraavaksi?

Vedenlaadun seurannassa eletään jälleen todella jännittäviä aikoja. Jos kelit toisivat sateita vielä ennen kylvöä, niin Savijoesta saataisiin erittäin mielenkiintoisia mittaustuloksia. Keväällä myös tihennetään käsin tehtävää näytteenottoa, jonka avulla vaikutuksia liuenneessa fosforissa tarkastellaan. Uudet näytteet helpottavat tarkastelua merkittävästi!

Lisäksi Savijoen alajuoksulle, pilottialueen ulkopuolelle, on perustettu uusi mittauspiste vuollejokisimpukoiden hyvinvoinnin tarkastelua varten. Lähiaikoina myös tuolta pisteeltä saadaan dataa arvioitavaksi. Tämä on todella mielenkiintoista paitsi vuollejokisimpukoiden kannalta niin myös kipsivaikutuksen tarkastelussa. Tässä saadaan tietoa siitä, mitä tapahtuu jokivedelle, kun siihen taas sekoittuu valumavesiä alajuoksun kipsikäsittelemättömiltä alueilta.

Myös virtaamamittauksia jatketaan keväällä ja nämä osaltaan täsmentävät vedenlaatuarvioita, kun joessa virtaavasta veden määrästä saadaan tarkempaa tietoa.

Onko vedenlaadusta vielä muita huomioita?

Kyllä, tärkeä sellainen: ero kipsialueen ja vertailualueen vedenlaadun välillä on ollut suurimmillaan juuri silloin kuin sen on toivottukin olevan eli silloin kuin virtaama on suurimmillaan. Tämä on erittäin hyvä merkki!

Julkaistu

Savijokea seurataan 24/7 – miltä näyttää?

Petri Ekholm, Erikoistutkija, Suomen ympäristökeskus

SAVE-hanke seuraa Savijoen vedenlaatua ja -määrää kolmella havaintopaikalla. Savijoen yläjuoksun vertailualueelta, jossa kipsiä ei käytetä, on otettu vesinäytteitä jo 1960-luvulta lähtien. Kipsinlevitysalueella sijaitsevien Yliskulman ja Parmanharjun asemat ovat SAVE-hankkeen varta vasta perustamia. Luode Consultingilta vuokratut automaattiset anturit ovat mitanneet kaikilla kolmella asemalla vedenlaatua kerran tunnissa aina tämän vuoden helmikuusta lähtien. Aineisto varastoidaan dataloggeriin ja siirretään verkkoon, josta veden pinnankorkeus sekä sameus, sähkönjohtavuus, lämpötila ja liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuus on nähtävissä lähes välittömästi.

Mittapato talvella
Vertailualueen mittausasema talvella. Kuva: Mikko Kiirikki

Nyt seuraa tiivis opetustuokio vedenlaadun indikaattoreista. Sameus kuvaa valon sirontaa veden hiukkasista. Silmin havaittavan sameuden lisäksi se kuvaa veden kiintoaineen ja siihen sitoutuneen fosforin määrää. Kun sameusarvo on esimerkiksi 1000 FTU:a, niin vedessä on kiintoainetta noin 1 gramma litrassa ja kiintoaineeseen sitoutunutta fosforia 1,4 milligrammaa litrassa. Tällöin vesi on käytännössä läpinäkymätöntä. Sameuden yksikkö, FTU, viittaa sameaan yhdisteeseen, formatsiiniin, jonka avulla mittarit kalibroidaan (FTU = Formazin Turbidity Unit). Sähkönjohtavuus taas kertoo veteen liuenneiden ionien, ”suolojen”, määrän. Sen perusteella arvioidaan sulfaattipitoisuutta ja sitä kautta kipsin vähittäistä huuhtoutumista pelloilta. Lämpötila antaa viitteitä siitä, onko Savijoessa virtaava vesi pintavaluntavettä vai pohjavettä. Liuennut orgaaninen hiili kuvaa veden humusaineiden pitoisuutta. Anturit mittaavat myös Savijoen pinnankorkeuden, jonka perusteella määritetään veden valunta. SAVE-hankkeessa vedenlaatua tutkitaan suhteessa valuntaan, sillä pelloilta tuleva kuormitus riippuu ratkaisevasti valunnasta.

Eli: sameus, sähkönjohtavuus, lämpötila, orgaaninen hiili ja pinnankorkeus. Pysyitkö mukana? Hyvä!

Anturit tuottavat hyvin luotettavia tuloksia: ne on kalibroitu laboratoriossa erittäin tarkasti, ja maastossa mittareiden puhtauden takaa sensoreiden järeä harjaspuhdistus, joka poistaa optisilta pinnoilta roskat ja vedessä helposti muodostuvat biofilmit. Tämän lisäksi mittareita huolletaan parin viikon välein ja kalibroidaan kaksi kertaa vuodessa. Mittalaitteiden laadusta tutkimuksen onnistuminen ei siis jää kiinni!

Automaattinen sensori
Automaattiset sensorit mittaavat Savijoen vedenpinnan korkeutta sekä veden lämpötilaa, sameutta, suolaisuutta ja liuennutta orgaanisen aineksen pitoisuutta kerran tunnissa. Kuva: Mikko Kiirikki

Automaattisilla antureilla ei kuitenkaan saada vedenlaadusta kokonaiskuvaa. Siksi Savijoesta otetaan muutamia kertoja kuukaudessa myös vesinäytteitä, joista analysoidaan Rambollin Lahden laboratoriossa pitkä lista vedenlaatua kuvaavia muuttujia. Ehkä tärkein näistä on liuennut fosfori, jota ei – lukuisista yrityksistä huolimatta – edelleenkään voida määrittää automaattisilla sensoreilla. Liuennut fosfori on sataprosenttisesti leville käyttökelpoista, ts. täysin rehevöittävää fosforia. Maa-ainesfosforin sen sijaan on ensin vapauduttava liuenneeseen muotoon, jotta levät ja muut vesien perustuottajat voisivat sen käyttää hyväkseen. Kipsikäsittelyn toivotaan vähentävän niin liuenneen kuin maa-ainesfosforinkin kulkeutumista pelloilta vesiin. Myös liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuuden odotetaan laskevan. Toive on, että pitoisuudet laskisivat erityisesti runsasvetisinä kausina, jolloin suurin osa ravinteista kulkeutuu vesiin.

Kun merkittävä osa kipsistä on nyt jo levitetty Savijoen pelloille, voidaanko kipsikäsittelyn tehosta sanoa jo jotakin?

Tämä syksy on ollut varsin kuiva ja Savijoen vesi on ollut melko kirkasta niin kipsin levitysalueella kuin vertailualueellakin. Lokakuun alussa saatiin kuitenkin jonkin verran sateita. Tulokset tuolta ajalta ovat rohkaisevia. Savijoen yläjuoksulla, jossa kipsiä ei siis ole käytetty, sameus nousi arvoon 68 FTU. Se ei toki ole paljon samealle Savijoelle, mutta kipsin levitysalueella sameus oli vieläkin matalampi: korkeimmillaan 31 FTU ja usein reilusti alle puolet siitä mitä yläjuoksun vertailualueella. Vesi vaikuttaa siis kirkastuneen ja myös orgaanisen hiilen pitoisuus on ollut kipsinlevitysalueella selvästi matalampi.

”Tulokset ovat rohkaisevia.”

Johtopäätelmiä kipsin tehosta joudutaan kuitenkin odottamaan pitkään, Savijokea seurataan vielä ainakin kaksi vuotta. Ensimmäisistä kunnon syyssateiden aiheuttamasta valuntapiikistä voidaan tosin päätellä jo paljon enemmän. Valuntapiikkiä voidaan kuitenkin joutua odottamaan, sillä seuraavatkin 10 vuorokautta ovat sääennusteen mukaan kuivia.

Julkaistu

Maapallon fosforin alkuperä

Savijoen kipsipilotin keskiössä on fosfori, jota yritetään pitää pelloilla kasvien käytettävissä ja samalla poissa vesistöistä. Mutta mistä pelloilla oleva fosfori on peräisin? Vastaus löytyy hieman kauempaa kuin ensin ajattelisi. Fosforin alkuperästä kertoo tohtorikoulutettava  Tuomas Kangas Turun Yliopiston Fysiikan ja tähtitieteen laitokselta.

Maailmankaikkeuden alkuräjähdyksessä syntyi lähinnä vain kahta kevyintä alkuainetta, vetyä ja heliumia. Raskaampia alkuaineita syntyi lähes olematon määrä, ja siitäkin suurin osa oli litiumia. Maailmankaikkeuden fosfori, kuten muutkin heliumia raskaammat alkuaineet, on syntynyt lähes pelkästään tähdissä ja levinnyt tähtienväliseen avaruuteen supernovien myötä.

cas-a
Supernovajäänne Cassiopeia A. Kuva: NASA

Auringon kaltainen tähti ei pysty tuottamaan fuusioreaktioilla happea raskaampia alkuaineita. Massiivisemmissa tähdissä reaktiot voivat kuitenkin edetä raskaampiin alkuaineisiin, raskaimmillaan rautaan asti. Fosfori on järjestysluvultaan 15. alkuaine eli fosforiatomin ydin sisältää 15 protonia. Parittomasta protonien määrästä johtuen fosfori ei kuulu tyypilliseen fuusioreaktioiden ketjuun, koska heliumia raskaammat alkuaineet syntyvät enimmäkseen yhdistelemällä heliumatomeja, joissa on kaksi protonia. Fuusiotuotteet heliumista eteenpäin ovat pääosin hiili (järjestysluku 6), happi (8), neon (10), magnesium (12), pii (16) ja rauta (26).

Fuusion sijasta pääasiallinen fosforin syntyprosessi tähdissä on ns. s-prosessi, jossa atomi, tässä tapauksessa piiatomi, kaappaa ympäristöstään neutronin. Uuden atomin ollessa epävakaata isotooppia yksi sen protoneista muuttuu radioaktiivisessa ns. betahajoamisessa neutroniksi. Tuloksena on fosforiatomi.

Tähdissä syntyneen fosforin täytyy myös jotenkin päätyä tähden sisuksista avaruuteen, jotta se voisi myöhemmin olla mukana muodostamassa Maan kaltaista planeettaa. Fosforia muodostavat massiiviset tähdet räjähtävät elinkaarensa lopuksi supernovina, ja nämä valtavat räjähdykset ovat tarpeeksi voimakkaita levittääkseen syntyneet alkuaineet laajalle alueelle. Lisäksi supernovissa hetkellisesti vallitsevat olosuhteet ovat niin äärimmäisiä, että niissä syntyy lisää fosforia neutronikaappauksissa. Tähden täytyy siis olla tarpeeksi massiivinen tuottaakseen piitä ja räjähtääkseen supernovana; tähän tarvitaan vähintään noin 8 Auringon massaa.

”Maapallon fosfori, kuten muutkin raskaat alkuaineemme, on siis peräisin lähistöllä ammoin räjähtäneistä massiivisista tähdistä”

Tälle mallille saatiin vahvistus tarkkailemalla Kassiopeian tähdistössä sijaitsevaa Cas A -tähtisumua, joka on jäänne muinaisesta supernovaräjähdyksestä. Sumun fosforipitoisuudet vastasivat juuri sitä, mitä yllämainituilta prosesseilta odotettiin. Maapallon fosfori, kuten muutkin raskaat alkuaineemme, on siis peräisin lähistöllä (tähtitieteellisessä mielessä!) ammoin räjähtäneistä massiivisista tähdistä, joiden materiaali sekoittui tähtienväliseen aineeseen ja tiivistyi lopulta uudeksi tähdeksi, Auringoksi, ja sen ympärille syntyneiksi planeetoiksi.

Tohtorikoulutettava Tuomas Kangas
Tuorlan observatorio
Fysiikan ja tähtitieteen laitos
Turun yliopisto

Palvelun tarjoaa WordPress