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.

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.

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.