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)

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.

Kasvustonäytteenottoa

Kun keväällä otettiin ensimmäiset maanäytteet pilottialueelta kipsinlevityksen jälkeiseltä ajalta, nyt kesäkuun lopulla oli vuorossa kasvustonäytteenottokierros. Ennen kipsinlevitystä kasvustonäytteet otettiin viime vuonna näihin samoihin aikoihin.

Kasvustonäytteitä kävivät tutkimusalueelta keräämässä Riikka Mäkilä ja Juho Moisio ProAgriasta. Silmämääräisesti arvioiden kasvuston kunto oli normaali sekä kipsi- että vertailulohkoilla. Näytteet analysoidaan Viljavuuspalvelussa. Syksyllä pystymme sitten kertomaan kipsinlevityksen mahdollisista vaikutuksista sadon laatuun. Alla muutama kuva näytteenottokierrokselta.

Juho Moisio ProAgriasta kerää tutkimuksen vertailualueelta kaurakasvustosta osanäytteitä. (Kuva: Riikka Mäkilä / SAVE)
Viime syksynä kipsikäsitelty kevätvehnälohko. (Kuva: Riikka Mäkilä / SAVE)
Kevätvehnäkasvustoa toiselta kipsinlevityslohkolta. (Kuva: Riikka Mäkilä / SAVE)

 Kiitos Riikalle ja Juholle näytteenotosta!

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.

Valokuvia maanäytteenotosta

Kerroimme vähän aikaa sitten, kuinka kipsin vaikutuksia maaperään ja kasvustoon tutkitaan. Jotta tiedämme, minkälainen tilanne on ollut ennen kipsin levitystä, käytiin pilottialueella näytteitä ottamassa viime kesänä. Nyt kun kipsin levityksestä on jo kulunut hieman aikaa ja kipsi on liuennut maaperään, oli aika käydä ottamassa uudet näytteet vaikutuksien arvioimista varten.

Riikka Mäkilä ja Terhi Ajosenpää ProAgriasta kävivät toukokuun alussa näytteenottokierroksella pilottialueella. Näytteet otettiin samoista pisteistä, joista ensimmäiset näytteet oli otettu. Näytteiden ottamisessa noudatetaan tarkkoja ohjeita, jotta varmistetaan näytteiden vertailukelpoisuus.

Alta löytyy hieman valokuvia näytteenottokierrokselta. Näytteet on nyt lähetetty Viljavuuspalvelun ja Luken laboratorioihin. Niiden valmistuttua osaamme jo kertoa hieman kipsin vaikutuksesta maaperässä. Tuloksista kerrotaan nettisivuillamme syksyllä.

SAVE-hankkeen maanäytteiden otossa käytetyt välineet.
Vasemmanpuoleisessa kuvassa Terhi Ajosenpää ottaa pintamaanäytettä vertailulohkolta, jolle ei ole levitetty kipsiä. Oikealla Terhi kaivaa pohjamaanäytteen ottoa varten maakuoppaa.
Pohjamaanäytteen otto pohjamaanäytekairalla.
Edustavat maanäytteet koottiin rasioihin, jotka lähetettiin analysoitavaksi Viljavuuspalveluun, ja minigrip-pusseihin, jotka lähetettiin tutkittaviksi Luonnonvarakeskukselle.

Valokuvat Riikka Mäkilä / SAVE-hanke.