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

Tieteellinen artikkeli kipsikäsittelyn sosiaalisesta hyväksyttävyydestä sekä käytännön soveltuvuudesta ja toteutettavuudesta ilmestynyt

SAVE-hankkeessa tehdystä tutkimuksesta on ilmestynyt uusi tieteellinen artikkeli Gypsum amendment of arable fields as a water protection measure – farmers’ experience, phosphorus reduction potential and associated costs drawn from a large scale pilot. Artikkelissa kerrotaan SAVE-pilotin tuloksia kipsikäsittelyn sosiaalisesta hyväksyttävyydestä viljelijöiden näkökulmasta sekä käytännön toteuttavuudesta ja soveltuvuudesta logistiikan, levityskulujen ja vähennyspotentiaalin suhteen.

Kiitokset alueen viljelijöille ja kaikille muille yhteistyökumppaneille. Kuva: Janne Artell

Tulosten mukaan pilottiviljelijät suhtautuivat kipsikäsittelyyn pääosin myönteisesti. Menetelmän kustannukset osoittautuivat alhaisiksi verrattuna nykyisiin käytössä oleviin maatalouden vesiensuojelukeinoihin. Kipsiä voitaisiin levittää 0,5 miljoonalle peltohehtaarille Etelä-Suomessa. Kipsikäsittely saattaisi vähentää merkittävästi maatalouden fosforipäästöjä koko Itämeren tasolla ja mahdollistaa HELCOMin päästövähennystavoitteiden toteutumisen, jos sitä käytettäisiin laajamittaisesti kaikille Itämeren valuma-alueen soveltuville savipelloille.

Artikkeli on luettavissa kokonaisuudessaan täällä.

Aiemmin SAVEn pilottia koskevista tutkimuksista on ilmestynyt viljelijöiden osallistumismotiiveja koskeva tutkimusartikkeli Drivers of Participation in Gypsum Treatment of Fields as an Innovation for Water Protection.  Loppuvuodesta valmistui myös maisterintutkielma, jossa selvitettiin, mitkä tekijät vaikuttivat viljelijöiden osallistumiseen ja toisaalta hyväksyntään uutta menetelmää kohtaan.

Alkuvuodesta vertaisarvioitiin on menossa artikkeli SAVEn ekotoksikologisista tutkimuksista eli kipsin vaikutuksista jokieliöstöön. Tekeillä on myös artikkeli kipsin vaikutuksista ravinnehuuhtoumaan ja peltoihin.

Parantaako peltojen kipsikäsittely tosiaan Saaristomeren vedenlaatua?

Kuinka mahdollisimman laaja-alainen Saaristomeren valuma-alueen peltojen kipsikäsittely vaikuttaisi rannikkovesien tilaan? Tutkijat Harri Kuosa ja Janne Ropponen Suomen ympäristökeskuksesta (SYKE) kertovat mallinnuksensa tuloksista.

Nyt kun kipsin levityksessä on päästy entistä laaja-alaisempiin tositoimiin Varsinais-Suomessa, niin mallintajille on esitetty otsikon kysymys: parantaako kipsi tosiaan Saaristomeren vedenlaatua. Malleilla ei pystytä ennustamaan tarkkaan tulevaisuutta, mutta voimme antaa todennäköisimmän kehityssuunnan – kuinka todennäköisen, riippuu mallien kyvystä ottaa huomioon muuttuvat olosuhteet.

Kipsin levityksen vaikutuksia Saaristomerellä selvitettiin mallintamalla valuma-alueilta tulevan fosforikuormituksen vähennyksen aiheuttamia muutoksia rannikon levämäärään. Työkaluna käytettiin viranomais- ja tutkimuskäytössä olevaa rannikon kokonaiskuormitusmallia, jonka avulla voidaan tarkastella rannikon vedenlaadun muutoksia kuormitusten muuttuessa. Levämäärähän on rannikollamme tärkein pintaveden tilan ilmentäjä ja sitä seurataan tarkasti.

Levämäärä on tärkein pintaveden tilan ilmentäjä rannikollamme. Kuva:Riku Lumiaro

Kokonaiskuormitusmalli

Rannikon kokonaiskuormitusmallia on kehitetty vuodesta 2013 ympäristöministeriön ja Suomen ympäristökeskuksen rahoituksella. Syy mallinnuksen tarpeeseen on ilmeinen; vesien- ja merensuojelutoimenpiteiden tehokkuutta on vaikea arvioida ilman näkemystä kaikkien kuormituslähteiden suhteellisista osuuksista eri rannikkoalueilla. Erityisesti Itämeren ulapalta rannikkoalueellemme tulevien ravinteiden vaikutus on ollut epäselvää.

Myös FICOS-nimellä (Finnish Coastal Nutrient Load Model) tunnettu järjestelmä yhdistää useiden eri mallien tuloksia ja kuormitustietoa kattavan vedenlaatukuvan saamiseksi rannikolta. Mallissa on mukana Vemala-järjestelmän tuottama valuma-aluekuormitus, pistekuormitukset, pohjasedimentistä vapautuva sisäinen ravinnekuormitus, ilmalaskeuma ja ulapan vedenvaihdon aiheuttama taustakuormitus. Ravinteet kulkeutuvat mallinnettujen kolmiulotteisten virtauskenttien kuljettamina ja vaikuttavat leväbiomassan (typpeä sitovat sinilevät ja muut levät), a-klorofyllin (kasviplanktonin kokonaismäärä) sekä fosfori- ja typpipitoisuuksien kehitykseen. Kuormituksen leviämisen pohjalla olevan virtausmallinnus tehdään yhteistyössä Ilmatieteen laitoksen kanssa. FICOS kattaa tällä hetkellä Suomenlahden, Saaristomeren ja Selkämeren rannikkovyöhykkeet ja ulottuu kattamaan myös Merenkurkun ja Pohjanlahden vuoteen 2023 mennessä.

’Kipsiskenaario’

Haimme mallinnuksen avulla kipsin levityksen suurinta saatavilla olevaa hyötyä. ’Kipsiskenaariossa’ on siten otettu mukaan kaikki käsittelyyn sopivat pellot ja käsittely on uusittu aina tarvittaessa. Saaristomeren vedenlaadun muutoksiin pelloille levitettävän kipsin ansiosta päästään käsiksi laskemalla valuma-alueilta tulevan ravinnekuormituksen muutokset Vemala-työkalulla, ja liittämällä tulokset Saaristomeren kokonaiskuormitusmallin syöttötiedoksi. ’Kipsiskenaarion’ teho on arvioitu laskemalla alueittain kipsiskenaarion ja ns. perustilan erotus. Perustilassa kuormitussyötteinä käytetään realistisia kuormituksia normaalitilanteessa ilman kipsikäsittelyä. Kipsikäsittelyn vaikutus Saaristomeren vedenlaatuun on arvioitu leväkasvun prosenttimääräisenä muutoksena yhden merimailin hilassa eli ruudukossa.

Mitä havaitsimme?

FICOS-malli tuottaa ravinteiden ja leväbiomassan määrän sekä kulkeutumisen merialueilla jokaiselle vuoden päivälle. FICOS käyttää syöttötietoinaan oikeaa havaittua Saaristomeren alueen säätietoa vuosilta 2006–2013. Yksittäisten ajanjaksojen tulokset ovat jo erilaisten vuosien vaihtelun seurauksena hyvin erilaisia jopa ilman mitään kuormitusmuutoksia. Siksi toimenpiteiden vaikutuksia tutkittaessa on järkevää tarkastella usean vuoden pidemmän jakson keskiarvoja.

Mallilaskennalla saadaan tarkasteltua yksityiskohtaisesti levien biomassojen ja alueellisten fosfori- ja typpiravinnesuhteiden alueellisia ja ajallisia muutoksia. Nyt keskityttiin kuitenkin vain yhteen rannikon tilan laatutekijään, a-klorofylliin eli lehtivihreällisten planktonlevien määrään. Mallin tuloksia on tiivistetty alla oleviin kuviimme kevään ja keskikesän levämäärän muutoksista. Kipsikäsittelyn myötä poistuvan fosforin vaikutus näkyy parhaiten luonnollisesti sisäsaaristossa lähellä rannikkoa jokien vaikutusalueella. Positiiviset vedenlaatuvaikutukset ovat väli- ja ulkosaaristossa melko vähäiset. Lisäksi jokivesien ollessa kyseessä vuodenaika vaikuttaa lopputulokseen. Keväällä vaikutus on laajempi ja voimakkaampi kuin kesällä. Kesällä havaitaan jopa muutosta huonompaan suuntaan. Se johtuu Itämeren ainutlaatuisesta ravinnerajoitteisuudesta, jossa kesän aikana molemmat levien käyttämät pääravinteet, typpi ja fosfori, kulutetaan loppuun. Kun poistetaan enimmäkseen fosforia, niin jokisuiden levätuotanto vähenee ja typpi kulkeutuu kauemmas. Typpi kulutetaan vesimassan kohdatessa käyttökelpoisen fosforin kuormituksen, jonka lähde Saaristomerellä on erityisesti pohjasta tulevan sisäisen kuormituksen alueet.

Levämäärän (a-klorofyllin) pitoisuuden muutoksen arvio (prosentteina nykytilasta) pitkän ajan keskiarvona keväällä ja keskikesällä. Mallinnuksessa on käytetty vuosien 2006–2013 mitattuja säähavaintoja, joita on käytetty vuosien 2022–2029 kipsikäsittelyn kuormitusmuutosten vaikutusten arvioon. Historiallisia säätietoja joudutaan käyttämään, sillä tulevien vuosien säätä ei pystytä ennustamaan. (Kuvat: tutkija Elina Miettunen, SYKE)

Mitä opimme?

Kuten eräässä länsimaisen kulttuurin tärkeimmistä taideteoksista todetaan ’Kukaan ei ole täydellinen (Well, nobody’s perfect)’. Tässä saman voi sanoa ainakin kahdesta seikasta: kipsikäsittelystä ja mallista. Mallinnustulosten perusteella peltojen kipsikäsittelyllä on saavutettavissa nopeita positiivisia vaikutuksia vedenlaatuun Saaristomeren sisäsaaristossa. Kauempana mahdolliset vaikutukset nähdään vasta pidemmällä aikaskaalalla, sillä siellä vaikuttavat enemmän avomereltä tuleva ravinnevarasto ja vuosikymmenien saatossa kertynyt sisäinen kuormitus. Vuodenaika vaikuttaa näkemykseen ratkaisevasti. Malli ei kuitenkaan ota vielä huomioon kumulatiivista, jopa vuosikymmenien aikana tapahtuvaa vaikutusta esimerkiksi Saaristomeren sisäisen kuormituksen varaston muutoksissa, joten pitkäaikainen vaikutus Saaristomeren vedenlaatuun voi ulottua paljon kauemmaksikin rannikosta. Kevään levätuotannon, pohjan happitilanteen ja sisäisen kuormituksen yhteyttä selvitetään ympäristöministeriön rahoittamassa MaaMeri-hankkeessa, jota SYKE koordinoi. Yhtenä tutkittavana seikkana on Saaristomeren sisäisen kuormituksen dynamiikka ja alueellinen tarkennus. Saamme MaaMeri-hankkeesta hyvin paljon tietoa, jolla voimme edelleen kehittää malliamme. Nyt saamamme mallinnuksen tulokset eivät ehkä yksinkertaistaneet asioita, mutta voivat olla keskustelun pohjana.

Johtava tutkija Harri Kuosa ja tutkija Janne Ropponen, Suomen ympäristökeskus (SYKE)

Taloustieteellistä tutkimusta optimaalisista ympäristötoimenpiteistä ja politiikkakeinoista

Tutkijatohtori Matti Sihvonen kertoo lokakuussa julkaistusta tutkimuksesta, jossa analysoitiin millaiset ympäristötoimenpiteet ja politiikkakeinot olisivat yhteiskunnan kannalta optimaalisia, kun typen ja fosforin käyttöä maataloudessa tarkastellaan pitkällä aikavälillä huomioiden myös ravinteiden aiheuttamat vesistöhaitat. Tutkimuksessa kipsikäsittely osoittautui optimaaliseksi keinoksi vähentää maatalouden fosforikuormitusta savisilla peltomailla, joilla fosforitila on hyvin korkea.

Huomioiden Itämeren suojelutavoitteet ja niiden saavuttamisen nopeasti sekä kustannustehokkaasti, SAVE-hanke on päätynyt suosittelemaan mahdollisimman laaja-alaista peltojen kipsikäsittelyä koko Varsinais-Suomen alueella.

Peltomaisemaa Varsinais-Suomessa (kuva: Janne Artell).

Tutkimusartikkelimme ”Management of legacy nutrient stores through nitrogen and phosphorus fertilization, catch crops, and gypsum treatment” julkaistiin 15.10.2020 Natural Resource Modeling -tiedejulkaisussa. Tutkimme artikkelissa yksityisen maanviljelijän ja yhteiskunnan kannalta optimaalista typen ja fosforin käyttöä pitkällä aikavälillä, sekä erityisesti politiikkakeinoja, joiden avulla päästään yksityisestä, eli viljelijän optimista yhteiskunnalliseen optimiin. Tarkastelimme myös kahta ympäristötoimenpidettä: kerääjäkasveja typpihuuhtouman ja kipsiä fosforihuuhtouman vähentämiseksi. Valitsimme nämä toimenpiteet, koska molemmat ovat osoittautuneet erittäin lupaaviksi huuhtoumaa vähentäviksi toimenpiteiksi (Aronsson ynnä muut 2016; Kleinman ynnä muut 2019).

Yksityinen optimi määritellään tutkimuksessa siten, että maanviljelijä maksimoi vuosittaisten satojen nettonykyarvon yli pitkän aikahorisontin. Yhteiskunnallinen optimi määritellään samaan tapaan, mutta myös sadon tuotannon vesistövaikutukset, eli typen ja fosforin huuhtouman aiheuttamat ympäristöhaitat huomioidaan. Näistä lähtökohdista on tehty tutkimusta jo vuosikymmeniä, aina Griffinin ja Bromleyn (1982) legendaarisesta artikkelista asti. Mallit ovat kuitenkin usein olleet staattisia, eli ne eivät ole ottaneet huomioon ajassa tapahtuvia muutoksia ravinnetilassa, jolloin pitkän aikavälin tarkastelu on jäänyt vähemmälle. Tutkimuksemme lähtökohtana olikin kehittää bioekonominen malli, jossa huomioidaan maaperän fosforin ja typen dynamiikka, eli maaperän ravinnevarantojen vuotuinen muutos lannoituspäätösten sekä satopoistuman funktiona, sekä molempien ravinteiden huuhtoumat. Keskityimme analyysissa ensisijaisesti optimaalisen politiikkainstrumentin, vero/tuki-kehikon tarkasteluun.

Analyysi eteni niin, että ensin määritimme yhteiskunnan ja yksityisen viljelijän kannalta optimaaliset vuosittaiset lannoitteiden ja ympäristötoimenpiteiden (kipsi ja kerääjäkasvit) tasot. Tämän jälkeen lisäsimme yksityisen viljelijän optimointiongelmaan (eli viljelijän pyrkiessä parhaaseen mahdolliseen tuottoon) verot lannoitteille ja tuet kerääjäkasville ja kipsille. Verojen ja tukien optimaaliset tasot määritettiin siten, että ne johtivat yhteiskunnan kannalta optimaaliseen tilanteeseen. Täten verot ja tuet ottivat huomioon maaperän ravinnevarannot, jotka ovat sadon kannalta hyödyllisiä, mutta toisaalta voivat aiheuttaa myös ulkoisvaikutuksia lisääntyneet ravinnehuuhtouman muodossa.

Seuraavaksi kiinnostuneille hieman tarkemmin, mitä analyysissä huomioitiin: Sato on siis (vähenevästi) maaperän typpi- ja fosforivarantojen nouseva funktio. Samalla kuitenkin myös ravinnehuuhtoumat ovat ravinnevarantojen (kasvavasti) nousevia funktioita. Niin ikään lannoituksen avulla saama sadon lisäys on maaperän ravinnevarantojen laskeva funktio, ja maaperän ravinnevarannon ollessa kasvin ravinteiden saannin kannalta riittävänä korkea, ei lisälannoittaminen ole taloudellisesti järkevää. Täten on syytä huomioida, että agronominen optimi on eri kuin taloudellinen optimi, jossa huomioidaan myös lannoitteiden hinnat. Edelleen, optimi muuttuu, kun ravinnehuuhtoumille annetaan hinnat, eli huomioidaan tuotannon ulkoisvaikutukset.

Vero/tuki, joka huomioi maaperän ravinnevarannon vaikutukset, on dynaaminen, eli muuttuu vuosittain varannon muuttuessa satopoistuman ja lannoituksen vaikutuksesta. Tämän kaltainen instrumentti on suhteellisen monimutkainen, ja käytännössä hallinnollisesti hankala. Se antaa kuitenkin meille eräänlaisen vertailutason, jota vasten voimme vertailla yksinkertaisempia politiikkainstrumentteja. Tarkemmin ilmaistuna, yksinkertaiset, staattiset, eli ajassa tapahtuvia muutoksia huomioimattomat instrumentit eivät johda yhteiskunnalliseen optimiin, eli niistä aiheutuu yhteiskunnallista hyvinvointitappiota verrattuna parhaaseen mahdolliseen tilanteeseen, jossa huomioidaan sekä viljelijän saamat hyödyt, että tuotannosta aiheutuvat ympäristöhaitat. Vertailutason avulla voimme arvioida, kuinka suuri tämä hyvinvointitappio on. Lisäksi, tarvitsemme jonkin lähtökohdan, jonka pohjalta yksinkertaiset ja staattiset verot/tuet johdetaan. Mikä olisi hyvä staattisen veron taso, jos tarkastelemme pitkän aikavälin ravinteiden käyttöä, jolloin maaperän ravinnedynamiikalla on oleellinen merkitys? Yksi suoraviivainen strategia tämän tason määrittämiseksi, on turvautua dynaamisen instrumentin tasapainotasoon. Eli, dynaamisen optimoinnin avulla määritetyt ravinnevarantojen, lannoitepanosten, ja ympäristötoimenpiteiden, sekä verojen/tukien optimaaliset urat konvergoituvat kohti tasapainoa (steady state), jossa optimaaliset tasot pysyvät samoina vuodesta toiseen. Voimme käyttää näitä tasapainotasoja staattisina, suhteellisen yksinkertaisina veroina ja tukina koko aikahorisontin ajan. Tällöin on selvää, että hyvinvointitappiota syntyy niiltä vuosilta, kun systeemi ei ole tasapainossaan. Tappiota syntyy erityisesti, jos alkuperäiset ravinnevarannot (legacy nutrient stores) ovat hyvin kaukana optimaalisesta tasapainotilastaan.

Tulostemme mukaan kerääjäkasvi on hyvä pitkän aikavälin keino typpihuuhtouman vähentämiseksi. Kipsi puolestaan osoittautui optimaaliseksi fosforihuuhtouman vähennyskeinoksi mailla, joilla alkuperäinen fosforivaranto oli hyvin korkea. Tämä tulos tukee Ihon ja Laukkasen (2012) saamaa tulosta. Määrittämämme maan fosforitilan eli viljavuusanalyysin niin sanotun P-luvun  kynnysarvo, jota korkeammille arvoilla kipsin käyttö oli optimaalista, oli 16 mg/l savimailla ja 32 mg/l karkeilla mailla. Jos maaperän P-luku oli tätä kynnysarvoa alhaisempi, oli taloudellisesti optimaalista vähentää fosforihuuhtoumaa vähentämällä fosforilannoitteen käyttöä.

Kipsillä oli itseasiassa suuri merkitys epäoptimaalisten politiikkainstrumenttien käytöstä aiheutuvien yhteiskunnallisten tappioiden vähentämisessä. Ilman tukea kipsille, staattiset vero/tuki-kehikot johtivat merkittäviin hyvinvointitappioihin mailla, joissa ravinteiden pidätyskyky oli korkea (savimaat) ja maaperän alkuperäinen fosforivaranto oli hyvin suuri ja joilla kipsin vaikutus huuhtouman vähentämisessä olisi merkittävä. Täten, jos käytämme staattista systeemin tasapainoon perustuvaa vero/tuki-kehikkoa, jossa kipsin käyttöä tuetaan niinä vuosina, kun maaperän fosforivaranto on tietyn raja-arvon yläpuolella, yhteiskunnallinen hyvinvointitappio on lähes nolla ja ollaan hyvin lähellä optimia.

Tulostemme mukaan myös maaperätyypillä on suuri merkitys optimaalisen lannoitteiden käytön ja ympäristötoimenpiteiden kannalta. Erityisesti maaperän kyky pidättää ravinteita on oleellista tässä suhteessa. Kuitenkin, epäoptimaalisesta politiikkainstrumentista aiheutuvan hyvinvointitappion kannalta maaperätyypillä oli vähäinen vaikutus. Tämä johtui siitä, että typpi- ja fosforilannoitteiden käyttö optimointiin yhtaikaisesti. Tulostemme mukaan ravinteet pystyvät jonkin verran korvaamaan toisiaan sadon tuotannossa toisen ravinteen tullessa suhteellisesti kalliimmaksi. Tässä tarkoitetaan siis sitä, että koska taloudellisessa optimissa kumpaakaan ravinnetta ei käytetä kasvin kannalta maksimaalista määrää, niin jos toisen ravinteen suhteellinen hinta nousee, niin voidaan lisätä toisen ravinteen käyttöä, jolloin hinnan muutoksen vaikutus satoon on vähäinen. On kuitenkin selvää, että ravinteet eivät ole substituutteja toisilleen agronomisessa mielessä, vaan viljelykasvi tarvitsee molempia ravinteita. Lisäksi on selvää, että maaperästä saatavat ravinteet ja vuosittain annetut ravinteet eivät ole täydellisiä substituutteja, koska vuosittain annettu lannoite on helpommin kasvin käytettävissä kuin ravinne jota vapautuu maasta, vaikkakin maaperän ravinnevarannoilla on suuri vaikutus vuosittaisiin optimaalisiin lannoituspäätöksiin. Tärkein tuloksemme onkin, että maaperän ravinnedynamiikkaa, eli ajassa tapahtuvien maaperän ravinnevarantojen muutosten vaikutusta ei sovi sivuuttaa, kun yritetään kehittää kestäviä ratkaisuja maatalouden ravinteiden käytön edistämiseksi.

Tutkijatohtori Matti Sihvonen, Helsingin yliopisto

Lähteet:

Aronsson, H., Hansen, E. M., Thomsen, I. K., Liu, J., Øgaard, A. F., Känkänen, H., & Ulén, B. (2016). The ability of cover crops to reduce nitrogen and phosphorus losses from arable land in southern Scandinavia and Finland. Journal of Soil and Water Conservation, 71, 41–55

Griffin, R. C., & Bromley, D. W. (1982). Agricultural runoff as a nonpoint externality: A theoretical development. American Journal of Agricultural Economics, 64, 547–552

Iho, A., & Laukkanen, M. (2012). Precision phosphorus management and agricultural phosphorus loading. Ecological Economics, 77, 91–102

Kleinman, P. J. A., Fanelli, R. M., Hirsch, R. M., Buda, A. R., Easton, Z. M., Wainger, L. A., … Shenk, G. W. (2019). Phosphorus and the Chesapeake Bay: Lingering issues and emerging concerns for agriculture. Journal of Environmental Quality, 48(5), 1191–1203

Lambert, D. M., Lowenberg‐DeBoer, J., & Malzer, G. (2007). Managing phosphorus soil dynamics over space and time. Agricultural Economics, 37, 43–53

Thomas, A. (2003). A dynamic model of on‐farm integrated nitrogen management. European Journal of Agricultural Economics, 30(4), 439–460

Watkins, K. B., Y‐c., Lu, W‐y., Huang (1998). Economic and environmental feasibility of variable rate nitrogen fertilizer application with carryover effects. Journal of Agriculture and Resource Economics, 23(2), 401–426

Linkki julkaisuun: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/nrm.12289

 

 

 

 

 

 

 

 

Arvio peltojen kipsikäsittelyn vaikutuksesta Paimionjoen patoaltaiden sulfaattipitoisuuteen on ilmestynyt

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

Selvityksen yhteenveto ja suositukset ovat seuraavat:

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

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

Selvityksessä aiheesta, tutkimuksesta ja sen taustasta tarkemmin täällä.

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

Kipsi lisää kaliumin ja magnesiumin huuhtoutumista

Kipsin vaikutus peltomaan magnesium- ja kaliumpitoisuuteen on ollut esillä mm. OSMO-hankkeen tutkimuksissa, joiden mukaan kipsi vähensi maaperän kalium- ja magnesiumpitoisuuksia osalla lohkoista. SAVE-hankkeessa samanlaista vaikutusta ei ollut havaittavissa pilottialueen savimaiden maaperänäytteistä. Nyt käynnissä oleva ruukkukoetutkimus  mahdollistaa useiden maatyyppien tutkimisen ja kokeet myös samantyyppisillä mailla kuin mihin OSMO-hankkeen tulokset viittaavat. Varsinais-Suomessa käynnissä olevassa KIPSI-hankkeessa viljelijöitä on ohjeistettu huomioimaan, että kipsitettävien peltojen Mg- ja K-tasot eivät saa olla huonoja tai huononlaisia.

Erikoistutkija Helena Soinne Luonnonvarakeskuksesta kertoo ruukkukoetutkimuksen tähänastisista tuloksista.

Luonnonvarakeskuksen kasvihuoneessa Jokioisilla on käynnissä kasvatuskoe, jossa tutkitaan vesiensuojelutarkoituksessa käytettävien maanparannusaineiden (kipsi, rakennekalkki ja kuitulietteet) vaikutuksia maan sadontuottokykyyn. Ennen kasvatuskokeen aloittamista maanparannusaineiden vaikutuksia valumaveden laatuun ja erityisesti kationien huuhtoutumiseen on selvitetty sadetuskokeissa laboratoriossa.

Luonnonvarakeskuksen ja Suomen ympäristökeskuksen yhteisessä kokeessa tutkitaan kipsin, rakennekalkin ja maanparannuskuitujen vaikutuksia valumaveden laatuun ja kasvien ravinteidenottoon (kuvat: Helena Soinne).

Maanparannusaineet ovat koostumukseltaan erilaisia ja sisältävät eri määriä kasveille tärkeitä ravinteita. Tietyn ravinteen pitoisuuden kasvu maavedessä vaikuttaa ravinnetasapainoon maahiukkasten pinnalla ja voi johtaa tärkeiden ravinnekationien huuhtoutumiseen.

Kipsin mukana maahan tulee runsaasti mm. kalsiumia. Kalsiumilla on positiivisia vaikutuksia maan rakenteelle ja siten esimerkiksi aitosavimaissa kalsiumin runsastuminen on pääasiassa hyvä asia. Kalsium voi kuitenkin syrjäyttää maahiukkasten pinnoilta magnesiumia ja kaliumia, jolloin nämä kalsiumin syrjäyttämät ravinteet ovat alttiina huuhtoutumiselle.

Ruukkukoetutkimuksen sadetuskokeen huuhtoutumistuloksista näkyikin selvästikin, että kipsillä käsiteltyjen maiden läpi valuneen veden magnesium- ja kaliumpitoisuudet olivat korkeampia kuin muissa käsittelyissä. Alustavien tulosten perusteella näyttää siltä, että kipsikäsitellyistä maista huuhtoutui kolmen sadetuskerran aikana yli kaksinkertainen määrä kaliumia ja jopa 5–8 kertainen määrä magnesiumia käsittelemättömiin maihin verrattuna. Noin yhden kuukauden syyssateita (70 mm) vastaava vesimäärä huuhtoi noin 5 % savimaan koko helppoliukoisesta magnesiumista (viljavuusuuton magnesium), mutta karkeimmasta maasta huuhtoutuva magnesium oli jopa 15 % helppoliukoisen magnesiumin kokonaismäärästä. Huuhtoutunut kalium puolestaan oli pääsääntöisesti alle 5 % maan helppoliukoisen kaliumin (viljavuusuuton kalium) kokonaismäärästä sekä karkealla maalla että savimailla. Muut maanparannusaineet vaikuttivat vain vähän ravinnekationien huuhtoutumiseen.

Sadetuskokeen perusteella ei voida kuitenkaan vielä sanoa näkyykö kationien huuhtoutuminen maanäytteiden helppoliukoisten ravinteiden määrässä. Kipsilisäyksen aiheuttaman kationien huuhtoutumisen vaikutus viljavuusuuton tuloksiin riippuu todennäköisesti maalajista ja orgaanisen aineksen määrästä maassa. Lopputulos nähdään, kun ruukkukokeen maille tehdään viljavuusuutto kokeen lopussa.

Astiakokeessa kasvatettavasta raiheinästä voidaan korjata useampi sato (kuva: Johanna Nikama).

Sadetuskokeiden jälkeen maat lannoitettiin typellä ja fosforilla ja ruukkuihin kylvettiin raiheinää. Maanparannusaineilla käsiteltyjen maiden kolmen ensimmäisen sadon yhteenlasketut biomassat olivat samaa suuruusluokkaa. Kolmen ensimmäisen sadon perusteella kipsi ei siis alentanut sadontuottoa myöskään karkeimmassa maassa, josta kipsikäsittelyn seurauksena oli huuhtoutunut eniten ravinnekationeja suhteessa maan ravinnevarastoon.

SAVE-hankkeen pilottialueella otettujen kasvinäytteiden analysointi ei antanut viitteitä siitä, että kipsi olisi haitannut kasvien magnesiumin- ja kaliuminottoa. Tulos saattaa johtua pilottialueen maiden korkeista magnesiumin ja kaliumin lähtöpitoisuuksista, jolloin kipsin aiheuttama huuhtoutuminen ei ole näkynyt seurannassa. Ruukkukokeet tulevat tuottamaan lisätietoa myös mahdollisista kipsin aiheuttamista ravinnepuutoksista, sillä asiaa selvitetään vielä kasvianalyysien avulla. Myös kipsin vaikutusta ravinteiden huuhtoutumiseen sekä maan mikrobiologiaan selvitetään. Tuloksista kerromme lisää ensi vuonna.

Helena Soinne, erikoistutkija, Luonnonvarakeskus (Luke)

Talvilevityskokeiden tulos: Ei kipsiä routaiseen maahan

Jos syksy on niin märkä, että kipsin levitys ei ole mahdollista, voisiko kipsin levittää talvella routaiseen maahan? Tätä tutkittiin olosuhdesäädeltävällä pintavaluntasimulaattori SIMUlla Luke Kuopion (Maaninka) toimipisteessä. Kokeessa käytettyjen pintamaalaattojen (0,34 m2) nostosta kirjoitimme viime syksynä ja nyt kerromme tuloksista. Kiireinen lukija saa tärkeimmän tiedon jo otsikosta.

Maalaattoja pintavaluntasimulaattoriin

Syksyllä Jokioisista nostettuja pintamaalaattoja säilytettiin −2 °C:ssa odottamassa koetta, joka päästiin lumen puutteen vuoksi aloittamaan vasta helmikuussa. Kokeessa verrattiin erilaisten talviolosuhteiden ja maan kaltevuuskulman vaikutusta maahiukkasten ja ravinteiden huuhtoutumiseen pintamaasta. Sänkipeitteisille maalaatoille tehtiin kuusi käsittelyä, jotka kaikki toistettiin neljästi (taulukko 1).

Taulukko 1. Routaisille maalaatoille pintavaluntasimulaattorilla tehdyt käsittelyt. (Kuva: Petri Ekholm / SYKE)

Pakkasvarastosta noudettujen maalaattojen päälle levitettiin runsas 130 grammaa kipsiä, vastaten yleisesti käytettyä 4000 kg/ha annosta, tarkoituksena simuloida kipsin levittämistä jäisen sänkipellon pintaan. Valuntapöydillä olevien maalaattojen kallistuskulma asetettiin joko yhteen tai kuuteen prosenttiin. Laattojen ympärille asetettiin pleksikehys, jonka varaan sadetuslaitteisto nostettiin. Jokaisen valuntapöydän yläpuolella oli säteilylämmitin, jolla lämmittävä vaikutus saatiin kohdennettua suoraan alla olevaan maalaattaan ja samalla koko kammion lämpötila nousi auringon säteilyvaikutusta simuloiden.

Lämpötilaa säädettiin kylmäkoneiston ja säteilylämmittimien avulla niin, että se laskettiin öisin −3 °C:een ja nostettiin päivällä korkeimmillaan +15 °C:een, mukaillen loppukevään tilannetta. Säteilylämmittimet olivat päällä maanantaista perjantaihin klo 8–12 ja 20 mm:n sadetus toteutettiin päivittäin lämmitysjakson jälkeen kolmessa, tunnin välein tehdyssä erässä, jotta vesi ehti välillä valua ja laatta hieman kuivua. Sadetuskäsittelyä jatkettiin 5 vuorokautta eli laatat saivat yhteensä 100 mm vettä päällensä. Tämän jälkeen kammioon säädettiin tasainen +10 °C:n lämpötila kaiken jään sulattamiseksi viikonlopun aikana. Sadetuksia ei enää viikonloppuna tehty. Kokonaisuudessaan yksi käsittelyjakso kesti viikon, maanantaista sunnuntaihin, jonka jälkeen maalaatat poistettiin kammiosta ja uudet laatat laitettiin sisään.

SIMU-kammion valuntapöydille mahtuu kerrallaan kuusi maalaattaa. Sadetuksia ja lumen sulatuksia toistoineen oli yhteensä 24 eli neljä viikon jaksoa.  Poikkeuksellisten leutojen talviolosuhteiden takia luonnonlunta ei kuitenkaan ollut riittävästi saatavilla ennen helmikuuta. Kun lunta saatiin, lumilaattojen käsittely eteni samalla tavalla kuin sadetuslaattojenkin, sillä erotuksella, että laattojen ympärille asetettu pleksikehikko palveli nyt lumen pitämisessä laatan päällä (kuva 1). Lunta punnittiin kullekin laatalle 100 mm:n vesiarvoa vastaava määrä ja säteilylämmittimet sulattivat lumen 7 vuorokauden sulatusjakson aikana. Kallistuskulmat ja kipsimäärä olivat samat kuin sadetuskäsittelyssäkin. Sade- ja lumikäsittelyistä syntynyt valumavesi kerättiin ja siitä analysoitiin ravinteet, kiintoaines ja sameus, sähkönjohtavuus, pH ja pääionit. Myös kunkin laatan maa analysoitiin. SIMU-kokeen käytännön suorittamiseen voit tutustua täällä: Pintavaluntasimulaattori SIMU.

Kuva 1. Lumipeitteen sulatus käynnissä SIMUssa. (Kuva: Jenni Laakso)

Kipsin fosforia huuhtoutui valumavesiin

Huolellisesti suunnitellun ja toteutetun kokeen tulokset olivat niin selviä, että lopputulemana voidaan yksinkertaisesti todeta: kipsin levittäminen routaiseen maahan ei ole suositeltavaa. Jäätyneelle pellolle levitetty kipsi ei pääse riittävästi reagoimaan maahiukkasten kanssa, jolloin se ei juurikaan vähennä eroosiota. Lisäksi, jos käytettävä kipsi sisältää epäpuhtautena fosforia (kokeissa käytettiin fosforihappoteollisuuden sivutuotteena syntynyttä kipsiä, joka sisältää jäämänä pienen määrän fosforia), kipsin fosfori huuhtoutuu suurelta osin pois, vieläpä biologisesti täysin käyttökelpoisessa liuenneessa muodossa. Seurauksena on, että kipsi ei vähennä vaan lisää fosforikuormitusta. Seuraavaksi kuvaamme tuloksia tarkemmin.

Kokeessa käytetty maa oli peräisin monokulttuuriviljalla olleelta hiuesavipellolta, jonka satoindeksi ja rakenne olivat huonot. Lähes kaikki lumen tai sadetuksen mukana tullut vesi huuhtoutui pintavaluntana pois. Olettaen vuosivalunnaksi 300 mm, saatiin maalaatoilta valuneen veden määrän ja kiintoainepitoisuuden perusteella arvioitua koeolosuhteita vastaava vuosittainen eroosio. Sadepisaroiden iskut ja noin neljä asteisen veden routaa sulattava vaikutus saivat aikaan huomattavasti suuremman eroosion kuin lumen sulaminen. Suuruusluokaltaan eroosio vastasi Jokioisten huuhtoumakentiltä saatuja arvoja sänkipelloilla. Lumiyksiköissä kipsi kyllä vähensi – sinänsä melko vähäisen – eroosion alle puoleen, mutta sadetetuissa yksiköissä ei havaittu tilastollisesti merkitsevää eroa kipsikäsiteltyjen ja kontrolliyksiköiden välillä.

Kuva 2. Arvio vuosittaisesta eroosiosta eri käsittelyissä (keskiarvo ja keskihajonta). Oletuksena 300 mm:n vuosivalunta. (Kuva: Petri Ekholm / SYKE)

Fosforin osalta tulokset olivat synkkiä: kipsikäsitellyiltä laatoilta huuhtoutui huomattavasti enemmän fosforia kuin kipsittömiltä laatoilta. Kun kipsittömiltä kontrollilaatoilta huuhtoutui laskennallisesti noin kilo fosforia hehtaarilta vuodessa, luku joka vastaa muissa tutkimuksissa saatua savipeltojen ominaiskuormitusta, kipsikäsitellyiltä laatoilta huuhtoutui jopa lähes 8 kg/ha/v. Valtaosa fosforista oli ns. liuennutta reaktiivista fosforia, mikä on vesien leville täysin käyttökelpoista ja siten erityisen ärhäkkää rehevöittämään.  Kokeessa käytetty Yaran kipsi sisälsi 0,28 % fosforia ja tästä määrästä huuhtoutui kokeessa 7–31 % (taulukko 2). Kipsin sulfaatista huuhtoutui vieläkin suurempi osa (enimmillään 40 %), mikä kertoo, että osa kipsin fosforista sitoutui maa-ainekseen. Kipsin kalsiumista huuhtoutui enimmillään 17 %. Osa kalsiumista on pidättynyt maan kationinvaihtopaikoille, mikä näkyi esimerkiksi magnesiumin ja kaliumin huuhtoutumisen kasvuna.

Kuva 3. Arvio vuosittaisesta fosforin huuhtoutumisesta. (Kuva: Petri Ekholm / SYKE)

 

Taulukko 2. Kipsin fosforin, sulfaatin ja kalsiumin huuhtoutuminen maalaatoilta (%). Keskiarvo ja vaihteluväli. (Kuva: Petri Ekholm / SYKE)

Johtopäätelmät

Lumilevityskokeen kustannukset ylittivät alkuperäisen budjetin, mutta lopputulos osoittaa kokeen varsin kustannustehokkaaksi ajatellen haittoja, joita mahdollinen kipsin talvilevittäminen aiheuttaisi. Koe osoitti, että routaiseen maahan levitetty kipsi voi jopa lisätä rehevöittävän fosforin huuhtoutumista, jos kipsi sisältää epäpuhtautena fosforia. Fosforittomia kipsilaatuja käytettäessä riskiä fosforihuuhtoutumista ei ole, mutta tällöinkin haluttu vaikutus voi jäädä vähäiseksi, jos kipsi ei pääse kontaktiin pintamaan kanssa. Tämän vuoksi kipsiä ei tule talvella maahan levittää.

Erikoistutkijat Petri Ekholm (Suomen ympäristökeskus, SYKE) ja Kirsi Järvenranta (Luonnonvarakeskus Kuopio)

Yhteistyötä Itämeren maiden tutkijoiden kanssa

Yksi SAVE2-hankkeen tavoitteista on edistää tutkimusyhteistyötä ja kipsikäsittelyn tunnettavuutta Itämeren maissa. Yhteistä tutkimusta on alusteltu jo viime vuoden puolella kartoittamalla sopivia kontakteja ja koostamalla esittelymateriaaleja. Ensimmäinen tapaaminen toteutettiin maaliskuussa – ja lopulta etänä, kuten muutkin kokoukset koronauutisten, matkustuskieltojen, lentoperuutusten ja kokoontumattomuussuositusten keskellä.

Suomessa kipsikäsittelyä vesiensuojelukeinona on tutkittu valuma-aluetasolla yli vuosikymmenen ajan. Tulokset ovat antaneet viitteitä siitä, että kipsi voisi olla merkittävä ja kustannustehokas apu fosforihuuhtoumien vähentämisessä muissakin Itämeren maissa. Huuhtoumavähennykset eri maiden savipelloilta auttaisivat myös saavuttamaan HELCOMin tavoitteet, jotka fosforin(kin) osalta koskevat paljolti juuri maatalousperäisiä päästöjä (60–80 %).

Aiemmat tutkimustulokset ovat antaneet viitteitä siitä, että peltojen kipsikäsittely voisi olla merkittävä ja kustannustehokas apu fosforihuuhtoumien vähentämisessä muissakin Itämeren maissa.  Kuva: Riku Lumiaro

Yhteistyökumppaneita on siksi haettu useista eri maista. Tällä hetkellä näyttää, että mukana on tutkijoita ainakin Puolasta, Tanskasta ja Liettuasta sekä myös Norjasta, jossa maatalousperäinen fosforikuormitus on merkittävää, vaikkakaan sillä ei ole suoraa vaikutusta Itämereen.

Suunnitelmissa on käynnistää konkreettinen yhteistyö yksinkertaisilla laboratoriokokeilla ja vertailla eri maiden tyypillisillä peltomaalajeilla saatavia tuloksia – ja jos tulokset ovat lupaavia, samalla herätellä kiinnostusta laajempiin testauksiin ja jatkotutkimuksiin. Kipsiä on tarkoitus tutkia nimenomaan vesiensuojelukeinona, mutta myös agronomiset vaikutukset huomioon ottaen.

Etäyhteyden välitykselläkin kokous sujui hyvin ja keskustelu ja tutustuminen onnistui poikkeusoloista huolimatta. Aluksi käytiin läpi esitykset kipsin vaikutusmekanismista vesiensuojelukeinona sekä tähän asti saaduista tuloksista. Sen jälkeen käsiteltiin alustavaa tutkimussuunnitelmaa, eri maiden olosuhteita ja sitä miten tutkimus olisi paras järjestää. Jatkossa tutkimuksen ja toteutuksen yksityiskohdista päästää sopimaan tarkemmin. Tutkimuksista ja tuloksista kerromme lisää projektin edetessä – viimeistään syksyllä.

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.

Maanparannusaineet ruukkukoetutkimuksessa – Kipsin vaikutusta kasvien ravinteidenottoon ja peltomaan mikrobeihin tutkitaan lisää

Miten kipsi vaikuttaa maan kationikoostumukseen ja kasvien ravinteidenottoon? Entä miten peltomaan mikrobit reagoivat kipsikäsittelyyn? Erikoistutkija Helena Soinne Luonnonvarakeskuksesta (Luke) kertoo helmikuussa alkavista ruukkukokeista, joissa kipsin ja muiden vesiensuojelutarkoituksessa käytettävien maanparannusaineiden vaikutuksia tutkitaan.

Luonnonvarakeskuksessa ja Suomen ympäristökeskuksessa (SYKE) ollaan käynnistämässä useiden hankkeiden yhteistyönä koetta, jossa tutkitaan vesiensuojelutarkoituksessa käytettävien maanparannusaineiden vaikutuksia maan kationikoostumukseen, kasvien ravinteiden ottoon, ravinteiden huuhtoutumiseen sekä maan mikrobiologiaan. Kokeessa testataan kipsin, rakennekalkin ja maanparannuskuitujen vaikutuksia. Koe toteutetaan ruukkumittakaavassa ja kokeessa on mukana neljä lajitekoostumukseltaan tai kationikoostumukseltaan erilaista maata.

Helmikuun alussa käynnistyvän tutkimuksen koemaat on jo punnittu ruukkuihin. Maiden kosteudet on säädetty huomioiden niiden erilaiset vedenpidätyskyvyt. Kuva: Helena Soinne (Luke)

Maanparannusaineena tai vesiensuojelukeinona peltoon levitettävän kipsin tai rakennekalkin mukana maahan tulee runsaasti kalsiumia. Kalsiumilla on positiivisia vaikutuksia maan rakenteelle ja siten esimerkiksi aitosavimaissa kalsiumin runsastuminen on pääasiassa hyvä asia.

Kuitenkin karkeammilla mailla runsas kalsiumin lisääminen voi johtaa tilanteeseen, jossa kasvien kasvulle välttämättömien magnesiumin ja kaliumin huuhtoutuminen lisääntyy. Lisätty kalsium voi vaikuttaa peltomaan kationikoostumukseen syrjäyttämällä maahiukkasten pinnoilta muita ravinnekationeja kuten kaliumia ja magnesiumia. Nämä kalsiumin syrjäyttämät ravinteet ovat alttiina huuhtoutumiselle ja kasveilla voi sen seurauksena ilmetä magnesiumin ja kaliumin puutetta. Runsaasti kalsiumia sisältävien kipsin ja rakennekalkin käyttöä vesiensuojelumenetelmänä suositellaan erityisesti savipelloille, joissa magnesiumin puutteen esiintyminen on epätodennäköistä. Esimerkiksi SAVE-hankkeen aiemmissa tutkimuksissa kipsikäsittelyn ei ole havaittu haittaavan kasvien magnesiumin- ja kaliuminottoa.

Kokeessa jäljitellään syyssateiden maata huuhtovaa vaikutusta ja mitataan maan läpi suotautuvan veden ravinne- ja kationipitoisuuksia. Tekosyksyn ja mahdollisten helmikuun pakkasten jälkeen ruukkuihin kylvetään keväällä raiheinää, josta pyritään korjaamaan useampi sato. Mittaamalla sadon määrää ja laatua saadaan selville ovatko eri maanparannusaineet vaikuttaneet maan ravinnetilaan siten, että kasvien kasvu olisi heikentynyt.

Kipsin, rakennekalkin ja maanparannuskuitujen käyttö voi vaikuttaa myös maan mikrobitoimintaan. Esimerkiksi rakennekalkki voi paikallisesti nostaa maan pH:n hyvin korkeaksi. Tällaiset nopeat muutokset voivat olla tuhoisia mikrobeille. Toisaalta pidemmällä aikavälillä maan rakenteen parantumisen myötä maan mikrobitoiminta ja -diversiteetti voivat parantua entisestään.

Perustettavassa ruukkukokeessa seurataankin maan mikrobitoiminnan muutoksia pian kipsin, rakennekalkin ja kuitulietteen lisäämisen jälkeen sekä lisäksi pidemmän ajan kuluttua, kun ruukusta on jo korjattu satoa.

Kokeessa mukana olevilla kipsillä, rakennekalkilla ja kuitulietteillä voidaan kaikilla vähentää pelloilta vesistöihin päätyvää fosforikuormitusta. Kuormitusvähennyksen suuruus riippuu maanparannusaineen ominaisuuksien lisäksi myös mm. maalajista ja pellon kunnosta kokeen perustamishetkellä. Helmikuussa perustettavassa ruukkukokeessa saadaan tietoa myös siitä, kuinka eri maanparannusaineet toimivat erilaisilla mailla. Tästä tiedosta on apua, kun mietitään missä kustakin maanparannusaineesta saataisiin vesiensuojelun kannalta suurin hyöty.

Helena Soinne, erikoistutkija, Luonnonvarakeskus (Luke)