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.
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.
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)
Yksi SAVE2-hankkeen tavoitteista on selvittää mahdollisuutta kipsin talvilevitykseen. Talvilevityksestä ovat kyselleet myös SAVE-hankkeen pilottiviljelijät. Mahdollisuus levittää kipsi talvella lumelle tai routaiseen maahan helpottaisi viljelijöiden aikataulupaineita vaikeiden syyssäiden oloissa. Myös kipsin kuljetuksen järjestäminen helpottuisi, jos aikatauluikkuna olisi laajempi.
Erikoistutkija Kirsi Järvenranta ja tutkimusmestari Jenni Laakso Luonnonvarakeskuksesta kertovat tammikuussa aloitettavista laboratoriokokeista, joissa selvitetään, olisiko kipsin talvilevitys mielekäs tapa vähentää maatalouden fosforikuormaa. Huuhtoutuuko routaiselle pellolle levitetty kipsi suuressa määrin ennen liukenemistaan maahan tilanteessa, jossa (1) kipsiä on levitetty lumelle ja lumi sulaa tai jossa (2) kipsin levitystä seuraa voimakas sade?
Kipsin hyötyjä savimaan ravinnekuormituksen vähentämisessä tutkitaan pintavaluntasimulaattori SIMUn avulla Luonnonvarakeskus Kuopiossa. Menetelmä yhdistää autenttisia pelto-olosuhteita ja säädeltyjä laboratorio-olosuhteita ja sillä voidaan nimensä mukaisesti simuloida pintavalunnan muodostumista erilaisissa sääolosuhteissa.
SAVE2-hankkeessa tutkittavat savimaan laatat nostettiin Jokioisilla lokakuun 23. päivä kolmen hengen voimin. Reissulle lähtiessä pohdittiin kuivan savipellon mahdollista kastelutarvetta laatannostoa varten, koska kuiva savi murenee ja lohkeilee helposti. Tilanne oli kuitenkin täysin päinvastainen ja vastassa oli varsin kostea peltolohko. Märkä savipelto aiheutti haasteita nostoon, sillä pellon pinta oli liettynyttä noin viiden sentin syvyyteen asti – onneksi ei syvemmälle, niin saimme laatan pohjalle kiinteämpää maa-ainesta!
Tutkimusmestarit Johanna Kanninen ja Arto Pehkonen nostamassa savimaalaattoja märältä, puidulta pellolta Jokioisissa lokakuussa 2019. (Kuvat: Jenni Laakso, Luonnonvarakeskus Kuopio)
Laattojen nostossa maalaatta – 30 cm leveä, 90 cm pitkä ja noin 6 cm syvä kaistale – höylätään irti traktorivetoisella leikkurilla. Leikkuriin on kiinnitetty vahva pleksi, joka liukuu leikkurin takana maalaatan alle. Kun pleksi on kokonaan maalaatan alla, laatta leikataan sopivaan mittaan ja nostetaan pleksin avulla muovitetun vaneripohjan päälle.
Märältä, puiduilta viljapellolta laatat täytyi nostaa todella varovasti, sillä laatan koostumus oli pehmeä eikä laatoilla ollut viljansängen lisäksi maata koossapitävää kasvillisuutta. Valmiit maalaatat kuljetettiin Luke Jokioisten toimipaikan pihaan ja paketoitiin loppuun aurinkoisessa syyssäässä.
Paketoitaessa maalaatta saa ympärilleen noin 15 cm korkuiset seinät, jotka puristetaan tiiviisti laatan ympärille. Laatan toisen kapean pään seinä on matala, jotta pintavalunta pääsee virtaamaan laatan päältä. Lisäksi laatan pohjaan tehdään reikiä, joiden kautta läpisuotautuva vesi kerätään.
Pakatut savimaalaatat kuljetettiin Maaningalle, jossa ne varastoitiin pakastekonttiin -2 asteeseen odottamaan koejakson alkua. (Kuvat: Jenni Laakso, Luonnonvarakeskus Kuopio)
Laatat kuljetettiin Maaningalle tiukasti pakattuina pakettiautolla ja peräkärryllä – painoa tuli pelkästään laatoista noin 1500 kiloa! Perillä laatat varastoitiin -2 asteeseen pakastekonttiin odottamaan koejakson alkua.
Koejaksolla laatat viedään SIMUun, missä osa niistä peitetään lumella, jonka päälle levitetään 4000 kg/ha vastaava määrä kipsiä. Lumi sulatetaan säteilylämmittimillä niin, että lämpötila seuraa normaalia keväistä päivärytmiä, päivällä lämmintä ja yöllä pakkasta. Osalle koelaatoista kipsi levitetään suoraan jäätyneen maan päälle, ja laattaa sadetetaan lumen vesiarvoa vastaavalla määrällä vettä. Kaikki valumavesi kerätään talteen analyysiä varten. Kokeessa on sekä käsittelemättömiä laattoja että kipsipeitteen saaneita laattoja tasaisella ja kaltevalla pohjalla. Jokaista käsittelyä on 4 toistoa, jotta tuloksesta saadaan luotettava.
Tällä hetkellä maalaatat odottavat lumisateita varastossa, ja valuntasimuloinnit päästään aloittamaan näillä näkymin tammikuussa 2020. Tulokset valmistuvat kevään mittaan. Onko kaltevuudella merkitystä, miten lumipeite tai sade vaikuttaa kipsin huuhtoutumiseen ja miten kipsi vaikuttaa valumaveden mukana huuhtoutuvan maa-aineksen tai ravinteiden määrään? Tämä kaikki jää kokeissa nähtäväksi. Tuloksista kerromme SAVEn blogissa keväällä.
Kirsi Järvenranta ja Jenni Laakso, Luonnonvarakeskus Kuopio
SAVE on kerännyt viljelijöiden kokemuksia kipsistä vuosittaisella kyselytutkimuksella kolmena eri talvena joulukuusta 2016 asti. Tulokset kertovat, että valtaosa pilottiviljelijöistä suhtautuu kipsikäsittelyyn myönteisesti. Kipsi ei ole aiheuttanut vahinkoa sadolle tai maaperälle yhdelläkään tilalla – osalla vaikutukset ovat olleet positiivisia.
Lupaavakaan uusi vesiensuojelukeino maataloudessa ei synnytä toivottuja ympäristöhyötyjä, jos se ei saa viljelijöiden hyväksyntää ja leviä laaja-alaiseen käyttöön. Siksi SAVE-hankkeessa vuoropuhelu viljelijöiden kanssa on koettu tärkeäksi alusta saakka.
Viljelijöiltä saatu palaute ja kysymykset pilotin alkuvaiheen puhelinhaastatteluissa, viljelijätapaamisissa ja tilakäynneillä auttoivat hahmottamaan hankkeen mahdollisia haasteita ja tarkentamaan suunnitelmia. Lisäksi viljelijöitä askarruttaneista kysymyksistä ja huolista saatiin tietoa, jota on voitu hyödyntää myös kyselyseurannassa.
Kyselyseurannan kautta on saatu tietoa viljelijöiden kokemuksista kipsikäsittelystä ja sen toimivuudesta viljelijän näkökulmasta sekä myös viljelijöiden asennoitumisesta uuteen heillä kokeilussa olleeseen vesiensuojelumenetelmään. Pilotista saaduista kokemuksista on hyötyä, kun kipsin käyttöä maatalouden vesiensuojelukeinona suunnitellaan jatkossa.
Päätuloksia SAVE-hankkeen kolmesta perättäisestä kyselystä vuosina 2016–2018
Kipsipilottiin osallistui joukko monenlaisia viljelijöitä
Kipsipilottiin osallistui 55 viljelijää – noin puolet valuma-alueen viljelijöistä. Yleisimmat syyt jättäytyä pilotista liittyivät tilaa koskeviin rajoitteisiin (pellot luomuviljelyksessä tai nurmella, pellon hankala sijainti, pieni levitysala tai muut syyt) tai siihen että viljelijä oli luopunut tai luopumassa viljelystä. Ainoastaan muutamat viljelijät ilmaisivat etteivät olleet kiinnostuneita osallistumaan kipsipilottiin.
Osallistuneet viljelijät ja tilat muodostivat monipuolisen joukon monen eri tekijän suhteen: mm. tilojen koot, viljeltävät kasvit, viljelytavat sekä itse viljelijöiden ikä ja koulutus vaihtelivat. Suurimmalle osalle kipsin käyttö ei ollut entuudestaan tuttua. Reilu kolmasosa kuuli kipsin käytöstä vesiensuojelutoimenpiteenä ensimmäistä kertaa SAVE-hankkeen kautta ja vain kaksi viljelijää oli kokeillut kipsiä aiemmin. Silti viljelijät lähtivät rohkeasti kokeilemaan kipsiä laajoillakin pinta-aloilla.
SAVEn ensimmäisen kyselyn vastauksissa yleisimmät syyt osallistua liittyivät viljelijöiden haluun parantaa maatalouden ympäristömainetta ja tukea uusien vesiensuojelumenetelmien tutkimista, uteliaisuuteen kipsin vaikutuksista, mahdollisuuteen vähentää ravinnehuuhtoumia paikallisiin vesistöihin ja Itämereen sekä haluun vahvistaa suomalaista maataloutta.
Säännöllistä seurantaa ja vuoropuhelua viljelijöiden kanssa
Syksyn 2016 kipsinlevityksen jälkeen hankekuulumisia pilottiviljelijöiden kanssa on vaihdettu yhteisissä vuosittaisissa viljelijätilaisuuksissa. Systemaattisempaa seurantaa on toteutettu kolmella perättäisellä viljelijäkyselyllä. Ensimmäinen varsinainen viljelijäkysely toteutettiin vuodenvaihteessa 2016–2017. Sen jälkeen kyselyt on osittaisin muutoksin toistettu kahtena seuraavana vuonna. Kyselyvastauksista saatu kattava ja ainutlaatuinen aineisto viljelijöiden kokemuksista kipsin käytöstä ja koko pilotista kolmen vuoden ajalta. Ensimmäiseen kyselyyn vastasi 48 kaikista 55 pilottiin osallistuneesta viljelijästä – jokaiseen kolmeen kyselyyn vastasi yhteensä 43 viljelijää.
Lisäksi kyselyistä tehtiin suppeammat versiot vertailualueen viljelijöille sekä niille valuma-alueen viljelijöille, jotka eivät osallistuneet pilottiin. Kyselyiden kautta on saatu myös vedenlaadun seurannan kannalta tarpeellista tietoa alueen tiloilta.
Peltojen kipsitys sujui suuremmitta ongelmitta
Kipsin kuljetuksen, varastoinnin ja levitystyön sujumista sekä mahdollisia ongelmakohtia kysyttiin vaihe vaiheelta ensimmäisessä viljelijäkyselyssä joulu-tammikuussa. Sen lisäksi haastateltiin urakoitsijoita, jotka olivat tehneet valtaosan levitystyöstä.
Sekä kyselyn että haastatteluiden kipsinlevitystä koskevat vastaukset olivat pääosin myönteisiä, koska vaikeuksia työvaiheissa kuivana syksynä 2016 oli koettu varsin vähän. Yli 90 % kyselyyn vastaajista koki lähes kaikkien työvaiheiden sujuneen hyvin. Vastausten perusteella kipsinlevitys ei myöskään ollut juuri haitannut muita peltotöitä, sillä noin 70 % vastaajista arvioi kipsinlevityksen sovittamisen osaksi muita peltotöitä onnistuneen hyvin tai erittäin hyvin.
Kipsitetyillä pelloilla kaikki hyvin
Viljelijöiden havaintoja omilta, kipsitetyiltä pelloiltaan kerättiin toisessa ja kolmannessa kyselyssä marras-tammikuussa 2017–2018 ja 2018–2019.
Talven 2017–2018 kyselyn vastauksista selvisi, että viljelijöillä ei ollut omilta pelloiltaan havaintoja, joiden perusteella voitaisiin epäillä kipsin heikentäneen satoa tai huonontavan maaperää. Sen sijaan erityisesti kyntö- ja kevytmuokattuja peltoja viljelleet viljelijät raportoivat maaperän parantumisesta – kolmasosa heistä oli havainnut kipsin vaikuttaneen positiivisesti peltoihin. Myös yksittäiset suorakylvöpeltoja viljelleet olivat kokeneet kipsin parantaneen maaperää. Lisäksi yksittäiset viljelijät arvioivat, että kipsillä oli ollut myönteinen vaikutus satoon.
Peltojen tiivistyminen on keskeinen syksyisiin peltotöihin liittyvä haaste. Siksi kysyimme, oliko kipsin levitystyö aiheuttanut ongelmia pelloilla. Suurin osa viljelijöistä ei ollut havainnut edellisen syksyn kipsilevityksen aiheuttaneen peltojen tiivistymistä tai uria peltoon. Kolmasosa viljelijöistä kertoi, että levitystyö oli aiheuttanut jonkin verran pellon tiivistymistä, neljäsosalla levityksestä oli jäänyt jonkin verran uria peltoon. Suurempia ongelmia ei kuitenkaan ollut esiintynyt kenelläkään, ja valtaosa oli selvinnyt kokonaan ongelmitta.
Havaintoja kipsin vaikutuksesta peltoihin kysyttiin viljelijöiltä uudelleen talvella 2018–2019 kaksi vuotta kipsinlevityksen jälkeen. Vastaukset olivat hyvin samansuuntaisia kuin aiemmassa kyselyssä: Edelleen melkein kolmasosa kyntö- ja kevytmuokattuja peltoja viljelevistä koki kipsin parantavan maaperää – suorakylvöpeltoja viljelevistä joka seitsemäs. Satoparannuksista raportoivat yksittäiset viljelijät. Viljelijöillä ei edelleenkään ollut havaintoja, jotka viittaisivat kipsin heikentäneen satoa tai maaperää
Molemmissa kyselyissä osa viljelijöistä oli huomannut peltolammikoiden ja kyntövaoissa olevan veden kirkastuneen kipsikäsittelyn seurauksena. Joillain viljelijöillä kipsi oli myös paikannut rikin puutetta.
Pääosa viljelijöistä suhtautuu kipsikäsittelyyn myönteisesti
Suurin osa pilottiin osallistuneista viljelijöistä suhtautuu kipsikäsittelyyn myönteisesti. Uusimmassa kyselyssä miltei neljä viidestä viljelijästä vastasi että käyttäisi kipsiä, jos menetelmä olisi maatalouden tukijärjestelmien piirissä ja käyttö mahdollista omilla pelloilla. Yli 70 prosenttia suosittelisi sitä muille viljelijöille.
Huolet kipsin vaikutuksesta satoon ja maaperään ovat laskeneet hankkeen aikana. Ensimmäisessä kyselyssä noin puolet viljelijöistä ilmoitti olevansa ainakin jonkin verran huolissaan peltomaan kovettumisesta kipsikäsittelyn seurauksena sekä kipsin vaikutuksesta satoon. Viime talven kyselyssä peltomaan kovettuminen huoletti enää alle neljäosaa ja vaikutus satoon kolmasosaa viljelijöistä.
Noin puolet viljelijöistä tuntee vielä tässä vaiheessa tarvitsevansa lisäkokemusta kipsin toimivuudesta suojelukeinona, ennen kuin kokee sen täysin luotettavaksi. Kuitenkin vain alle neljäsosa epäilee, ettei kipsikäsittely vähennä ravinnehuuhtoumia merkittävästi. Kaksi kolmesta kokee, että omilla viljelymenetelmillä on vaikutusta vesistöjen ja Itämeren tilaan, ja melkein 60 prosenttia vastaajista pitää kipsiä helppona menetelmänä vesiensuojeluun. Suurin osa ei myöskään epäile, etteivätkö viljelijät muualla Suomessa käyttäisi kipsiä, jos se olisi osa maatalouden tukijärjestelmää.
Kipsikäsittelystä koituvien kustannusten korvausten kattavuus mietitytti suurta osaa viljelijöistä – melkein neljä viidestä oli asiasta vähintään jonkin verran huolissaan. Samoin perinteisten suojelukeinojen rahoituksen tulevaisuus huoletti noin 60 prosenttia vastaajista.
Palautetta hankkeelle
Kyselyissä on ollut mahdollista antaa palautetta hankkeelle. Valtaosa pilottiin osallistuneista viljelijöistä on kokenut saaneensa tarpeeksi tietoa hankkeesta ja tulleensa myös itse kuulluksi. Viljelijät ovat tunteneet voineensa itse vaikuttaa hankkeeseen ja suurimmalla osalla on myös ollut luottamus, että hankkeessa pystytään kokoamaan ja välittämään pilotin kautta opittua tietoa eteenpäin.
Viime talven kyselyn loppukommenteissa viljelijät ehdottivat mm. kipsin talvilevityksen kokeilua ja toivoivat kasvusto-, maa- ja kaivovesinäytteiden ottojen jatkuvan. Vuodenvaihteessa alkaneen SAVE2-hankkeen aikana kokeiluja ja seurantoja jatketaan ainakin vuoden 2020 loppuun. Niistä kerromme edelleen täällä SAVEn blogissa sekä uutiskirjeen, Facebookin ja Twitterin välityksellä.
Kyselyjen kautta on saatu myös tietoa viljelytoimista kipsinlevitysalueella, mikä tukee vedenlaatuvaikutusten arviointia. Lämpimät kiitokset vielä kerran kaikille kyselyihin vastanneille!
Erikoistutkija Jouni Lehtoranta Suomen ympäristökeskuksesta (SYKE) kertoo yhteistyössä Turun ammattikorkeakoulun kanssa tehdyistä kokeista, joissa selvitettiin sulfaatin vaikutusta luonnonvesien rehevöitymiseen. Mereen päätyessään sulfaatista ei ole haittaa, sillä merivedessä sitä on luontaisesti paljon. SAVE-hankkeen arviossa kipsinlevitykselle soveltuvasta peltoalasta on rajattu pois ne valuma-alueet, joilta vedet laskevat järviin. Jouni kertoo blogissa miksi järvet eivät kestä sulfaattia.
Edellisessä blogijutussani esittelin sulfaatinpelkistyksen vaikutusta raudan ja fosforin kiertoon ja sen aiheuttamaa rehevöitymistä. Kipsinlevitys pelloille voi nostaa sulfaattipitoisuutta vesistöissä. Voisiko siitä aiheutua haittaa järvissä?
Sulfaatin vaikutusten tutkiminen itse vesistöissä on hankalaa, sillä sulfaatti vaikuttaa pohjasedimentin prosesseihin. Haitallisten vaikutusten havaitseminen saattaa kestää vuosia. Kätevämpää on tehdä laboratoriokoe, jossa olosuhteita voidaan säädellä tarkemmin kuin tottelemattomassa luonnonympäristössä.
”Selvittääksemme miten mikrobit kohottavat sedimenttikakkujamme, tapoimme pöpöt reilulla annoksella formaliinia osasta näytteitä. Kakkujen kypsennyslämpötila oli 20 astetta.” (Kuva: Wolf Helmhardt von Hohberg 1695, Frau beim Brotbacken, Deutsche Fotothek, Wikipedia Commons.)
Labrakokkailua Turussa
Kokkailimme siis yhdessä Turun ammattikorkeakoulun insinööriopiskelijoiden ja heidän opettajiensa johdolla sedimenttikakkuja. Kakkureseptimme työkeittiöstä arkeen ja juhlaan oli seuraava: Raaka-aineina jään alta nostettu Turun Maarian altaan pohjasedimentin pintakerros ja saman altaan vesi. Sitten sulfaattia kolmessa eri tasossa: ei lisäystä, 30 mg/L ja 100 mg/L. Halusimme myös virkistää joidenkin koeyksiköiden mikrobitoimintaa sokerilla aivan kuin pullataikinassa. Tosin tavoitteena oli saada bakteerien – ei hiivojen – toiminta piristymään. Lisäksi tylytimme happea hengittäviä mikrobeja poistamalla vedestä happea typpikuplituksella. Selvittääksemme miten mikrobit kohottavat sedimenttikakkujamme, tapoimme pöpöt reilulla annoksella formaliinia osasta näytteitä. Kakkujen kypsennyslämpötila oli 20 astetta ja niitä pidettiin pimeässä. Vaatimaton lämpötila piirakanpaistoon, mutta varsin korkea meikäläisissä vesistöissä.
Tavoitteena rautasulfidikakkuja
Tavoitteenamme oli pilata Maarian altaan hyvä sedimentti sulfaattilisäyksillä. Sedimentissä saattaa olla niukasti ravintoa sulfaatin pelkistäjille ja siksi ruuan riittävyys varmistettiin sokerilla. Hapettomissa oloissa rautaoksidikakkujen pitäisi pelkistyä ja vapauttaa rautaa ja fosforia veteen. Sulfaattikäsittelyissä tulisi leipoutua rautasulfidikakkuja ja samalla fosforia pitäisi irrota veteen reippaasti. Tavoitteena oli siis havaita, miten hengitykseen käytettävä sulfaatti ja pöpöille tarjottu tuore ravinto aiheuttaisivat eroja monessa eri tekijässä käsittelyjen välillä. Oletuksena oli myös, että kaikissa formaliinilla tapetuissa kakuissa olisi taas varsin hiljaista.
Kokkailuissamme aistinvarainen kolmen tuomarin makustelu ei riittäisi. Nyt oli saatava numeroita veden sulfaatin, sulfidien, liukoisen raudan, fosfaattifosforin, kokonaisfosforin, mangaanin, nitraatin, ammoniumin pitoisuuksista ja vielä pH:n muutoksista niin leivonnan alussa kuin lopussakin. Tähtäimessä oli, että ymmärryksemme sulfaatin ja sokerin vaikutuksesta sedimentistä veteen irtoaviin useisiin aineisiin lisääntyisi.
Sedimenttikakkumme kuukausien kypsyttelyjen jälkeen
Vedessä lilluneet kakkumme muuttuivat mustiksi, joka viittaa rautasulfidien muodostukseen. Hapettomissa oloissa sedimentistä irtosi runsaasti fosforia veteen. Pitoisuus nousi jopa korkeammaksi kuin puhdistamattomassa jätevedessä. Sokeri lisäsi vain hieman fosforin vapautumista, mutta rautaa ja ammoniumia irtosi veteen sokerin avulla reippaasti enemmän. Tapetuissa näytteissä fosforipitoisuus pysyi lähtötasolla tai jopa laski, eli ilman mikrobitoimintaa fosforin vapautumista ei tapahtunut hapettomissakaan oloissa.
Mitä opimme sedimenttikakkujen mittailusta?
Jos Maarian altaan sulfaattipitoisuus nousee, niin fosforin vapautuminen sedimentistä kasvaa. Kokeissa sulfaatin lisäys vähensi myös vedessä tavatun raudan määrää, mutta melko vähän. Sulfaatti siis lisäsi fosforin vapautumista ja samalla vähensi fosforia sitovan raudan määrää vedessä luultavasti rautasulfidien muodostuksen vuoksi. Huonoon suuntaan mentiin, mutta tuliko niin pahaa kakkua kuin toivottiin? No ei tullut. Raudan väheneminen ja fosforin vapautuminen oli varsin maltillista. Sokerinkin lisääminen kasvatti fosforin vapautumista vain hillitysti sedimentistä veteen. Miksi näin kävi?
Vaikuttaa siltä, että Maarian altaan pöpöille itse sedimentissä on jerkkua takana kuin Pitkämäen heitossa aikoinansa. Sedimentissä on siis riittävästi polttoainetta käynnistämään fosforia vapauttavat hapettomat hengitysprosessit aina sulfaatinpelkistykseen saakka. Hapettomissa oloissa altaan sedimentistä irtoaa runsaasti fosforia ilman sulfaatti- tai sokerilisäystäkin. Tosin sokerin lisääminen saattoi kohentaa mikrobien kasvua ja sedimentistä irronnut ekstra fosfori voisi löytyä myös sokerista hyötyneistä pöpöistä.
Merkittävin tekijä vähäisen pahan kakun syntymiseen oli luultavasti se, että altaan sedimentissä on paljon rautaoksideja. Niiden pelkistyminen nosti raudan määrän vedessä hyvin korkeaksi. Kokeessa lisäämämme sulfaatti hengitettiin pois lähes täysin ja silti syntyneet sulfidit riittivät sitomaan vain osan raudasta. Sulfaattimäärämme eivät juuri vaarantaneet raudan kykyä sitoa fosforia, kun olot muuttuivat takaisin hapellisiksi. Mutta olisiko pahaa sulfidikakkua syntynyt enemmän, jos olisimme lisänneet sulfaattia kokeen edetessä? Jaa-a, kyllä näin olisi voinut tapahtua. Luonnossahan sulfaatti ei ehtyisi parissa kuukaudessa kuten kokeessamme.
Lopputulos
Kokeemme toi konkreettisesti esiin sen, että useita ravinteiden kiertoon osallistuvia aineita on otettava huomioon kun tarkastellaan kuormituksen vähentämistoimenpiteiden vaikutuksia vastaanottavassa vesistössä.
Voiko kipsiä nyt laittaa pellolle, vaikka sulfaattipitoisuus nousee vesistöissä? Tulostemme perusteella varsin reipaskaan sulfaattipitoisuuden kasvu Maarian altaassa ei lisää huimasti fosforin vapautumista, kun olosuhteet muuttuvat hapettomiksi. Kokeemme kesti kuitenkin vain pari kuukautta. Huolestuneisuus kohdistuu tässä siihen, että sulfaatti pääsi kokeessa ehtymään melko nopeasti. Jos sulfaattia tulisi pidempiaikaisesti valuma-alueelta vesistöön ja mikrobit pelkistäisivät sitä sedimentissä, niin se saattaisi johtaa rautasulfidien muodostukseen ja heikentyneeseen fosforin sidontakykyyn. Pahaa kakkua saattaisi syntyä, vaikkakin hitaasti. Suosittelisin siis edelleen kipsin käyttöä vain sellaisilla valuma-alueilla, joista vedet päätyvät jokien kautta suoraan mereen.
Blogini epilogi
Antaisin reseptille vaikeusasteen 4/5. Toteutus ja valmistuminen syövät resursseja ja aikaa. Kakkukäsittelyissä muodostuva bukee (tolkuton mädän kananmunan haju) karsii amatöörit ja vain karastuneimmat ajautuvat ammattilaisuuteen. Hapettomien olojen kokkailukokemuksista MP:tä ja näkiksii voi kysäistä opiskelijoilta, jotka opettajiensa kanssa toteuttivat kokeen näytteenotosta aina viimeisiin mittauksiin. Sedimenttikokeet vaativat suuren työmäärän. Näytteiden käsittely hapettomuudessa ei myöskään ole ihan yksinkertaista. Näistä vaativista töistä Turun AMK selvisi erinomaisesti ja siitä iso kiitos.
Jouni Lehtoranta
Erikoistutkija, Suomen ympäristökeskus (SYKE)
Kipsin on havaittu vähentävän liuenneen orgaanisen hiilen huuhtoutumista pelloilta vesiin. Mitä merkitystä tällä on vastaanottavan vesistön kannalta? Tohtorikoulutettava Noora Manninen Helsingin yliopistosta ja erikoistutkija Helena Soinne Luonnonvarakeskuksesta valottavat aihetta.
Maatalouden vesistökuormituksen ympärillä käytävä keskustelu keskittyy pääasiassa pelloilta tulevaan typpi- ja fosforikuormaan. Peltomaiden hiilipäästöihin liittyvä keskustelu keskittyy puolestaan maasta kaasumaisina päästöinä ilmakehään siirtyvään hiileen. Hiiltä voi kuitenkin poistua maasta myös valumavesien mukana. Veden mukana liikkuva hiili voi olla liuennutta orgaanista hiiltä (DOC) tai kiintoainekseen sitoutunutta partikkelimaista hiiltä. Metsäisten valuma-alueiden liuenneen hiilen kuormaa sekä tähän vaikuttavia metsätaloustoimenpiteitä on tutkittu melko paljon sekä Suomessa että muissa Pohjoismaissa. Maatalousmaiden orgaanisen hiilen vesistökuormasta on kuitenkin vasta vähän tietoa.
Puro- ja ojavedet kuljettavat liuennutta orgaanista ainesta valuma-alueilta vesistöihin (kuva: Helena Soinne)
Samoin kuin perustuotantoa lisäävät typpi ja fosfori, myös hiili on ravinne, joka voi vaikuttaa vesistöjen rehevöitymiskehitykseen. Vesistöissä elävät toisenvaraiset eli heterotrofiset bakteerit voivat käyttää vesistöjen hiiliyhdisteitä energian ja ravinteiden lähteenään. Valuma-alueelta peräisin olevan liuenneen orgaanisen aineksen mukana kulkeutuu vesistöön paitsi hiiltä, mutta myös orgaanista typpeä ja fosforia. Nämä voivat lisätä tuottavuutta vesistöissä ja näin ollen edistää esimerkiksi Itämeren rehevöitymistä.
Valuma-alueelta huuhtoutuva orgaaninen aines vaikuttaa myös veden kirkkauteen ja vesistöjen onkin havaittu tummuvan (eng. browning) koko pohjoisella pallonpuoliskolla. Tämän vesistöjen tummumisen taustalla on arvioitu olevan mm. ilmastonmuutos, jonka seurauksena sadanta ja valunta ovat muuttuneet sekä lämpötilat ja perustuotanto valuma-alueilla kasvaneet. Myös happaman laskeuman vähentymisen on arvioitu lisänneen liuenneen orgaanisen aineksen huuhtoutumista. Veden tummentuminen vaikuttaa veden lämpötilaan sekä valon määrään pintavedessä. Tummavetinen järvi lämpenee nopeammin kuin kirkas ja veden tummentuminen muuttaa vesialtaan lämpötilakerrostuneisuutta. Lämpötilamuutokset vaikuttavat järven ekologiaan mm. lisäämällä joidenkin levälajien ja vähentämällä joidenkin kalalajien viihtyvyyttä. Tummassa vedessä auringon valo ei pääse tunkeutumaan yhtä syvälle kuin kirkkaassa vedessä ja vesitilavuus, jossa yhteyttävien levien kasvu on mahdollista, on pienempi.
Liuennut orgaaninen aines muuttaa veden väriä (kuva: Helena Soinne)
Vuosittainen vaihtelu valumavesien liukoisen hiilen kuormassa johtuu paljolti siitä, mihin aikaan vuodesta ja kuinka paljon valuntaa tulee kunakin vuonna. Valuma-alueelta huuhtoutuvan liukoisen orgaanisen aineksen määrään ja laatuun vaikuttavat valunnan lisäksi myös alueen maalaji sekä maankäyttö. Suurimmat liuenneen orgaanisen hiilen kuormat tulevat soilta ja muilta eloperäisiltä mailta. Suomen ympäristökeskuksen tutkimusten mukaan jokiveden liuenneen orgaanisen aineksen pitoisuuden sekä valuma-alueen peltopinta-alan välillä on positiivinen korrelaatio: jokivesistä mitatut liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuudet näyttäisivät olevan sitä suurempia, mitä enemmän valuma-alueella on peltopinta-alaa. Myös kansainvälisten tutkimusten mukaan viljelysmailta voi valumaveden mukana huuhtoutua huomattavia määriä liuennutta hiiltä.
Liuenneen orgaanisen aineksen laatua on tutkittu myös Vantaanjoen valuma-alueella (kuva: Iida Autio)
Suomessa peltomaalta valunnan mukana kulkeutuvaa liuenneen orgaanisen aineksen kuormaa on tutkittu viime vuosina Luonnonvarakeskuksen huuhtoutumiskentillä Jokioisilla ja Toholammilla. Tulokset viittaavat siihen, että hehtaarikohtainen liuenneen orgaanisen hiilen vuosikuorma näiltä peltomailta on samaa suuruusluokkaa kuin kivennäismaavaltaisilta metsäalueilta tuleva kuorma. Lisäksi tutkimuksessa on havaittu, että mitä korkeampi pintamaan hiilipitoisuus on, sitä suurempi on valumaveden kuljettama liuenneen orgaanisen hiilen kuorma. Näin ollen sellaiset viljelytoimenpiteet, joilla pyritään edistämään hiilen kertymistä pintamaahan, voivat samalla lisätä riskiä liuenneen orgaanisen hiilen huuhtoutumiselle. Siksi liuenneen hiilen kulkeutumista peltomaasta sekä sen laatua ja vesistövaikutuksia tulisi tutkia lisää.
Noora Manninen ja Helena Soinne
Kirjallisuutta
Autio, I., Soinne, H., Helin, J., Asmala, E., Hoikkala, L. 2016. Effect of catchment land use and soil type on bacterial degradation of riverine dissolved organic matter. Ambio 45: 331.
de Wit, H.A., Valinia, S., Weyhenmeyer, G.A., Futter, M.N., Kortelainen, P., Austnes, K., Hessen, D.O., Räike, A., Laudon, H. and Vuorenmaa, J. 2016. Current browning of surface waters will be further promoted by wetter climate. Environmental Science and Technology Letters 3:430–435.
Hoikkala, L., Kortelainen, P, Soinne, H., Kuosa, H. 2015. Dissolved organic matter in the Baltic Sea – Review. Journal of Marine Systems, 142: 47–61
Manninen, N., Soinne, H., Lemola, R., Hoikkala, L., Turtola, E. 2018. Dissolved organic carbon load in surface runoff and drainage from cultivated mineral soils. Science of the Total Environment 618: 1519-1528.
Mattsson, T., Kortelainen, P. and Räike, A. 2005. Export of DOM from boreal catchments: Impacts of land use cover and climate. Biogeochemistry 76: 373–394.
Erikoistutkija Jouni Lehtoranta Suomen ympäristökeskuksesta (SYKE) kuvaa kirjoituksessaan, miten sulfaatti saattaa aiheuttaa rehevöitymistä vesistöissä. Tätä näytelmää lukiessa maallikollekin avautuu, mistä prosessissa on kyse. Sulfaatin vaikutusta luonnonvesien rehevöitymiseen on tutkittu yhteistyössä Turun AMK:n kanssa. Tuloksia kokeesta saadaan syksyllä. Keväällä julkaistussa arviossa kipsinlevitykselle soveltuvasta peltoalasta on rajattu pois ne valuma-alueet, joilta vedet laskevat järviin.
Olemme Ekholmin Petrin kanssa pohdiskelleet sulfaatin aiheuttamaa rehevöitymistä vuosituhannen alusta saakka. Fosforin kierron kannalta ”mikrobiologinen dissimilatorinen sulfaatin pelkistys” on yksi merkittävimmistä tapahtumista vesistöissä. Työkaverit hauskuuttavat itseään tuon termin käytöllä ja hymyilyttäähän se minuakin. Totuus kuitenkin on, että prosessi tunnetaan heikosti meikäläisissä vesistöissä. Eikä tuo nyt luille kaluttu termi ole, jos se tulee tässä ensimmäistä kertaa esille. Ryhdytään nyt linkittämään sulfaattia fosforiin ja rehevöitymiseen teatterinäytelmän keinoin.
Kytkennät aineiden välillä ovat tietysti monimutkaisia, kuten näiden luonnon prosessien kanssa tahtoo olla. Mutta niin ovat monet näytelmätkin pää- ja sivuhenkilöineen. Hylätään kuitenkin aluksi termit ja rakennetaan sulfaatista näytelmä, jossa aineiden sitoutumiset ja vapautumiset esitetään kihlautumisina, eroina ja uusien kumppanien löytämisinä ja pysyvinä liittoina. Pääosissa ovat happi, rauta, rikki, fosfori ja eloperäinen hiili. Eri näytösten ohjaajat – tilannetajuiset mikrobit – osallistuvat näytökseen vain, kun tietyt reunaehdot näyttämöllä toteutuvat. Näyttelijät ja ohjaajat lavalle ja vedetään esirippu ylös!
Henkilöhahmoja Shakespearen näytelmistä. (Kuva 1800-luvun puolivälistä, tekijä tuntematon. Lähde: Wikipedia Commons)
Ensimmäinen näytös: Rauta-fosforiliitossa kaikki hyvin
Näyttämöllä on ruuhkaksi asti happea ja muutamia eloperäisen aineksen edustajia. Mikrobeista lavalla ovat vain ne, jotka tykkäävät hapesta, jota on runsaasti ympärillä. Timmissä kunnossa olevat hapettuneet ruosteraudat kihlautuvat nopeasti fosforin kanssa ja fosfori ei ole kiinnostunut suuresti levien flirttailusta. Levät eivät siis lisäänny liikaa. Sulfaatit pyörivät näyttämöllä kykenemättöminä turmelemaan raudan ja fosforin solmimia liittoja. Oi onnea!
Toinen näytös: Parisuhde alkaa rakoilla
Näyttämölle saapuu lisää eloperäistä ainesta ja mikrobit poistavat näyttämöltä lopulta kaikki happikaverit. Hapettomaksi muuttuneella näyttämöllä hyväkuntoisesta raudasta kiinnostunut mikrobiporukka heräilee ja alkaa murjoa eloperäisen aineksen avulla rautaa heikompaan kuntoon. Tällaisesta raudasta fosfori ei enää ole kiinnostunut ja fosfori purkaa kihlauksensa raudan kanssa. Voimaton rauta ja siitä eronnut fosfori eivät kykene sitoutumaan toisiinsa lukuun ottamatta muutamaa hassua susiparia, ja rauta ja fosfori vaeltelevat turhautuneina näyttämöllä. Osa fosforista tympääntyy touhuun täysin ja menee kimppaan levien kanssa.
Kolmas näytös: Parisuhdeongelma kärjistyy – rauta löytää uuden kumppanin
Lavalle tunkeutuu vielä lisää eloperäistä ainesta, sopivaa rautaa ei enää ole taottavaksi ja nyt eloperäisen aineksesta kiinnostuvat sulfaattia hyödyntävät mikrobit. Nämä veijarit tuottavat sulfaatista ärhäkkään, raudasta erittäin kiinnostuneen sulfidin. Sulfidi häiriköi, vie raudan vihille, ja pariskunnasta tulee musta, näyttämörakenteisiin hautautuva kiinteä rautasulfidi. Raudan seurustelu sulfidin kanssa on armoton fosforille, sillä rauta, liittouduttuaan sulfidin kanssa, ei kykene fosforiliittoon. Fosfori poistuu kolmantena pyöränä ja on vapaa seurustelemaan muiden kumppanien kanssa. Näytelmän loppu on onneton – fosfori kihlautuu sinilevän kanssa.
Näytelmän opetus
Esityksen ”hyvis” on rauta, tarkemmin ilmaistuna rautaoksidi, joka sitoo fosforin pois levien ulottuvilta. Sulfaatti ja sen sisältämä rikki on taas ”pahis”, joka sitoo raudan, jolloin se ei kykene sitomaan fosforia. Ensimmäinen näytös osoittaa, että sulfaatti on alussa ”harmiton”, mutta tilanne muuttuu ikäväksi, kun mikrobit voivat hyödyntää sitä suurin määrin, jolloin sulfaatin sisältämä rikki aiheuttaa riesaa sen estäessä raudan ja fosforin keskinäisen sitoutumisen.
Jokien sulfaattikuormalla on vähäinen vaikutus meren sulfaattipitoisuuteen, koska merissä sulfaattia on jo luontaisesti. (Kuva: Samuli Puroila)
Sulfaatin lisääminen vesistöön voi siis lisätä rehevöitymistä. Jos systeemi on niukkatuottoinen, niin sulfaatti tuskin aiheuttaa rehevöitymisongelmia – pohjasedimentissä kun ei ole käyttökelpoista eloperäistä ainesta sulfaatinpelkistäjille ja sulfaatti kulkee vesistön läpi. Toisin on rehevien vesistöjen kanssa, joihin sulfaatin lisääminen voi olla hyvinkin haitallista. Sulfaatin pelkistäjäbakteerit viihtyvät hyvin lämpimissä ja rehevissä ympäristöissä. Maataloutemme kuormittamat matalat ja hyvin, koko vesitilavuudeltaan lämpenevät järvemme eivät todellakaan tarvitse sulfaattilisäystä. Tämän vuoksi emme suosittele sulfaattipitoisuutta vesistössä nostavaa kipsin käyttöä kuin sellaisilla valuma-alueilla, joilta vesi kulkeutuu suoraan tai jokia pitkin mereen. Merivedessä sulfaattia riittää luontaisesti eikä lisäsulfaatti juuri vaikuta sulfaattipitoisuuteen.
Tätä aihetta ”sulfaatti ja rehevöityminen” ovat käsitelleet muutkin tasokkaissa tieteellisissä artikkeleissa, ja vieläpä reilusti ennen minua ja Petriä. Mutta jos meidän tekemä heavy-osasto kiinnostaa, niin kannattaa käydä vilkaisemassa artikkeleita AMBIO-tiedelehdestä tai kotimaisesta Vesitalous-sarjasta.
J.K. Tavoittelin tässä Shakespearen loistokkuutta, mutta tällaista pienen pitäjän kömpelöä kesäteatteria tuli. Menköön helteisen heinäkuun piikkiin.
Jouni Lehtoranta
Erikoistutkija, Suomen ympäristökeskus (SYKE)
Maanviljelyskemian ja fysiikan dosentti sekä MTK:n ympäristöjohtaja Liisa Pietola kertoo kehitystyöstä ja tutkimuksista, jotka vahvistivat kipsin potentiaalin uudeksi vesiensuojelukeinoksi ja pohjustivat kipsimenetelmän käytännön testausta TraP-projektissa (2007–2010). TraP-kipsinlevityspilotin hyvät tulokset siivittivät edelleen SAVE-hankkeen syntymistä, jossa kipsimenetelmää on testattu laajemmassa mittakaavassa.
Liisa Pietola Maanviljelyskemian ja fysiikan dosentti, MTK:n ympäristöjohtaja 2011–
Kuinka hienolta tutkijasta tuntuu, kun teoria ja käytäntö lyövät kättä, kun molekyylipiirrokset ja maanviljelyskemian reaktioyhtälöt toimivat käytännössä! Eikä vain laboratoriomittakaavassa vaan myös todellisessa maanviljelyssä, jossa voitettavana oli monia lisähaasteita. Tätä matkaa sain olla todistamassa 10–12 vuotta sitten. Ja näin asiat loksahtelivat kokemukseni ja muistini mukaan.
Oli kevät 2006 ja olin juuri aloittanut Kemira GrowHow’n erikoistutkijana ja maaperäasiantuntijana Espoon Suomenojan tutkimuskeskuksessa. Takana oli 15 vuosikurssia maanviljelysfysiikan ja -kemian luento- ja laboratorio-opetusta Helsingin yliopistossa sekä agronomista maaperätutkimusta yhteistyössä ensimmäisen työpaikkani MTT:n kanssa (nykyisin Luke).
Heti aluksi nostan kolme nimeä ja tahoa, jotka sysäsivät kehitystyön liikkeelle keväällä 2006: MTT:stä professori Erkki Aura, Kemira GrowHow’n jo edesmennyt Espoon tutkimus- ja tuotekehitysosaston vetäjä Jari Peltonen sekä Maaseudun Tulevaisuuden toimittaja Veikko Niittymaa, joka oli kirjoittanut jutun Siilinjärven kipsistä. Jutun otsikon mukaan apatiittikaivoksen ja fosforihappotehtaan kipsikasa pitäisi levittää eroosioalttiille savimaille. Jari toi lehden minulle ja pyysi selvittämään aihetta lisää. Lehdessä oli haastateltu Erkkiä, vanhempaa alani tieteenharjoittajaa ja innoittajaa.
Jatkoimme Erkki Auran kanssa aiheen puntarointia. Muistan, kuinka hän piirteli fosfaattianioneja ja hiukkaspintoja ruutupaperille. Hahmotelmat ja teoriat kuvasivat sitä, miten kipsikäsittelyn jälkeen maaperän liukoinen fosfori tarttuisi maapartikkelien pinnalle riittävän höllästi siten, että kasvi voisi fosforin hyödyntää. Saostusta ei siis tapahtuisi (toisin kuin kalkitusaineen kohdalla pH:n noustessa liikaa), mikä oli yksi keskeinen pointti käytännön viljelyn kannalta.
Erkki oli siis jo tutkinut murustumista suspensiokokein laboratoriossa. Tiesimme, että kipsi parantaa murujen kestävyyttä ja siten partikkelifosforin pakoa pellolta, mutta voisiko se vaikuttaa myös liukoiseen fosfaattifosforiin? Kannatti ihmeessä kokeilla. Teoria oli tukena.
Fosforin käyttökelpoisuuden lisäksi toinen keskeinen pointti, johon liittyi aluksi epäilyksiä, oli kipsin liukoisuus. Jos suuri kipsikasa on pysynyt kasassa, niin miten kipsi liukenisi maassa? Kipsi eli kalsiumsulfaatti kahdella kidevedellä liukenee kuitenkin hyvin maahan sekoitettuna, kun suhteuttaa liukoisuuden maaperän huokostilavuuteen ja vesivirtauksiin.
Laskin annosmääriä kipsin liukoisuuden, maan huokosvesitilavuuksien ja Erkin ohjaaman suspensiojulkaisun (vuodelta 2006) perusteella. Ja nyt nostan esille keskeisen vaikuttajan ja tekijän, Kemira Growhow’n laborantti Ulla Kulokosken, joka alkoi tehdä kipsijauheen ja maan seoksia ja valuttaa läpi vettä, josta mittasimme sameutta ja liukoista fosforia. Teimme kymmeniä, satoja ”lirutuksia” eri maalajeja ja fosforitasoja edustavien peltomaanäytteiden läpi. Ulla oli tavattoman kekseliäs ja toteutti lirutuskokeet tarkasti ja toistoilla, jotka osoittivat tilastollisen luotettavuuden. Veden happamuus ei juuri muuttunut, onhan kalsiumsulfaatti neutraali suola, mutta suolaisuutta kuvaava johtoluku nousi. Ja se oli juuri tarkoitus – ei liikaa mutta sopivasti, ajatellen samalla maan viljeltävyyttä. Liika suolaisuushan estäisi esimerkiksi itämisen. Taso, joka vastasi 4 tn/ha sekoitettuna 10 cm:n maakerrokseen, osoittautui parhaaksi.
Oleellista oli, että kipsi liukeni maassa, johon se sekoitettiin. Kukkapurkkien kipsi-maa -seokset kostutettiin ja niiden läpi valutettu vesi oli kirkkaampaa ja fosfaattipitoisuus puolet pienempi kuin samalla lailla kostutetun ja valutetun maan ilman kipsiä. Ullan analyysit ja käytännön laboratoriokehitystyö olivat huippua! Ne osoittivat, että maanesteen kalsium- ja sulfaatti-ionit toimivat kemian oppien mukaisesti: Kalsium kahdella positiivisella varauksellaan liitti negatiivisia maahiukkasia toisiinsa ja vahvisti muruja. Sulfaatti lisäsi suolaisuutta ja vähensi repulsiovoimia, jotta hiukkaset pääsivät lähelle toisiaan. Negatiivinen fosfaatti puolestaan pääsi myös lähelle hiukkaspintaa sulfaatin raivaamalle paikalle ja turvaan huuhtoutumiselta huokosvedestä.
Kesän 2006 jälkeen esittelimme lupaavia tuloksia ja jatkoimme työtä taas 2007. Varmistelimme ja tutkimme tarkemmin myös raaka-ainetta: Kipsi syntyy kiven ja hapon yhteistyöstä. Apatiitti reagoi rikkihapon kanssa ja tuloksena on fosforihappoa, sivutuotteena kalsiumsulfaattia. Koska Siilinjärven apatiitti magmaattisena esiintymänä on niin puhdas, myös kipsi oli puhdasta. Meidän ei siis tarvinnut pelätä uraania tai kadmiumia kuten yleensä maailmalla, jossa apatiittiesiintymät ovat sedimenttisiä ja sivutuotteena syntyvää fosfokipsiä pidetään haitallisena.
Syksyllä 2007 TEKES-tutkimus pantiin liikkeelle Kemira GrowHow’n tutkimus- ja kehitysjohtaja Ilkka Kruusin tuella ja TraP-hanke esiteltiin maataloustieteen päivillä tammikuussa 2008. Syksyllä 2008 tulokset olivat esillä pohjoismaisessa fosforikonferenssissa, jonka julkaisu ansainnee paikkansa primäärilähteiden joukossa, Erkki Auran ym. vuoden 2006 julkaisun jälkeen. Suomenojan tuloksissamme uutta olivat tutkimukset viljelykelpoisella kasvualustalla eikä enää vesisuspensioilla. Uutta oli myös liukoisen fosforin pidättyminen, kuten professori Eila Turtola MTT:stä myöhemmin TraP-kokouksessa totesi mittaustensa jälkeen. Veden kirkastuminen suuremmista monoliiteista (jotka oli otettu peltomaasta kipsikäsittelyn jälkeen MTT:n TraP-tutkimuksissa) sai hieraisemaan silmiä, kuten muistan myös erikoistutkija Risto Uusitalon MTT:stä kuvailleen.
TraP-tutkimushanke (2007–2010): vedenlaadun mittauspiste Nummenpäässä. Kuva: Petri Ekholm, SYKE
TraP-hankkeen (2008–2010) myötä Suomenojan lirutukset laajentuivat Yaran, SYKE:n, MTT:n sekä Helsingin Seudun ja Vantaanjoen ja Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistyksen (VHVSY) ja Luode Consulting OY:n sekä TSS:n konsortioksi, jota rahoitti TEKES ja Yara (joka oli ostanut Kemira GrowHow’n 2008, mutta jatkoi projektia tauotta). Tästä kiitoksen ansaitsevat johtotehtävissä jatkaneet Timo Lainto sekä Heikki Sirviö, joka luotsasi projektin sovelluksen osaksi BSAG:n Itämerisitoumusta helmikuussa 2010, tuloksena laajat kipsikäsittelyt Saaristomeren valuma-alueelle syksyllä 2010.
Itämerisitoumuksen taustalla oli vahva TraP-näyttö syksyn 2008 peltolevityksistä: TraP-hanke vei tutkimukset laboratoriosta pelloille ja valuma-aluetasolle, jossa Luode Consultingin Mikko Kiirikki sekä Vantaanjoen ja Helsingin seudun vesienhoitoyhdistyksen Pasi Valkama mittasivat ja analysoivat jatkuvatoimisten mittauspisteiden tulokset yhdessä SYKE:n erikoistutkija Petri Ekholmin kanssa. TraP-hanke osoitti, että johtoluku pysyy riittävän korkealla ainakin 4 vuotta. Viljavuusnäytteitä otettiin keväin ja syksyin TTS:n Sakari Alasuutarin koordinoimana, ja viljavuusanalyysin johtoluvusta paljastui arvokas indikaattori kipsikäsittelyn vaikutuksen kestosta. Nummenpään valuma-aluetutkimus edusti 100 ha:n peltoaluetta, jossa viljelijä Hannu Rinnekarin merkittävä panos ansaitsee ison kiitoksen, kuten kaikki tässä blogissa mainitut ja monet mainitsematta jääneet.
Osoitimme 10 vuotta sitten, että kipsikäsittely käytännössä puolitti fosforipäästöt pellolta, sekä maahiukkasiin vahvasti sitoutuneen että liukoisen. Pasi Valkaman väitöstyö viime keväältä (https://helda.helsinki.fi/handle/10138/234579) avaa lisää TraP-hanketta ja kipsin matkaa tieteellisesti hyväksytyksi ja käytäntöön soveltuvaksi vesiensuojelutoimenpiteeksi. Vain poliittinen hyväksyttävyys jäi uupumaan. Sitä hakee parhaillaan SAVE-hanke.
Liisa Pietola, maanviljelyskemian ja fysiikan dosentti, MTK:n ympäristöjohtaja 2011–
Tutkija Hanna Arola kertoo viime syksynä aloitetusta taimenen mädin haudontakokeesta, jossa on pyritty selvittämään, miten Savijokea ympäröivillä pelloilla tehty kipsinlevitys vaikuttaa taimenen alkioiden selviytymiseen ja kasvuun Savijoessa. Luonnossa taimenen alkiot kehittyvät ja kuoriutuvat joen pohjassa soran suojissa niin kutsutussa kutupesässä. Kokeessa on matkittu taimenen alkioiden luontaista kutupesää hautaamalla mätimunat taimenen luontaisen kutupesän olosuhteita muistuttavaan ”keinopesään”. Kylmä talvi ja jääolosuhteet sekä keinopesien sylintereihin huuhtoutunut hiekka ovat kuitenkin vaikeuttaneet näytteenottoja ja tulosten saamista. Aiempien tutkimusten mukaan kipsinlevitys ei näytä vaikuttavan merkittävästi kaloihin tai muihin vesieliöihin. Kipsinlevityksen vaikutusta kalastoon tullaan jatkossa tutkimaan myös Vantaanjoella tänä syksynä aloitettavassa kipsihankkeessa.
Huhtikuun puoliväliin mennessä koepaikkojen jääkannet olivat sulaneet, ja suuntasimme jälleen Savi- ja Järvijoelle mätinäytteenottoon.
Kaikilla koepaikoilla nostimme yhden sylinterin keinopesistä, eli yhteensä kolme sylinteriä jokaisesta paikasta (Kuva 1a). Avasimme sylinterit ja laskimme elossa olevat yksilöt sekä arvioimme sylintereihin kertyneen hiekan määrän (Kuva 1b). Sekä Savijoen vertailu- että kipsialueella oli eläviä alkioita vain yhdessä kolmesta sylinteristä. Elossa olevien osuus oli vertailualueen sylinterissä 22 % ja kipsinlevitysalueen sylinterissä 38 %. Järvijoella elossa olevien alkioiden lukumäärä oli vähentynyt maaliskuun tilanteesta. Siellä eläviä alkioita oli vain kahdessa sylinterissä, joissa elossa olevien osuus oli 2 ja 76 %.
Kuva 1. a) Näytteenottoon kerätyt sylinterit ämpäreissä (Kuva: Hanna Arola).Kuva 1. b) Avatun sylinterin sisältö tarjottimella: vasemmalla laidalla alkioita, keskellä sylinteriin kertynyttä hiekkaa ja oikeassa yläkulmassa sylinteriin kokeen alussa laitettu sora (Kuva: Maija Hannula)
Tämän jälkeen teimme vielä kaksi näytteenottoa, yhden toukokuun alkupuolella ja toisen toukokuun loppupuolella. Näillä näytteenottokerroilla havaitsimme iloisia perhetapahtumia, sillä joistakin sylintereistä löytyi kuoriutuneita poikasia (Kuva 2). Kokonaisuudessaan elossa olevien osuus oli kuitenkin vähentynyt entisestään. Yhdestäkään sylinteristä ei enää löytynyt eläviä kuoriutumattomia alkioita ja joissakin Savijoen sylintereissä oli myös kuolleita ruskuaispussipoikasia. Savijoen koepaikoilla vain yhdessä vertailualueen sylinterissä oli viisi elävää poikasta toukokuun alkupuolella, mikä oli 10 % sylinterin alkuperäiseen mätimunamäärään (50 kpl) nähden. Muilta osin Savijoen koepaikoilla ei havaittu eläviä yksilöitä toukokuun näytteenotoissa. Järvijoella elossa olevia poikasia löytyi yhdestä sylinteristä kummallakin toukokuun näytteenottokerralla. Näissä sylinterikohtainen elävien osuus suhteessa alkuperäiseen mätimunamäärään oli toukokuun alussa 2 % ja lopussa 26 %.
Kuva 2. Kuoriutuneita ruskuaispussipoikasia Savijoen vertailualueella toukokuun alussa (Kuva: Maija Hannula).
Kaikkiin sylintereihin oli kertynyt huomattavan paljon hiekkaa, mikä todennäköisesti lisäsi alkioiden kuolleisuutta (Kuvat 3a ja b). Hiekan osuus sylintereiden sisällöstä oli 13–50 %. Lisäksi Savijoen vertailualueella havaittiin maaliskuussa pakkasen puolella olleita veden lämpötila-arvoja, joten siellä keinopesät olivat saattaneet jäätyä. Sen sijaan tammikuussa Savijoen kipsinlevitysalueella havaittu pohjajää ei näkynyt sieltä mitatuissa keinopesien lämpötilalukemissa. Koska säilyvyys oli kokonaisuudessaan hyvin matalaa, ei kipsinlevityksen vaikutuksia taimenen alkioihin ja poikasiin sekä niiden kasvuun pystytty valitettavasti arvioimaan kunnolla.
Kuvat 3a ja b. Hiekkaisia sylintereitä (Kuva a: Maija Hannula, kuva b: Hanna Arola).
Hanna Arola
Bio- ja ympäristötieteiden laitos
Jyväskylän yliopisto
