Export of organic matter, sulphate and base cations from boreal headwater catchments downstream to the coast : impacts of land use and climate

The terrestrial export of dissolved organic matter (DOM) is associated with climate, vegetation and land use, and thus is under the influence of climatic variability and human interference with terrestrial ecosystems, their soils and hydrological cycles. The present study provides an assessment of spatial variation of DOM concentrations and export, and interactions between DOM, catchment characteristics, land use and climatic factors in boreal catchments. The influence of catchment characteristics, land use and climatic drivers on the concentrations and export of total organic carbon (TOC), total organic nitrogen (TON) and dissolved organic phosphorus (DOP) was estimated using stream water quality, forest inventory and climatic data from 42 Finnish pristine forested headwater catchments, and water quality monitoring, GIS land use, forest inventory and climatic data from the 36 main Finnish rivers (and their sub-catchments) flowing to the Baltic Sea. Moreover, the export of DOM in relation to land use along a European climatic gradient was studied using river water quality and land use data from four European areas. Additionally, the role of organic and minerogenic acidity in controlling pH levels in Finnish rivers and pristine streams was studied by measuring organic anion, sulphate (SO4) and base cation (Ca, Mg, K and Na) concentrations. In all study catchments, TOC was a major fraction of DOM, with much lower proportions of TON and DOP. Moreover, most of TOC and TON was in a dissolved form. The correlation between TOC and TON concentrations was strong and TOC concentrations explained 78% of the variation in TON concentrations in pristine headwater streams. In a subgroup of 20 headwater catchments with similar climatic conditions and low N deposition in eastern Finland, the proportion of peatlands in the catchment and the proportion of Norway spruce (Picea abies Karsten) of the tree stand had the strongest correlation with the TOC and TON concentrations and export. In Finnish river basins, TOC export increased with the increasing proportion of peatland in the catchment, whereas TON export increased with increasing extent of agricultural land. The highest DOP concentrations and export were recorded in river basins with a high extent of agricultural land and urban areas, reflecting the influence of human impact on DOP loads. However, the most important predictor for TOC, TON and DOP export in Finnish rivers was the proportion of upstream lakes in the catchment. The higher the upstream lake percentage, the lower the export, indicating organic matter retention in lakes. Molar TOC:TON ratio decreased from headwater catchments covered by forests and peatlands to the large river basins with mixed land use, emphasising the effect of the land use gradient on the stoichiometry of rivers. This study also demonstrated that the land use of the catchments is related to both organic and minerogenic acidity in rivers and pristine headwater streams. Organic anion dominated in rivers and streams situated in northern Finland, reflecting the higher extent of peatlands in these areas, whereas SO4 dominated in southern Finland and on western coastal areas, where the extent of fertile areas, agricultural land, urban areas, acid sulphate soils, and sulphate deposition is highest. High TOC concentrations decreased pH values in the stream and river water, whereas no correlation between SO4 concentrations and pH was observed. This underlines the importance of organic acids in controlling pH levels in Finnish pristine headwater streams and main rivers. High SO4 concentrations were associated with high base cation concentrations and fertile areas, which buffered the effects of SO4 on pH

Metsätalouden vesistökuormituksen seuranta- ja raportointiohjelma

Metsätalouden vesistökuormituksen seurantaverkon muodostavat luonnon taustakuormituksen ja normaalin metsätaloustoiminnan aiheuttaman kuormituksen seurantaan perustetut latvavaluma alueet. Verkon avulla voidaan tuottaa valtakunnalliset sekä vesienhoitoalue- ja jokivaluma-aluekohtaiset arviot metsätalouden aiheuttamasta kuormituksesta ja seurata esim. muuttuvista ilmasto-oloista tai metsätalouden intensiteetin muutoksista aiheutuvia trendejä. Seurantaverkko perustettiin vuonna 2014 ja seurantaa toteutetaan yhteistyössä Luonnonvarakeskuksen, Suomen ympäristökeskuksen (SYKE), Metsähallituksen, Suomen Metsäkeskusten, ELY-keskusten ja Tapio Oy:n kanssa. Näytteenottoa ja laboratorioanalyysejä on ulkoistettu yksityisille toimijoille. Tämä raportti kuvaa seurantaverkkoon kuuluvat valuma-alueet, aineiston keruumenetelmät ja tulosten laskennan.201

Trends in concentrations and export of nitrogen in boreal forest streams

Peer reviewe

Controls of Organic Carbon and Nutrient Export from Unmanaged and Managed Boreal Forested Catchments

Understanding the anthropogenic and natural factors that affect runoff water quality is essential for proper planning of water protection and forest management, particularly in the changing climate. We measured water quality and runoff from 10 unmanaged and 20 managed forested headwater catchments (7–12,149 ha) located in Finland. We used linear mixed effect models to test whether the differences in total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) export and concentrations observed can be explained by catchment characteristics, land use, forest management, soil fertility, tree volume and hydrometeorological variables. Results show that much of variation in TOC, TN and TP concentrations and export was explained by drainage, temperature sum, peatland percentage and the proportion of arable area in the catchment. These models explained 45–63% of variation in concentrations and exports. Mean annual TOC export in unmanaged catchments was 56.4 ± 9.6 kg ha−1 a−1, while in managed it was 79.3 ± 3.3 kg ha−1 a−1. Same values for TN export were 1.43 ± 0.2 kg ha−1 a−1 and 2.31 ± 0.2 kg ha−1 a−1, while TP export was 0.053 ± 0.009 kg ha−1 a−1 and 0.095 ± 0.008 kg ha−1 a−1 for unmanaged and managed, respectively. Corresponding values for concentrations were: TOC 17.7 ± 2.1 mg L−1 and 28.7 ± 1.6 mg L−1, for TN 420 ± 45 µg L−1 and 825 ± 51 µg L−1 and TP 15.3 ± 2.3 µg L−1 and 35.6 ± 3.3 µg L−1. Overall concentrations and exports were significantly higher in managed than in unmanaged catchments. Long term temperature sum had an increasing effect on all concentrations and exports, indicating that climate warming may set new challenges to controlling nutrient loads from catchment areas

Controls of Organic Carbon and Nutrient Export from Unmanaged and Managed Boreal Forested Catchments

Understanding the anthropogenic and natural factors that affect runoff water quality is essential for proper planning of water protection and forest management, particularly in the changing climate. We measured water quality and runoff from 10 unmanaged and 20 managed forested headwater catchments (7–12,149 ha) located in Finland. We used linear mixed effect models to test whether the differences in total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) export and concentrations observed can be explained by catchment characteristics, land use, forest management, soil fertility, tree volume and hydrometeorological variables. Results show that much of variation in TOC, TN and TP concentrations and export was explained by drainage, temperature sum, peatland percentage and the proportion of arable area in the catchment. These models explained 45–63% of variation in concentrations and exports. Mean annual TOC export in unmanaged catchments was 56.4 ± 9.6 kg ha−1 a−1, while in managed it was 79.3 ± 3.3 kg ha−1 a−1. Same values for TN export were 1.43 ± 0.2 kg ha−1 a−1 and 2.31 ± 0.2 kg ha−1 a−1, while TP export was 0.053 ± 0.009 kg ha−1 a−1 and 0.095 ± 0.008 kg ha−1 a−1 for unmanaged and managed, respectively. Corresponding values for concentrations were: TOC 17.7 ± 2.1 mg L−1 and 28.7 ± 1.6 mg L−1, for TN 420 ± 45 µg L−1 and 825 ± 51 µg L−1 and TP 15.3 ± 2.3 µg L−1 and 35.6 ± 3.3 µg L−1. Overall concentrations and exports were significantly higher in managed than in unmanaged catchments. Long term temperature sum had an increasing effect on all concentrations and exports, indicating that climate warming may set new challenges to controlling nutrient loads from catchment areas

Suometsien hoidon tuet ja niiden ilmasto-, vesistö- ja biodiversiteettivaikutukset : Kestävän metsätalouden määräaikaisen rahoituslain (Kemera-lain) mukaisten tukien tarkastelu

Vuonna 2015 voimaan tulleen kestävän metsätalouden rahoituslain (KMRL 34/2015) voimassaoloa on ehdotettu jatkettavan vuodesta 2020 vuoden 2021 loppuun. Rahoituslain tavoitteena on ollut lisätä metsien kasvua ja ekologista kestävyyttä sekä hillitä vesistökuormitusta ja turvata monimuotoisuutta. Rahoituslain perusteella myönnettyjen julkisten tukien (noin 55 milj. euroa vuodessa) painopiste on suometsien osalta ollut selkeästi metsien kasvua lisäävissä toimenpiteissä. Tutkimus on tuottanut viime vuosina aikaisempaa tarkempaa tietoa suometsien aiheuttamasta vesistökuormituksesta ja niiden maaperän kasvihuonekaasupäästöistä. Tulosten mukaan ojitettujen suometsien merkitys vesistökuormitukselle on aiemmin luultua huomattavasti suurempi, ja suometsien maaperä on Suomen kasvihuonekaasuinventaariossa suuri päästölähde. Ojitetuilla suometsillä on luonnontilaisiin soihin verrattuna vähäinen merkitys monimuotoisuudelle. Nykyisellä rahoituslailla ja sen edeltäjillä on tuettu toimenpiteitä, joilla on uuden tutkimuksen mukaan haitallisia vaikutuksia ympäristöön. Suomi on sitoutunut päästövähennyksiin Pariisin ilmastosopimuksessa, ja tavoittelee viimeisessä hallitusohjelmassaan hiilensidonnan vahvistamista maankäyttösektorilla, vesistöpäästöjen pienentämistä ja luonnon monimuotoisuuden turvaamista. Tämän selvityksen tavoitteena on taustoittaa nykymuotoisen tukijärjestelmän ympäristövaikutuksia siten, että se tukee uuden rahoituslain sekä muun suometsien hoitoa ja käyttöä koskevan oikeudellisen sääntelyn valmistelua. Selvitys kuvaa suometsien hoidon tukijärjestelmää ja siihen osallistuvia toimijoita rooleineen, tarkastelee suometsille soveltuvien tukien ilmasto- (kasvihuonekaasut ja hiilen kierto), vesistö- ja monimuotoisuusvaikutuksia, ja ehdottaa ympäristön kannalta kestävämpiä suometsien hoito-, tuki- ja sääntelyvaihtoehtoja. Voimassa olevan rahoituslain mukaisista työlajeista suometsän hoidon tukeen liittyvä kunnostusojitus aiheuttaa lisääntyviä vesistö- ja kasvihuonekaasupäästöjä ja ylläpitää ojituksen aiheuttamaa monimuotoisuuden heikkenemistä. Metsänuudistamisen ja taimikonhoidon tuet kannustavat metsänomistajia tasaikäiseen metsänkasvatukseen. Tuettujen toimenpiteiden seurauksena suometsät päästävät ravinteita ja kiintoainesta vastaanottaviin vesistöihin, ja niiden maaperä on huomattava kasvihuonekaasujen päästölähde. Terveyslannoituksen tuen vaikutukset vesistö- ja kasvihuonekaasupäästöille ovat ainakin lyhyellä aikavälillä pieniä, mutta sen kriteerit on määritelty tasaikäisen metsänkasvatuksen perusteella. Nykyisen rahoitusjärjestelmän tuilla (metsäluonnon hoitohankkeiden tuki) voidaan myös ennallistaa soita, mikä on tehokas tapa palauttaa suon monimuotoisuutta, mutta tuen käyttö on jäänyt suhteellisen vähäiseksi. Tukia ja oikeudellista sääntelyä uudelleen suuntaamalla voidaan pienentää suometsien hoidon aiheuttamia ympäristövaikutuksia. Ympäristölle haitallisista tuista olisi luovuttava, ja niiden tilalle kehitettävä sellaisia tukia ja sääntelyä, joiden tavoitteena on vesistövaikutuksien ja monimuotoisuuden suojelun lisäksi myös suometsien hiilinielun vahvistaminen turpeen hävikkiä vähentämällä. Uuden tukijärjestelmän ja oikeudellisen sääntelyn ei tulisi kannustaa suometsien maaperän liialliseen kuivattamiseen, eikä niiden uudistamiseen tasaikäiseksi metsäksi. Havaitut ympäristövaikutukset puoltavat ennemminkin jatkuvapeitteisen, eri-ikäisrakenteisen metsänkasvatuksen käyttöä, mitä tukijärjestelmän ja muun sääntelyn tulisi edistää. Joidenkin suometsäkohteiden osalta tulisi harkita tukia ja sääntelyä, jotka mahdollistaisivat kevyemmän metsätalouden, ja jopa metsätaloudesta vähittäisen luopumisen. Suon aktiiviseen ennallistamiseen tulisi kannustaa monimuotoisuuden kannalta tärkeillä kohteilla. Tukijärjestelmää kehitettäessä on huomioitava suometsäalueiden vesitalouden näkökulma. Vesitalouteen vaikuttamisella on alueellisia heijastevaikutuksia kasvihuonekaasu- ja vesistöpäästöihin sekä monimuotoisuuteen. Alueellisella suunnittelulla voitaisiin saavuttaa suurempia kokonaishyötyjä vesitalouteen vaikuttavien tukien ja toimien sopivalla kohdentamisella. Myös tukien kohdistamiseen säädösten ja muiden tukiehtojen mukaisesti tulisi jatkossa kiinnittää aikaisempaa enemmän huomiota. Suomen metsäkeskuksen tarkastustulosten mukaan suometsän hoidon ja tuhkalannoituksen tukien osalta tässä on ollut ongelmia. Niiden seurauksena tukien myönteiset vaikutukset ovat usein jääneet tavoiteltua pienemmiksi ja vastaavasti haitalliset ympäristövaikutukset ovat voineet muodostua tarkoitettua suuremmiksi.202

Metsäisten valuma-alueiden vesistökuormituksen laskenta

Metsät vaikuttavat vesistöjen veden laatuun. Luonnontilaisilta metsä- ja suoalueilta vesistöihin kulkeutuvia ainevirtoja kutsutaan taustakuormaksi. Metsissä tehtävät toimenpiteet kuten päätehakkuut, maanmuokkaukset, lannoitukset ja ojitukset lisäävät vesistöihin tulevaa kuormitusta. Tässä julkaisussa esitellään metsätalousmaalta tulevaan luonnon taustakuormaan ja eri metsätaloustoimenpiteiden aiheuttamaan kuormituksen lisäykseen perustuva typpi-, fosfori- ja kiintoainekuormituksen laskentamenetelmä, KALLE. Laskentamenetelmän kuvauksen yhteydessä esitetään taustakuormitusluvut ja kivennäis- ja turvemaiden metsänuudistamisen ja lannoituksen sekä turvemaiden kunnostusojituksen ominaiskuormitusluvut. Ominaiskuormitusluvut on tuotettu olettaen, että vesiensuojelusta on huolehdittu uudistamishakkuiden yhteydessä jättämällä suojakaistoja vesistöjen varteen ja kunnostusojituksissa tekemällä laskeutusaltaita. Laskentamenetelmä ottaa huomioon toimenpiteiden pitkän vaikutusajan. KALLE-laskentamenetelmä on kehitetty valtakunnallisia, vesistöalueryhmittäisiä ja vesienhoitoalueittaisia laskelmia varten. Julkaisussa esitetään myös esimerkkilaskelmien tuloksia

KUSTAA -työkalu valuma-alueen vesistökuormituksen laskentaan

Maankäytöstä ja muusta ihmistoiminnasta aiheutuu lähes aina luonnon taustakuorman ylittävää ravinne- ja kiintoainekuormitusta vesistöihin. Julkaisussa esitellään valuma-alueelta vesistöön kohdistuvan kokonaistypen, kokonaisfosforin ja kiintoaineen kuormituksen arviointiin kehitetty KUSTAA -työkalu. KUSTAA perustuu ominaiskuormitusmenetelmään ja kattaa tyypillisimpiin maankäyttömuotoihin liittyvät toimenpiteet ja muut haja- ja pistekuormituslähteet. Kuormitusarvion lähtötiedoiksi tarvitaan valuma-alueen pinta-ala, sen vesistöjen pinta-ala, metsä- ja maataloustoimenpiteiden pinta-alat ja muut haja- ja pistekuormituslähteiden määrät vuositasolla. Tietojen perusteella tuotetaan arvio valuma-alueen kokonaiskuormituksesta ja sen jakautumisesta eri lähteisiin. Lisäksi esitetään yksinkertainen epävarmuusarvio. KUSTAA -työkalu on integroitu taulukkolaskentaympäristöön ja tarkoitettu käytännön toimijoiden käyttöön. Sen avulla voidaan arvioida esimerkiksi maankäytössä tapahtuvien muutosten, pistekuormituksen hallinnan tai yksittäisen kuormituslähteen vaikutuksia valuma-alueen kokonaiskuormitukseen. Julkaisussa kootaan kattavasti yhteen tyypillisimpiä maankäyttömuotoja ja haja- ja pistekuormituslähteitä edustavat ominaiskuormitusluvut ja esitellään KUSTAA -työkalun käyttöä esimerkkilaskelmien avulla

Metsätalouden kannustinjärjestelmää muutettava – suometsien hoidon ympäristövaikutukset huomioitava paremmin

Nykyinen kestävän metsätalouden määräaikainen rahoituslaki (KEMERA) on suunnattu tukemaan puuntuotantoa ja ympäristötavoitteiden edistämiseen käytetty rahoitus on suhteellisen pieni. Järjestelmä sisältää myös ympäristön kannalta haitallisia tukia.202