Analysis of inorganic nitrogen leaching in a boreal river basin in northern Finland

In this study the dynamic, semi-distributed INCA-N model was applied to the boreal Simojoki river basin in northern Finland to outline inorganic nitrogen (N) leaching patterns and N processes in catchment scale. Special emphasis was paid to the quality assurance of the modelling work. The dominant human impacts in the area are forestry, agriculture, scattered settlement and atmospheric deposition. In order to assess the effectiveness of current environmental policies and to implement river basin management plans, it is essential to know the relative significance of the different sources of pollution. INCA-N explained main features of the hydrological pattern and seasonality of inorganic N concentrations in river water when N processes in soil in sub-zero temperatures were included. Over-winter N mineralization processes in soil accounted for 38% of annual N mineralization. The lowest concentrations during the growing season were not reproduced, which indicates that there are some retention processes missing from the model. As summer is typically a low flow period the simulation results are reliable as long as the interpretation is based on daily or annual loads. Loading from the river basin was mostly dependent on annual hydrology and it was concentrated to peaks during the snow melting period. In the upper parts of the river inorganic N load originated mainly from commercial forests. At the outlet of the river anthropogenic sources accounted for more than half of the overall inorganic N load, with agriculture, forestry and scattered settlements making almost equal contributions. Expected changes in atmospheric N deposition would not have any significant effect but the combination of water protection measures both in agricultural and forestry areas and in scattered settlement areas would decrease inorganic N load by 18% of the total load. The expected increase in forest felling of 20% would not have an influence, but increase in agricultural land due to the EU's Common Agricultural Policy might lead to increased N load to the sea.reviewe

Simulated nitrogen leaching, nitrogen mass field balances and their correlation on four farms in south-western Finland during the period 2000-2005

Nitrogen (N) gross balance is one of the indicators designed for following developments in agriculture in the European Union. A nutrient surplus occurs when the quantity of a nutrient applied in fertilizers is greater than that removed during harvest. In this study the usefulness of N balance in studying the fate of N and controlling N leaching from agricultural fields in south-western Finland was evaluated. To estimate N leaching in 2000–2005 the mathematical, process-based model COUP was applied to twelve fields representing four agricultural production sectors. The fields represented conventional cereal production, organic cereal production and both conventional cattle and pig husbandry. Simulated N leaching was lowest from cereal production fields with a low N balance. Higher N leaching from pig and cattle production farms might be reduced by decreasing the N balance but also by applying manure in spring instead of autumn. Both N balance and simulated N leaching from organic farm were relatively high compared to low N application rate to the fields. N balance appears to be a rather useful indicator of N leaching over longer periods of time. In the short term, N leaching depends mainly on precipitation and on cultivation practices, like timing and amount of fertilizer application. Statistical evaluation indicated significant positive correlation between calculated N balance and simulated N leaching, especially when supported by constant values of precipitation and N mineralization rate. Decrease of N balance by 1 kg ha–1yr–1 decreased N leaching by 0.3 kg ha–1yr–1. High positive N balances are conducive to abundant accumulation of residual N in soil and consequently to a high risk of N leaching during rainy seasons

Modelling of vegetative filter strips in catchment scale erosion control

Tämän työn tarkoituksena oli kehittää käytännöllinen menetelmä herkästi erodoituvien peltoalueiden kartoittamiseksi, eli niiden alueiden, jotka ovat optimaalisia paikkoja suojakaistoille. Samalla arvioitiin myös suojakaistojen tehokkuutta eroosion torjunnassa. Tutkimusalueiksi valittiin kaksi valuma-aluetta eri puolilta Suomea. Helposti erodoituvat alueet arvioitiin paikkatietojärjestelmällä yhdistämällä tiedot maalajista, maan käytöstä ja pellon kaltevuudesta. Suojakaistojen tehokkuutta arvioitiin ICECREAM-mallilla, joka on Suomen oloihin sovellettu versio CREAMS-mallista. Mallinnus tehtiin ilman suojakaistoja sekä lisäämällä peltoon 1 m, 3 m ja 15 m leveät suojakaistat. Ilman suojakaistoja tehtyjen malliajojen perusteella eroosion määrä riippuu lähinnä pellon kaltevuudesta. Maalajilla on suurempi vaikutus eroosion määrään kuin kasvilla. Suojakaistojen tehokkuudet vaihtelivat suuresti eri tilanteissa. Malliajojen tulokset yhdistettiin paikkatietojärjestelmään ja tulokseksi saatiin, että valuma-aluetasolla suojakaistojen teho eroosion vähentämisessä ojiin rajautuvilta pelloilta oli 50-89 %. Paikkatietojärjestelmään perustuvaa suojakaistojen paikan arviointia verrattiin kenttätutkimukseen, joka oli tehty toisella valuma-alueella. Molemmilla menetelmillä löydettiin ne alueet, joilta eroosio on suurinta, mutta menetelmien yhdistelmällä päästiin parhaaseen lopputulokseen.The efficiency of vegetative filter strips to reduce erosion was assessed by simulation modelling in two catchments located in different parts of Finland. The areas of high erosion risk were identified by a Geographical Information System (GIS) combining digital spatial data of soil type, land use and field slopes. The efficiency of vegetative filter strips (VFS) was assessed by the ICECREAM model, a derivative of the CREAMS model which has been modified and adapted for Finnish conditions. The simulation runs were performed without the filter strips and with strips of 1 m, 3 m and 15 m width. Four soil types and two crops (spring barley, winter wheat) were studied. The model assessments for fields without VFS showed that the amount of erosion is clearly dominated by slope gradient. The soil texture had a greater impact on erosion than the crop. The impact of the VFS on erosion reduction was highly variable. These model results were scaled up by combining them to the digital spatial data. The simulated efficiency of the VFS in erosion control in the whole catchment varied from 50 to 89%. A GIS-based erosion risk map of the other study catchment and an identification carried out by manual study using topographical paper maps were evaluated and validated by ground truthing. Both methods were able to identify major erosion risk areas, i.e areas where VFS are particularly necessary. A combination of the GIS and the field method gives the best outcome.vokValuma-aluetason mallisovellus suojakaistojen käytöstä eroosion torjunnass

Modelling of water balance and nitrogen cycle in vegetative filter strips

The retention of nutrients by 10-m-wide grass buffers and buffers under natural vegetation has been studied over 10 years in Jokioinen in southwestern Finland. The results have been compared with those from 70-m-long plots without buffers. Grass was sown on the adjacent field and plots without buffers in 2002, and the field plots and these were grazed for 12 and 24 days in summer 2003 and 2004, respectively

Buffer strips as filters for nutrients from grazed lands and nutrient cycling on the buffer strips

The retention of agricultural nitrogen and phosphorus by 10-m-wide grass buffer strips and buffers under natural vegetation has been studied for ten years on an experimental field at Jokioinen

Influence of EU policy on agricultural nutrient losses and the state of receiving surface waters in Finland

In Finland, the first large-scale efforts to control nutrient loading from agriculture got under way with the introduction of the EU Agri-Environmental Program in 1995. We examined whether these efforts have decreased agricultural nutrient losses and improved the quality of receiving waters. To do so we used monitoring data on fluxes of nutrients and total suspended solids in agricultural catchments in 1990–2004 and on the water quality of agriculturally loaded rivers, lakes and estuaries in 1990–2005. No clear reduction in loading or improvement in water quality was detected. Hydrological fluctuations do not seem to have eclipsed the effects of the measures taken, since there was no systematic pattern in runoff in the period studied. The apparent inefficiency of the measures taken may be due to the large nutrient reserves of the soil, which slowed down nutrient reductions within the period studied. Simultaneous changes in agricultural production (e.g. regional specialisation) and in climate may also have counteracted the effects of agri-environmental measures. The actions to reduce agricultural loading might have been more successful had they focused specifically on the areas and actions that contribute most to the current loading

Eroosiota ja sedimentin kulkeutumista kuvaavan INCA-SED mallin sovellus neljälle valuma-alueelle Suomessa

Suomessa. Valumavesien mukana maa-ainekseen kiinnittyneenä kulkeutuu myös ravinteitavastaanottaviin vesistöihin. Suomessa tärkeimmät eroosion mekanismit ovat sadepisaroiden iskutmaan pintaan, sekä erityisesti savimailla hiukkasten diffuusio kiinteästä maasta veteen. Lisäksimaahiukkasten kulkeutumiseen vaikuttavat uomassa tapahtuvat prosessit. Termillä 'sedimentinkulkeutuminen' kuvataan sekä maa-alueilla tapahtuvaa eroosiota että maahiukkasten kulkeutumistauomia pitkin valuma-alueen purkupisteeseen. Matemaattisen sedimentin kulkeutumista kuvaavanINCA-SED (Integrated Nutrients from CAtchment- Sediment) mallin sovellettavuutta jakäytettävyyttä ilmastonmuutoksen ja maankäytön muutosten vaikutusten arviointiin testattiin EU:nrahoittamassa Euro-limpacs projektissa. Mallista tehtiin sovellukset neljälle pienelle valuma-alueelle,joilla on erilaiset maalajit. Peltoprosentti tutkituilla valuma-alueilla vaihteli 12 ja 36 välillä. INCASEDmalli kykeni simuloimaan sekä joen kiintoainekonsentraation oikean tason että kausivaihtelunsekä savimailla että karkeammilla maalajeilla. Lisäksi mallinnettu sedimentin kulkeutuminen erimaankäyttöluokista vastasi Suomessa mitattuja arvoja. Esimerkiksi mallinnettu eroosiomaankäyttöluokassa 'viljakasvit savimaalla' oli 806 kg ha-1 a-1, kun mitattu arvo vaihteli välillä 760-1500 kg ha-1 a-1. Kiintoaineskonsentraation ja virtaaman välinen korrelaatio vaihteli selvästi eri joissa.Tämä ero selittyi INCA-SED mallissa valuma-alueiden maankäytöllä ja jokien erilaisellamorfologialla. Koska joen kiintoainekonsentraation kausivaihtelun oikea tavoittaminen onedellytyksenä ilmastomuutoksen vaikutusten luotettavalle mallintamiselle INCA-SED mallin voisanoa sopivan sekä maankäytön muutosten että ilmastonmuutoksen vaikutusten arviointiin Suomessa

Viljelytoimenpiteet ja vesistökuormitus ympäristötukitiloilla vuosina 2003–2005

Raportissa esitellään maatalouden ympäristötuen myötä vuosina 2003–2005 tapahtuneita tilatason viljelytoimenpiteiden muutoksia ja niiden vaikutuksia vesistökuormitukseen. Tulosten mukaan vuosien 2003–2005 viljelytoimenpiteet eivät merkittävästi poikenneet ohjelmakauden alkuvuosien 2000–2002 toimenpiteistä. Merkittävimmät muutokset, varsinkin lannoituksessa, olivat tapahtuneet jo ensimmäisellä ohjelmakaudella (1995–1999), ja niiden toteuttamista jatkettiin toisella kaudella. Nurmialat ovat 2000-luvulla vähentyneet nurmivaltaisilla alueilla sekä tietyillä viljavaltaisilla alueilla, joilla ne olivat ennestäänkin pieniä. Talviaikainen kasvipeitteisyys, mukaan luettuna kevennetysti muokattu ala, on tietyillä alueilla kasvanut tarkastelujaksolla 2000–2005. Muutos on johtunut lähinnä kevennettyjen muokkausmenetelmien mutta viime vuosina yhä enemmän myös muokkaamattomuuden lisääntymisestä, mikä liittyy suorakylvön yleistymiseen. Etelä-Suomen viljanviljelyalueilla perusmuokkausmenetelmissä on tapahtunut merkittävä muutos 1990-luvun alkupuoleen nähden. Vuoden 1994 syksyllä sänkipeitteisestä peltoalasta kynnettiin Yläneenjoen ja Lepsämänjoen tutkimusalueilla noin 90 prosenttia, kun vuonna 2005 kynnetyn alan osuus oli enää noin puolet. Peltojen fosforikuormitukseen voimakkaasti vaikuttavan helppoliukoisen fosforin pitoisuudet alenevat, mutta hyvin hitaasti. Muokkausmenetelmissä ja maan fosforipitoisuudessa tapahtuneet muutokset näkyvät myös muutoksina potentiaalisessa ravinnekuormituksessa. Esimerkiksi Yläneenjoen alueella maapartikkeleihin sitoutuneen fosforin kuormitus on muokkausmenetelmien muutosten myötä selvästi vähentynyt, mutta liukoisen fosforin kuormitus ei ole muuttunut, koska maan helppoliukoisen fosforin pitoisuudessa ei ole tapahtunut selviä muutoksia

Maatilojen biokaasulaitokset : Mahdollisuudet, kannattavuus ja ympäristövaikutukset

Maatilojen biokaasulaitokset voisivat olla olennainen osa tuotantoketjua. Niiden avulla voidaan hyödyntää tiloilla muodostuvat jätteet ja sivutuotteet, kuten lanta ja erilaiset kasvintuotannon sivutuotteet tehokkaasti energiana ja kierrätysravinteina. Samalla on mahdollista tehostaa maatalouden päästöjen hallintaa. Maatalouden biokaasulaitosten käyttöönoton haasteena on kuitenkin ollut kannattavuus. Suurehko kertainvestointi ei ole lukuisista hyödyistään huolimatta välttämättä noussut riittävän kannattavaksi verrattuna muihin energiantuottovaihtoehtoihin nähden. Tässä raportissa esittelemme kahdelle todelliselle kotieläintilalle suunnitellut biokaasulaitokset, niiden tekniset ratkaisut, kannattavuuden arvioinnit sekä ympäristövaikutukset verrattuna tilan nykyiseen toimintaan ilman biokaasulaitosta. Laitokset ovat tapauskohtaiset esimerkit, joita myös muut asiasta kiinnostuneet maatilat voivat hyödyntää pohtiessaan mahdollisuuksiaan toteuttaa oma tilakohtainen biokaasulaitos. Laitokset suunniteltiin lypsykarjatilalle ja sikatilalle. Niiden lähtökohtana oli pääasiassa tehostaa tilojen lannan hyödyntämistä erityisesti lämmöntuotannossa ja ravinteina. Suunnittelussa pyrittiin hyödyntämään tilan olemassa olevia rakenteita, kuten lietesäiliöitä ja lämpökeskuksia. Lypsykarjatilalle laskettiin kaksi laitosvaihtoehtoa, joista toinen hyödynsi pelkän lietelannan ja tuotti lämpöä ja toinen hyödynsi lannan lisäksi tilan hävikkisäilörehun ja tuotti sekä sähköä että lämpöä. Sikatilalle laskettiin laitos, joka hyödynsi tilan liete- ja kuivikepohjalannat lämmöntuotannossa. Lypsykarjatilalla pelkän lietelannan käsittely lämmöksi ei ollut kannattavaa, mutta lannan ja hävikkisäilörehun käsittely sähköksi ja lämmöksi oli yhtä kannattavaa kuin hakelämpöön ja ostosähköön perustuva energiaratkaisu. Investointituki (35 %) oli kannattavuudelle välttämätön. Uuden lietesäiliön rakentaminen vanhan muuntamisen sijaan oli kannattavampaa, sillä uuden säiliön käyttöikä on merkittävästi vanhaa allasta pitempi. Vanhat säiliöt kannatti ennemmin hyödyntää varastosäiliöinä käsittelyjäännökselle. Laitoksen myötä tila sai myös levitykseen enemmän liukoista typpeä käsittelyjäännöksen lannoitekäytössä. Sikatilalla lantojen käsittely lämmöksi oli kannattavuudeltaan investointituen ja uuden reaktorialtaan myötä lähes sama kuin hakkeella. Kannattavuus olisi mahdollisesti saavutettu myös hyödyntämällä alueen suojavyöhykenurmet ja tuottamalla sekä sähköä että lämpöä. Tätä ei kuitenkaan hankkeessa laskettu. Laitosten ympäristövaikutukset ovat riippuvaisia tuotetun energian hyödyntämisestä ja käsittelyjäännöksen varastoinnin ja levityksen ratkaisuista. Mikäli koko tuotettu biokaasuenergia voidaan hyödyntää ja energialla saadaan korvattua fossiilisiin polttoaineisiin pohjatuvia energiamuotoja, laitosten vaikutus ilmastonmuutokseen on raakalannan hyödyntämistä vähäisempi. Oikeanlaisella lannankäsittelyn kokonaisratkaisulla voidaan myös vähentää tilan happamoitumis- ja rehevöitymisvaikutuksia. Tällöin jäännös on varastoitava katetusti ja levitettävä kasvukaudella (keväällä, kesällä) multaavilla menetelmillä.201

Quantification of the effect of environmental changes on the brownification of Lake Kukkia in southern Finland

The browning of surface waters due to the increased terrestrial loading of dissolved organic carbon is observed across the northern hemisphere. Brownification is often explained by changes in large-scale anthropogenic pressures (including acidification, and climate and land-use changes). We quantified the effect of environmental changes on the brownification of an important lake for birds, Kukkia in southern Finland. We studied the past trends of organic carbon loading from catchments based on observations taken since the 1990s. We created hindcasting scenarios for deposition, climate and land-use change in order to simulate their quantitative effect on brownification by using process-based models. Changes in forest cuttings were shown to be the primary reason for the brownification. According to the simulations, a decrease in deposition has resulted in a slightly lower leaching of total organic carbon (TOC). In addition, runoff and TOC leaching from terrestrial areas to the lake was smaller than it would have been without the observed increasing trend in temperature by 2 & DEG;C in 25 years