Maatalouden vesistökuormituksen hallinta. Seuranta, mallit ja kustannustehokkaat toimenpiteet vesienhoidon toimenpideohjelmissa

Tämä vesienhoidon tutkimusohjelmaan sisältyvien kahden osahankkeen (SeMaTo ja KuVe) yhteinen loppuraportti on ensimmäinen, jossa on tarkasteltu maatalouden kuormitusta ja sen hallintaa laajempana kokonaisuutena. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että maatalouden ympäristötoimenpiteiden kustannuksista ja tehokkuudesta valuma-aluetasolla on niukasti tietoa ja tuloksissa on suurta epävarmuutta. Luotettavuuden parantaminen vaatii mm. seurannan automatisointia pienillä valuma-alueilla, kuormitusmallien prosessikuvausten edelleen kehittämistä toimenpide- ja kasvilajitarkkuuteen saakka sekä tarkemman korkeusmalliaineiston käyttöä ja eloperäisten maiden huomioimista. Maatalouden ympäristötoimenpiteiden samanaikaisia kustannus- ja ympäristövaikutuksia arvioitaessa lähtökohtana voi olla tilatason taloudellinen optimointi tai vaihtoehtoisesti ympäristötukijärjestelmä, joilla pyritään vastaamaan eri kysymyksiin. Tilatason kannattavuuteen ja ympäristötoimenpiteiden todellisiin kustannuksiin perustuva taloudellinen tarkastelu perimmiltään pyrkii avaamaan yhteiskunnallista ja kansantaloudellista näkökulmaa. Ympäristötukijärjestelmään perustuva taloudellinen tarkastelu taas pyrkii arvioimaan voimassa olevan poliittisesti hyväksytyn järjestelmän ympäristötehokkuutta ja osoittamaan järjestelmän kehittämistarpeita. Maatiloilla ympäristötoimenpiteitä koskevat valinnat perustuvat pitkälti tiloilla vallitsevaan tuotannolliseen infrastruktuuriin ja eri vaihtoehtojen kannattavuuteen. Ympäristötukijärjestelmä taas sisältää runsaasti vaihtoehtoehtoja, mutta heikon valinta- ja kohdentamismekanismin. Järjestelmän tulisi olla rakenteeltaan sellainen, että maatilojen valinnat täyttäisivät ympäristötavoitteet, vaikka tilatason valintapäätökset tehdäänkin taloudellisin perustein. Tämä on keskeinen ympäristötukijärjestelmän kehittämisessä huomioon otettava näkökulma

VIHMA-työkalu peltoviljelyn kiintoaine- ja ravinnekuormituksen hallintaan ja vesiensuojelun toimenpiteiden suunnitteluun vallitsevassa peltoviljelyn toimintaympäristössä

Abstract From natural areas, the so-called natural leaching consists of volume and concentrations of runoff waters, the latter determined by the natural prop-erties of the area. By draining the land, the water circulation of the area converted to agricultural use speeds up, which affects the quality of the runoff water. The natural material flow, which has changed as a result of the conversion, now forms the basic load level of arable farming on the scale of the drained area. Cultivation practices and methods change this basic level in the annual cycle of cultivation, and the effects extend to downstream water bodies via the drainage and riverbed networks. In this work, a runoff water management model for agricultural areas, the VIHMA tool, was developed. The VIHMA model is intended for the planning and impact assessments of water conservation measures imple-mented in- and outside of arable fields. The basis for the calculation of the load assessment is formed by the specific load coefficients that predict the annual loads of solid matter, nitrogen (N) and phosphorus (P). These coef-ficients are derived from the data collected in Finnish experimental fields. The coeffi-cients cover, by slope class and soil type group, the usual tillage and plant cover options that affect the winter state of the fields in the annual cycle of cultivation. The predicted values of the effects of field-block specific water protection measures are based on changes in cultivation and tillage prac-tices. In other words, on the differences in the specific load factors in the tool with and without measures. Based on Finnish studies, the tool also includes impact figures of buffer zones and wetlands, which are comparable to those of block-specific water protection measures. The VIHMA tool is used to evaluate the long-term average annual loads of solid matter and nutrients caused by farming practices in the examined catchments in two stages. Firstly, the average load without agri-environmental measures and secondly, the total effects of the simulated agri-environmental measures. As applied for the entire arable area of Fin-land, VIHMA's estimates of the annual loads of solid matter and nutrients corresponded to the specific loads of the small catchments of the Finnish agricultural monitoring network. Similarly, when applied in a single catchment, VIHMA's load estimates correspond to the long-term monitor-ing results of the same area. In VIHMA's assessments of agri-environmental measures, the effects of direct sowing were evaluated as a method to replace autumn ploughing. The overall load-reducing effects of gradual implementation of direct sowing, starting from the most sloping fields, were considerably large for both solid matter and nutrients. The ex-ception was a significant increase in leaching of soluble P. In VIHMA's as-sessment, decreasing the P-status of fields from the highest P-concentration categories to average concentration levels was an effective measure to decrease the risk of soluble P leaching. In the development work of the VIHMA tool, the focus was on the com-prehensive integration of different viewpoints, scales, load processes and influencing factors. The tool covers solid matter and nutrient loads’ phe-nomena related to field cultivation and different hydrological years as av-erage long-term estimates. Technically, the tool functions as an Excel-based calculation application, where the input data are distributions de-scribing i) the characteristics of the fields in the area under consideration, ii) basic information on cultivation and iii) implemented or planned envi-ronmental measures. The application of the tool in the planning of water protection measures makes the characteristic features and farming practic-es of the target area transparent and the impact comparisons of alternative measures become the basis for the selection and targeting of measures. The VIHMA tool is applied as it is in different target areas without separate calibration. VIHMA’s use just requires input data describing the area's characteristics and farming practices. Keywords: erosion, nutrient load, particulate phosphorus, soluble phos-phorus, nitrogen, load control, buffer zone, water protection wetland, field measuresTiivistelmä Luonnontilaisilta alueilta kiintoaineen ja ravinteiden ns. luonnon huuh-toutuma koostuu valunnasta ja alueen luontaisten ominaisuuksien mää-rittämästä valuntaveden pitoisuuksista. Maan kuivatuksella viljelykäyt-töön muutettavan alueen veden kierto nopeutuu, mikä vaikuttaa valunta-veden laatuun. Kuivatusjärjestelmien seurauksena muuttuneesta luonnol-lisesta ainevirtaamasta muodostuu kuivatusalueen mittakaavassa peltovil-jelyn kuormituksen perustaso. Viljelykäytännöt ja -menetelmät muuttavat tätä perustasoa viljelyn vuosikierrossa, ja vaikutukset ulottuvat kuivatus- ja uomaverkoston välityksellä vesistöihin. Tässä työssä kehitettiin viljelyalueiden valumavesien hallintamalli, VIHMA-työkalu, joka on tarkoitettu pelloilla ja peltojen ulkopuolella to-teutettavien vesiensuojelutoimenpiteiden suunnitteluun ja vaikutusten arviointiin. Kuormitusarvioinnin laskentapohjana ovat suomalaisten huuhtoutumiskenttien kokeellisesta aineistosta johdetut peltotoimenpi-dekohtaiset kiintoaineen, typen ja fosforin huuhtoutumisen vuosikuormi-tusta ennakoivat ominaiskuormituskertoimet. Kertoimet kattavat kalte-vuusluokittain ja maalajiryhmittäin tavanomaiset viljelyn vuosikierrossa toteutettavat peltojen talviaikaiseen tilaan vaikuttavat muokkaus- ja kas-vipeitteisyysvaihtoehdot. Viljely- ja muokkauskäytäntöjen muutoksiin pe-rustuvien lohkokohtaisten vesiensuojelutoimenpiteiden vaikutusten en-nustearvot eli vaikutusluvut perustuvat työkalussa ominaiskuormitusker-toimien erotuksiin. Työkalu sisältää myös suomalaisiin tutkimuksiin pe-rustuvat suojavyöhykkeiden ja kosteikkojen lohkokohtaisiin vesiensuoje-lutoimenpiteisiin vertautuvat vaikutusluvut. VIHMA-työkalulla arvioidaan kaksivaiheisesti tarkasteltavien vesistö- ja valuma-alueiden pitkän aikavälin keskimääräistä viljelykäytäntöjen ai-heuttamaa kiintoaineen ja ravinteiden vuosikuormitusta, ensiksi keski-määräisen kuormituksen ilman ympäristötoimenpiteitä ja toiseksi vaihto-ehtoisten ympäristötoimenpiteiden kokonaisvaikutukset. Koko peltoalalla VIHMAn kuormitusarviot kiintoaineen ja ravinteiden vuosikuormitukses-ta vastasivat maatalouden seurantaverkon pienten valuma-alueiden omi-naiskuormituslukuja. Valuma-alueelle tehdyt VIHMAn kuormitusarviot vastasivat saman alueen pitkäaikaisia seurantatuloksia. Ympäristötoimen-piteitä koskevissa VIHMAn arvioissa syyskyntöön perustuvaa viljelyä kor-vaavista toimenpiteistä arvioitiin suorakylvön vaikutuksia. Sen asteittaisen toteutuksen kuormitusta vähentävät kokonaisvaikutukset kaltevimmista pelloista alkaen olivat huomattavan suuria kiintoaineen ja ravinteiden vuosikuormitukseen. Poikkeuksena oli liukoisen fosforin huuhtoutumi-nen merkittävä kasvaminen muokkausta kevennettäessä. VIHMAn arvi-oissa peltojen fosforitilan alentaminen korkeimmista pitoisuusluokista keskimääräiseen pitoisuustasoon oli tehokas liukoisen fosforin huuhtou-tumisriskin kasvua estävä toimenpide. VIHMA työkalun kehittämistyössä pääpaino oli eri tarkastelukulmien, mittakaavojen, kuormitusprosessien ja vaikuttavien tekijöiden, kokonais-valtainen yhdistäminen. Työkalu kattaa peltoviljelyyn ja hydrologisiin vuosiin liittyvät kiintoaine- ja ravinnekuormituksen ilmiöt keskimääräisi-nä pitkän aikavälin arvioina. Teknisesti työkalu toimii Excel-pohjaisena laskentasovelluksena, jossa syöttötiedot ovat tarkasteltavan alueen pelto-jen ominaisuuksia kuvaavia jakaumia, viljelyn perustietoja sekä toteutet-tuja tai suunniteltuja ympäristötoimenpiteitä. Työkalun soveltaminen ve-siensuojeluntoimenpiteiden suunnittelussa tuo kohdealueen ominaispiir-teet ja viljelykäytännöt läpinäkyväksi ja vaihtoehtoisten toimenpiteiden vaikutusvertailut toimenpiteiden valintojen ja kohdentamisen perusteiksi. VIHMA työkalua sovelletaan sellaisenaan erilaisilla kohdealueilla ilman erillistä kalibrointia. Käyttö edellyttää alueen ominaisuuksia ja viljelykäy-täntöjä kuvaavia syöttötietoja. Avainsanat: eroosio, ravinnekuormitus, partikkelifosfori, liukoinen fos-fori, typpi, kuormituksen hallinta, suojavyöhyke, vesiensuojelukosteikko, peltotoimenpid

Reduced tillage: Influence on erosion and nutrient losses in a clayey field in southern Finland

Reduced tillage was compared with traditional ploughing in terms of erosion and phosphorus (P) and nitrogen (N) losses in an experimental field in southern Finland. One part of the field has been ploughed (treatment PF) and the other part harrowed (treatment NPF) every autumn since 1986. Flow volume and water quality data was collected separately from surface runoff and subsurface drainage waters during 1991-1995 (surface runoff volume since 1993). Erosion was higher in PF (on average 234 kg ha-1yr-1 in drainage flow and 479 kg ha-1 yr-1 in surface runoff) than in NPF (158 kg ha-1yr-1 in drainage flow and 160 kg ha-1yr-1 in surface runoff). Total N loss in drainage flow was also higher in PF (7.2 kg ha-1yr-1) than in NPF (4.6 kg ha-1yr-1). Total P losses did not differ much; approximately 0.7 kg ha-1yr-1 was transported from both fields. Dissolved reactive P loss in surface runoff was higher in NPF (0.21 kg ha-1yr-1) than in PF (0.05 kg ha-1yr-1). This was probably attributable to the higher accumulation of P in the surface soil in NPF. The differences between the treatments were largely similar to those found in previous studies

Suomen peltojen karttapohjainen eroosio-luokitus: Valtakunnallisen kattavuuden saavuttaminen ja WMS-palvelu

Eroosio on merkittävä maatalouden fosforikuormituksen aiheuttaja, ja peltojen eroosioriskin kehittyminen on yksi maatalouden kansainvälisistä ympäristöindikaattoreista. Maatalouden ympäristötoimenpiteiden suuntaamiseksi peltojen eroosioriskin arviointi on tärkeää ja peltolohkot, ja jopa niiden osat, on kyettävä luokittelemaan eroosioriskin suhteen. Tämän tutkimushankkeen tavoitteena oli tuottaa valtakunnallisesti kattava järjestelmä Mapero hankkeessa (2010-2013) kehitetylle kartta-pohjaiselle RUSLE -mallille. Jotta mallia ja siihen perustuvia palveluja voitaisiin jatkossa hyödyntää neuvonnassa ja mahdollisesti tukipolitiikassa, on tasapuolisuuden vuoksi välttämätöntä saavuttaa koko maan kattavuus. Maanmittauslaitoksen suunnitelmien mukaan laserkeilausaineistopohjainen 2m:n erotuskyvyn korkeusmalli kattaisi koko Suomen vuonna 2019. Mapero 2 -hankkeessa kehitettiin tuotantojärjestelmä, jonka avulla tarkkaan korkeusmalliin pohjautuvat eroosioherkkyyskartat voidaan luoda koko Suomen alueelle tehokkaasti. Uusi suurteholaskentatekniikka myös mahdollistaa mallin nopean päivittämisen tarvittaessa ja mahdollisimman suuren automaation. Järjestelmän laskentaperiaatteet on kuvattu tieteellisessä julkaisussa. Karttojen kvalitatiivinen tarkkuus (ts. suhteellisen eroosioriskin esiintyminen) on arvioitu hyväksi niin koekentiltä saatujen tulosten kuin viljelijöidenkin antaman palautteen perusteella. Kvantitatiivinen tarkkuus (t/ha/v) sen sijaan ei ole ollut yhtä hyvä. Euroopan komission yhteinen tutkimuskeskus (JRC) julkaisi vuonna 2015 Euroopan oloihin säädetyn RUSLE2015 – mallin, jonka käyttöönotto paransi kvantitatiivista tarkkuutta verrattuna RUSLE-malliin. Hankkeen aikana laaditussa julkaisussa ”Eva-luation of RUSLE2015 erosion model for boreal conditions” arvioitiin RUSLE2015 mallia kuudella suomalaisella koekentällä (Geoderma Regional lehti). Tuotetut kartat ovat nyt RUSLE2015-mallin mukaisia ja näin yhteensopivia EU:n laajuisten karttojen kanssa. Hankkeessa valmistuva kartta-aineisto annetaan vapaasti hyödynnettäviksi Luonnonvarakeskuksen tulevan WMS - katselupalvelun kautta, mutta peltolohkoon liittyvä ominaisuustieto, t/ha/v ja sen avulla laaditut luokitukset voidaan tarvittaessa antaa vain viljelijöiden ja neuvojien käyttöön esim. Vipu-palvelun kautta. Uusi malli soveltuu käytettäviksi yksittäisillä maatiloilla ja vesiensuojelun kannalta kriittisillä valuma-alueilla kohdentamaan toimenpiteitä kustannustehokkaasti.201

Turvemaiden fosforitalous maatalouden ja ympäristön kannalta

Eloperäisten maiden osuus Suomen pelloista oli 1960-luvulla noin kolmannes eli yli 700 000 hehtaaria (ha). Sen jälkeen suoviljelysten osuus on pienentynyt noin 0,4 %-yksikköä vuodessa ja on uusimpien viljavuustutkimusten mukaan 13,6 % eli 308 000 ha. Silmä- ja sormivaraisilla maalajimäärityksillä suurin osa eloperäisistä pelloista on luokiteltu multamaaksi (20─40 % orgaanista ainetta) ja turpeeksi (>40 % org.) vain 3,8 %-yksikköä, mikä edustaa 85 000 ha:n peltoalaa. Sähköuunissa poltettaessa tapahtuvan painohäviön eli hehkutuskevennyksen mukaan kuitenkin noin puolet eli 150 000 ha eloperäisten viljelymaiden nykyisestä pinta-alasta on turvetta.Turpeen löyhä rakenne helpottaa juurten kasvua mutta kylmyys vaikeuttaa kasvien ravinteiden saantia varsinkin alkukesällä. Maatuneiden, tiiviiden turpeiden ja multamaiden märkyys voi häiritä juurten kehitystä ja ravinteiden ottoa etenkin orasvaiheessa, jolloin fosforin (P) niukkuus korostuu. Normaaleina kasvukausina ympäristötukeen oikeuttava P-lannoitus riittää hyviin satoihin fysikaalisilta ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan edullisilla savetuilla soilla, mutta hiekkaisilla ja löyhillä turpeilla fosforia tarvittaisiin huonoimmissa maan viljavuusluokissa enemmän. Kun turvemaan kivennäisosa on vähäinen tai hyvin karkea eli niukasti aktiivista alumiinia ja rautaa sisältävä, fosfaatti-anionit pidättyvät siihen heikosti. Tällaisessa maassa P-lannoituksen välitön hyväksikäyttöaste nousee korkeaksi ja ylimäärinä lisätty lannoitteen ja lannan fosfori on altista huuhtoutumaan.Sekä savetut että luonnostaan runsaasti alumiinia ja rautaa sisältävät turpeet pidättävät liukoista fosforia melko tehokkaasti. Maatumattomissa rahkaturpeissa fosfaatti-ionien kiinnityspaikkoja ei kuitenkaan ole juuri lainkaan, ja myös eräistä saraturpeista fosforia huuhtoutuu helposti. Savetuilla soilla fosfaatti-ionit voivat liikkua veden mukana syvemmällä maassa paljon helpommin kuin kyntökerroksessa. Pitkään jatkuneen lannoituksen seurauksena useiden turvemaiden liukoisen fosforin pitoisuus onkin suurentunut myös muokatun kerroksen alapuolelta, mikä Suomen kivennäismailla on hyvin vähäistä. Fosforin huuhtoutumisen välttämiseksi paksuturpeisten soiden P-tila tulisi selvittää myös jankkokerroksesta. Ympäristön kannalta tärkeää on se, että kun erilaisten maiden asetaattiliukoisen fosforin pitoisuus eli viljavuustutkimuksen P-luku on yhtä suuri, heikosti fosforia pidättävissä turpeissa maanesteen P-pitoisuus on kymmeniä kertoja suurempi kuin kivennäismaissa. Jos tällaisten maiden fosforitase on pitkään vahvasti positiivinen, ne voivat rehevöittää vesistöjä monta kertaa enemmän kuin pinta-alaosuuttaan vastaavasti.Tutkimuksessa tarkastellaan turvemaiden fosforitaloutta ja sen parantamismahdollisuuksia tavoitteena sekä maatalouden että ympäristön kannalta suotuisa suopeltojen viljely. Keskeisenä aiheena on lannoituksen optimointi ja vesistöjen rehevöitymisen välttäminen viljavuustutkimuksen fosforiluvun tulkintaa tarkentamalla. Turvepeltojen fosforitaloutta parantavia maanhoito- ja viljelytoimia ovat kivennäismaan lisäys ja kalkitus sekä fosforin suhteen vaatimattomien kasvien viljely niukalla fosforilannoituksella

Nutrient loads from agricultural and forested areas in Finland from 1981 up to 2010-can the efficiency of undertaken water protection measures seen?

Long-term data from a network of intensively monitored research catchments in Finland was analysed. We studied temporal (1981-2010) and spatial variability in nitrogen (N) and phosphorus (P), from 1987 losses, both from agricultural and forestry land. Based on trend analysis, total nitrogen (TN) concentrations increased in two of the four agricultural sites and in most of the forested sites. In agricultural catchments, the total phosphorus (TP) trends were decreasing in two of the four catchments studied. Dissolved P (DRP) concentrations increased in two catchments and decreased in one. The increase in DRP concentration can be a result of reducing erosion by increased non-plough cultivation and direct sowing. In forested catchments, the TP trends in 1987-2011 were significantly decreasing in three of the six catchments, while DRP concentrations decreased significantly in all sites. At the same time, P fertilisation in Finnish forests has decreased significantly, thus contributing to these changes. The mean annual specific loss for agricultural land was on average 15.5 kg ha(-1) year(-1) for N and 1.1 kg ha(-1) year(-1) for P. In the national scale, total TN loading from agriculture varied between 34,000-37,000 t year(-1) and total P loading 2400-2700 t year(-1) These new load estimates are of the same order than those reported earlier, emphasising the need for more efforts with wide-ranging and carefully targeted implementation of water protection measures.Peer reviewe