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
