Active Wetlands Maatalouden ravinnekuormitus ja kosteikkovaikutukset kohdealueilla; mallintaminen (WP3) Jari Koskiaho(1, Markku Puustinen(1, Kauko Koikkalainen(2, (1 SYKE, PL140, 00251 Helsinki (2 MTT taloustutkimus, Latokartanonkaari 9, 00790 Helsinki Active Wetlands -hankkeen loppuseminaari 26.4.2013, Folkhälsan, Helsinki

Taustaa Kuva: Berninger et al. (2012)*

Kosteikon tehokkuuden riippuvuus mitoituksesta Puustinen, M., Koskiaho, J., Jormola, J, Järvenpää, L., Karhunen, A., Mikkola-Roos, M., Pitkänen, J., Riihimäki, J., Svensberg, M, and Vikberg, P. 2007. Maatalouden monivaikutteisten kosteikkojen suunnittelu ja mitoitus). Suomen ympäristö 21/2007. SYKE. Helsinki. 77 p.

Mitoitustavoitteet vs. realismi Ympäristötukiehdoissa pinta-alasuhdevaatimus 0,5 % em. yhtälöiden perusteella 16 % fosfori- ja 5 % typpipoistuma Tämäkin mitoitustavoite käytännössä usein hankala saavuttaa Esim. Eskola ym. (2009) kartoittivat Lahden Vesijärven alueella 78 erityyppistä kosteikkokohdetta, joista 14 oli tukikelpoisia Syitä tilanteeseen Viljelyalueet usein jokien alajuoksulla, jolloin yläpuolinen valuma-alue muodostuu helposti suureksi Maan hinta Sopivien paikkojen puute Maatalouden erityistuella rakennettujen kosteikkojen lukumäärä on jäänyt vähäiseksi  Koko maan tasolla ei suurta vaikutusta vesistökuormitukseen

Kemikaaleilla maatalouden fosforikuormituksen kimppuun? ”Aktiivikosteikot” l. valumavesien käsittely esim. rautasulfaatin (Ferix-3) avulla Active Wetlands –koekohteiden sijaintivaluma-alueilla arvioitiin mallityökalujen avulla Maatalouden ravinnekuormitusta Hankkeessa testattujen koekohteiden mahdollisuuksia P-kuormituksen alentajana Perinteisten kosteikkojen mahdollisuuksia ja niiden sijoittelua

Käytetyt mallityökalut VIHMA Empiirinen malli, perustuu pitkäaikaisiin kotimaisiin kenttäkokeisiin Viljelyalueilta lähtöisin olevan ravinnekuormituksen arviointi Kosteikkovaikutukset, ravinteiden pidättäminen SWAT Prosessipohjainen malli Kosteikkojen sijoittelustrategiat RasterMode Sovellettiin Virossa (Kristjan Piirmäe, Estonian Fund for Nature) GIS-pohjainen malli Kosteikkovaikutukset, fosforin pidättäminen

Mallisimuloinnit Active Wetlands hankkeessa SWAT Paimelan Myllyoja Jokioinen Lieto Paimionjoki VIHMA Jokionen Nuutajärvi RasterMode Porijõgi valuma-alue

Käyttäjän antamat lähtötiedot Malliin sisäänrakennettuna VIHMA— Viljelyalueiden ravinnekuormituksen ja kuormituksen vähentämiskeinojen tehokkuuden arviointi Käyttäjän antamat lähtötiedot Malliin sisäänrakennettuna Kohdevaluma-alueen peltojen ominaisuuksien jakauma (kaltevuus, maaperä, P-luku) hehtaareina Kuormituksen vähentämiskeinot pellon ulkopuolella (kosteikot), mitoitus, yläpuolisen valuma-alueen peltopinta-ala Peltojen käytön (muokkaus-intensiteetti) jakauma kohdevaluma-alueella hehtaareina Ominaiskuormitusluvut (kiintoaine, typpi ja fosfori kg/ha) erityyppisillä pelloilla vuosina 1985-2002 tehtyjen kenttäkokeiden pohjalta Kuormitus (kg) kohdevaluma-alueen pelloilta (alkutilanne) Tulokset Viljelymenetelmien muutosten ja kosteikkojen sijoittamisen vaikutukset verrattuna alkutilanteeseen Kosteikkovaikutukset (poistuma-% tulevasta kuormituksesta) perustuen kosteikkojen mitoitukseen. Taustalla tutkimustuloksia kotimaisista ja kv. kosteikkotutkimuksista

F i n l a n d VIHMA— koekentät Viljelymenetelmät Tyrnävä Viljelymenetelmät Vesiensuojelukosteikot /laskeutusaltaat Toholampi Kuivatusmenetelmät, salaojitus Lapua F i n l a n d Suojavyöhykkeet Liperi Rautalampi Alastaro Jokioinen Aurajoki Vihti Inkoo Kirkkonummi

TIKE—peltolohkoaineisto, esimerkkinä Paimelan Myllyojan alue *myös yp alueet 1 ja 2 **myös yp alueet 17 ja 18

Pellon käytön ja P-luvun jakaumat valuma-alueilla (%) Pellon käyttö Lieto Paimelan Myllyoja Jokioinen Nuutajärvi Kevätviljat 91 80 70 5 Nurmet 15 27 44 Syysviljat 9 3 55 Juurikkaat ~0 Muut 1 Tiedot: TIKE tietokanta P-luku (mg/kg) Lieto Paimelan Myllyoja(1 Jokioinen Nuutajärvi < 8 29 49 59 54 8–14 39 32 33 >14 19 12 13 Tiedot: www.viljavuuspalvelu.fi, kuntakohtaiset (1Asikkalan kunta

Syöttötiedot: sää (lämpötila, sadanta, kosteus, säteily) Tulokset Q (m3/s), TSS, N, P (kg), jne. Syöttötiedot: maastomalli (DEM), maaperä, maankäyttö Maatalouden toimenpiteet (mm. kosteikot) Maankäytön muutokset http://swatmodel.tamu.edu

SWAT – Soil Water Assessment Tool 27.12.2018 Uomavirtaus Manningin yhtälö Muskingum menetelmä QUAL2E © Neitsch et al., 2001

Kosteikkojen ja laskeutusaltaiden simulointi SWATissa Mitoitusparametrit pinta-ala ja tilavuus keski- ja ylivedellä Parametrisointi erikseen jokaiselle osavaluma-alueelle Retentioparametrit Erikseen kiintoaineelle, typelle ja fosforille 27.12.2018 Ainepitoisuudet lähtötilanteessa

Suomessa mallinnetut valuma-alueet Active Wetlands hankkeessa Pori PAIMELAN MYLLYOJA NUUTAJÄRVI JOKIOINEN Lahti LIETO Turku PAIMIONJOKI Helsinki

Lieto Pinta-ala: 0.68 km2 Maankäyttö Maaperä Taajama (12%) Maatalous (67%) Metsä (21%) Vastaan-ottava vesistö: Aurajoki Maaperä Savi 90% Moreenit 7% Kallio 3%

Paimelan Myllyoja Pinta-ala: 21 km2 Maankäyttö Maaperä Savi 47% Moreenit 24% Karkeat ml 21% Kallio 6% Turve 2% Taajama (11%) Maatalous (43%) Metsä (45%) Suo (0.4%) Vesistö (0.02%) Vastaanottava vesistö: Vesijärvi, Paimelanlahti

Jokioinen Maaperä Pinta-ala: 58 km2 Maankäyttö Savi 67% Moreenit 17% Karkeat ml 8% Kallio 5% Turve 3% Pinta-ala: 58 km2 Maankäyttö Taajama (21%) Maatalous (peltoviljely) (39%) Metsä (28%) Niitty, laidun (10%) Vesistö (2%) 27.12.2018 Vastaanottava vesistö: Loimijoki

Nuutajärvi Maaperä Pinta-ala: 95 km2 Maankäyttö Moreenit 46 % Savi 23 % Turvemaat 19 % Pinta-ala: 95 km2 Maankäyttö Metsää 70 % Peltoa 20 %

Paimionjoki Area: 843 km2 Maankäyttö Maaperä Taajama (9%) Savi 64% Moreenit 29% Karkeat ml 5% Kallio 1% Turve 1% Maatalous (peltoviljely) (45%) Metsä (36%) Niitty, laidun (8%) Suo (0.3%) Vesistö (2%) Vastaanottava vesistö: Saaristomeri

Tuloksia, maatalouden ravinnekuormitus (kg) kohdevaluma-alueilla, VIHMA Lieto Paimelan Myllyoja Jokioinen Nuutajärvi Paimionjoki* Kokonais-typpi 887 [19] 16 200 [18] 36 800 [16] 37 300 [19] 550 600 [12] Kokonais-fosfori 91 [2.0] 1 960 [2.2] 4 000 [1.7] 3 680 [1.8] 40 500 [0.9] Liukoinen fosfori 14 [0.31] 264 [0.29] 658 [0.29] 924 [0.46] - *estimoitu VEPS arviointityökalulla Paimelan Myllyojalla ja Liedossa syyskynnetyn pellon osuus korkea  Korkea kokonaisfosforikuormitus Nuutajärven alueella orgaanisten maiden osuus suuri  korkeat liukoisen fosforin huuhtoumat

Tuloksia, kosteikkojen sijoittelustrategiat, SWAT Ravinnepoistumat arvioitiin kahdella eri strategialla: a) Useita kosteikkoja valuma-alueen yläjuoksulla b) Yksi kosteikko valuma-alueen alaosassa Molemmissa strategioissa 1 % koko valuma-alueesta kosteikkoa Tulosten mukaan strategia a) on ainakin isoilla valuma-alueilla tehokkaampi: 27.12.2018 Liedon valuma-alue on niin pieni, että osavaluma-alueittaista simulointia ei tehty, vaan yksi 0,7 ha:n kosteikko sijoitettiin purkupisteen läheisyyteen. Tulos 25 % kok.P poistuma

Valuma-aluetason tehokkuuden riippuvuus sijaintivaluma-alueen koosta Vaikka mitoituksessa (kosteikon pinta-ala suhteessa valuma-alueeseen) ei ole eroa, on tehokkuus sitä parempi mitä pienempi valuma-alue Todennäköisiä syitä: valuma-alueen koon kasvaessa pitoisuudet laimenevat  pienempi kosteikkoon tuleva kuormitus Jokioisten ja Paimionjoen valuma-alueet muodoltaan pitkänomaisia  useat kosteikot < 1 % yläpuolisesta valuma-alueestaan (ketjuttuminen!) Lieto Paimelan Myllyoja Jokioinen Paimionjoki

”Aktiivikosteikot”, tehokkuus Koekosteikko Lieto Nuutajärvi* Paimionjoki** Jokioinen Tuleva liuk.P (kg/vuosi) 15,8 6,6 14,5 0,7 Pidättynyt liuk.P (%) 73 58 45 26 Pidättynyt liuk.P (kg/vuosi) 11.5 3.8 6.5 0.2 *9 koekosteikon keskiarvo **3 koekosteikon keskiarvo ”Aktiivikosteikkojen lukumäärä, joka tarvitaan pidättämään tietty tavoite %-osuus valuma-alueen maatalouden kok. P kuormituksesta Valuma-alue Tavoite Lieto Paimelan Myllyoja* Jokioinen Nuutajärvi Paimionjoki 5 % 1 17 1 112 48 313 10 % 33 2 223 96 626 20 % 2 66 4 447 192 1 251 *Liedon, Nuutajärven ja Paimionjoen Ferix-3 kokeiden keskiarvojen pohjalta

“perinteiset” patoamalla rakennetut kosteikot Eri tavoite fosforipoistumien vaatimien kosteikkojen kustannukset (€/v) valuma-alueilla Yhden ”aktiivikosteikon” kustannukseksi arvioitu 281 €/v* Tavallisen padotun kosteikon rakentamiskustannus 500 €/ha/v* Tavallisen massiivikaivetun kosteikon rakentamiskustannus 2000 €/ha/v* *(10 v. kestoaika, 5% korko) “aktiivi”kosteikot Tavoite Lieto Paimelan Myllyoja* Jokioinen Nuutajärvi Paimionjoki 5 % 281 4 648 312 453 13 524 87 932 10 % 9 297 624 906 27 047 175 863 20 % 445 18 593 1 249 813 54 095 351 726 “perinteiset” patoamalla rakennetut kosteikot Tavoite Lieto Paimelan Myllyoja Jokioinen Nuutajärvi Paimionjoki 5 % 74 2 386 9 063 11 875 340 000 10 % 148 4 773 18 125 23 750 680 000 20 % 296 9 545 36 250 47 500 1 360 000

Kustannustehokkuus (€/kgP/v) Valuma-alue Lieto Paimelan Myllyoja* Jokioinen Nuutajärvi Paimionjoki Aktiivi-kosteikot 24 47 1 561 73 43 Padotut kosteikot 16  45 65 168 Kaivetut kosteikot 97 181 258 672 Ahopelto & Hjerppe (2012): Maatalouden toimenpiteiden kustannustehokkuus vaihteli n. 100–2000 €/kgP

Johtopäätöksiä Peltoviljelystä peräisin oleva ravinnekuormitus kohdevaluma-alueilla vaihteli lähinnä pellon käytön (muokkausintensiteetti) mukaan ”Perinteiset” kosteikot vaikuttaisivat valuma-aluetasolla toimivan –myös mitoituksen pysyessä vakiona– sitä paremmin mitä pienempi yläpuolinen valuma-alue, ts. useat pienet kosteikot tehokkaampi ratkaisu kuin yksi suuri Sekä kosteikon että kemikaalikäsittelyn kustannustehokkuuteen vaikuttaa ratkaisevasti sijainti, mitä korkeammat tulevan veden pitoisuudet, sitä parempi tehokkuus Oikein sijoitettuna ja toteutettuna sekä kosteikko (ainakin jos voidaan toteuttaa patoamalla) että kemikaalikäsittely ovat verrattain kustannustehokkaita vesiensuojelumenetelmiä

Kiitos!