Luontainen rehevyys Pohjois-Savossa

Transkriptio

1 Luontainen rehevyys Pohjois-Savossa Väitöskirjatutkimus Mira Tammelin MTT:n Halola-seminaari

2 Johdanto Ohjaus, yhteistyö & rahoitus Tavoite Tutkimusalue Tutkimusjärvien nykyinen vedenlaatu

3 Yhteistyöprojektit Muut yhteistyötahot Ohjaus Ohjaus, yhteistyö & rahoitus Pääohjaaja Tommi Kauppila 2. ohjaaja Anne-Mari Ventelä Valvoja Timo Saarinen MAHA-hanke (Maankäytön vaikutus hajakuormitukseen) Fokus II-hanke (Sisävesien ravinnekuormitus) Kuormitusmallinnus

4 Tavoite Fosforin luonnonhuuhtouman mallintaminen Pohjois- Savon luontaisesti rehevillä alueilla

5 Fokus II -havaintopisteet Havaintopisteet Tutkimusalue Valuma-alue Sukevanjärvi Järvi Näläntöjärvi Osmanginjärvi Luupuvesi Sonkajärvi Saarisjärvi Niemisjärvi Hirvijärvi (Kiuruvesi) PienivesiKiuruvesi Kilpijärvi Harvanjärvi Tismiö YlemmäinenViitaanjärvi Porovesi Hernejärvi Suo-Valkeinen Nieminen Suuri-Juminen Pieni-Kirma Ala-Varpanen Kirmanjärvi Pieni-Juminen Nerkoonjärvi Sulkavanjärvi Korppinen Sälevä Hirvijärvi (Pielavesi) Varpanen (Varpaisjärvi) Valkeinen (Varpaisjärvi) Onkivesi Korpinen Kiukoinen Saari-PajunenMylly-Kiukoinen Iso-Panka Koutajärvi Pieni-Varpanen Pöljänjärvi Valkeinen (Maaninka) Haukijärvi Ahveninen Siilinjärvi Mäkijärvi Pieni-Tallusjärvi 51 näytepistettä Kangas-PetäinenPetäinen Kakkisenjärvi Kilometers Iso Koijärvi

6 Tutkimusjärvien nykyinen vedenlaatu Min Md Max Kokonaisfosfori (µgl -1 ) Kokonaistyppi (µgl -1 ) Sähkönjohtavuus (msm -1 ) ph Väri (mg Ptl -1 ) Keskisyvyys (m) Klorofylli-a (µgl -1 ) Näkösyvyys (m) Korkeus (mmy) Pinta-ala (km 2 ) Luontainen rehevyys Pohjois-Savossa/Mira Tammelin

7 Menetelmät Tutkimusprosessi Siirtofunktio Luontaista tilaa edustavien näytteiden valinta Käänteinen kuormitusmallinnus Tilastollinen & GIS-analyysi

8 Tutkimusprosessi 1. Piilevä-kokonaisfosforisiirtofunktio Alueelle kohdistettu paleoekologinen malli 2. Kokonaisfosforirekonstruktiot Luontaisen tilan näytteille (mallijärvet) Stratigrafisille näytesarjoille (Kirmanjärvi + 3 Fokus II -järveä) 3. Käänteinen kuormitusmallinnus Luontaisiin fosforipitoisuuksiin perustuen 4. Geologisten syiden etsiminen rehevyydelle Tilastollinen & GIS-analyysi

9 Siirtofunktio Kun riittävän monen järven nykyinen vedenlaatu ja siinä viihtyvä piilevälajisto tunnetaan, voidaan niiden avulla mallintaa menneiden aikojen vedenlaatua Nykyaikainen vedenlaatu Mallin kalibrointidata Nykyaikainen piilevälajisto Siirtofunktio Rekonstruktiot Fossiilinen piilevälajisto

10 Luontaista tilaa edustavien näytteiden valinta Magneettinen suskeptibiliteetti kasvaa magnetoituvien mineraalien määrän lisääntyessä (eroosion kasvu) Mallijärvistä näytteitä väh. 2/järvi syvyys vaihtelee 30 cm-155 cm välillä

11 { { { { Käänteinen kuormitusmallinnus Fosforin massatasapainoyhtälö Tavoitteena fosforin luonnonhuuhtouman (ulkoisen taustakuormituksen) selvittäminen ainetasemalleilla, kun järven luontainen fosforipitoisuus tunnetaan Perustuu fosforin massatasapainoyhtälöön Ulkoinen kuormitus (UK) + sisäinen kuormitus (SK) = lähtöainevirtaama (LV) + bruttosedimentaatio (BS) + kokonaisainemäärän muutosnopeus (dm/dt) UK SK UK kg a LV BS LV 1 R dm dt UK Oletetaan nollaksi LV ( BS SK) LV NS Nettosedimentaatio (NS) LV ( R UK) Retentiokerroin (R) LV kg a A Valuma alue keskivalun ta DI-TP 6-10 l/s/km 2, oletetaan pysyneen muuttumattomana Esityksen nimi / Tekijä

12 Käänteinen kuormitusmallinnus Retentiokerroin Retentiokertoimen arviointi usealla eri menetelmällä 1. Suoraan WSFS-Vemalasta (SYKE, Huttunen et al. 2008) 2. Kirchner & Dillon (1975) 3. Chapra (1975) 4. Larsen & Mercier (1976) 5. Lappalainen (1977) -> Vesi-Ekon malli (J. Heikkilä, E. Saarijärvi) 6. Laskemalla kiintoaineksen kertymän ja nykyisen ulkoisen kuormituksen suhteena (J. Mäkinen) 7.??? (2) R 0.426e (3) (4) (5) 0.574e 0.271q s 0.574q s R v v q s 1 R ( ) T ( ci 6) T R 0.9 a ( c 6) T I q s m hydraulinen pintakuorm a ( ) a m v näennäinen laskeutumisnopeus ( ) a VJärvi T viipymä(a) keskivirtaama Luontainen rehevyys Iisalmen alueella/ Mira Tammelin keskivirtaama A Järvi keskivalunta A A Järvi Valuma alue HUOM! A Järvi & V Järvi muuttuneet järvenlaskujen seurauksena

13 Käänteinen kuormitusmallinnus Vesi-Ekon fosforikuormitusmalli Iisalmen reitille 1. Arvioidaan nykyinen ulkoinen kuormitus Latvajärvien yläjuoksun purojen fosforipitoisuuksien ja virtaamien perusteella 2. Kalibroidaan malli järven nykytilan perusteella Määritetään järvikohtainen arvo puolivakiolle 3. Määritetään tulokuormitus, jolla saavutetaan mallinnettu luontainen pitoisuus HUOM! Ongelmana purohavaintojen riittämättömyys g C järvipitoisuus ( ) (1 R) CI l ( CI 6) T R retentiokerroin 0.9 a ( C 6) T C I g UK sekoituspitoisuus ( ) l keskivalunta A I Valuma alue T viipymä(a) a puolivakio 180 a Reunaehto :1.5 C T I

14 Bqkg -1 Käänteinen kuormitusmallinnus Kiintoaineksen akkumulaationopeus Kiintoaineksen akkumulaationopeus ( g / m Sedimentin kuivamassa sedimentin fosforipitoisuus 10 PinnastaCs-piikin syvyyteen Näytteenotovuosi 1986 Fosforin akkumulaationopeus ( g / m / a) 144 / a) Limnoksen pinta-ala suhteutettuna m 2 :iin kiintoaineksen akkumulaationopeus HUOM! R Fosforin akkumulaationopeus Nykyinen ulkoinen kuormitus Selvä piikki vain osassa järvistä ->Väärin arvioidut syvyydet virhelähteenä 1986 cm

15 Tulokset & tulkinta piilevämallinnus Fokus II järvet Kirmanjärvi Luontainen vs. nykyinen fosforipitoisuus Piilevien yleinen lajistomuutos kohti nykyaikaa

16 Fokus II Porovesi (I) Osa Iisalmen reittiä Näytesarja otettu Iisalmen kaupungin edustalta Hienoainesmoreeni, savikot ja harjuaines lähivaluma-alueen tyypillistä maaperää

17 Fokus II Porovesi (II) Luontainen fosforipitoisuus noin μg/l μg/l Intensiivinen ihmistoiminta %

18 Fokus II Saarisjärvi (I) Iisalmen reitin latvajärvi Laskettu 0.6 m vuonna 1950 Hienoainesmoreeni ja turve lähivalumaalueen tyypillistä maaperää Luontainen rehevyys Iisalmen alueella/ Mira Tammelin

19 μg/l Fokus II Saarisjärvi (II) Aulacoseira subarctica Aulacoseira islandica Planktonic Aulacoseira ambigua Aulacoseira lirata Aulacoseira lacustris Aulacoseira distans var. nivalis Tabellaria flocculosa Asterionella formosa Fragilaria construens f. venter Fragilaria pinnata Achnantes subatomoides Navicula aboensis Navicula submuralis Navicula vitiosa Eunotia zasumensis TP reconstructed % 20 Benthic Magnetic susceptibility Luontainen fosforipitoisuus noin μg/l Shannon diversity Small, benthic Fragilaria (%) Planktonic species (%) CD ratio Intensiivinen ihmistoiminta

20 Fokus II Näläntöjärvi (I) Iisalmen reitin latvajärvi Laskettu 1.5 m vuonna 1898 Hienoainesmoreeni ja turve lähivaluma-alueen tyypillistä maaperää Luontainen rehevyys Iisalmen alueella/ Mira Tammelin

21 μg/l 0 50 Fokus II Näläntöjärvi (II) Aulacoseira ambigua Aulacoseira islandica Aulacoseira subarctica Planktonic Aulacoseira granulata Aulacoseira lirata Cyclotella stelligera Cyclostephanos dubius Asterionella formosa Fragilaria brevistriata Fragilaria construens f. venter Fragilaria pinnata Fragilara construens f. construens Fragilaria construens f. binodis Fragilaria elliptica Fragilaria exigua Navicula submuralis TP reconstructed (ug/l) Benthic Luontainen fosforipitoisuus noin 60 μg/l TP reconstructed - FRAconEx excluded ug/l) Magnetic susceptibility Shannon diversity Small, benthic Fragilaria (%) Planktonic species (%) CD ratio Intensiivinen ihmistoiminta %

22 Kirmanjärvi (I) Virtaa Iisalmen reitille Nerkoonjärven kautta Mallinäyte Pieni-Kirmasta Stratigrafiset rekonstruktiot Kirmanjärvelle Savikot, muu hienoaines, hiekka- ja hienoainesmoreeni sekä harjuaines lähivaluma-alueen tyypillistä maaperää

23 Kirmanjärvi (II) Viitasalo 2007 aineisto Kauppila et al ikä-syvyysmalli μg/l Luontainen fosforipitoisuus noin μg/l TP-havainnot (vuosittainen keskiarvo) Rekonstruoitu TP (paikallinen malli) Rekonstruoitu TP (Kauppila et al. 2002) Vuosi

24 μg/l Luontainen vs. nykyinen fosforipitoisuus Keskiarvo TP-havainnoista (Hertta) Keskiarvo TP-rekonstruktioista (luontainen) Aiempi arvio luontaisesti rehevän suomalaisen järven fosforin taustapitoisuudesta

25 Piilevien yleinen lajistomuutos kohti nykyaikaa Karumpien vesien planktisten indikaattorilajien väheneminen C. rossii, C. radiosa, A. distans jne. Rehevien vesien planktisten piilevien yksipuolistuminen A. ambigua dominoivaksi Matalien järvien benthisten Fragilaria-lajien lisääntyminen vähemmän rehevissä järvissä (mataloituminen?) ja vähentyminen erittäin rehevissä järvissä (umpeenkasvu?) Lajidiversiteetin pieneneminen C. radiosa F. construens f. venter F. brevistriata C. rossii A. ambigua F. exigua

26 Tulokset & tulkinta - Kuormitusmallinnus Fosforin luonnonhuuhtouma Luonnonhuuhtouman arvojen vertailu Kiintoaineksen & fosforin nykyinen akkumulaationopeus Järvisedimenttien kemia vs. veden fosforipitoisuus

27 6.8 Hirvijärvi (Pie 8.6 Fosforin luonnonhuuhtouma 7.0 Näläntöjärvi Luupuvesi Hirvijärvi (Kiuruvesi) 8.8 Sonkajärvi Niemisjärvi 015Kiuruvesi 2 Niemisjärvi 7.5 Pienivesi Lapinh. 8.4 Saar 10.6 Osmanginjärvi 8.2 Saarisjärvi Porovesi Va (M Pieni-Kirma 14.0 Pieni-Juminen Kirmanjärvi Nerkoonjärvi Suuri-Juminen 9.5 Varpanen (Varpaisjärvi) Hirvijärvi (Pielavesi) Korppinen Onkivesi Lapinlahti 1 Maalajit valuma-alueittain 3.8 Valkeinen (Varpaisjärvi) Mylly-Kiukoinen Saari-Pajunen Esityksen nimi / Tekijä Koutajärvi Ala-Varpanen Sälevä Nieminen Hernejärvi 17.8 Sulkavanjärvi Huom! Luonnonhuuhtouma laskettu koko yläpuolisen valuma-alueen perusteella, mutta maalajien osuudet lähivaluma-alueittain (lähivaluma-alueet merkitty luonnonhuuhtouman arvoin) Luonnonhuuhtouman arvot eivät erottele kauko- & lähivaluma-alueiden osuuksia Suo-Valkeinen Viitaanjärvi 6.7 Ylemmäinen Kiuruvesi Kilpijärvi Iso Harvanjärvi Tismiö Korppinen Sukevanjärvi Korpinen Kiukoinen Onkivesi Tuura Hienoainesmoreeni 3.9 Savikko Varpanen 6.7 Muu hienoaines (Maaninka) 4.3 Koutajärvi Valkeinen Hiekka & sora 10.7 (Maaninka) Haukijärvi Hieta 2.1 Siilinjärvi Kallio Ahveninen Hiekka/soramoreeni 6.7 Mäkijärvi Turvemaa Maalajit valuma-alueittain Luonnonhuuhtouma 2.6 Pieni Tallusjärvi kg/a/km2 (K & D 1975) Hienoainesmoreeni Savikko Petäinen Kangas-Petäinen Muu hienoaines Hiekka & sora Hieta 6.5 Kallio Iso-Koijärvi Hiekka/soramoreeni Kakkisenjärvi Turvemaa Iso-Panka Pöljänjärvi 7.4

28 Luonnonhuuhtouman arvojen vertailu Luonnonhuuhtouma (kg/a/km 2 ) R Vemala R Kirchner & Dillon (1975) HUOM! Järvenlaskujen seurauksena aiheutuneita A Järvi & V Järvi muutoksia ei vielä huomioitu R Larsen & Mercier (1976) R Chapra (1975) Minimi Keskiarvo Maksimi Keskivalunnan arvolla 10 l/s/km 2 (kg/a/km 2 ) Finér et al Mattson et al Minimi Kortelainen et al Keskiarvo Maksimi

29 Kiintoaineksen & fosforin nykyinen akkumulaationopeus Fosforin akkumulaationopeus (kg/a/km2) Puuttuu Sukevanjärvi Havaintopisteet FokusII havaintopisteet Valuma-alueet Luontainen fosforipitoisuus (ug/l) Näläntöjärvi Osmanginjärvi Luupuvesi Huom! Noin 40% järvistä fosforin akkumulaatio > Vemalan ulkoinen kuormitus Eivät keskenään vertailukelpoisia Sonkajärvi Saarisjärvi Niemisjärvi Hirvijärvi (Kiuruvesi) Kiuruvesi Pienivesi Kilpijärvi Harvanjärvi Tismiö YlemmäinenViitaanjärvi Porovesi Hernejärvi Nieminen Suuri-Juminen Pieni-Kirma Ala-Varpanen Kirmanjärvi Pieni-Juminen Nerkoonjärvi Sulkavanjärvi NYKYTILANNE Minimi Keskiarvo Maksimi Korppinen Hirvijärvi (Pielavesi) Varpanen (Varpaisjärvi) Valkeinen (Varpaisjärvi) Onkivesi Kiintoaineksen akkumulaationopeus (kg/a/km2) Sälevä Suo-Valkeinen Korpinen Kiukoinen Saari-PajunenMylly-Kiukoinen Koutajärvi Iso-Panka Pieni-Varpanen Pöljänjärvi Valkeinen (Maaninka) Fosforin akkumulaationopeus (kg/a/km2) Haukijärvi Ahveninen Siilinjärvi Mäkijärvi Pieni-Tallusjärvi Fosforin akkumulaatio (kg/a) Ulkoinen kuormitus Vemala (kg/a) (Aakkumul.alue Vemalasta, >2m syv.) Korreloivat (S.) savikoiden kanssa 0.71 kiintoaines, fosfori Kilometers Kangas-PetäinenPetäinen Kakkisenjärvi Iso Koijärvi

30 Pääkomponenttianalyysi (PCA) Järvisedimenttien kemia vs. veden fosforipitoisuus Orgaaninen aines Iisalmen reitti Huom! Veden fosforipitoisuus ei korreloi sedimentin fosforipitoisuuden kanssa Pelkistävyys Veden luontainen fosforipitoisuus vs. Positiivinen korrelaatio (Spearman , p<0.05) Järven pintasedimentin 0-2cm K-, Na-, Mg-, Cr-, Ti-, Ca-, Al-, Ni- & Be Negatiivinen korrelaatio (S , p<0.05) Pb, S, C & N Luontainen TP Mineraaliaines Huom! Fe- ja Mn-saostumat pidättävät P:tä P-pitoisuudet saattavat olla anomalisen suuria korkean Fe- ja Mn-pitoisuuksien järvissä (kiille- ja savimineraalit)

31 Tulokset ja tulkinta - Tilastollinen & GIS-analyysi Kallioperä Luontainen fosforipitoisuus ja luonnonhuuhtouma vs. lähivaluma-alueen maaperä Luonnonhuuhtouma vs. lähivaluma-alueen ravinteikkaan hienoaineksen osuus Passiivisen jään kerrostama hienoainesmoreeni Jääkauden jälkeisten suurjärvien savet Ihmisperäinen rehevöityminen

32 Kallioperä Tutkimusalue sijaitsee arkeeisen kratonin ja svekofennisen saarikaarivyöhykkeen leikkauksessa Kivilajivaihtelu ei näytä selittävän eroja rehevyydessä

33 Pääkomponenttianalyysi (PCA) Hiekka/soramoreeni Luonnonhuuhtouma Suo-Valkeinen Luontainen fosforipitoisuus ja luonnonhuuhtouma Nykyinen TP Näläntö Hiekka/sora Luontainen TP Luontainen lähtökuormitus Nykyinen tulokuormitus Muu hienoaines Savikko Korpinen Saarisjärvi Korppinen Turvemaa vs. lähivaluma-alueen maaperä Sukevanjärvi Valkeinen Varpanen Iso-Panka Luupuvesi Chapra Sälevä Kiukoinen Sulkavanjärvi Saari-Pajunen Valkeinen Kakkisenjärvi Kangas-Petäinen Mylly-Kiukoinen Hirvijärvi Koutajärvi Osmanginjärvi Ala-Varpanen Suuri-Juminen Haukijärvi Kiuruvesi Pienivesi Pieni-Tallusjärvi Hieta Pieni-Juminen Iso-Koijärvi Vemala Onkivesi Mäkijärvi Ahveninen Nerkoonjärvi Viitaanjärvi Harvanjärvi Niemisjärvi Varpanen Pöljänjärvi Kirmanjärvi Ylemmäinen Siilinjärvi Kallio Petäinen Porovesi Sonkajärvi Nieminen Pieni-Kirma KilpijärviHirvijärvi Tismiö Hernejärvi Hienoainesmoreeni Kirchner & Dillon Larsen & Mercier HUOM! Hienoainesmoreenin pinta-alatiedot puutteellisia (1: karttalehtiä saatavilla vain osasta tutkimusaluetta) Luontainen fosforipitoisuus korreloi (Spearman, p<0.05) positiivisesti lähivaluma-alueen hienoainesmoreenin (0.59), savikon (0.50) ja muun hienoaineksen kanssa (0.36) sekä negatiivisesti hiekka/soramoreenin (-0.57) ja kallion (-0.28) kanssa Luonnonhuuhtouma (R K&D ja L&M) korreloi positiivisesti vain hienoainesmoreenin (0.41) ja negatiivisesti hiekka/soramoreenin (-0.42-(-0.39)) ja kallion (-0.38-(-0.33)) kanssa

34 Luonnonhuuhtouma (kg/a/km 2 ) Luonnonhuuhtouma vs. lähivaluma-alueen ravinteikkaan hienoaineksen osuus Luonnonhuuhtouma retentiokertoimella Kirchner & Dillon Ravinteikas hienoaines lähivaluma-alueella (%) Esityksen nimi / Tekijä

35 (Johansson et al. 2011) Passiivisen jään kerrostama hienoainesmoreeni Luontainen rehevyys Iisalmen alueella/ Mira Tammelin Passiivinen jääloobien välinen jäätikkötoiminta Kallioperä rapautunut paikoilleen Alkuaineiden huuhtoutuminen pienempää

36 Jääkauden jälkeisten suurjärvien savet Korkein ranta Muinais- Päijänne Suurjärvien korkeimmat rannat Suur- Saimaa Karuimpien järvien valuma-alueet suurjärvien pinnan tason yläpuolella Iisalmen reitin valuma-alueet olleet osa suurjärviä Osa luontaisesti rehevien järvien valuma-alueista kuitenkin kuivalla maalla

37 Ihmisperäinen rehevöityminen Sukevanjärvi Näläntöjärvi Osmanginjärvi Luupuvesi Sonkajärvi Saarisjärvi Niemisjärvi Hirvijärvi (Kiuruvesi) Kiuruvesi Pienivesi Kilpijärvi Harvanjärvi Tismiö YlemmäinenViitaanjärvi Porovesi Hernejärvi Nieminen Suuri-Juminen Pieni-Kirma Ala-Varpanen Kirmanjärvi Pieni-Juminen Nerkoonjärvi Sulkavanjärvi Korppinen Sälevä Suo-Valkeinen Hirvijärvi (Pielavesi) Varpanen (Varpaisjärvi) Valkeinen (Varpaisjärvi) Onkivesi Korpinen Kiukoinen Saari-PajunenMylly-Kiukoinen Iso-Panka Koutajärvi Varpanen (Maaninka) Pöljänjärvi Valkeinen (Maaninka) Ihmisperäinen rehevöityminen keskittyy luontaisesti rehevimpiin järviin Maanviljely & karjatalous ravinteikkailla mailla Metsätalous karummilla alueilla Karuuntumisessa todennäköisesti kyse mallin yliennustamisesta alhaisille pitoisuuksille Pieni-Tallusjärvi Kangas-PetäinenPetäinen Kakkisenjärvi Iso Koijärvi Heterogeeniset maatalousvaltaiset alueet Peltoalueet Valuma-alueet Poikkeuksena Koutajärvi ja Valkeinen (Varpaisjärvi) Mäkijärvi Ahveninen Luonnonhuuhtouma (K & D 1975) % nykyisestä Siilinjärvi Haukijärvi Kilometers

38 Johtopäätökset

39 Johtopäätökset Iisalmen reitti ja osa ympäröivistä järvistä luontaisesti poikkeuksellisen reheviä (DI-TP n µg/l) Luonnonhuuhtouma-arviot Kiuruveden ja Iisalmen alueella noin 8-15 kg/a/km 2 ja Iisalmen reitin pääaltaissa noin 10 kg/a/km 2 Hienoainesmoreeni (ja savikot?) todennäköisimmin luontaisen rehevyyden aiheuttajia Pohjois-Savon alueella Syynä saattavat olla myös hyvin paikalliset alueet esim. kuorisorakerrokset hienoainesmoreenissa Ihmistoiminta rehevöittänyt entisestään lähinnä luontaisesti rehevimpiä järviä Ihmistoiminnan aiheuttama piilevälajistomuutos näkyy kuitenkin myös karummissa järvissä

40