BILKE-raportti Paimion-, Mynä- ja Sirppujoen ilmastonmuutostarkastelut, veden laatu Markus Huttunen, Suomen ympäristökeskus

Transkriptio

1 BILKE-raportti Paimion-, Mynä- ja Sirppujoen ilmastonmuutostarkastelut, veden laatu Markus Huttunen, Suomen ympäristökeskus Muuttuvan ilmaston vaikutusta hydrologiaan ja peltojen ravinnekuormituksiin ja mahdollisuuksia vähentää peltojen ravinnekuormitusta ilmastonmuutostilanteessa viljelytoimenpiteillä arvioitiin Paimion-, Mynä- ja Sirppujoen valuma-alueilla käyttäen WSFS-vesistömallijärjestelmää ja siihen pohjautuvaa VEMALA ravinnekuormitusmallia (Huttunen ym. 215 A). VEMALA mallin osana toimivaa ICECREAM peltomallia käytettiin peltojen ravinnekuormituksen ja toimenpiteiden vaikutusten arviointiin. Ravinnekuormituksen osalta päämääränä oli arvioida, miten muuttuva ilmasto on vaikuttamassa peltojen ravinnekuormitukseen ja mitä mahdollisuuksia on ilmastonmuutostilanteessa pienentää peltojen ravinnekuormitusta vesistöjen hyvää tilaa vastaavalle tasolle. Ilmastonmuutoksen vaikutusten laskenta peltojen ravinnekuormitukseen ja toimenpiteiden vaikutukseen ICECREAM mallilla perustuu siihen, että ICECREAM malli sisältää ne typen ja fosforin ravinnekierron tärkeimmät prosessit, joihin muuttuva sadanta ja lämpötila vaikuttavat. Nykytilanteessa ICECREAM mallin pitäisi tuottaa vastaavia tuloksia ravinnekuormituksesta ja toimenpiteiden vaikutuksesta kuin mm. VIHMA työkalu. VIHMA työkalu perustuu kenttäkokeiden ja asiantuntijatiedon perusteella muodostettuun arvioon pellon ominaispiirteiden ja viljelytoimenpiteiden vaikutuksesta pellon ravinnekuormituksen ja sisältänee niin hyvän arvion kuin Suomen oloista olemassa olevan tiedon perusteella pystyy tekemään. Kenttäkokeita eri viljelytoimenpiteiden vaikutuksista ravinnehuuhtoumaan eri maalajeilla ja eri kaltevuuksisilla pelloilla ei ole niin kattavasti, että pelkästään niiden perusteella olisi mahdollista sovittaa mallia kuvaamaan näitä riippuvuuksia, vaan kenttäkokeiden tulosten laajentamisessa eri tyyppisille pelloille on välttämätöntä käyttää asiantuntijatietoa. ICECREAM malli pystyy lisäksi dynaamisen ravinneprosessien kuvauksen kautta arvioimaan muuttuvan sadannan ja lämpötilan vaikutusta. Kuitenkaan kattavaa vertailua VIHMAn ja ICECREAMn tulosten välillä nykytilanteessa ei ole tehty. Tässä tarkasteltiin päätuloksissa yhtä ilmastonmuutosskenaariota, keskimääräistä A1B ilmastoskenaariota. Liitteessä 2 on lisäksi esimerkkituloksia ravinnekuormituksesta kuudella muulla ilmastoskenaariolla. Tässä tarkasteltiin peltojen kuormitusta nykyisenkaltaisella viljelykasvijakaumalla. Tulevaisuudessa kuitenkin ilmaston muuttuminen mahdollistaa ainakin nykyisestä poikkeavat lajikkeet ja myös viljelykasvit. Mm. syysviljojen yleistyminen on mahdollista kasvukauden pidentyessä ja toisaalta syysviljat pystyvät paremmin hyödyntämään kevätkosteuden. Myös maatalouden tuotteiden ja tuotantopanosten hinnat tulevat todennäköisesti vaihtelemaan tulevaisuudessa ja siten vaikuttamaan maatalouden harjoittamiseen. Jotta todellinen kuva tulevaisuuden ravinnekuormituksesta saataisiin, niin nämä tulisi myös huomioida skenaarioissa. Jossain määrin näin on tehty lähteessä (Huttunen ym. 215 B). Ilmastoskenaario Ilmastoskenaariona tarkasteltiin keskimääräistä A1B ilmastoskenaariota, joka on 19 säämallin skenaarioiden keskiarvo A1B päästöskenaariolla. Vesistömalliin ilmaston muutos syötetään deltachange menetelmällä. Tämä tarkoittaa, että jokaisen kuukauden lämpötilaa muutetaan skenaarion mukaisella vakiolämpötilamuutoksella ja sadetta muutetaan prosentuaalisesti. Perusjaksona on säähavainnot, joita käytetään skenaarion mukaisesti muutettuna tuleville vuosikymmenille 22-29, 23-39, jne. A1B skenaarion sateen, haihdunnan ja valunnan muutokset on esitetty kuvassa 1.

2 Sadanta mm Haihdunta mm Valuma mm Kuva 1: Sadannan, haihdunnan ja valunnan muutokset A1B keskimääräisessä ilmastoskenaariossa. Peltojen ominaispiirteet Peltojen kaltevuudet ja maalajit vaihtelevat jonkin verran tarkastelluilla vesistöillä (Kuvat 2 ja 3). Sirppujoella on enemmän kaltevia peltoja kuin Paimion- ja Mynäjoella. Sirppujoella on huomattavasti enemmän peltoja eloperäisillä maalajeilla kuin Paimion- ja Mynäjoella.

3 Paimionjoki: Peltopinta-ala (ha) eri kaltevuusluokissa (%) < 358 Mynäjoki: Peltopinta-ala (ha) eri kaltevuusluokissa (%) < Sirppujoki: Peltopinta-ala (ha) eri kaltevuusluokissa (%) < Kuva 2: Peltojen kaltevuusjakauma tarkastelluilla vesistöillä.

4 Paimionjoki: Peltojen maalajijakauma maalajiluokittain KHs 1 % HHt 9 % Ct 1 % AS 89 % Mynäjoki: Peltojen maalajijakauma maalajiluokittain KHs 1 % Ct 5 % HHt 25 % AS 69 % Sirppujoki: Peltojen maalajijakauma maalajiluokittain Ct 29 % AS 23 % KHs 1 % HHt 47 % Kuva 3: Peltojen maalajijakauma. Maalajit on ryhmitelty neljään luokkaan: Savet (AS), karkeat maalajit (KHs ja HHt) ja eloperäiset (Ct).

5 Ilmastonmuutoksen ja toimenpiteiden vaikutus peltojen ravinnekuormitukseen Ravinnekuormitusta vähentävät toimenpiteet valittiin peltolohkokohtaisesti. Toimenpiteen vaikutus tietyllä lohkolla riippuu lohkon ominaispiirteistä (kaltevuus, maalaji, P-luku) ja viljelykasveista. Skenaariossa kyseinen toimenpide valittiin lohkolle, jos se vähentää ravinnekuormitusta kyseisellä lohkolla. Toimenpidettä valitessa tarkasteltiin sekä P että N kuormitusta, eli ei valittu toimenpidettä joka vähentää toista ja samanaikaisesti lisää toista merkittävästi. Toimenpiteet ovat: Tarkennettu lannoitus. Tämä toimenpide on käytössä kaikilla lohkoilla. Tarkennetussa lannoituksessa typpitase on 1 kg/v alempi kuin nykyinen tase. Fosforilannoitusta rajoitetaan niin, että jos lohkon P-luku ylittää tyydyttävän viljavuusluokan rajan, niin kyseisenä vuonna lohkolle ei käytetä lainkaan fosforilannoitusta. Muuten käytetään fosforilannoitustasoa, jolla P-luku pysyy v. 215 tasolla. Tällainen fosforilannoitus alentaa korkean P-luvun peltojen P-lukuja (Kuva 9 ja Liite 4). Lannoituksen rajoittaminen näihin ravinnetaseisiin vaikuttaa skenaariossa myös satotasoon (Liite 2). Talviaikainen kasvipeitteisyys. Tämä valittiin, jos lohkolla suorakylvön käyttö vähentää kuormitusta syyskyntöön verrattuna. Suojavyöhykkeen käyttö. Lohkolle otettiin käyttöön 15 m suojavyöhyke, jos se vähentää lohkon P kuormitusta vähintään,1 kg/ha/v tai N kuormitusta 1 kg/ha/v. Lietteen sijoitus nurmilla. Verrattiin lietteen sijoitusta ja pintalevitystä. Kerääjäkasvien käyttö kevätviljoilla. Kerääjäkasvi joko jätetään pellolle talven yli tai kynnetään peltoon, riippuen käytetäänkö kyseisellä pellolla suorakylvöä vai syyskyntöä. Huomion arvoista tässä lähestymistavassa on, että toimenpiteet valitaan lohkokohtaisesti tarkastelemalla kyseisen toimenpiteen vaikutusta sen lohkon ravinnekuormitukseen 1 vuoden tarkastelujaksolla. Näin saadaan esille miten lohkon ominaispiirteet (lähinnä kaltevuus ja maalaji) vaikuttavat toimenpiteestä aiheutuvaan ravinnekuormitukseen säältään erilaisina vuosina. Toimenpiteen vaikutusta tarkasteltiin jaksolla 22-29, eli tilanteessa jossa ilmastonmuutoksen vaikutus on mukana. Kuvassa 4 on esitetty jokikohtaisesti hyödyllisten toimenpiteiden määrät ja peltojen nykyinen käyttö eri kasvilajeille. Kuvissa 5 ja 6 on esitetty toimenpiteiden vaikutus fosfori- ja typpikuormitukseen. Kuvassa 7 on esitetty ilmastonmuutoksen vaikutus ja toimenpiteiden yhteisvaikutus ravinnekuormitukseen. Fosforin osalta vaikuttavimmat toimenpiteet joen koko valuma-alueen mittakaavassa ovat suorakylvön käyttö ja kerääjäkasvit. Nämä molemmat auttavat erityisesti kaltevilla pelloilla pienentämään eroosiota ja sen mukana tulevaa fosforikuormitusta. Typen osalta vaikuttavimmat toimenpiteet ovat tarkennettu lannoitus, suorakylvö ja kerääjäkasvit. Tässä tarkastellussa A1B ilmastoskenaariossa ilmastonmuutos on kasvattamassa fosforikuormitusta tarkastelluilla vesistöillä lievästi ja typen osalta ei ole selvää trendiä (Kuva 7). Toimenpiteillä fosforikuormitus on mahdollista saada 1-2% nykyistä alhaisemmalle tasolle ja typpikuormitus 15-3%. Tämän tarkemmalla tasolla tuloksia ei ole syytä käyttää, koska eri ilmastonmuutosskenaarioissa ravinnekuormituksen muutokset vaihtelevat merkittävästi (Liite 1). Tässä vertailujaksona käytetty jakso on ollut näillä vesistöillä sateisempi kuin pitkän jakson keskiarvo jakso on ollut jopa sateisempi kuin ilmastonmuutosskenaario jaksolle Tämä johtuu joko ilmaston luontaisesta vaihtelusta tai ilmastonmuutoksen odotettua voimakkaamsta vaikutuksesta tällä alueella, tai näistä molemmista. Ravinnekuormitustuloksiin tämä ero kuitenkin vaikuttaa siten, että mm. Paimionjoen fosforikuormitusskenaariossa nykytoimenpiteillä kuormitus pienenee jaksolle Tarkemmin tätä on kuvattu liitteessä 3. Toimenpiteiden vaikutusta voidaan tarkastella myös pellon ominaispiirteiden mukaisesti. Kuva 8 esimerkissä on tarkasteltu ilmastonmuutostilanteessa, miten fosforikuormitus muuttuu siirryttäessä syyskynnöstä suorakylvöön eri maalajeilla ja eri kaltevuuksisilla pelloilla.

6 Paimionjoki: Toimenpiteiden pinta-alat ja pellon käyttö Mynäjoki: Toimenpiteiden pinta-alat ja pellon käyttö Sirppujoki: Toimenpiteiden pinta-alat ja pellon käyttö Kuva 4: Paimionjoella toimenpiteiden pinta-alat ja pellon käyttö.

7 Paimionjoki Toimenpiteen vaikutus fosforikuormitukseen (%) Tarkennettulannoitus Suorakylvö Suojavyohykkeet Lietteensijoitus Kerääjäkasvi -1,2 -,1-3,2-6,9-1,6 Mynäjoki Toimenpiteen vaikutus fosforikuormitukseen (%) Tarkennettulannoitus Suorakylvö Suojavyohykkeet Lietteensijoitus Kerääjäkasvi -2,5 -,1-6,5-8,7-7,9 Sirppujoki Toimenpiteen vaikutus fosforikuormitukseen (%) Tarkennettulannoitus Suorakylvö Suojavyohykkeet Lietteensijoitus Kerääjäkasvi -,2-3,4-3 -5,8-5,7 Kuva 5: Toimenpiteiden vaikutus fosforikuormitukseen v tilanteessa keskimääräisellä ilmastoskenaariolla.

8 Paimionjoki Toimenpiteen vaikutus typpikuormitukseen (%) Tarkennettulannoitus Suorakylvö Suojavyohykkeet Lietteensijoitus Kerääjäkasvi -,3 -,4-6,4-1,1 Mynäjoki Toimenpiteen vaikutus typpikuormitukseen (%) Tarkennettulannoitus Suorakylvö Suojavyohykkeet Lietteensijoitus Kerääjäkasvi -,5 -,3-16,5-8,6-9,2-16 Sirppujoki Toimenpiteen vaikutus typpikuormitukseen (%) Tarkennettulannoitus Suorakylvö Suojavyohykkeet Lietteensijoitus Kerääjäkasvi -,4 -,2-7,3-6 -8,6 Kuva 6: Toimenpiteiden vaikutus typpikuormitukseen v tilanteessa keskimääräisellä ilmastoskenaariolla.

9 Paimionjoki: peltojen ravinnekuormituksen muutos (%) verrattuna jaksoon Fosfori nykytoimenpiteillä Fosfori lisätoimenpiteillä Typpi nykytoimenpiteillä Typpi lisätoimenpiteillä Mynäjoki: peltojen ravinnekuormituksen muutos (%) verrattuna jaksoon Fosfori nykytoimenpiteillä 21 1 Fosfori lisätoimenpiteillä Typpi nykytoimenpiteillä Typpi lisätoimenpiteillä Sirppujoki: peltojen ravinnekuormituksen muutos (%) verrattuna jaksoon Fosfori nykytoimenpiteillä Fosfori lisätoimenpiteillä Typpi -1 nykytoimenpiteillä -6 Typpi lisätoimenpiteillä Kuva 7: Peltojen ravinnekuormituksen muutos nykytoimenpiteillä ja toimenpiteiden maksimimäärillä. Jakso verrattuna A1B skenaarion tuleviin vuosikymmeniin.

10 K%.5 K%1. K%2. K%3. K%5. K%7.5 K%1. K%15. K%.5 K%1. K%2. K%3. K%5. K%7.5 K%1. K%15. K%.5 K%1. K%2. K%3. K%5. K%7.5 K%1. K%15. K%.5 K%1. K%2. K%3. K%5. K%7.5 K%1. K%15.,5 Suorakylvön vaikutus fosforikuormitukseen verrattuna syyskyntöön kg/ha/v, 22-luku, ilmastoskenaario A1B -,5-1 AS AS AS AS AS AS AS AS KHsKHsKHsKHsKHsKHsKHsKHsHHtHHtHHtHHtHHtHHtHHtHHt Ct Ct Ct Ct Ct Ct Ct Ct -1,5-2 -2,5-3 -3,5-4 Kuva 8: Fosforikuormituksen pienennys käytettäessä suorakylvöä verrattuna syyskyntöön eri maalajeilla ja eri kaltevuuksisilla pelloilla. 5 Saaristomeri: Peltojen P-lukujen kehitys, tarkennettu lannoitus Kuva 9: Rajoittamalla korkeiden P-luvun peltojen fosforilannoitusta P-luvut voidaan saada alenemaan. Kuivuuden muutokset 1 % 25 % 5 % 6 % 7 % 8 % 9 % 95 %

11 mm 1.maalis 8.maalis 15.maalis 22.maalis 29.maalis 5.huhti 12.huhti 19.huhti 26.huhti 3.touko 1.touko 17.touko 24.touko 31.touko 7.kesä 14.kesä 21.kesä 28.kesä mm Kasveille käyttökelpoinen vesi 1 cm pintakerroksessa, AS, A1B Kasveille käyttökelpoinen vesi 1 cm pintakerroksessa, AS, A1B Kuva 1: Kasveille käyttökelpoisen veden määrän muutokset keskimäärin eri vuosikymmeninä. Kasvukauden alussa maa kuivuu nopeammin. Ilmastonmuutostilanteessa lumipeite sulaa aikaisemmin ja pellon pintakerros alkaa kuivumaan aikaisemmin. Tämän seurauksena kasveille käytössä olevan veden määrä alkukesällä vähenee (Kuva 1). Tätä voidaan jossakin määrin kompensoida siirtymällä kevätviljoista nykyistä enemmän syysviljoihin, jotka pystyvät hyödyntämään kevätkosteuden syysviljoja paremmin. Tärkeimmät johtopäätökset Ilmastonmuutos on kasvattamassa sadantaa ja lämpötilaa, mistä seuraa lumipeitteisen ajan lyheneminen, haihdunnan kasvua ja valunnan ja mereen päätyvän virtaaman kasvua. Alkukesällä pellot alkavat kuivumaan aikaisemmin ja kasveille saatavilla olevan veden määrä vähenee. Alkukesän kuivuutta voidaan jossakin määrin kompensoida siirtymällä kevätviljoista syysviljoihin, jotka pystyvät hyödyntämään kevätkosteuden kevätviljoja paremmin. Peltojen ravinnekuormitukseen ilmastonmuutos on vaikuttamassa siten, että jos viljelytoimenpiteet säilyisivät nykyisellään niin fosforikuormitus on kasvamassa lievästi lähivuosikymmeninä ja selvemmin vuosisadan loppuun mennessä (+-2%). Typen kuormituksen muutoksissa ei ole niin selvää trendiä että se ylittäisi mallin epävarmuuden. Tässä tarkastelluilla kuormitusvähennystoimenpiteillä peltojen fosforikuormitus voitaisiin saada 1-2% nykyistä alemmalle tasolle ja typpikuormitus 2-3% alemmalle tasolle.

12 Peltojen ravinnekuormitukseen on vaikuttamassa myös ilmaston lämpenemisen ja kasvukauden pitenemisen myötä tulevat mahdollisuudet ottaa käyttöön uusia lajikkeita ja viljelykasveja ja mm. siirtyä nykyistä enemmin kevätviljoista syysviljoihin, Lisäksi maataloustuotteiden ja tuotantopanosten hinnat voivat vaihdella tulevaisuudessa ja vaikuttaa viljelijöiden päätöksiin viljelykasveista ja lannoitusmääristä. Näiden muutosten vaikutusta tässä ei tarkasteltu. Eri ilmastonmuutosskenaarioissa lämpötilojen ja sademäärien sekä vuositason että vuodenaikaismuutokset vaihtelevat merkittävästi. Tämä luo merkittävää epävarmuutta arvioihin sekä hydrologisista että ravinnekuormituksen muutoksista. Viitteet (A) Inese Huttunen, Markus Huttunen, Vanamo Piirainen, Marie Korppoo, Ahti Lepistö, Antti Räike, Sirkka Tattari, Bertel Vehviläinen. A national scale nutrient loading model for Finnish watersheds VEMALA. Environmental Modeling and Assessment 215. (B) Inese Huttunen, Heikki Lehtonen, Markus Huttunen, Vanamo Piirainen, Marie Korppoo, Noora Veijalainen, Markku Viitasalo, Bertel Vehviläinen. Effects of climate change and agricultural adaptation on nutrient loading from Finnish catchments to the Baltic Sea. Science of the Total Environment 215; 529:

13 Liite 1: Muut ilmastoskenaariot Kuvassa 1 on esitetty sadannan, haihdunnan ja valunnan muutokset seitsemässä eri ilmastoskenaariossa. Kuvassa 11 on esitetty ravinnekuormituksen muutokset näissä skenaarioissa. Sadanta mm Haihdunta mm A1Bmean RCA3-EA1B REMO-EA1B RCA3-HA1B HadRMHA1B HIRH-AA1B HIRH-BA1B Valuma mm/vuosi A1Bmean RCA3-EA1B REMO-EA1B RCA3-HA1B HadRMHA1B HIRH-AA1B HIRH-BA1B Kuva 1: Sadannan, haihdunnan ja valunnan muutokset A1B skenaarion lisäksi kuudessa muussa ilmastoskenaariossa.

14 Fosforihuuhtouma pelloilta, muutos % Typpikuormitus pelloilta muutos % Kuva 11: Esimerkki Paimionjoelta miten ilmastonmuutos ja toimenpiteet vaikuttavat fosfori- ja typpikuormitukseen eri ilmastonmuutosskenaarioissa. -46

15 Liite 2: Typen komponentit Seuraavassa kuvasarjassa on esitetty typen kierron tärkeimmät komponentit ja miten ne muuttuvat malliskenaarioissa muuttuvan ilmaston ja toimenpiteiden vaikutuksesta. Huomion arvoista on, että lopulta vesistöön päätyvä kuormitus on suuruusluokaltaan pieni muihin komponentteihin verrattuna. Jokaisen komponenttien mallintamiseen liittyy epävarmuutta ja typen mallintamisessa suhteellisesti suurin epävarmuus kertynee juuri vesistöön päätyvän kuorman arvioon Sadon mukana poistuva typpi kg/ha/v Kuva 12: Sadon mukana poistuva typpi. Punainen=nykytoimenpiteillä, vihreä=kuormitusvähennystoimenpiteillä Kuva 13: Typpilannoitus. Punainen=nykytoimenpiteillä, vihreä=kuormitusvähennystoimenpiteillä Typpilannoitus kg/ha/v Typpikuormitus kg/ha/v 15 1 A1Bmean_nykytoimenp A1Bmean_lisätoimenp Kuva 14: Typpikuormitus vesistöön. Punainen=nykytoimenpiteillä, vihreä=kuormitusvähennystoimenpiteillä.

16 8 Denitrifikaatio kg N/ha/v Kuva 15: Denitrifikaatio eli ilmaan siirtyvä typpimäärä. Punainen=nykytoimenpiteillä, vihreä=kuormitusvähennystoimenpiteillä Mineralisaatio kg N/ha/v Kuva 16: Mineralisaatio. Punainen=nykytoimenpiteillä, vihreä=kuormitusvähennystoimenpiteillä. Typpitase kg/ha/v (lannoitus-sato) Kuva 17: Typpitase. Punainen=nykytoimenpiteillä, vihreä=kuormitusvähennystoimenpiteillä.

17 Liite 3: Ilmastonmuutoksen ja ilmaston normaalin vaihtelun vaikutus vertailujaksoon Tässä tarkastelussa käytettiin vertailujaksona jaksoa Normaalisti ilmaston pitkän jakson keskiarvot lasketaan 3 vuoden jaksoilta. Jos tarkastellaan lyhyempää jaksoa, niin sään normaali vaihtelu vaikuttaa tuloksiin. 1 vuoden jakson sademäärä ja lämpötila vaihtelee sitä selvemmin, mitä pienempää aluetta tarkastellaan. Toisaalta ravinnekuormitusten kannalta ei ole järkevää käyttää pidemmän jakson keskiarvoja kuvaamaan nykytilannetta, koska lannoitusmäärät ja viljelytoimenpiteet ovat muuttuneet merkittävästi. Kaikilla näillä kolmella joella jakso on ollut sateinen. Tämä johtuu joko luontaisesta vaihtelusta tai ilmastonmuutoksen odotettua voimakkaammasta vaikutuksesta, tai näistä molemmista. Jakso on ollut sateisempi kuin ilmastonmuutosskenaario jaksolle Kuva 18: Sadannan ja valunnan muutokset Paimionjoella

18 Kuva 19: Sadannan ja valunnan muutokset Mynäjoella Kuva 2: Sadannan ja valunnan muutokset Sirppujoella

19 Liite 4: P-lukujen kehitys skenaarioissa Kuva 21: Paimionjoen peltojen keskimääräisen P-luvun kehitys. Paimionjoen mitattu keskimääräinen P- luku jaksolla on noin 9,8. Kuva 22: Mynäjoen peltojen keskimääräisen P-luvun kehitys. Keskimääräinen mitattu P-luku jaksolla 2-12 on noin 17,2.

20 Kuva 23: Sirppujoen peltojen keskimääräisen P-luvun kehitys. Keskimääräinen mitattu P-luku jaksolla 2-12 on noin 17,.