Search

Maatalous ja metsätalous vaikuttavat Suomen vesistöjen tilaan laaja-alaisesti. Maatalouden vesistövaikutukset ovat seurausta etenkin vuotuisista lannoituksista ja maanmuokkauksesta. Metsätalouden vesistövaikutukset taas johtuvat erityisesti valuma-alueiden ojituksista ja uomien perkaamisesta sekä hakkuista. Molemmilla sektoreilla tehokas maankuivatus ja maaperän muokkaus aiheuttavat ravinteiden, kiintoaineen ja humuksen hajakuormitusta vesistöihin. Hajakuormituksen vesistövaikutukset ilmenevät rehevöitymisenä ja vesistöjen tummumisena, uomien liettymisenä ja ekologisen tilan heikkenemisenä. EU:n vesipuitedirektiivi edellyttää vesistövaikutusten seurantaa, jos maankäytön aiheuttama hajakuormitus muodostaa merkittävän riskin sille, että hyvän ekologisen tilan ympäristötavoitetta ei saavuteta. Maatalouden ja metsätalouden hajakuormituksen vaikutuksia vedenlaatuun ja vesien ekologiseen tilaan on seurattu valtakunnallisesti vuodesta 2008 lähtien yli sadan järvi- ja jokikohteen muodostaman ns. MaaMet-seurantaverkon avulla. Raporttiin koottiin MaaMet-seurantaohjelman vuosien 2008–2020 seurannan tulokset. Työn pääpaino on ekologisen tilan, vedenlaadun ja biologisten tekijöiden, ja maankäytön välisten yhteyksien sekä ajallisen vaihtelun tarkastelussa. Tilan arviointi perustui vesienhoidon kolmannen suunnittelukierroksen luokittelukriteereihin. Seurantaverkon tulokset rinnastettiin ihmistoiminnan vähiten vaikuttamien ympäristöhallinnon seurantakohteiden tuloksiin. Maatalousalueiden jokia ja -järviä luonnehtivat korkeat ravinnepitoisuudet, selvästi muuttuneet biologiset yhteisöt ja heikentynyt ekologinen tila. Valuma-alueen peltoisuus selitti merkittävästi vedenlaadun ja biologisten muuttujien vuosien 2008–2020 keskimääräistä tilaa. Peltojen suurempi osuus valuma-alueella johti heikompaan vedenlaatuun ja ekologiseen tilaan. Metsätalousalueiden jokikohteilla ja järvissä tapahtuneet muutokset olivat suhteessa pienempiä kuin maatalousalueilla, mutta myös niiden ekologinen tila oli selvästi heikentynyt. Metsätalouskohteita luonnehtivat etenkin korkeat orgaanisen typen ja hiilen pitoisuudet, jotka liittyivät valuma-alueen turvemaiden ojituksiin ja metsien hakkuisiin. Mitä suurempi osuus turvemaista oli ojitettu, sitä heikompi vedenlaatu jokivesissä oli. Metsätalouden vaikutukset ilmenivät voimakkaammin jokikohteilla kuin järvissä. Yhtenäistä muutosta vedenlaadussa ja ekologisessa tilassa ei seurantajaksolla 2008–2020 havaittu. Yksittäisillä jokikohteilla ja järvillä ekologinen tila oli muuttunut vaihtelevasti. Koska ekologisessa tilassa ei havaittu yhtenäistä paranevaa trendiä, ovat vesiensuojelutoimet todennäköisesti olleet riittämättömiä ja huonosti kohdennettuja. Jatkossa seurantaa tulisi kehittää erityisesti metsätalouden toimenpiteiden vaikutusten laajuuden ja intensiteetin tarkemmaksi kuvaamiseksi. Raportissa käsitellään hajakuormitettujen pintavesien vesiensuojelun ja -hoidon kehitystarpeita. Seuranta-aineiston arvo kasvaa seurantavuosien karttuessa. MaaMet-seurantaverkko tuottaa ensi-arvoisen tärkeää valtakunnallista tietoa maatalouden ja metsätalouden hajakuormituksen vaikutuksista vesien tilaan. Valtakunnallisesti kattava ja ajallisesti jatkuva vesistövaikutusten seuranta on välttämätön edellytys kustannustehokkaalle vesienhoidon suunnittelulle.

Highlights • Nutrient and SS estimations were predicted by comparing different approaches. • Peatland drainage strongly affected TN, TP, and SS loads and concentrations. • Uncertainty in estimates captured 29–90% of measured TN, TP, and SS values. • The uncertainty in export coefficients decreased with catchment size. Maintaining and improving surface water quality requires knowledge of nutrient and sediment loads due to past and future land-use practices, but historical data on land cover and its changes are often lacking. In this study, we tested whether land-use-specific export coefficients can be used together with satellite images (Landsat) and/or regional land-use statistics to estimate riverine nutrient loads and concentrations of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and suspended solids (SS). The study area, Simojoki (3160 km2) in northern Finland, has been intensively drained for peatland forestry since the 1960s. We used different approaches at multiple sub-catchment scales to simulate TN, TP, and SS export in the Simojoki catchment. The uncertainty in estimates based on specific export coefficients was quantified based on historical land-use changes (derived from Landsat data), and an uncertainty boundary was established for each land-use. The uncertainty boundary captured at least 60% of measured values of TN, TP, and SS loads or concentrations. However, the uncertainty in estimates compared with measured values ranged from 7% to 20% for TN, 0% to 18% for TP, and 13% to 43% for SS for different catchments. Some discrepancy between predicted and measured loads and concentrations was expected, as the method did not account for inter-annual variability in hydrological conditions or river processes. However, combining historical land-use change estimates with simple export coefficients can be a practical approach for evaluating the influence on water quality of historical land-use changes such as peatland drainage for forest establishment.

Streams and rivers have been extensively altered by humans. Channelization and land use have changed stream habitats and water quality with adverse effects on biota and ecosystem functions. Impacted streams have been targets for restoration, but there is considerable lack of understanding how streams should be restored in an ecologically effective way. In this doctoral thesis, I studied the impacts of channelization (for timber floating) and agricultural diffuse pollution on stream biota. I also studied the effectiveness of restorations of forestry impacted streams stressed by excessive sand sedimentation from catchment drainage. Finally, I also studied the effects of mosses, fine sediment and enhanced dispersal on stream macroinvertebrate communities and ecosystem functions. I found that channelization did not have effect on diatom, macrophyte, macroinvertebrate and fish assemblages, whereas diffuse pollution had strong effects, with no interactions between the two stressors. I showed that excessive sedimentation from forest drainage was harmful for stream biota but had no effect on leaf decomposition and algal accrual rate. Restoration with boulders reduced sand cover and was more beneficial for in-stream biodiversity, whereas restoration with wood tended to increase hydrological retention of stream channels, thereby altering riparian plant assemblages toward more natural composition. In a mesocosm experiment, I found mosses to have a strong impact on macroinvertebrate communities and ecosystem functions. Mosses increased organic matter retention and reduced algal accrual rate and leaf decomposition. The effect of mosses on macroinvertebrates was stronger than that of sand sedimentation, and mosses mitigated some of the negative effects of sand. Extensive dispersal had a distinct imprint on invertebrate community composition but did not blur the effect of mosses and sand on communities, suggesting strong local-scale environmental control of composition. My thesis emphasizes that priority in stream restoration should be in the mitigation of diffuse pollution rather than restoration of channel morphology, especially in streams where channel alteration has been fairly modest, as in the case of timber floating. Addition of both boulders and large wood likely yields the best biodiversity response in the restoration of forestry impacted streams. Mosses are a key component of boreal lotic ecosystems; therefore, the recovery of mosses may be a prerequisite for the full recovery of biodiversity and ecosystem integrity of boreal streams. Tiivistelmä Ihmisen toiminta on laajasti muokannut virtavesiä. Uomien kanavointi ja maankäyttö ovat muuttaneet virtavesien elinympäristöjä ja veden laatua, millä on ollut haitallisia vaikutuksia virtavesien luonnon monimuotoisuuteen ja ekosysteemin toimintaan. Huonokuntoisia virtavesiä on kunnostettu paljon, mutta ymmärrys siitä, kuinka virtavesiä tulisi kunnostaa parhaan ekologisen lopputuloksen saavuttamiseksi, on edelleen vajaata. Tutkin tässä väitöskirjassa uittoperkausten ja maatalouden hajakuormituksen merkitystä ja yhteisvaikutusta virtavesien eliöyhteisöihin. Tutkin myös kunnostusten vaikutusta hiekasta kärsivissä metsätalouden muokkaamissa puroissa, sekä vesisammalten, hiekan ja eliöiden levittäytymisen merkitystä purojen pohjaeläinyhteisöjen ja ekosysteemin toimintojen muovautumisessa. Havaitsin, että uoman perkauksilla ei ollut vaikutusta virtavesien eliöyhteisöihin, mutta hajakuormituksen vaikutus oli voimakas. Perkauksella ja hajakuormituksella ei ollut yhteisvaikutuksia eliöyhteisöihin. Osoitin, että metsäojituksista aiheutuva ylimääräinen hiekan sedimentaatio on haitallista virtavesien eliöille, mutta sillä ei ollut vaikutusta lehtikarikkeen hajotukseen tai päällyslevien tuotantoon. Kunnostukset joissa käytettiin kiveä vähensivät hiekan peittävyyttä ja olivat hyödyllisempiä uoman eliöstölle kuin kunnostukset, joissa tehtiin puurakennelmia. Puukunnostukset kuitenkin lisäsivät uoman vedenpidätyskykyä ja siten muokkasivat rantavyöhykkeen kasvillisuutta luonnontilaisemmaksi. Havaitsin, että vesisammalilla on voimakas vaikutus pohjaeläinyhteisöjen koostumukseen. Sammalet vaikuttivat ekosysteemin toimintoihin lisäämällä eloperäisen aineksen pidättymistä ja vähentämällä lehtikarikkeen hajotusta ja päällyslevien tuotantoa. Sammalten vaikutus pohjaeläimiin oli voimakkaampi kuin hiekan, ja sammalet kykenivät jopa lieventämään joitakin hiekan negatiivisia vaikutuksia. Eliöiden levittäytymisellä oli selvä vaikutus yhteisöjen koostumukseen, mutta se ei hävittänyt hiekan ja sammalen vaikutusta, mikä viittaa korkeaan ympäristötekijöiden merkitykseen yhteisöjen rakentumisessa. Tutkielmani korostaa, että maatalousjokien tilan parantamisessa hajakuormituksen hallinta tulisi olla ensisijainen kunnostustavoite uoman rakenteen kunnostamisen sijaan. Metsätalouden vaikutuksista kärsivissä puroissa kivi- ja puumateriaalin käyttö samanaikaisesti tuottaa luultavimmin laajimman vaikutuksen purojen monimuotoisuuteen. Sammalilla on merkittävä vaikutus muiden eliöiden yhteisökoostumukseen ja ekosysteemin toimintoihin, joten sammalten palautuminen on tärkeä kunnostustavoite virtavesissä, joissa on luonnostaan paljon sammalkasvustoa.

Suomen pinta-alasta valtaosa on metsätalousmaata. Metsätaloustoimenpiteiden vaikutuksia virtavesien biologiseen tilaan on kuitenkin selvitetty vain vähän. Tämän hankkeen tavoitteena oli tuottaa lisää tietoa metsätalouden vaikutuksista purojen ja jokien ekologiseen tilaan sekä kehittää biologista vaikutusseurantaa pienissä virtavesissä. Hankkeessa tarkasteltiin vedenlaatua ja biologisia laatumuuttujia (päällyslevät, vesisammalet ja pohjaeläimistö) suhteessa metsätalouden intensiteettiin 12 purokohteen (pääasiassa Luken metsätalouden kuormituksen seurantaverkko) ja 40 jokikohteen (pääasiassa MaaMet-seurannan metsätalouskohteet) aineiston avulla. Paikkavalinnoissa pyrittiin minimoimaan maatalouden vaikutus pois. Purokohteiden biologisen tilan kartoittamiseksi tehtiin maastotöitä elo-syyskuussa 2015. Hanke toteutettiin Suomen ympäristökeskuksen toimesta ja sen rahoitti maa- ja metsätalousministeriö. Tulosten perusteella metsätalousalueilla sekä puroissa että jokivesissä etenkin typpipitoisuudet olivat selkeästi taustapitoisuuksia suuremmat. Pitoisuuksia selitti valuma-alueen metsäojitusten määrä, mutta myös luontaiset tekijät ja yhteisvaikutukset. Purokohteilla luonnollinen vaihtelu oli hyvin suurta, mikä ilmeni erityisesti biologisissa mittareissa. Hankkeessa tutkituilla Luken seurantaverkon kuudella metsä-talouskohteella päällyslevien, vesisammalten ja pohjaeläinten tila ei ollut merkittävästi heikentynyt. Jokikohteissa vedenlaatu (typpipitoisuus, veden väri) sekä päällyslevien ja vesikasvillisuuden tila heik-kenivät metsätalouden määrän (ojitusten) lisääntyessä. Purokohteilla testattiin päällyslevien määrän mittaamisessa optista, a-klorofylliä mittaavaa Bentho-Torch-fluorometriä, joka on biologisen tilan arviointiin kehitetty uusi laite. Fluorometri soveltuu käytettäväksi kivipintojen päällyslevien kokonaismäärän ajalliseen seurantaan esimerkiksi erilaisten metsäta-loustoimenpiteiden yhteydessä. Fluorometrin käyttöön liittyviä menetelmiä tulee kuitenkin vielä kehittää luotettavan seurantatiedon varmistamiseksi. Erityisesti intensiivisen metsätalouden ja tiheään ojitettujen valuma-alueiden alapuolisissa jokivesissä ekologinen tila oli heikentynyt. Niin kuin muukin ympäristön tilan seuranta, metsätalouden vaikutusten luotettava seuranta edellyttää edustavaa seurantakohteiden ja elinympäristöjen valintaa. Metsätalouden vesiensuojelutoimien vaikuttavuudesta virtavesien ekologiseen tilaan tarvittaisiin lisää tietoa vesienhoidon suunnittelun tueksi.

Tämän työn tavoitteena oli koota keskitetysti vesistökuormitusta kuvaavia kuormittajakohtaisia ominaiskuormituslukuja ja selvittää niiden perusteella eri maankäyttömuotojen alueellisia kuormitusosuuksia. Työssä esitetyt kuormitusluvut ovat luonteeltaan keskimääräisiä lukuja. Raportissa kuvataan laajalti eri kuormittajien taustatietoja, niissä tapahtuneita muutoksia, kuormitusvertailujen vaikeutta ja ennen kaikkea käytettävissä olevan tiedon epävarmuutta. Kuormitusluvut tarkentuvat sitä mukaa kun uutta kattavampaa ja tarkempaa tutkimustietoa saadaan julkaistua. Esim. maatalouden kuormitusluvut perustuvat pienten valuma-alueiden 30 vuoden ajalta kertyneihin seurantoihin. Vastaavanlaista seuranta-aineistoa kokoavaa menetelmää ja tulosten tieteellistä julkaisumenettelyä on sovellettu metsätalouden kuormituksen sekä taustakuormituksen arvioinnissa. Pistemäistä kuormitusta kuvaavat tunnusluvut ovat luotettavampien mittausjärjestelmien vuoksi hajakuormituslukuja tarkempia. Raportissa annetaan myös selonteko ihmistoiminnan aiheuttaman kuormituksen vähentämismahdollisuuksista ja selvitetään kuormituksen mahdollisia kasvuriskejä yleisluontoisesti koko Suomen tasolla, vesienhoito-alueilla ja tarkemmin kahdella valitulla vesistöalueella. Maankäyttöä on tarkastelu kaikilla em. tasoilla, mm. maatalous ja rakennettu alue keskittyvät Suomenlahden ja Kokemäenjoen-Saaristomeren ja Selkämeren vesienhoitoalueille ja ojitetut turvemaat Oulujoen-Iijoen vesienhoitoalueelle. Valtakunnallisten kuormitusarviointien tarkkuus riittää yleensä kuormituslähteiden kokonaistarkasteluun. Rajatummissa alueellisissa tarkasteluissa lopputulos voi jäädä epäselväksi. Tällaisessa tilanteessa esiin nousevia kysymyksiä ovat kuormituslähteen suhde toiseen kuormituslähteeseen tai taustakuormituksen osuus kokonaisainevirtaamassa. Esimerkiksi maatalouden keskimääräinen kuormitusluku voi sisältää myös taustakuormitusta. Todellisuudessa tällä ei olisi juurikaan merkitystä lähdekohtaiseen kuormitusjakaumaan sen vuoksi, että maatalouden pinta-alakohtainen typpi- ja fosforikuorma (fosfori 1,1 kg ha-1 v-1, typpi 15 kg ha-1 v-1) on kymmen–kaksikymmenkertaista taustakuormitukseen (fosfori 0,05 kg ha-1 v-1, typpi 1,3 kg ha-1 v-1) verrattuna. Sen sijaan taustakuormaa kuvaavaan kuormituslukuun sisältyvä, esim. 20 %:n virhe, vaikka olisikin absoluuttisena arvona mitättömän pieni, aiheuttaisi koko maa-alueelle (30,4 milj. ha) laskettuna suuren muutoksen ainevirtaamien jakaumiin. Orgaanisen aineksen heikommasta seuranta- ja tutkimustaustasta johtuen vain osalle kuormituslähteistä voidaan esittää arvio orgaanisen kuormituksen suuruudesta. Kuormituslukuihin liittyvän epävarmuuden vuoksi niiden käyttö ja tulosten merkityksen arviointi edellyttää perehtymistä kuormituslukujen taustoihin. Keskimääräiset luvut eivät välttämättä kuvaa todellista kuormitusta kaikissa olosuhteissa, mikä ilmenee jo lukujen suurena vaihteluvälinä. Kuormituslukujen ohella on oleellista tietää tarkasti myös tuotannollinen pinta-ala, jolla kuormitusta muodostuu. Eri aikoina ja eri lukuihin perustuvat valtakunnalliset tai alueelliset kuormitusjakaumat (”kuormituspiirakat”) eivät ole keskenään vertailukelpoisia. Kokonaisuutta on aina tarkasteltava vastaanottavan vesistön näkökulmasta. Huomioitava on myös se, että vesistön tila-arvio voi muuttua tarkemman vesistöseurannan tuloksena, mikä taas vaikuttaa vesistön kuormituksen sietokykyyn.

Maa- ja metsätalouden hajakuormitus on laaja-alaisimmin Suomen vesien tilaa heikentävä tekijä, mutta tietämys kuormituksen vaikutuksista vesien ekologiseen tilaan on ollut puutteellista. Tähän julkaisuun on koottu Maa- ja metsätalousministeriön rahoittaman hajakuormituksen vesistövaikutusten seurannan (ns ”MaaMet-seuranta”) ensimmäisten vuosien 2007-2012 tulokset. Työssä tarkastellaan 152 hajakuormitetun joki-, järvi- ja rannikkovesimuodostuman ekologista tilaa fysikaalis-kemiallisten (ravinteet) ja biologisten laatutekijöiden (kasviplankton, vesikasvit ja päällyslevät, pohjaeläimistö, kalasto) perusteella. Tutkimuksessa selvitetään erityisesti laatutekijöiden tila-arvioiden suhdetta ihmistoiminnan aiheuttamiin ympäristöpaineisiin. Näiden yhteyksien ymmärtäminen on edellytys kustannustehokkaiden vesiensuojelutoimien suunnittelulle. Tulosten perusteella hajakuormitus on merkittävä ekologista tilaa huonontava tekijä. Tyydyttävässä tai sitä huonommassa tilaluokassa oli fysikaalis-kemiallisten laatutekijöiden perusteella 69 % joki-, 66 % järvi- ja 98 % rannikkokohteista, kun taas vähintään yhden biologisen laatutekijän mukaan tilaluokka oli hyvää huonompi 68 % jokikohteista, 87 % järvistä ja 100 % rannikkovesikohteista. Fysikaalis-kemiallisilla tilamuuttujilla oli voimakas yhteys valuma-alueen peltoisuuteen. Samoin useimmilla biologisilla tilamuuttujilla oli yhteys valuma-alueen peltojen osuuteen ja ravinnepitoisuuksiin. Selvimmin tämä ilmeni jokimuodostumissa. Karkeasti arvioiden jokikohteet olivat hyvää huonommassa ekologisessa tilassa niiden valuma-alueen peltoisuuden ylittäessä 10–15 % ja järvet peltoisuuden ylittäessä 5–10 %. Vasteiden voimakkuus ja muoto kuitenkin vaihtelivat merkittävästi sekä ekosysteemien (joet, järvet ja rannikot) että laatutekijöiden välillä. Useamman laatutekijään perustuva ekologisen tilan arviointi vähensi virhettä ja voimisti paineyhteyttä. Monipuolinen ekologisen tilan arviointi parantaakin ihmistoiminnan aiheuttaman ekologisen tilan muutoksen arviointia. Biologisten muuttujien arvoissa oli paljon vaihtelua. Tämä aiheutuu sekä luontaisista tekijöistä että näytteenoton ja luokittelujärjestelmän epätarkkuudesta. Tutkimus on tuonut esille useita oleellisia kehittämistarpeita ekologisen tilan arviointijärjestelmässä. MaaMet-seuranta tuottaa tärkeää uutta tietoa Suomen hajakuormitettujen vesien tilasta. Jatkossa kun ekologista tilaa kuvaavien muuttujien vaihtelun suuruus ja syyt tiedetään paremmin, voidaan tarkemmin ymmärtää hajakuormituksen vaikutukset pintavesien ekologiseen tilaan. Näin seurannan tulosten arvo kasvaa seurantavuosien karttuessa. Paikallisesti kattava ja ajallisesti jatkuva hajakuormitettujen vesien seuranta on välttämätön edellytys kustannustehokkaiden vesiensuojelutoimien suunnittelulle ja niiden vaikutusten luotettavalle todentamiselle pyrittäessä kohti jokien, järvien ja rannikkovesien hyvää ekologista tilaa.

Maankäytöstä ja muusta ihmistoiminnasta aiheutuu lähes aina luonnon taustakuorman ylittävää ravinne- ja kiintoainekuormitusta vesistöihin. Julkaisussa esitellään valuma-alueelta vesistöön kohdistuvan kokonaistypen, kokonaisfosforin ja kiintoaineen kuormituksen arviointiin kehitetty KUSTAA -työkalu. KUSTAA perustuu ominaiskuormitusmenetelmään ja kattaa tyypillisimpiin maankäyttömuotoihin liittyvät toimenpiteet ja muut haja- ja pistekuormituslähteet. Kuormitusarvion lähtötiedoiksi tarvitaan valuma-alueen pinta-ala, sen vesistöjen pinta-ala, metsä- ja maataloustoimenpiteiden pinta-alat ja muut haja- ja pistekuormituslähteiden määrät vuositasolla. Tietojen perusteella tuotetaan arvio valuma-alueen kokonaiskuormituksesta ja sen jakautumisesta eri lähteisiin. Lisäksi esitetään yksinkertainen epävarmuusarvio. KUSTAA -työkalu on integroitu taulukkolaskentaympäristöön ja tarkoitettu käytännön toimijoiden käyttöön. Sen avulla voidaan arvioida esimerkiksi maankäytössä tapahtuvien muutosten, pistekuormituksen hallinnan tai yksittäisen kuormituslähteen vaikutuksia valuma-alueen kokonaiskuormitukseen. Julkaisussa kootaan kattavasti yhteen tyypillisimpiä maankäyttömuotoja ja haja- ja pistekuormituslähteitä edustavat ominaiskuormitusluvut ja esitellään KUSTAA -työkalun käyttöä esimerkkilaskelmien avulla.

In most countries of the Baltic Sea region monitoring systems are in place to provide information on agricultural impacts on surface and soil/ground water quality on different levels, i.e. plot, field, small catchment and larger rivers scale. Unfortunately, the spatial and temporal coverage of monitoring sites is rather varying. Moreover, transparency of the data is not always sufficient and it can be difficult to draw a clear picture on what is actually described by the provided data. Therefore, comparison of monitoring results can be restricted. The developed guidelines attempt to find answers to these questions by highlighting the strengths, gaps and weaknesses in the assessments of the results of monitoring on different scales. The guidelines include also a list of conclusions and recommendations to further improve the existing procedures and methodologies for surface and soil water quality monitoring in agriculture-dominated areas.

The ability of novel measures to reduce the loss of phosphorus from fields to surface waters is seeing increasing testing. Gypsum, by elevating the ionic strength in soil solution, has been shown to reduce phosphorus losses from Finnish soils under laboratory conditions. This report presents the results of a catchment-scale gypsum experiment. In a 2.45 km2 catchment in southern Finland, 91% of the field area (93 out of 101 hectares, mostly on clayey soils) was amended with gypsum after the harvest in 2008. Runoff volume and quality (e.g., turbidity, nutrients, cations, and anions) were monitored for six high-flow periods in February 2008 to November 2010 – i.e., before, during, and after the amendment – by means of on-line sensors and manual sampling. Additional data were collected by a local water protection association at the site and in a nearby ‘reference’ catchment where gypsum was not used. Moreover, the effect of gypsum was simulated with the ICECREAM model and scaled for the clay fields in the catchment of the Archipelago Sea via the assessment tool VIHMA. Potential changes in soil chemistry were monitored with soil analyses. Finally, the impact on lakes caused by sulphate lost from gypsum was studied by means of laboratory soil and sediment incubations. The turbidity recorded by the on-line sensors from the runoff correlated with the concentration of particulate phosphorus analysed in the laboratory, which enabled the evaluation of changes in particulate phosphorus loss from the on-line data. Using a covariance model with gypsum application as a qualitative and runoff volume as a quantitative variable, we approximated gypsum as having reduced the loss of particulate phosphorus by 57 %. The loss of dissolved reactive phosphorus decreased by approximately one third. The total phosphorus reduction was about 54 %. According to the ICECREAM model, the reduction in total phosphorus was 45 %. No corresponding changes were found in the reference catchment. Gypsum did not affect soil test values for phosphorus, potassium, magnesium, or calcium but did increase the ionic strength and sulphur in soil. The proportion of gypsum lost in runoff could not be estimated precisely, because there were insufficient background data on sulphate losses. At maximum, 45 % of the gypsum was lost, as calculated from conductivity values recorded by the sensors. Since sulphate may aggravate eutrophication in sulphate-poor lakes, the sulphate lost from gypsum may restrict extensive gypsum application to only those catchments discharging directly into the Baltic Sea. Fortunately, most clayey fields in Finland with a risk of erosion are located in the coastal catchments without a great presence of lakes. As an example, the application of gypsum on all clayey fields used for cereals or high-value crops in the catchment of the Archipelago Sea could reduce the total phosphorus load by 68 t y−1, as calculated with the assessment tool VIHMA. That would be more than half of the national target (120 t y−1) for this sea area. The duration of the gypsum effect and impact of gypsum-derived sulphate on the ecology of rivers and lakes has yet to be determined.

Metsät vaikuttavat vesistöjen veden laatuun. Luonnontilaisilta metsä- ja suoalueilta vesistöihin kulkeutuvia ainevirtoja kutsutaan taustakuormaksi. Metsissä tehtävät toimenpiteet kuten päätehakkuut, maanmuokkaukset, lannoitukset ja ojitukset lisäävät vesistöihin tulevaa kuormitusta. Tässä julkaisussa esitellään metsätalousmaalta tulevaan luonnon taustakuormaan ja eri metsätaloustoimenpiteiden aiheuttamaan kuormituksen lisäykseen perustuva typpi-, fosfori- ja kiintoainekuormituksen laskentamenetelmä, KALLE. Laskentamenetelmän kuvauksen yhteydessä esitetään taustakuormitusluvut ja kivennäis- ja turvemaiden metsänuudistamisen ja lannoituksen sekä turvemaiden kunnostusojituksen ominaiskuormitusluvut. Ominaiskuormitusluvut on tuotettu olettaen, että vesiensuojelusta on huolehdittu uudistamishakkuiden yhteydessä jättämällä suojakaistoja vesistöjen varteen ja kunnostusojituksissa tekemällä laskeutusaltaita. Laskentamenetelmä ottaa huomioon toimenpiteiden pitkän vaikutusajan. KALLE-laskentamenetelmä on kehitetty valtakunnallisia, vesistöalueryhmittäisiä ja vesienhoitoalueittaisia laskelmia varten. Julkaisussa esitetään myös esimerkkilaskelmien tuloksia.

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.

Pohjois-Karjalan vesistöjen tilan parantaminen -hankkeen kalaosion ensimmäisessä osatutkimuksessa selvitettiin kahdeksan hajakuormituksen kuormittaman tummavetisen metsäjärven ekologista tilaa koekalastusten avulla. Hankkeessa hankittiin tietoa humusjärvien kalayhteisöjen rakenteesta ja testattiin suomalaisen kalayhteisöindeksin sekä ruotsalaisen FIX-indeksin toimivuutta järvien ekologisen tilan luokituksessa. Tulosten perusteella suomalainen indeksi luokitteli kaikki järvet erinomaiseksi, kun taas ruotsalaisen FIX-indeksin luokittelu erotteli järviä enemmän. Osatutkimuksessa “Mitä ahventen morfologiset erot kertovat järvien ekologisesta tilasta?” vertailtiin ahventen morfologisten piirteiden eroja neljän hankejärven välillä ja kunkin järven sisällä. Ahventen tiettyjen morfologisten piirteiden erot voivat kuvastaa eroja ravinnonkäytössä ja siten antaa viitteitä kohdejärven heikentyneestä ekologisesta tilasta johtuen ravintoketjun vääristymisestä. “Epidermaalisen papillomatoosin esiintyminen viidessä pienessä, runsashumuksisessa pohjoiskarjalaisessa metsäjärvessä” -osatutkimuksessa testattiin papillomatoosi-kalatautiin perustuvaa tutkimusmenetelmää humusjärvien ekologisen tilan muutoksen toteamisessa. Tutkimuksessa selvitettiin myös menetelmän soveltuvuutta kalastusta harrastavien kansalaisten seurattavaksi kalastuksen ohessa.

Pohjois-Karjalan vesistöjen tilan parantaminen -hankkeen paleolimnologian osiossa selvitettiin 16 pohjoiskarjalaisen järven veden laadun historiaa sedimentin hehkutuksen ja piilevälajistomuutosten avulla. Järvien valuma-alueiden pääasiallinen maankäyttö on metsätalous ja maatalous sekä muutamassa kalanviljely. Valuma-alueen maankäyttö on selvästi vaikuttanut kohdejärvien vedenlaatuun, mikä on nähtävissä sedimentistä analysoitujen piilevien lajimuutoksissa. Tulosten mukaan osa järvistä on lähellä luonnontilaa, osa on selvästi rehevöityneitä ja tummuneita ja osa on rehevöitynyt, mutta viime aikoina palutunut. Lisäksi osa, varsinkin turvemaiden alapuoliset reittivedet, ovat aina olleet melko ravinteikkaita. Osassa järvistä on veden värin osalta näkyvissä tummumista ja osassa taas kirkastumista. Vuonna 2000 hyväksytty Euroopan unionin vesipuitedirektiivi (EU 2000) edellyttää vesien hyvää tilaa vuoteen 2015 mennessä. Vesistöjen vertailutila ja järvessä tapahtuneet muutokset on hyvä selvittää arvioitaessa vesistön kunnostustarvetta. Selvityksiin voidaan käyttää paleolimnologisia menetelmiä, jos pitkäaikainen vedenlaadun seuranta puuttuu.

Pohjois-Karjalan vesistöjen tilan parantaminen -hankkeen vesikasviosiossa arvioitiin kymmenen hajakuormituksen rasittaman metsäjärven ekologista tilaa vesikasvien perusteella. Kohdejärvistä osa oli veden ravinteisuuden perusteella lähellä luonnontilaa, osa lievästi rehevöityneitä ja osa rehevöityneitä. Järvistä osa oli latvajärviä ja osa alempana vesistöalueilla sijaitsevia. Tutkittujen järvien todettiin pääsääntöisesti olevan vesikasvillisuuden lajistokoostumuksen ja runsauden perusteella ekologiselta tilaltaan erinomaisia tai hyviä. Kolme järvistä ei saavuttanut vähintään hyvä tilaa. Luokitusta tulee kuitenkin pitää suuntaa antavana, koska pohjoiskarjalaiset järvet erosivat vesikasvilajistoltaan ja kasvillisuuden runsaudeltaan vertailujärvinä käytetyistä pohjois- ja eteläsavolaisista sekä kainuulaisista järvistä. Luotettavampi luokittelu vaatisi vertailujärvien sijoittumista maantieteellisesti lähelle kohdejärviä. Vertailujärvien tulisi myös olla valuma-alueiden maankäytöltään ja morfologialtaan samantyyppisiä kohdejärvien kanssa.

Pohjois-Karjalan vesistöjen tilan parantaminen -hankkeen pohjaeläinosiossa tarkasteltiin pienten keskihumuksisten ja runsashumuksisten järvien ekologista tilaa pohjaeläimiin perustuen. Neljäntoista kohdejärven pohjaeläinyhteisöt ilmensivät järvien ravinnekuormituksen määrää ja veden kemiallista laatua varsin johdonmukaisesti. Kuormitetuimmat ja veden laadultaan rehevimmät järvet olivat pohjaeläinten mukaan huonoimmassa ekologisessa tilassa, ja vähiten kuormitetut järvet parhaimmassa. Runsashumuksisten järvien kuormittuneisuus oli korkeampi, ja kuormituksen vaikutukset heijastuivat pohjaeläinyhteisöjen koostumukseen. Syvännelajistosta tehty ekologisiin laatusuhteisiin perustuva ekologisen tilan luokittelu erotteli ainoastaan voimakkaimmin kuormitetut järvet hyvää ekologista tilaa heikompaan luokkaan. Heikko erottelukyky johtunee pääosin käytetyistä vertailujärviaineistosta, joka ei kaikkine ominaispiirteineen edusta Pohjois-Karjalan vastaavan järvityypin järviä.

Pohjois-Karjalan ympäristökeskuksessa vuonna 2004 käynnistetyn ”Pohjois-Karjalan vesistöjen tilan parantaminen” – hankkeen tavoitteena oli selvittää 16 pohjoiskarjalaisen, hajakuormituksen rasittaman metsäjärven ekologista tilaa, siihen vaikuttavia tekijöitä sekä arvioida järvien kunnostustarvetta. Ekologisen tilan arvio tehtiin kasviplanktonin, pohjaeläinten, vesikasvien ja/tai kalaston perusteella. Veden laadun kehitystä selvitettiin pohjasedimentin piilevien avulla. Vedenlaatuun vaikuttavina tekijöinä määritettiin valuma-alueen maankäyttö ja kuormitus sekä järven ominaispiirteet. Tulosten mukaan hankejärvistä suurin osa oli erinomaisessa tai vähintään hyvässä kunnossa, joskin järvien ekologisen tilan arvio saattoi eri biologisten luokittelutekijöiden välillä vaihdella huomattavastikin. Vuonna 2000 hyväksytty Euroopan unionin vesipuitedirektiivi (EU 2000) velvoittaa vesien hyvää tilaa vuoteen 2015 mennessä. Pohjoisen havumetsävyöhykkeen biologisesti ainutlaatuisen ja monimuotoisen vesiluonnon säilymisen edellytyksenä on vesiensuojelun huomioiminen valuma-alueella suunniteltaessa ja toteutettaessa maankäyttöön liittyviä toimenpiteitä. Oirehtivilla metsäjärvillä ja niiden valuma-alueilla tulisi myös kunnostustoimenpiteet aloittaa heti.

Pohjois-Karjalan ympäristökeskuksessa vuonna 2004 käynnistetyn ”Pohjois-Karjalan vesistöjen tilan parantaminen (POKAVESI)” – hankkeen tavoitteena on hajakuormituksen rasittamien tummavetisten järvien ekologisen tilan arviointi. Järvien valuma-alueella tehdyt metsätaloudelliset toimenpiteet näkyvät muutoksina vedenlaadussa, kohonneena kasviplanktonin biomassana ja muutoksina lajistossa. Kasviplanktonin biomassa oli suuri Koppelojärvessä ja Otmenjärvessä, sen sijaan Palojärvessä, Naarvanjärvessä ja Tuopanjärvessä biomassa oli ainoastaan hieman kohonnut. Tuopanjärveä lukuun ottamatta näissä edellä mainituissa viidessä järvessä biomassan valtaosan muodosti limalevä Gonyostomum semen (Raphidophyceae). Tätä levälajia tavattiin jonkin verran lähes kaikissa tutkimuksen kohteena olleissa metsäjärvissä. Runsaimmat esiintymät tavattiin runsashumuksisissa järvissä. Koppelojärveen, joka luokitellaan ekologisen tilansa puolesta tyydyttävään tai välttävään luokkaan, kohdistuu laajalta lähivaluma- alueelta huomattava typpi- ja fosforikuormitus. Otmenjärvi, joka luokiteltiin kasviplanktonin perusteella ekologiselta tilaltaan hyvään tai tyydyttävään luokkaan, on matala, voimakkaasti humusvesien kuormittama järvi.

Siuruanjoki kuntoon -yhteishanke oli pilottihanke, jossa pyrittiin soveltamaan suuren valuma-alueen hajakuormituksen vähentämiskeinoja kolmen kunnan alueella, jotka sijaitsevat Lapin ja Pohjois- Pohjanmaan maakunnissa. Hankkeen aikana luotua toimintamallia voidaan soveltaa myös muualla. Hankkeen tavoitteena oli Siuruanjoen veden laadun sekä vesistön tilan parantaminen siten, että se soveltuu entistä paremmin virkistyskäyttöön, kalastukseen ja matkailuun. Hankkeen toimenpiteet jakautuivat ulkoisen hajakuormituksen vähentämiseen, vesistönosien kunnostamiseen ja rantojen hoitoon. Ulkoista kuormitusta pienennettiin turvetuotannon ja maa- ja metsätalouden ympäristöhaittoja vähentämällä sekä haja- ja loma-asutuksen jätevesien käsittelyratkaisuja parantamalla. Lisäksi hankkeen keskeisenä tavoitteena oli lisätä alueen asukkaiden ympäristötietoisuutta ja vastuullisuutta. Hankkeessa laadittiin muun muassa kokonaisvaltaisia metsätalouden vesiensuojelusuunnitelmia, kokeiltiin uusia turvetuotannon valumavesienkäsittelymenetelmiä, laadittiin kiinteistökohtaisia suunnitelmia jätevesien käsittelyn tehostamiseksi sekä toteutettiin maatiloille ravinnetasetarkasteluja ja ympäristökatselmuksia. Pudasjärven Saunajärveä kunnostettiin tehokalastamalla. Hanke toteutettiin Pohjois-Pohjanmaan alueella vuosina 2000–2006 tiiviissä yhteistyössä paikallisten toimijoiden kanssa. Toteuttamisesta vastasi Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus. Hankkeen kokonaiskustannusarvio oli 630 705 euroa.

Only abstract. Paper copies of master’s theses are listed in the Helka database (http://www.helsinki.fi/helka). Electronic copies of master’s theses are either available as open access or only on thesis terminals in the Helsinki University Library. Vain tiivistelmä. Sidottujen gradujen saatavuuden voit tarkistaa Helka-tietokannasta (http://www.helsinki.fi/helka). Digitaaliset gradut voivat olla luettavissa avoimesti verkossa tai rajoitetusti kirjaston opinnäytekioskeilla. Endast sammandrag. Inbundna avhandlingar kan sökas i Helka-databasen (http://www.helsinki.fi/helka). Elektroniska kopior av avhandlingar finns antingen öppet på nätet eller endast tillgängliga i bibliotekets avhandlingsterminaler. Tutkielmassa tarkastellaan ravinnepäästöjen kontrollointia ja siihen liittyviä informaatio-ongelmia. Epätäydellisen informaation oloissa etsitään optimaalista ohjauskeinoa, jolla saavutettaisiin hajakuormituksen sosiaalisesti toivottava taso. Informaation puutteesta johtuen ohjauskeinoilla voidaan saavuttaa vain second-best-ratkaisu. Informaatio-ongelmista keskeisellä sijalla ovat luonnon stokastisuudesta johtuva epävarmuus sekä epäsymmetrisen informaation moral hazard -ongelma. Ravinnepäästöt ovat luonteeltaan ns. hajakuormitusta (nonpoint source pollution) ja ne ovat peräisin etupäässä peltojen lannoituksesta. Hajakuormitus tarkoittaa saastetta, jonka päästölähdettä ei voida yksiselitteisesti määritellä eikä paikantaa. Hajakuormitukselle on tyypillistä, että ensinnäkin sekä päästön kulkeutumiseen että veden kokonaiskuormitukseen vaikuttavat stokastiset tekijät. Näitä tekijöitä ovat luonnon vaihtelevuuteen liittyvä epävarmuus kuten sääolosuhteet (tuuli, sademäärä yms.), ja niillä on ennalta arvaamaton vaikutus sekä päästön huuhtoutumiseen että kokonaiskuormituksen esiintymiseen. Toiseksi yksittäistä päästöä on mahdoton erottaa vesistön muusta kuormituksesta eikä päästön alkuperää ole mahdollista jäljittää. Lisäksi hajakuormituksen ongelmana on, että päästölähteet ovat kooltaan melko pieniä (verrattuna mm. teollisuuden saastuttajiin) ja niiden lukumäärä on suuri. Hajakuormitukseen liittyy siis piirteitä, jotka vaikeuttavat optimaalisen saastekontrollin asettamista. Ohjauskeinon optimaalinen asettaminen vaatii tietoa mm. päästömääristä ja toteutuneesta päästövähennyksestä, ja lisäksi yhteiskunnan suunnittelijan täytyy pystyä valvomaan, että asetettuja määräyksiä noudatetaan. Perinteisiä saastekontrollin keinoja (esim. määrärajoite, päästömaksu) ei voida sellaisenaan käyttää, koska ne perustuvat enimmäkseen täyden informaation malleihin - hajakuormitussaasteen ongelmat johtuvat nimenomaan epätäydellisestä informaatiosta. Tutkielmassa analysoidaan kolmen mallin avulla kahden tyyppisiä hajakuormituksen ohjauskeinoja. Yhteistä näille malleille on, että ne kaikki perustuvat kollektiiviseen valvontaan eli kokonaissaastetason tarkkailuun perustuviin maksuihin. Malleissa keskitytään hajakuormituksen erityisluonteeseen, ja täten ne poikkeavat perinteisistä saastekontrollin keinoista. Kannustimet ja epätäydellinen informaatio ovat keskeisellä sijalla ohjauskeinon suunnittelussa. Kukin malli keskittyy vain yhteen tai muutamaan hajakuormituksen ongelmaan kerrallaan, jolloin muut ongelmat jäävät vähemmälle huomiolle. Mallien perusteella voidaan päätellä, että hajakuormituksen optimaalisen ohjauskeinon asettaminen on vaativa tehtävä, sillä hyvästä suunnittelusta huolimatta tarvittavaa informaatiota on vaikea saada. Ei siis ole olemassa hajakuormituksen kontrollikeinoa, joka ottaisi kattavasti huomioon kaikki informaation epätäydellisyydestä johtuvat ongelmat. Mallit antavat kuitenkin tukea sille, että hajakuormituksen kontrolli on teoriassa mahdollista toteuttaa siten, että informaatio-ongelmista johtuvaa second-best-ratkaisua voidaan parantaa tehokkaalla ohjauskeinojen suunnittelulla.

English summary: The washing out of organic matter and factors affecting it.