Salaojavalunnan liukoisen fosforin pitoisuuteen vaikuttavia tekijöitä

Fosforia arvioidaan Suomessa huuhtoutuvan salaojien kautta pelloilta vesistöihin keskimäärin 0,3-0,6 kg ha^-1 vuodessa. Tästä osa on välittömän rehevöitymisriskin aiheuttavaa liukoista fosfaattifosforia. Fosfaattifosforin pitoisuus on salaojavedessä yleensä pieni, mutta saattaa kohota hetkellisesti korkeaksi, erityisesti jos sadantaa ja valuntaa tapahtuu pian fosforilannoituksen jälkeen.

Salaojaveden liukoisen fosforin pitoisuutta säätelee sorptio maassa oleville oksidipinnoille. Pohjamaassa näiden oksidien kyky pidättää liukoista fosforia on suuri, mistä syystä pohjamaan läpi salaojiin kulkeutuvan veden liukoisen fosforin pitoisuuden tulisi teoriassa olla hyvin alhainen. Tässä työssä tutkittujen neljän suomalaisen maannosprofiilin pohjamaissa oli laboratorioanalyysien perusteella vapaata fosforin pidätyskapasiteettia jopa tuhansia kilogrammoja hehtaaria kohti ja ne kykenivät pidättämään fosforia erittäin tehokkaasti maahan lisätystä fosforiliuoksesta. Suurin sorptiokapasiteetti maannoksissa oli alle 50 cm:n syvyydessä.

Kentällä havaitut hetkellisesti korkeat fosforipitoisuudet salaojavalunnassa johtuvat siitä, että salaojiin kulkeutuvan valumaveden fosforin ja fosforia pidättävien pintojen välille ei muodostu kunnollista kontaktia. Tutkitussa jäykässä savimaassa kontaktin muodostumisen esti maan rakenne: rakenteeltaan häiriintymättömään maahan lisätty fosforiliuos täytti maan suurimmat huokoset ja tavoitti siten vain niiden seinämissä olevat sorptiopinnat. Jauhettuna maa pidätti vastaavissa olosuhteissa fosforia erittäin tehokkaasti. Kunnollisen kontaktin muodostumisen saattaa estää myös valumaveden nopea virtaus maan läpi salaojiin. Tutkittujen maannosten pohjamaissa suurin osa maihin lisätystä liukoisesta fosforista pidättyi noin vuorokauden aikana. Liukoisen fosforin

huuhtoutumista on siis teoriassa mahdollista pienentää varmistamalla valumaveden viipyminen maannosprofiilissa vähintään vuorokauden ajan, jolloin valumavedessä satunnaisesti korkeina pitoisuuksina esiintyvällä liukoisella fosforilla on riittävästi aikaa pidättyä pohjamaahan. Käytännössä viipymän sääteleminen on mahdollista esimerkiksi säätösalaojituksen avulla. Valumaveden virtauksen hidastaminen parantanee kontaktia paitsi kasvattamalla kontaktiaikaa myös edistämällä valumaveden tunkeutumista maan pieniin huokosiin. Laboratoriossa tehdyn kokeen tulosten perusteella pohjamaan

kyllästäminen vedellä ei alenna maan redox-potentiaalia niin paljoa, että olisi pelkoa fosforia sitovien rautaoksidien liukenemisesta ja niiden pidättämän fosforin vapautumisesta veteen.

Mikäli valumavesi kulkee maassa toistuvasti samoja kanavia pitkin, saattaa kanavien seinämiin kerääntyä fosforia ja niiden fosforinpidätysominaisuudet saattavat heikentyä. Tässä työssä verrattiin yhdessä maannoksessa mahdollisena oikovirtauskanavana toimivien halkeamien seinämien koostumusta ja niiden fosforinpidätysominaisuuksia bulkkimaahan, mutta osoitusta seinämien fosforinsitomiskyvyn heikentymisestä ei löydetty.

Lämpötilan aleneminen +25°C:sta +5° C:een pienensi laboratoriokokeissa hieman fosforin sorptiota ja desorptiota. Maan jäätyminen edisti fosforin pidättymistä suurista köisesti lisättyä fosforiliuosta väkevämpään tasapainotusliuokseen ainakin hetkellisesti. Maan jäätyessä maanesteen vesimolekyylit pyrkivät muodostamaan puhtaita jääkiteitä, jolloin jäljelle jäävä maaneste muuttuu väkevämmäksi (esim. Edwards ja Cresser 1992). Maanesteen väkevöitymisen on puolestaan havaittu edistävän fosforin sorptiota (Ryden ja Syers 1975). Nämä ilmiöt selittänevät sorption tehostumista jäätyneissä maissa suurista ympäröivän liuoksen fosforipitoisuuksista. Tasapainokäsitettä ei ehkä pitäisi lainkaan käyttää jäädytyskäsittelyn yhteydessä, koska maapartikkeleja ympäröivän liuoksen pitoisuus on todennäköisesti vaihdellut käsittelyn aikana runsaasti. Jäädytyskäsittelyistä saadut havainnot sopivat kuitenkin hyvin käytettyihin Q/I-yhtälöihin, eikä kuvaajissa ole epäjatkuvuuskohtia, joten niitä voidaan käyttää ainakin tulosten tarkastelussa. Kuvaajien hyvä yhteensopivuus havaintojen kanssa viittaa siihen, että myös jäätyneissä maissa fosforin pääasiallinen pidättymismekanismi oli sorptio oksidipinnoille. Mikäli saostumista olisi tapahtunut merkittävässä määrin, havaintojen yhteensopivuus sorption kuvaamiseen kehitettyjen yhtälöiden kanssa olisi todennäköisesti ollut paljon huonompi.

Kuivatus Ja fosforin pidättyminen

Ympäristön kannalta olisi edullista, jos pellolta lähtevä valumavesi läpäisisi nopeasti kylmän muokkauskerroksen uuttaen mahdollisimman vähän liukoista fosforia mukaansa ja valuisi hitaasti lämpimän pohjamaan läpi, jotta vedessä oleva liukoinen fosfori pidättyisi mahdollisimman tehokkaasti maahan ennen veden kulkeutumista salaojaan. Lämpötiloja ei pelto-olosuhteissa pystytä kontrolloimaan, mutta veden virtausnopeuksien kontrollointi on mahdollista. Tehokas tavanomainen ojitus parantaa maan rakennetta ja lyhentää siten aikaa, jona muokkauskerroksen fosfori voi desorboitua veteen. Ojitetussa maassa veden virtaus on kuitenkin luonnontilaista maaprofiilia nopeampaa, eikä fosfori ehdi pidättyä tehokkaasti sorptiopinnoille suurissa valuntatapahtumissa. Fosforin pidättymistä valunnan aikana saattaa olla mahdollista tehostaa hidastamalla salaojavaluntaa pohjamaassa esimerkiksi säätösalaojituksen avulla siten, että vesi viipyisi maaprofiilissa vähintään vuorokauden ajan ennen purkautumistaan salaojan kautta. Näin kyettäisiin mahdollisesti leikkaamaan salaojavalunnasta pois suuret liukoisen fosforin pitoisuuden piikit, joiden aikana suuren osan liukoisesta fosforista on havaittu huuhtoutuvan (Turtola ja Jaakkola 1995, Ulén 1995).

Mahdollisuudet liukoisen fosforin huuhtoutumisen rajoittamiseen säätösalaojituksen avulla ovat laboratoriokokeiden perusteella hyvät, mutta asiaa tulisi tutkia myös kenttäoloissa tai vähintään eri tyyppisiltä mailta otetuilla häiriintymättömillä maanäytteillä tehdyissä lysimetrikokeissa. Tavanomaisilla maanäytteillä määritetty sorptiokapasiteetti yliarvioi pohjamaan todellista fosforinpidätyskykyä, koska maan rakenne jätetään huomiotta. Jatkotutkimuksissa tulisi selvittää erityisesti sitä, onko tässä tutkimuksessa fosforin tehokkaaseen pidättymiseen riittävän pitkäksi arvioitu vuorokauden kontaktiaika riittävä myös rakenteeltaan luonnontilaisissa maissa, joissa valumavesi ei saavuta kaikkia sorptiopintoja.  Nämä tutkimukset tulisi tehdä mailla, joilla säätösalaojitus olisi käytännössä mahdollista toteuttaa maan vedenläpäisykyvyn ja pinnanmuotojen puolesta.

Makrohuokosten seinämien koostumusta ja koostumuksen poikkeavuutta samalla syvyydellä olevasta bulkkimaasta tulisi selvittää nyt tehtyjä kokeita laajemmalla tutkimuksella, koska jatkuvien huokosten on ulkomaisissa tutkimuksissa havaittu olevan merkittäviä liukoisen fosforin huuhtoutumisreittejä. Tämän tutkimuksen yhteydessä maanesteen fosforipitoisuuksista todennäköisesti siksi, että veden jäätyessä jääkiteiksi jäljelle jäänyt maaneste väkevöityi. Lämmön ja jäätymisen fosforin sorptiota edistävää vaikutusta on käytännössä vaikea hyödyntää, mutta salaojavalunnassa pelloilta huuhtoutuvan liukoisen fosforin määrän pienentäminen ojitusta säätämällä on tehtyjen laboratoriokokeiden tulosten perusteella mahdollista. Laboratoriomittakaavassa saadut tulokset tulisi kuitenkin jatkossa varmentaa kenttä- tai lysimetrimittakaavassa toteutetuilla kokeilla.