Impacts of agricultural water protection measures on erosion, phosphorus and nitrogen loading based on high-frequency on-line water quality monitoring

There is an urgent need to decrease agriculture-contributed nutrient loading to surface waters. Excess amounts of phosphorus and nitrogen may lead to severe environmental problems, such as eutrophication and toxic algal blooms. Potential mitigation measures have been introduced to reduce loading, but their impacts on erosion, phosphorus and nitrogen loading are difficult to detect, due to challenging monitoring of diffuse (nonpoint) loading. Here, high-frequency on-line water-quality and -quantity monitoring (HFM) was used to detect the impacts of various agricultural mitigation measures on erosion, phosphorus and nitrogen loading on the catchment scale. We found that with discrete water samples, phosphorus load was more likely underestimated compared to sensor-based reference load. Gypsum reduced erosion and phosphorus loading very effectively in clayey agricultural catchment. Dissolved reactive phosphorus concentrations also became lower after gypsum application. The wintertime vegetation cover decreased the total phosphorus loads under mild winter conditions, when phosphorus loading is usually major. No impact on the dissolved reactive phosphorus concentration was observed. Small constructed wetland retained most of the incoming phosphorus and nitrogen loads during the growing season, but in spring and autumn the effectiveness was weak. Thus, a problem concerning wetlands as a mitigation measure is that they do not function efficiently during the critical times of load generation. In conclusion, we provide a guideline on how to develop future water-quality monitoring and how to assess the effectiveness of the various mitigation measures on the catchment scale. HFM can be used not only for estimating the impacts of agricultural mitigation measures, but also for providing more information on the water-quality impacts of land-use changes or impacts of stormwater treatment practices, as well as for developing models to produce more reliable scenarios for nutrient loading in changing climates. Mitigation methods such as gypsum and winter time vegetation, which are implemented in large field areas, are strongly recommended for reducing erosion and phosphorus loading in boreal agricultural clayey catchments. These mitigation measures are effective, particularly in mild winter seasons, and thus will also be beneficial under future climate conditions.

Hajakuormituksena vesistöihin valuvat ravinteet pilaavat ja rehevöittävät vesistöjä. Maataloutta kritisoidaan usein riittämättömistä ja tehottomista toimista vesistöihin kohdistuvan kuormituksen vähentämiseksi. Toimenpiteiden vaikutuksia ei kuitenkaan voida havaita riittävällä tarkkuudella nykyisin käytössä olevien seurantamenetelmien avulla. Yksittäisiin vesinäytteisiin perustuvat ravinnekuormitusarviot saattavat olla niin virheellisiä, että toimenpiteiden vaikutukset jäävät virheen alle piiloon. Tässä väitöstyössä hyödynnettiin sensoritekniikkaan perustuvaa automaattista tiheän mittausvälin ravinnekuormituksen seurantamenetelmää tarkentamaan maataloudesta huuhtoutuvan ravinnekuormituksen määrää. Tutkimuksessa todettiin, että nykyisin käytössä olevat yksittäisiin vesinäytteisiin perustuvat ravinnekuormitusarviot on todennäköisimmin arvioitu liian pieniksi. Menetelmää käytettiin myös kolmen erilaisen vesiensuojelumenetelmän vaikutusten mittaamiseen. Kipsin todettiin vähentävän merkittävästi peltovaltaisen valuma-alueen fosforikuormitusta ja eroosiota. Kipsin vaikutukset tulevat esiin nopeasti ja ne kestävät noin neljä vuotta. Peltojen laajaperäinen kipsikäsittely eteläisen ja lounaisen Suomen savipelloille vähentäisi merkittävissä määrin Suomen Itämereen kuljettamaa fosforikuormaa. Talviaikainen kasvipeitteisyys kirkasti peltojen halki virtaavan joen vettä ja vähensi erityisesti tulva-aikaista fosforikuormitusta. Talviaikaisen kasvipeitteisyyden liukoisen fosforin huuhtoumaa lisäävää vaikutusta on aiemmin todennäköisesti liioiteltu. Tutkimusalueen kokonaisfosforikuorma pieneni erityisesti tulvatilanteissa, eikä liukoisen fosforin pitoisuuksissa havaittu muutosta. Kosteikon havaittiin pidättävän hyvin sinne kulkeutuvia ravinteita kasvukaudella kun kosteikkokasvillisuus oli runsaimmillaan. Kevään, syksyn ja leutojen talviolosuhteiden aikana, kun kuormitus on suurimmillaan, kosteikon toiminta oli kuitenkin heikkoa. Jos ilmastonmuutos merkitsee eteläisessä Suomessa leutojen sateisten talvien lisääntymistä, on vesiensuojelutoimia kohdistettava entistä enemmän ravinnekuormituksen alkulähteille, eli pelloille. Veden laadun seurantaa suositellaan kehitettävän kohti sensoritekniikkaa hyödyntäviä menetelmiä, joilla esimerkiksi jokien ravinnekuormista ja vesiensuojelumenetelmien vaikutuksista saadaan aikaisempaa huomattavasti tarkempi kuva.