Vesitalouden hallinta vesiensuojelussa (VesiHave) – Loppuraportti 2021

Vesitalouden hallinta vesiensuojelussa (VesiHave) -hankkeen päätavoitteena oli peltoalueiden optimaalisen vesitalouden hallinnan kehittäminen. Hankkeessa selvitettiin, voidaanko peltoalueiden vesistökuormitusta vähentää ja pellon tuottokykyä nostaa täydennysojituksella, säätösalaojituksella/salaojakastelulla ja valtaojan padotuksella. Säätösalaojituksen vaikutuksia peltoalueen hydrologiaan tarkasteltiin eri ilmastoskenaarioissa. Lisaksi selvitettiin huonotuottoisen peltoalueen maan rakenteen parantamista biologisella ja mekaanisella kuohkeutuksella ja satotason nostoa fosforilannoituksella. Tutkimus toteutettiin kenttäkokeilla ja matemaattisella mallinnuksella. Hanke toteutettiin kolmena osahankkeena:

1. Peltoviljelyn tuottavuuden parantaminen ja vesistökuormituksen vähentäminen täydennysojituksella, sekä maan kuohkeutuksella syväjuurisia kasveja ja jankkurointia
käyttäen. Kohdealueena oli vuonna 2006 perustettu Nummelan salaojakoekenttä Jokioisissa. Fosforilannoituksen vaikutusta satoon tutkittiin ruutukokeessa 2019 ja 2020.

2. Peltoviljelyn tuottavuuden parantaminen ja vesistökuormituksen vähentäminen säätösalaojituksella ja salaojakastelulla ja valtaojan padotuksella. Säätösalaojituksen
ja salaojakastelun toimintaa tutkittiin Sievissä sijaitsevalla koekentällä. Valtaojan padotus toteutettiin Korvenojalla Sievin Järvikylässä.

3. Matemaattisen mallin (FLUSH) kehittäminen ja soveltaminen peltoalueiden vesitalouden suunnittelun apuvälineeksi. Mallilla tutkittiin säätösalaojituksen ja valtaojan
padotuksen vaikutuksia vesitaseen komponentteihin ja pohjaveden pinnan syvyyteen. Kohdealueena oli Sievin koekenttä. Mallilla simuloitiin ojitusten vaikutuksia hydrologiaan tulevaisuuden ilmastoskenaarioissa.

Vuonna 2014 tehty täydennysojitus ei nostanut satotasoa Nummelan koekentän koealueella. Alue oli kärsinyt märkyydestä vuosikymmeniä harvasta ojituksesta johtuen, maan fosforiluku oli alhainen (2–3 mg l-1) ja rakenne heikko. Kuivatustilan parantaminen ei riittänyt satotason nostamiseksi vaan tarvittiin lisäksi muita perusparannustoimenpiteitä ja hyvä maan ravinnetila. Maan perusparannustoimenpiteenä keväällä 2019 aloitettu kuohkeutus syväjuurisia kasveja ja jankkurointia käyttäen osoittautui pitkäaikaiseksi prosessiksi, jonka vaikutukset maan rakenteeseen ja satoon voidaan arvioida vasta muutaman vuoden päästä. Fosforilannoituksen (0, 5, 15, 30 ja 45 kg ha-1) satovaste näkyi vasta lannoitemäärillä 30 ja 45 kg ha-1. Lannoitemäärät 15–45 kg ha-1 kasvattivat pintamaan (0–10 cm) fosforipitoisuutta, mutta eivät syvempien kerrosten (10–20 ja 20–30 cm) pitoisuutta. Fosforitase oli lähellä nollaa lannoitemäärällä 15 kg ha-1 ja sitä suuremmilla määrillä selvästi positiivinen, jolloin fosforin huuhtoutumisriski kasvaa.

Pitkäaikaiset mittaukset (kesäkuu 2007 – toukokuu 2020) Nummelan savisella peltoalueella osoittivat, että täydennysojitus lisäsi salaojavaluntaa ja salaojien kautta tullutta ravinne- ja kiintoainekuormitusta valtaojaan ojitusta edeltävään ajanjaksoon verrattuna. Vastaavasti pintavalunta ja sen mukana tullut kuormitus vähenivät selvästi, mutta vähenemä oli pienempi kuin salaojavalunnan mukana tullut lisäys. Kuormituksen suuruus määräytyi pääasiallisesti valunnan määrän mukaan, silla typpi-, fosfori- ja kiintoainepitoisuudet olivat pintakerros- ja salaojavalunnassa melko lähellä toisiaan.

Sievin koekentän mittaustulokset osoittivat, että säätösalaojitetulla alueella pohjavedenpinta oli keskimäärin hieman ylempänä kuin tavanomaisesti salaojitetulla alueella (vertailualue). Sateiden ja sulannan jälkeen pohjavesi laski nopeasti myös säätösalaojitetulla alueella. Kasteluveden pumppaus salaojiin nosti pohjaveden pintaa ja hidasti sen laskua. Sadon määrä (ruis ja ohra) oli hieman korkeampi säätösalaojitetulla alueella kuin vertailualueella. Salaojavalunta säätösalaojitetulta alueelta (ilman kasteluveden pumppausta ja sen aiheuttamaa valuntaa) oli jonkin verran pienempi kuin tavanomaisesti ojitetulta alueelta. Valumavesien ravinne- ja kiintoainepitoisuuksissa ei ollut havaittavissa systemaattisia eroja eri ojitusalueiden välillä vajaan vuoden pituisella mittausjaksolla, joten kuormituksen säätösalaojitetulta alueelta ilman kastelua voidaan olettaa olevan pienempi pienemmästä valunnasta johtuen. Myös mallinnustulokset koekentältä osoittivat, että säätösalaojitus vähensi salaojavaluntaa. Samalla pohjavesivalunta lisääntyi ja tietyissä olosuhteissa myös pintavalunta, mikä tulee ottaa huomioon arvioitaessa säätösalaojituksen vaikutuksia peltoalueelta tulevaan kokonaiskuormitukseen.

Valtaojan padotus piti ojan vedenpinnan keväällä ja alkukesästä padotustasossa, kunnes se haihdunnan seurauksena kuivui lähes kokonaan. Mittauksista ei saatu vielä riittävästi tietoa padotuksen vaikutuksesta pohjavedenpinnan korkeuteen peltoalueilla. Sievin salaojakoekentälletehdyt mallisimulaatiot valtaojan kuivattavasta vaikutuksesta osoittivat, että valtaoja alensi pohjavedenpintaa jopa 100 metrin etäisyydellä ojasta verrattuna sitä kauempana olevaan peltoalueeseen. Tulokset antavat viitteitä siitä, että padottamalla vettä valtaojassa, voitaisiin hidastaa pohjavedenpinnan laskua peltoalueella.

Simulointitulokset eri ilmastonmuutosskenaarioissa osoittivat, että tulevaisuudessa vuodet muuttuvat sateisimmiksi, minkä seurauksena vuotuinen valunta kasvaa enemmän
kuin kasvukauden haihdunta lisääntyy. Säätösalaojituksen avulla salaojavaluntaa voidaan vähentää. Säätösalaojituksen merkitys tulevaisuudessa kasvaa, koska pohjavedenpinta pysyy luontaisesti pidempään salaojitussyvyyden yläpuolella. Kuivien vuosien osalta säädöllä on suurempi vaikutus pohjavedenpinnan tasoon tulevaisuudessa kuin nykyisin.

Hanke kesti 2,5 vuotta ja sen kokeellinen osuus vain 1,5 vuotta, joten tutkimustulokset ovat alustavia erityisesti säätösalaojituksen/salaojakastelun ja valtaojan padotuksen osalta. Tutkimusta jatketaan VesiHave2-hankkeessa vuosina 2021–2022 osana maa- ja metsätalouden kestävän vesienhallinnan edistämistä.

————————————
Sammandrag

Huvudmålet för projektet Vattenhantering inom vattenskyddet (Vesienhallinta vesiensuojelussa, VesiHave) var att utveckla optimal vattenhantering på jordbruksmark. I projektet undersöktes om man med hjälp av kompletteringsdikning, reglerad dränering/underbevattning och uppdämning av utfallsdikena kan minska på belastningen av vattendragen och samtidigt öka åkrarnas produktivitet. Effekterna av reglerad dränering på åkerns hydrologi undersöktes i olika klimatscenarier. Man lade också grunden till ett försök, där man kommer att undersöka hur biologisk och mekanisk bearbetning förbättrar markstrukturen och höjer skörden. Därtill undersöktes hur olika nivåer av fosforgödsling inverkade på skörden. Studien genomfördes med fältförsök och matematisk modellering. Projektet bestod av tre delprojekt:
1. Skördeökning och minskning av belastningen av vattendragen genom kompletterad dränering och genom uppluckring av marken med växter med djuptgående rötter och tubulering. Föröksområdet var Nummela försöksfält i Jockis, som grundades år 2006. Fosforgödslingen betydelse för skörden undersöktes år 2019 och 2020.
2. Skördeökning och minskning av belastningen av vattendragen genom reglerad dränering och underbevattning samt genom uppdämning av utfallsdike. Försöksfältet för reglerad dränering och underbevattning ligger i Sievi. Uppdämningen utfördes i Korvenoja likaså i Sievi.
3. Utveckling och tillämpning av en matematisk modell (FLUSH) som verktyg för planering av vattenhushållning på åkermark. Med modellen undersöktes hur reglerad dränering inverkade på vattenbalansen och på grundvattennivån samt utfallsdikets inverkan på grundvattennivån på olika avstånd från diket i Sievi. Modellen simulerade också effekterna av dränering på hydrologin i framtida klimatscenarier.

Kompletteringsdikningen år 2014 ökade inte skörden på försöksfältet Nummela. Området har lidit av väta i årtionden på grund av för glest lagda täckdiken, fosfortalet i marken är lågt (2-3 mgl-1) och makens struktur är dålig. Kompletteringsdikningen var inte nog för att förbättra skörden utan det behövdes dessutom andra förbättringsåtgärder såsom uppluckring och gödsling. Biologiska uppluckring, som påbörjades våren 2019 som en markförbättringsåtgärd, visade sig vara en långsiktig process vars effekter på markens struktur och skördenivå kan bedömas först efter några år.
Fosforgödslingen (0, 5, 15, 30 och 45 kg ha-1) höjde skörden först då gödselmängderna var 30 och 45 kg ha-1. Gödselmängder på 15–45 kg ha-1 ökade fosforhalten i ytskiktet (0-10 cm), men inte i de djupare skikten (10–20 och 20–30 cm). Fosforbalansen var nära noll då fosformängden var 15 kg ha-1 och högre mängder resulterade i betydligt högre fosforbalans, vilket ökar risken för fosforläckage.

Enligt mätningarna (juni 2007 – maj 2020) på Nummela försöksfält på lerjord ökade kompletteringsdikningen täckdikesavrinningen och utlakningen av näringsämnen och fasta partiklar. Samtidigt minskade ytavrinningen och dess belastning, men minskningen var mindre än ökningen i täckdikesavrinningen. Det var främst avrinningens storlek som inverkade på belastningen, eftersom koncentrationerna av kväve, fosfor och fasta partiklar var ungefär lika stora i ytavrinningen som i täckdikesavrinningen.

På försöksfältet i Sievi låg grundvattennivån i genomsnitt en aning högre på området med reglerad dränering än på referensområdet med konventionell dränering. Efter regn och snösmältning sjönk grundvattnet snabbt också på området med reglerade dränering. Pumpning av bevattningsvatten höjde grundvattennivån och bidrog till att nivån sjönk långsammare. Skörden (råg och korn) var något högre på området med kontrollerad dränering än på referensområdet. Täckdikesavrinningen och dess belastning var en aning lägre på området med reglerad dränering (utan underbevattning) än på referensområdet. Det fanns inga systematiska skillnader i koncentrationer av näringsämnen och fasta partiklar i avrinningsvattnet från försöksområdena. Modelleringsresultaten från försöksfältet visade också att kontrollerad dräneringen minskade avrinningen. Samtidigt ökade grundvattenavrinningen och under vissa omständigheter också ytavrinningen, vilket måste beaktas när man bedömer hur kontrollerad dränering inverka på den totala belastningen.

Uppdämningen av utfallsdiket på våren och försommaren höll vattennivån i diket på uppdämningsnivå tills diket torkade ut nästan helt till följd av avdunstning. Mätningarna gav ännu inte tillräcklig information om hur uppdämning inverkar på grundvattennivån på åkrarna. Enlig modellsimuleringar sjönk grundvattennivån på grund av utfallsdiket ända upp till 100 meter från diket. Detta tyder på att man genom uppdämning av vatten i utfallsdiket kan bromsa upp sänkningen av grundvattennivån på åkrarna.
Enlig simuleringsresultaten med olika klimatförändringsscenarier (RCP 2.6 och RCP 8.5) kommer det att regna mera i framtiden, vilket leder till att den årliga avrinningen kommer att öka mer än avdunstningen under växtsäsongen ökar. Med hjälp av reglerad dräneringen kan man minska avrinningen. Betydelsen av reglerad dränering kommer att öka i framtiden, eftersom grundvattennivån naturligt kommer att ligga över dräneringsdjupet under en längre tid. Under torra år kommer reglerad dränering att ha en större inverkan på grundvattennivån i framtiden än i nuläget.
Projektet varade i 2,5 år och dess experimentella del bara i 1,5 år, så forskningsresultaten är preliminära, särskilt för reglerad dränering /underbevattning och uppdämning av utfallsdike. Forskningen fortsätter under åren 2021-2022.

————————————–
Abstract
The main goal of the research project Vesitalouden hallinta vesiensuojelussa (VesiHave) was to develop optimal water management practices for agricultural land. The project investigated the possibility to reduce losses of nutrients and suspended solids from cultivated fields into waterways and to enhance agricultural productivity through supplementary drainage, controlled drainage/sub-irrigation and damming the main ditch. The effects of controlled drainage on the hydrology of a field area were examined under different climate scenarios. In addition, experiments were established to improve the soil structure of a low-yielding field area by biological and mechanical de-compaction and to increase the yield with phosphorus fertilization. The research was conducted through extensive field experiments and mathematical modelling. The project consisted of three parts:

1. Increasing agricultural productivity and decreasing losses of nutrient and suspended solids into waterways through supplementary drainage and improving the soil structure with deep rooted plants and subsoiling. The research site was Nummela experimental field in Jokioinen, southwestern Finland, established in 2006. The effect of phosphorus fertilization on yield was investigated in a plot experiment in 2019 and 2020.
2. Increasing agricultural productivity and decreasing losses ad into waterways through controlled drainage and sub-irrigation as well as damming the main ditch. Controlled drainage and sub-irrigation were investigated in an experimental field in Sievi, North Ostrobothnia. A main ditch, Korvenoja, was dammed in Järvikylä village, in Sievi.
3. Development and application of the mathematical model FLUSH as a design tool for agricultural water management. The model was used to investigate the effects of controlled drainage on the components of water balance and on groundwater level in Sievi experimental site. Furthermore, model simulations were carried out to evaluate the effect of an open main ditch on groundwater level within the field area. The model was also used to simulate the effects of controlled drainage and conventional subsurface drainage on field hydrology under future climate scenarios.

The supplementary drainage, installed in 2014, had no effect on yield in Nummela experimental field. The area had suffered from water stress for decades due to the sparse drain spacing, the amount of plant available phosphorus in the topsoil was low (2-3 mg l-1) and the soil structure was poor. The improved drainage alone could not increase yields in the field, and other measures were required to improve productivity of the soil. To improve the soil structure, a regime of decompaction was started in spring 2019 with deep rooted plants and subsoiling. This process is still going on and needs some years before its effects on yield and soil structure can be evaluated.
The effect of phosphorus fertilization (0, 5, 15, 30 and 45 kg ha-1) on the crop yield could only be observed at the rates of 30 and 45 kg ha-1. The level of 15-45 kg ha-1 increased the phosphorus amount in the topsoil (0-10 cm), but not in the deeper (10-20 and 20-30 cm) soil layers. The phosphorus balance was close to zero at the fertilizer rate of 15 kg ha-1 and clearly positive above it, increasing the risk for phosphorus leaching.

The long-term measurements (June 2007- May 2020) in the clayey field in Nummela showed that the supplementary drainage increased the drain discharge and the losses of nutrients and suspended solids via the drains compared to the measurement period before the supplementary drainage. The corresponding surface runoff decreased significantly, but the decrease was smaller than the increase in the subsurface drain discharge. The amount of loading from the field into the main ditch was primarily determined by the total volume of discharge because the concentrations of nitrogen, phosphorus and dry matter in the surface runoff and drain discharge were quite similar.

The results on Sievi experimental site showed that the field plot under controlled drainage/subirrigation had a slightly higher average ground water level compared to conventional drainage (control area). After rainfalls and snow melt, groundwater table went down rapidly in the controlled drainage as well as in the conventional drainage. Pumping water into the drain network raised the groundwater level and slowed down its descent. The yield of rye and barley was slightly higher in the controlled drainage plot compared to the conventional one. The annual drain discharge was slightly lower in the controlled drainage compared to the conventional drainage, disregarding the discharge attributed to the pumped irrigation water. Concentrations of nutrients and suspended solids in the subsurface drain discharge had no systematic differences between the different drainage plots. It is assumed that losses to the main ditch were lower from the controlled plot due to the decreased drain discharge. The simulated results also showed a smaller annual drain discharge from the field under controlled drainage. At the same time, groundwater outflow increased, and under certain conditions, surface runoff as well. This should be taken into account when the effect of controlled drainage on the total loading from field areas into waterways is being assessed.
Damming of the main ditch Korvenoja in Sievi kept the ditch water level at the dam level for the spring and early summer, until it dried out almost completely due to evapotranspiration. The short-term measurement data is so far insufficient to evaluate the effect of damming on groundwater level in the surrounding field areas. The results obtained by model simulation showed that an open main ditch has influence on grounwater level in a long distance within the field. This indicate that damming the main ditch in level areas can slow down the lowering of groundwater level and enhance crop water uptake.

The results on water balance simulations of Sievi experimental site under different climate scenarios (RCP 2.6 and RCP 8.5) showed that coming years are going to be increasingly rainy, resulting in annual discharge growing more than evapotranspiration during the growing season. Subsurface drain discharge can be reduced with controlled drainage. The importance of controlled drainage will increase in the future because groundwater level will remain longer above the drain level. In dry years, the effect of controlled drainage on groundwater level will increase.
The project lasted for 2,5 years with only a 1,5 year-long experimental period, so results are preliminary especially for controlled drainage/sub-irrigation and main ditch damming. The second stage of the research will continue until 2022.