Maan kylläinen vedenjohtavuus suomalaisissa viljellyissä happamissa sulfaattimaissa

Viljelyksessä olevat happamat sulfaattimaat ovat hyvin tuottavia, mutta niiltä huuhtoutuvat valumavedet ovat happamia, mikä on yhtenä syynä jokivesien huonompaan veden kemialliseen ja ekologiseen tilaan Pohjanmaan joissa [1]. Hapanta valumavettä syntyy, kun maassa olevat rautasulfidit pääsevät hapettumaan pohjaveden pinnan laskiessa ja muodostavat rikkihappoa. Happamuutta syntyy myös kerroksissa, joissa jo muodostunut rakenne muuttuu ja prismojen tai suurien aggregaattien sisältä tulee esiin sulfideja. Tämä happamille sulfaattimaille tyypillinen maan rakenteen kehittyminen lisää maan kylläistä vedenjohtavuutta sekä huokostilavuutta. Maan rakenteen muodostuminen on happamissa sulfaattimaissa huomattavasti nopeampaa kuin ei-happamissa maissa. Ilmastonmuutoksen on ennustettu lisäävän kuivia jaksoja [2], joiden aikana pohjavedenpinta laskee syvälle nopeuttaen myös edellä mainittua muutosta happamissa sulfaattimaissa. Ilmastonmuutoksen vaikutuksia voidaan ennustaa mallinnuksen avulla, ja tuloksia voidaan käyttää muutokseen varautumiseen. Maan ominaisuuksien muutokset ajan kuluessa tulisi voida ottaa huomioon myös mallinnuksessa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli verrata kahden tekstuuriltaan erilaisen happaman sulfaattimaan kyllästyneitä vedenjohtavuuksia (Ksat) eri maakerroksissa, ja arvioida tekstuurin vaikutusta maan kylläisen vedenjohtavuuden muuttumiseen.

Aineisto

Ksat määritettiin maannoskerroksittain Helsingissä Viikissä sijaitsevalta Patoniitty-pellolta neljästä eri maalajikuopasta yleensä neljänä kerranteena (n = 133) ja Mustasaaren kunnassa olevalta Söderfjärdenin pellolta yhdestä kuopasta (n = 21). Määritykseen otettiin maanäytteet sekä horisontaali- että vertikaalisuuntaisesti 200–250 cm3 lieriöhin, ja Ksat määritettiin muuttuvaa ja vakiopainekorkeutta käyttäen (Eijkelkamp permeameter, Alankomaat). Patoniityn pellon pohjamaa on savea (savesta 57–64 %) ja Söderfjärdenillä hiue/hiesusavea (savesta 32–40 %). Kumpikin pelto sijaitsee pengerrysalueella ja on salaojitettu ensimmäisen kerran 1950-luvulla hyvin harvalla salaojituksella [3], [4]. Maan nopeamman kohoamisen vuoksi Söderfjärdenin pellon kuivatus on nykyään painovoimainen, mutta Patoniityllä se on edelleen pumppauksen avustama. Maan kokonaisrikkipitoisuus oli suurimmillaan massiivisessa pohjamaassa Patoniityllä (1,9 %) [5] ja Söderfjärdenillä (0,8 %) [4].

Tulokset

Patoniityn pellon Ksat-arvot olivat log-normaalisti jakautuneet. Patoniityllä vertikaalinen Ksat pieneni syvempiin kerroksiin mentäessä, kun muokkauskerros jätetään huomioonottamatta. Ksat oli suurimmillaan 9,8 cm h-1 Bg1-kerroksessa ja pienimmillään < 0,001 cm h-1 massiivisessa pohjamaassa. Horisontaalisuuntainen Ksat oli suurimmillaan kerrosta alempana Bg2- kerroksessa (6,8 cm h-1) ja pienin pohjamaassa kuten myös vertikaalisuuntainen Ksat. Söderfjärdenin pellolla suurimmat vertikaalisuuntaiset Ksat arvot mitattiin Bg2-kerroksessa (28,4 cm h-1). Horisontaalisuuntaiset Ksat-arvot olivat Söderfjärdenillä pienempiä kuin Patoniityn pellolla Ap1-Bg2-kerroksissa; suurin horisontaalisuuntainen Ksat mitattiin Söderfjärdenillä BCg-kerroksessa (2,4 cm h-1).

Tulosten tarkastelu ja johtopäätökset

Molemmat tutkimuksen peltokohteet ovat kuivatushistorialtaan samanlaisia. Kuitenkin Söderfjärdenin pellolla pohjavesi vajoaa syvimmillään jopa yli metrin salaojien alapuolelle [4], kun taas Patoniityllä se laskee vain 20–30 cm salaojasyvyyden alapuolelle [3]. Söderfjärdenin pellolla maannokset ovatkin kehittyneet syvemmälle kuin Patoniityn pellolla. Tähän on mahdollisesti syynä maan nopeampi kohoaminen Söderfjärdenillä kuin Patoniityllä. Maan rakenteen kehittyminen syvemmälle Söderfjärdenissä näkyy korkeampina vertikaalisina Ksatarvoina Bg2-BCg-kerroksissa kuin Patoniittyllä. Toisaalta Patoniityn pellolla sekä vertikaalisuuntaiset että horisontaalisuuntaiset Ksat-arvot olivat muutoin pääsääntöisesti suurempia. Massiiviseen rakenteettomaan maahan muodostuu ensin halkeamia, jotka kuivuessaan synnyttävät suuria prismoja ja rakenteen kehittyessä edelleen pienempiä aggregaatteja. Patoniityn pellolla yleisesti suurempiin Ksat-arvoihin on todennäköisesti syynä maan huokostilavuuden kasvu johtuen sen Söderfjärdenin maata suuremmasta savespitoisuudesta ja kutistumisherkkyydestä kuivuessa [5].

Maannoksien kehittyminen muuttaa veden virtausta happamassa sulfaattimaassa, kun Ksat muuttuu kuivatuksen ja maan rakenteen kehittymisen myötä. Maan ominaisuuksien muutokset ja niiden vaikutukset veden virtaukseen olisi tärkeä tuntea, kun happamien sulfaattimaiden hydrologiaa halutaan mallintaa etenkin tulevaisuuden ilmasto-oloissa. Tässä tutkimuksessa Ksat-arvot oli määritetty pienillä maalieriöillä, ja tulokset kuvaavat näytteen mukaan maamatriisin tai maan keskimääräisen huokostilan Ksat-arvoa. Peltoalueen kuivatusta tarkasteltaessa ja sen mallinnuksessa makrohuokosten ja oikovirtausten huomioon ottamisella on suuri merkitys virtausten realistisessa kuvauksessa, mutta myös maamatriisilla.

Kirjallisuus

[1] Westberg V, Mäensivu M, Teppo A, Riihimäki J, Rautio L. M, Sevola P, Koskenniemi E, Storberg K.-E, Bonde A, Vuori K.-M. 2012. Acid Sulfate Soils as a Dilemma for Reaching a Good Ecological Status in Surface Waters. In Österholm P, Yli-Halla M. & Edén P. (Eds.), Proc.7th Int. Acid Sulfate Soil Conf., Vaasa: Geological Survey of Finland, Guide 56; pp. 149-150.

[2] Ruosteenoja K, Markkanen T, Venäläinen A, Räisänen P, Peltola H. 2018. Seasonal soil moisture and drought occurrence in Europe in CMIP5 projections for the 21st century, Climate dynamics, 50 (3-4), p.1177-1192

[3] Virtanen S, Simojoki A, Rita H, Toivonen J, Hartikainen H, Yli-Halla M, 2014. A multiscale comparison of dissolved Al, Fe and S in a boreal acid sulphate soil. Sci.Total Environ. 499, 336–348. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.08.088

[4] Österholm P, Virtanen S, Rosendahl R, Uusi-Kämppä J, Ylivainio K, Yli-Halla M, Mäensivu M, Turtola E, 2015. Groundwater management of acid sulfate soils using controlled drainage, by-pass flow prevention, and subsurface irrigation on a boreal farmland. Acta Agr. Scand. B-S. P. 65, 110–120.

[5] Yli-Halla M, Mokma D. L, Wilding L. P, Drees L. R. Morphology, Genesis and Classification of Acid Sulpate Soils of Finland. In: Lin C, Huang S, Li Y, editors. Proceedings of the Joint Conference of the 6th International Acid Sulfate Soil Conference and the Acid Rock Drainage Symposium. Guangzhou, China: Guangdong Press Group; 2008. p. 224–8.