Vesitalouden hallinta vesiensuojelussa 2 (VesiHave 2) – Loppuraportti 2023

Tiivistelmä

VesiHave 2 -hankkeessa selvitettiin paikallis- ja peruskuivatusjärjestelmien säädön vaikutuksia peltoalueiden hydrologiaan, vesistökuormitukseen ja satotasoon. Pellon vesitaloutta säädettiin säätösalaojituksen ja altakastelun avulla tavoitteena maksimoida sato, turvata kestävä maan rakenne sekä minimoida vesistökuormitus. Lisäksi hankkeessa selvitettiin, miten huonotuottoisen märkyydestä kärsineen peltoalueen täydennysojitus, maan rakenteen kuohkeutus ja fosforitilan parantaminen vaikuttavat tuottokykyyn. Hankkeessa jatkettiin Vesitalouden hallinta vesiensuojelussa (VesiHave) -hankkeessa (elokuu 2018−joulukuu 2020) perustettujen koealueiden seurantaa ja laskennallista tutkimusta. Hanke toteutettiin neljänä osahankkeena:

Peltoviljelyn tuottavuuden parantamista ja vesistökuormituksen vähentämistä säätösalaojituksella ja altakastelulla tutkittiin Sievin koekentällä. Menetelmillä onnistuttiin pitämään pohjavedenpinta korkeammalla kasvukauden aikana sekä vähentämään typpikuormitusta saaden samanaikaisesti sadonlisää. Fosforikuormitukseen tai kasvihuonepäästöihin säätösalaojitus ja altakastelu eivät vaikuttaneet.

Valtaojan padotuksen vaikutus pohjavedenpinnan korkeuteen padon yläpuolisilla peltoalueilla. Padotuskoe saatiin onnistuneesti käyntiin ja sen mittauslaitteet toimimaan. Padotuskoetta ja sen tuottamia aineistoja hyödynnetään tulevassa VESIMA-hankkeessa sekä mallintamistyössä. Padotuskokeeseen liittyvä mallisovellus osoitti, että padotus nosti vedenpinnan salaojasyvyyden yläpuolelle lähellä patoa, kun taas kauempana padosta (650 metriä ylävirtaan) padotusvaikutus ei enää ylettynyt salaojasyvyyden yläpuolelle. Lisäksi mallinnus osoitti, että Sievin uomaverkoston laskennallinen tilavuus, jonka valtaojan padotus voi muodostaa oli malliarvioissa noin 2000 m3. Valuma-alueen pelloilla tilavuutta vastaava määrä kasteluvettä olisi 2,5 l m-2, mikä käytännössä vastaa vain pienen mittakaavan kastelua.

Perus- ja paikalliskuivatuksen vuorovaikutuksen ja optimaalisen säädön matemaattinen mallinnus peltoalueella. Osahankkeessa laadittiin kaksi uutta mallinnuskokonaisuutta, jotka täydentävät FLUSH-mallia. FLUSH-mallin avouomakomponenttia sovellettiin ensimmäistä kertaa maatalousalueen valtaojan virtaaman ja vedenkorkeuksien laskentaan.

Peltoviljelyn tuottavuuden parantaminen ja vesistökuormituksen vähentäminen täydennysojituksella ja maan biologisella ja mekaanisella kuohkeutuksella. Täydennysojitus paransi maan vesitaloutta, mutta pitkään märkyydestä kärsineen pellon rakenteen ja fosforitilan parantaminen ovat hitaita prosesseja. Luotettavien tulosten saaminen vaatii tältä osin pidempää seurantaa.

Hankkeen tulokset ovat laajasti sovellettavissa peltoalueiden kuivatusjärjestelmien parantamiseen käytännössä ja eri ojitusratkaisujen vaikutusten arviointiin maatalouden vesiensuojelussa. Tulokset ovat hyödynnettävissä mm. maatalouden ympäristönsuojelun sekä tuotannollisten investointien tukien kehittämisessä ja ohjauksessa. Tuloksista on tiedotettu laajasti sidosryhmille. VesiHave 2 -hanke toteutettiin yhteistutkimushankkeena vuosina 2021–2022, ja tutkimus jatkuu Vesienhallinta maatalousvaltaisilla valuma-alueilla (VESIMA)-hankkeessa vuosina 2023–2024.

Sammandrag

I projektet utreddes hur reglerbar dränering implementerad i täckdiknings- och grundtorrläggningssystemen påverkar hydrologin, näringsbelastningen till vattendragen och skördenivån på jordbruksområden. Reglerbar dränering och underbevattning tillämpades på ett åkerskifte med målsättningen att maximera skörden, garantera en god markstruktur och att minimera näringsbelastningen till vattendragen. Därutöver utreddes hur kompletteringsdikning, markluckring och tillägg av fosfor påverkade produktiviteten av ett lågproduktivt och vattensjukt skifte. I projektet fortsattes uppföljningen av fältförsök som grundats i Vesitalouden hallinta vesiensuojelussa (VesiHave) -projektet samt beräkningsmässig forskning i samband med dessa.

Projektet utfördes som fyra delprojekt:

På försöksfältet i Sievi undersöktes hur åkermarkens produktivitet kunde förbättras och näringsbelastningen minskas med hjälp av reglerbar dränering och underbevattning. Grundvattennivån kunde med hjälp av dessa metoder hållas på en högre nivå under växtsäsongen, vilket även minskade kväveutlakningen och ökade skörden. Reglerbar dränering och underbevattningen påverkade dock inte fosforbelastningen eller växthusgasemissionerna.

Inverkan av uppdämningen av ett stamdike på ett åkerområde beläget uppströms. Uppdämningsförsöket med tillhörande mätinstrument kördes framgångsrikt igång. Data som producerades i samband med uppdämningsförsöket kommer att utnyttjas i uppföljningsprojektet VESIMA samt i kommande modelleringsarbete. Modelleringen som gjordes i samband med uppdämningsförsöket visade att uppdämningen höjde grundvattennivån över täckdikningsnivån i närheten av dämningen. Längre uppströms (650 m från dämningen) räckte dämningseffekten inte till för att höja grundvattennivån över dikningsnivån. Utöver detta visade modelleringen att dikesnätverkets beräknade volym och därmed maximala vattenlagringskapacitet var ca. 2000 m3. Ifall denna vattenmängd skulle användas för att bevattna alla åkrar som är belägna på uppdämningens avrinningsområde, skulle det motsvara 2,5 l/m-2 (2,5 mm), vilket är otillräckligt för storskalig bevattning.

Modellering av samspelet mellan och optimeringen av reglerbarheten i grundtorrläggningen och den lokala dräneringen på ett åkerområde. I delprojektet producerades två nya modelleringshelheter som kompletterar FLUSH-modellen. FLUSH-modellens komponent för modelleringen av flöde i öppet dike applicerades för första gången på ett jordbruksområde för att beräkna flöde och vattennivå i ett dike.

Förbättrandet av produktiviteten av ett åkerskifte och minskningen av näringsbelastningen med hjälp av kompletteringsdikning samt biologisk och mekanisk markluckring. Kompletteringsdikningen förbättrade markens vattenhushållning, men förbättrandet av fosforinnehållet och markstrukturen är en långsam process på ett skifte som varit vattensjukt under en lång tid. För att få pålitliga resultat angående metodernas inverkan krävs fortsatt uppföljning under en längre tid.

Projektets resultat kan tillämpas brett vid förbättringen av dräneringssystemen i praktiken och för att utvärdera inverkan av olika dräneringsmetoder på jordbrukets vattenskydd. Resultaten kan utnyttjas bland annat vid utvecklingen och styrningen av miljöskydds- och investeringsrelaterade jordbruksstöd. Resultaten har blivit väl kommunicerade till målgrupperna. VesiHave 2-projektet förverkligades som ett samforskningsprojekt under åren 2021–2022 och forskningen fortsätter under åren 2023–2024 i projektet Vesienhallinta maatalousvaltaisilla valuma-alueilla (VESIMA).

Abstract

In this project, the effects of drainage control in field and basic drainage on field hydrology, nutrient loading and yield were investigated. Controlled drainage and subirrigation were applied to an agricultural field with the aim to increase yields, ensure a stable soil structure and minimize nutrient loading.

In addition, the effect of supplementary drainage, soil structure improvement and increasing soil phosphorus reserve on the yield of a clay field with long term drainage problems were studied.

This project continued work on sites established in a previous project, “Vesitalouden hallinta vesiensuojelussa” (Water management in water conservation, VesiHave) (August 2018−December 2020) and had four work packages:

Improvement of productivity and reduction of nutrient loading through controlled drainage and subirrigation was investigated in Sievi, North Ostrobothnia. The method was successful in elevating ground water level during the growing season and reducing nitrogen runoff, as well as increasing yield. No effect on phosphorus loading or greenhouse gas emission was observed.

Elevating the groundwater level in a field by damming of the main ditch. Data was collected on the groundwater levels above the dam and water levels in the ditch before the dam. The data will be used in the next project (VESIMA) and in hydrological modelling. Modelling performed on the experimental site showed that the dam elevated the groundwater level above drainage depth near the dam, but at 650 m upstream, the dam had no such effect. The model also showed that the volume of water retained by the dam in the ditch network was approximately 2000 m3. This is equivalent to 2.5 l m-2 if used to irrigate the fields in the catchment area, insufficient for any large-scale irrigation.

Mathematical modelling of the interaction between and optimal control of basic and field drainage. Two new models were developed to supplement the FLUSH- model. This was the first time that the flush open channel component was applied to and agricultural setting to calculate water levels and flow.

Improving productivity and reducing nutrient loading by supplementary drainage and improvement of soil structure with biological and mechanical loosening. Supplementary drainage improved hydrological conditions in the field, but the structure and phosphorus reserves of the soil had already been damaged by long term waterlogging and restoring them takes time. Any reliable results on these will require a longer observation.

Results of this project are widely applicable in the improvement of water management systems in agriculture and assessing the effects of different drainage systems for water conservation. These results can be utilized in the development and directing of conservation efforts and agricultural investment subsidies. Results have been communicated widely to various stakeholders. Vesihave2- project was a co-operative project, carried out in 2021–2022, and the research will continue in a follow up project “Vesienhallinta maatalousvaltaisilla valuma-alueilla” (Water management in rural catchments, VESIMA) in 2023–2024.