Teknillinen korkeakoulu
Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta Automaatio-ja systeemitekniikan laitos
Mikko Dufva
Maatalouden vesistökuormituksen kustannustehokas vähentäminen
Diplomi-insinöörin tutkintoa varten tarkastettavaksi jätetty diplomityö Helsinki, 4.8.2008
Työn valvoja: professori Ahti Salo Työn ohjaaja: MMM Markku Puustinen
Teknillinenkorkeakoulu Diplomityöntiivistelmä
Tekijä:
Tiedekunta:
Pääaine:
Sivuaine:
Työn nimi:
Professuuri:
Työn valvoja:
Työn ohjaaja:
Mikko Dufva
Automaatio-ja systeemitekniikan laitos Systeemi-ja operaatiotutkimus
Ympäristöstrategiat ja teknologian arviointi
Maatalouden vesistökuormituksen kustannustehokas vähentäminen
Mat-2 Sovellettu matematiikka Professori Ahti Salo
MMM Markku Puustinen Tiivistelmä:
Tämä työ käsittelee maatalouden vesistökuormituksen vähentämistä. Käytettävissä olevan aineiston pohjalta lasketaan kuormitusta eniten vähentävä peltotoimen- piteiden jakauma ja perustettavien kosteikkojen määrä ottaen huomioon peltojen ominaisuudet. Peltotoimenpiteet sisältävät muokkaustavan muuttamisen ja suojavyöhykkeen perustamisen. Tavoitteena on tunnistaa tehokkaat toimenpiteet ja arvioida, miten ne voidaan toteuttaa käyttäen maatalouden ympäristötukea ohjauskeinona. Työssä keskitytään erityisesti ympäristötuen perusteella laskettuihin kustannuksiin. Muita taloudellisia tarkasteluja ei työssä tehdä.
Maatalouskäy täntöj ä pyritään ohjaamaan ympäristötuen avulla vähemmän kuormittavaan suuntaan. Se ei kuitenkaan kohdistu tehokkaasti peltojen ominaisuuksien mukaan. Ympäristötuen kohdentamista havainnollistetaan laskemalla Aurajoen valuma-alueelle eri kuormitukset minimoivat toimenpiteet.
Toimenpiteiden vaikutukset perustuvat koekentiltä mitattujen kuormitusten perusteella koottuun VIHMA-aineistoon. Aineiston pohjalta rakennetaan lineaarinen optimointimalli.
Mallin tulosten valossa näyttää siltä, että kohdistamalla tuki pellon ominaisuuksien mukaan Aurajoella voitaisiin vähentää sekä fosfori- että typpikuormitusta selvästi nykyisellä kustannustasolla. Toimenpiteet, joilla tähän päästään, ovat toteuttamiskelpoisia. Mallin avulla voidaan arvioida, kuinka paljon maatalouden vesistökuormitusta on mahdollista vähentää peltotoimenpiteillä ja kosteikoilla.
Sivumäärä: 82 Avainsanat: maatalous, vesistö, lineaarinen optimointi Täytetään osastolla
Hyväksytty: Kirjasto:
Helsinkiuniversityoftechnology Abstractofmaster'sthesis
Author:
Department:
Major subject:
Minor subject:
Mikko Dufva
Department of Automation and Systems Technology Systems and Operations Research
Environmental Strategies and Technology Assessment Työn nimi:
Professuuri:
Työn valvoja:
Työn ohjaaja:
Cost-efficient reduction of agricultural load to water system Mat-2 Applied Mathematics
Professor Ahti Salo M. Sc. Markku Puustinen Abstract:
This Thesis considers the minimizing of agricultural load to the water system.
Based on empirical research an optimal solution to reduce phosphorus and nitrogen load is calculated taking into account the characteristics of fields. The optimal solution consists of changes to the tillage practice and the building of buffer zones and watersheds. The aim is to identify efficient actions and to assess how they could be achieved with agricultural environmental aid as a steering instrument.
The emphasis is on costs based on the aid.
Agricultural environmental aid seeks to reduce the environmental load caused by agricultural practices. However, it does not consider the characteristics of the fields. To shows what could be achieved by directing the aid based on eg. the slope of the fields an optimal solution is calculated to Aurajoki river basin. The effects on load of the actions are based on measurements from empirical fields. Using the data a linear optimization model is built.
The results suggest that directing the agricultural environmental aid based on field characteristics can reduce both phosphorus and nitrogen loading to surface waters without increasing costs. The actions to achieve this are feasible. The model helps to assess what can be achieved by changing tillage practice and by building buffer zones and watersheds.
Number of pages: 82 Keywords: agriculture, water, linear optimization Department fills
Alkusanat
Tämä diplomityö on tehty Suomen ympäristökeskukselle. Sain onnekseni uppoutua minulle uuteen aihepiiriin ja tehdä työni ajankohtaisesta ja merkittävästä aiheesta.
Haluan kiittää työn ohjaajaa agronomi Markku Puustista erittäin asiantuntevasta opastuksesta aiheeseen ja selkeyttävistä kommenteista. Suuri kiitos kuuluu myös professori Ahti Salolle, jonka ajattelun nopeus ja terävyys jaksaa hämmästyttää ja innostaa.
Kiitokset vanhemmilleni, jotka ovat tukeneet minua opinnoissani ja myös kaikessa opintoihin liittymättömässä. Rakasta vaimoani kiitän jatkuvasta kannustamisesta ja uskosta siihen, että kyllä tämä vielä valmiiksi tulee.
Jotta tämä työ ei jäisi ilman differentiaaliyhtälöiden kauneutta, siteeraan Alfred J.
Lotkaa ja Vito Volterraa:
~ = x{a~ßy)
~—y(r-åx)
Helsingissä, 4. elokuuta
Mikko Dufva
Käytetyt lyhenteet
PR Partikkelifosforikuormitus DRP Liukoisen fosforin kuormitus TotP Kokonaisfosforikuormitus TotN Typpikuormitus
MMM Maa-ja metsätalousministeriö LOS Lounais-Suomen ympäristökeskus
Sisällysluettelo
1. Johdanto i
1.1 Taustaa... 1
1.2 Tutkimuksen tavoitteet...3
1.3 Työn rakenne...4
2. Maatalouden vesistökuormitus ja sen vähentäminen 5 2.1 Maatalouden vesistökuormituksen aiempi mallintaminen... 5
2.2 Peltotoimenpiteet...6
2.3 Suojavyöhykkeet... 7
2.4 Kosteikot...7
3. Maatalouden ympäristötukijärjestelmä 9 3.1 Ympäristötuen historia...9
3.2 Tukijäijestelmän rakenne ja toimenpiteet... 10
3.3 Tukijärjestelmä ohjauskeinona... 13
4. Aurajoen valuma-alueen ominaisuudet ja tausta-aineistot 14 4.1 Aurajoen valuma-alue... 14
4.2 Viljelyalueiden valumavesien hallintamalli (VIHMA)... 15
4.3 Mallissa käytettyjen kosteikkojen tiedot... 17
4.3.1 Flytträsk, Hovi ja Alastaro... 17
4.3.2 Laskennalliset mallikosteikot... 18
5. Vesistökuormitusta vähentävien toimenpiteiden priorisointi ja lineaarinen optimointimalli 20 5.1 Mallin lähtöoletukset...20
5.2 Päätösmuuttujat...21
5.3 Toimenpiteiden tukikustannukset...23
5.4 Toimenpiteiden vaikutukset...25
5.5 Kohdefunktio...27
5.6 Rajoitteet...27
5.7 Mallin yhteenveto...29
5.8 Laskentaohjelmisto...29
6. Malliratkaisut erilaisilla kuormituksen vähentämistavoitteilla ja rajoitteilla 31 6.1 Fosforikuormituksen minimointi...32
6.1.1 Partikkelifosforikuormituksen vähentäminen...32
6.1.2 Liukoisen fosforin kuormituksen vähentäminen... 34
6.1.3 Kokonaisfosforikuormituksen vähentäminen...36
6.2 T y ppikuormituksen minimointi...39
6.2.1 Typpikuormituksen väheneminen...39
6.2.2 Toimenpidevalikoima ja kustannukset...40
6.3 Rajoitetut toimenpiteiden muutokset...41
6.4 Kosteikkojen ja peltotoimenpiteiden vertailu...43
6.4.1 Kosteikoiden osuus kokonaiskustannuksista...43
6.4.2 Kosteikkojen ja peltotoimenpiteiden vertailu...45
6.5 Kustannusten minimointi...46
6.6 Mallitulosten yhteenveto...49
7. Tulosten arviointi 51 7.1 Mallitulosten vertailut ja arviointi...51
7.2 Lähtötietojen merkitys...51
7.3 Ympäristötuen kustannukset...52
7.4 Rajoitusten tarve ja merkitys...52
7.5 Toimenpiteet valuma-alueelle... 53
7.6 Kosteikkokustannukset... 54
7.7 Mallitulosten toteuttamiskelpoisuus...56
8. Vaihtoehtoiset ohjauskeinot 59 8.1 Ympäristötuen kehittäminen...59 8.2 Toimenpiteen tehokkuuteen sidottu tuki...60 8.3 Verot, rajoitukset ja markkinamekanismit...62
9. Johtopäätökset ja yhteenveto 64
10. Lähdeluettelo 66
11. Liitteet 71
Luku 1
Johdanto
1.1 Taustaa
Maatalouden vesistökuormituksella on merkittäviä vaikutuksia sisävesien ja Itämeren tilaan. Pelloilta huuhtoutuvat ravinteet rehevöittävät vesistöjä. Ihmistoiminnasta aiheutuvasta vesistökuormituksesta maatalous aiheuttaa 62% fosforikuormituksesta ja 51% typpikuormituksesta (Ympäristöministeriö, 2007). Vesistöjen kannalta ravinne- päästöjen vähennystarve on ilmeinen.
Vuonna 1998 valtioneuvosto asetti vesiensuojelulle tavoitteeksi mm. ravinne- päästöjen puolittamisen vuoden 1990-luvun alkupuolen tasosta vuoteen 2005 mennessä (Ympäristöministeriö 1998). Tavoitteita ei kuitenkaan kaikilta osin saavutettu ja erityisesti maatalouden vesistökuormitusta ei saatu vähennettyä tavoitellusti (Leivonen 2005). Osasyynä tähän oli se, että maatalouden ympäristötuen käyttö ei kohdentunut vesiensuojelun kannalta tehokkaasti (Nyroos ym. 2006).
Valtioneuvoston vesiensuojelun tavoitteissa painotetaan entistä enemmän maatalouteen kohdistuvien toimenpiteiden merkitystä ja toimenpiteiden tehokasta kohdentamista ongelma-alueille (Ympäristöministeriö 2007). Tämä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että suojakaistoja perustetaan sinne, missä niistä on eniten hyötyä eli missä ne pidättävät eniten ravinteita suhteessa kustannuksiinsa. Uusien tavoitteiden taustalla on EU:n vesipolitiikan puitedirektiivi (2000/60/EY), jossa asetetaan vesien hoidolle EU:n yhteiset tavoitteet: vesien tilan heikkenemisen estäminen sekä vähintään hyvä ekologinen tila vuoteen 2015 mennessä.
Laki vesienhoidon jäijestämisestä (1299/2004) vaatii, että vesienhoitosuunnitelma tehdään kullekin vesialueelle, joita on Manner-Suomessa viisi. Ensimmäisten vesien- hoitosuunnitelmien on oltava voimassa viimeistään joulukuussa 2009 ja niitä tarkis
tetaan kuuden vuoden välein. Vesienhoitosuunnitelmia tehtäessä tarvitaan tietoa eri toimenpiteiden vaikutuksista ja kustannustehokkaimmista ratkaisuista.
Vesistöihin huuhtoutuvilla ravinteilla on merkittävä vaikutus Itämeren rehevöi
haavoittuvainen. Merkkejä rehevöitymisestä ovat alati laajemmat leväkukinnat ja rantojen limoittuminen. Valtioneuvosto antoi vuonna 2002 periaatepäätöksen Itämeren tilan parantamisesta (Ympäristöministeriö 2002). Rehevöitymisen vähen
tämistä pidettiin kiireellisenä tavoitteena. Ohjelmassa esitetään eräänä merkittävänä toimenpiteenä maatalouden ympäristöohjelman tehostamista lisäämällä ravinteiden poiston kannalta tehokkaimpia toimenpiteitä. Painotus on toimenpiteiden kustannus
tehokkaassa kohdentamisessa maantieteellisesti.
HELCOM (2007) eli Itämeren ympärysmaiden muodostama yhteinen Itämeren suojelukomissio on määrittänyt Itämeren kannalta kestävän fosfori- ja typpi- kuormituksen. Se edellyttää toimintaohjelmassaan jäsenmaitaan vähentämään vesistökuormitustaan kestävälle tasolle. Suomen osalta päästöjen vähentämistarve on 150 tonnia fosforia ja 1200 tonnia typpeä vuosien 1997-2003 keskimääräisestä tasosta vuoteen 2021 mennessä. Toimintaohjelmassa edellytetään osallistujamailta tehokkaita toimia maatalouden vesistökuormituksen vähentämiseksi, esimerkiksi suoja
vyöhykkeitä, suorakylvöä ja talviaikaisen kasvipeitteisyyden lisäämistä alueilla, joissa näillä toimenpiteillä on merkitystä.
Vesiensuojelu on painottunut 1970-luvulta lähtien lähinnä pistekuormituslähteisiin, kuten teollisuuslaitoksiin ja yhdyskuntiin (Nyroos ym. 2006). Luonteeltaan nämä eroavat oleellisesti hajakuormituslähteistä, esimerkiksi maataloudesta. Piste- kuormituslähteet ovat selkeästi rajattuja ja niissä ei esiinny juurikaan satunnaisuuksia, joten niiden käsitteleminen on helpompaa kuin hajakuormituksen päästöjen. Koska suurin osa pistekuormituslähteistä on saatu hallintaan, huomio on siirtynyt haja
kuormitukseen (Marjanen ym. 2004).
Hajakuormituksen päästöt tulevat laajemmalta alueelta ja ovat luonteeltaan satun
naisempia kuin pistekuormituksessa. Esimerkiksi sää vaikuttaa pelloilta valuvan maa- aineksen määrään. Hajakuormituksessa täytyy pyrkiä syntyvän kuormituksen pienen
tämiseen ja vesistöihin päätyvän kuormituksen vähentämiseen. Maataloudessa tämä tarkoittaa esimerkiksi lannoitteiden käytön vähentämistä, kevyempiä muokkaus- tapoja, suojavyöhykkeiden perustamista ja ravinteiden pidättämistä kosteikoilla.
Maatalouden hajakuormituksen merkitys kasvaa entisestään ilmastonmuutoksen takia. Peltojen aiheuttamasta kuormituksesta jopa 90 % tulee kasvukauden ulko
puolella (Puustinen ym., 2006). Ilmaston lämpenemisen myötä leudot ja runsas- sateiset talvet yleistyvät Suomessa. Tällaisina talvina pellosta huuhtoutuu huomat
tavasti enemmän ravinteita vesistöön kuin kylmempinä talvina. Viime aikojen lämpimät ja vetiset talvet ovat vähentäneet maatalouden ympäristötoimenpiteistä saatavia hyötyjä.
Suomessa maatalouden ympäristövaikutuksia pyritään ohjaamaan lähinnä maatalouden ympäristötuella. Ympäristötuki]äijestelmään on sitoutunut yli 90%
aktiivitiloista (Grönroos ym. 2007 s. 146) ja maatalousmaasta noin 94% kuuluu tuen piiriin (Kuussaari ym. 2008 s. 3). Ympäristötuen myötä pelloille on perustettu muutaman metrin suojakaistat ja muokkaustavoissa on siirrytty kynnöstä keven
nettyihin muokkausmenetelmiin (Grönroos ym. 2007, Palva ym. 2001).
Ympäristötuki on kattavuudeltaan merkittävä ohjauskeino, mutta sen toimivuutta on kritisoitu (Kaljonen 2002). Koska lähes kaikki viljelijät ovat sitoutuneet ympäristö
tukeen, ongelma on toimenpiteiden riittävyydessä ja kohdentamisessa. Tuessa ei juurikaan oteta huomioon peltojen ominaisuuksia, kuten kaltevuutta, jolloin tuen edellyttämiä toimenpiteitä tehdään pelloilla, joissa niillä ei saavuteta merkittävää hyötyä. Tämän seurauksena suurin osa viljelijöistä tekee lähes kaikkia toimenpiteitä riippumatta niiden soveltuvuudesta viljelijän pelloille.
Maatalouden ympäristötukea ollaan uudistamassa. Maa- ja metsätalousministeriö asetti syksyllä 2007 työryhmän valmistelemaan ympäristötukijärjestelmän muutoksia (MMM 2007d). Muutosten painopiste on maatalouden ravinnepäästöjen vähentä
misessä ja luonnon monimuotoisuuden edistämisessä. Työryhmä julkaisi ensimmäiset ehdotuksensa joulukuussa 2007 (Ympäristötukijärjestelmän muutoksia valmisteleva työryhmä 2007) ja jatkaa työtään vuoteen 2010 asti.
1.2 Tutkimuksen tavoitteet
Tämä työ tarkastelee maatalouden vesistökuormituksen vähentämistä. Kuormitusta vähentävinä toimenpiteinä ovat pellon muokkaustavan muuttaminen, suoja
vyöhykkeiden rakentaminen ja kosteikkojen perustaminen. Toimenpiteiden kustan
nukset määritetään maatalouden ympäristötukijärjestelmän perusteella ja vaikutukset ravinnekuormitukseen erilaisilla peltotyypeillä empiirisen aineiston pohjalta. Tietojen pohjalta lasketaan eri kriteerien, kuten fosfori- ja typpikuormituksen sekä kustan
nusten, kannalta optimaalisin toimenpidevalikoima eli peltojen muokkaus- tapavalikoima pinta-aloina peltotyypin mukaan ja rakennettavien kosteikkojen lukumäärä. Tuloksista päätellään, miten nykyinen ympäristötukijäijestelmä toimisi tilanteessa, jossa pellon ominaisuudet otetaan huomioon ja mietitään nykyiselle ympäristötukijärjestelmälle vaihtoehtoisia mekanismeja.
Lähestymistapana on matemaattinen mallinnus ja kokonaisuuden optimointi.
Tarkasteltavaa valuma-aluetta ajatellaan yhtenäisenä peltoalana, jonka muokkaus- tavoista malli päättää. Malli ei ota huomioon erillisiä maatiloja. Optimoinnin jälkeen
siis eräällä tavalla "ylhäältä alas", eli ensin lasketaan kokonaisuuden kannalta optimaalisin ratkaisu ja sen jälkeen mietitään, miten viljelykäytännöistään vapaasti päättävät yksittäiset viljelijät voitaisiin ohjata toteuttamaan kokonaisoptimin edellyttämiä toimenpiteitä.
Optimoinnissa oletuksena on, että peltolohkot ovat toisistaan riippumattomia eli optimia laskettaessa ei esimerkiksi oteta huomioon peltojen maantieteellistä sijaintia suhteessa toisiinsa. Lisäksi oletetaan, että ympäristötuki voidaan kohdistaa peltoalaa ja toimenpidettä kohti, ei maatilaa kohti kuten nykyisin. Optimoinnissa tavoitteena on vesistökuormituksen vähentäminen. Muut seikat, kuten maisemalliset, sosiaaliset tai yhteiskunnalliset arvot otetaan huomioon vasta tulosten tarkastelussa.
Tarkastelu rajautuu Aurajoen valuma-alueelle. Lannoituksen vähentäminen ja ojitukset on jätetty tarkastelun ulkopuolelle, kuten myös monet muut ympäristötuessa olevat toimenpiteet. Vesistökuormitus koostuu partikkelifosforista, liukoisesta fosforista ja typestä.
1.3 Työn rakenne
Työ jakautuu aihealueen esittelyyn, mallin rakentamiseen, tulosten esittelyyn, tulosten luotettavuuden arviointiin ja tulosten perusteella vedettäviin johtopäätöksiin.
Aluksi esitellään mallin kannalta oleelliset taustatiedot, kuten ympäristötuki, vesistökuormituksen vähentämiseen tähtäävät toimenpiteet, tarkasteltava Aurajoen valuma-alue ja käytettävä aineisto. Näiden pohjalta rakennetaan lineaarinen malli kuvaamaan kuormituksen ja kustannuksen riippuvuutta toteutettavista toimenpiteistä ja määritellään mallin rajoitukset. Mallin perusteella lasketaan eri kriteerien suhteen optimaaliset toimenpiteet ja esitellään tulokset, joiden käyttökelpoisuutta ja luotettavuutta arvioidaan, mietitään mitä tuloksista seuraa ja miten tulosten esittämät toimenpiteet voitaisiin käytännössä toteuttaa.
Luku 2
Maatalouden vesistökuormitus ja sen vähentäminen
2.1 Maatalouden vesistökuormituksen aiempi mallintaminen
Maatalouden vesistökuormituksen mallit eroavat toisistaan mm. tavoitteidensa, tarkasteltavan alueen skaalan, mukaan otettujen toimenpiteiden ja mallinnettavan kuormituksen perusteella. Tässä tarkastellaan esimerkkejä maatalouden vesistö
kuormitukseen liittyvistä malleista.
Payraudeaun ym. (2004) mukaan maatalouden ympäristövaikutusten määrittämiseen käytetään useita erilaisia menetelmiä, kuten elinkaarianalyysiä, lineaarista ohjelmointia ja riskianalyysiä. Esimerkiksi Meyer-Aurich (2003) tutkii talouden ja ympäristön vuorovaikutusta maataloudessa lineaarista optimointia hyödyntävän mallin avulla ja Makowski ym. (1999) soveltaa sekalukuohjelmointia lähes optimaalisen ratkaisun etsimiseen maanviljelyn suunnittelussa Hollannissa. Usein maatalouden kuormitukset arvioidaan jonkin mallin avulla, joka ottaa huomioon valunnan ja peltojen ominaisuudet. Esimerkiksi EPIC on Yhdysvalloissa kehitetty malli eroosion vaikutuksesta sadon tuottavuuteen (Williams 1990). Sen avulla on tutkittu mm. taloudellisten ohjauskeinojen vaikutusta hajakuormitukseen lineaarista optimointia soveltamalla (Taylor ym. 1992) ja vertailtu kolmen maatalouden ohjauskeinon vaikutuksia typpikuormitukseen ja maanviljelijöiden toimeentuloon monitavoiteoptimoinnin avulla (Semaan ym. 2004).
Skenaarioiden avulla on tutkittu laajoja kokonaisuuksia ja alueita. Vatn ym. (2006) arvioi ympäristöpoliittisten skenaarioiden vaikutuksia Norjan maatalouteen.
Huomioon otetaan mm. viljelijän päätöksenteko, peltojen muokkaustavat, poliittiset rajoitteet ja vesistökuormitus. Lacroix ym. (2005) tutkii viljelytoimenpiteiden vaikutuksia satoon ja vesistökuormitukseen erilaisissa ilmastoskenaarioissa. Pacini
ym. (2002) käyttää lineaarista ohjelmointia erilaisten maatalouspolitiikan skenaarioiden arvioinnissa ympäristövaikutusten kannalta EU:n alueella.
Vesistökuormitusta voidaan vähentää useilla toimenpiteillä. Doering ym. (1999) tarkastelee lannoituksen ja kosteikkojen kustannustehokkuutta typpikuormituksen vähentämisessä. Braden ym. (1989) ottaa kuormituksen vähentämisen lisäksi huomioon ravinteiden pidättämisen. Luo ym. (2006) tarkastelee eroosion hillitsemistä veden laadun kaupalla (water quality trading) käyttämällä simulointia ja optimointimalleja.
2.2 Peltotoimenpiteet
Peltoa voidaan muokata usealla tavalla. Perinteisin muokkaustapa on kyntäminen syksyllä. Normaali syyskyntö on intensiivisin muokkausmenetelmä, joka altistaa maata eniten eroosiolle. Kevyempiä muokkaustapoja ovat kultivointi ja sänki- muokkaus. Nykyään on yleistynyt myös suorakylvö, jossa kylväminen tapahtuu suoraan muokkaamattomaan maahan erityisen suorakylvökoneen avulla. Vähiten eroosiota aiheuttava vaihtoehto on pysyvä nurmipeitteisyys. Eroosio on sitä suurempi, mitä kaltevammasta pellosta on kyse. Kaltevuuden lisäksi vaikuttaa myös maalaji.
Savimaat ovat herkempiä eroosiolle kuin hiesu- tai hietamaat. (Puustinen ym. 2005).
Kiintoaineen mukana pellolta valuu vesistöön partikkelifosforia. Eroosio ja partikkelifosforikuormitus käyttäytyvät siksi samalla tavalla. Jyrkät kynnetyt savimaat aiheuttavat suurimman partikkelifosforikuormituksen, kun taas loivilla mailla kuormitus on vähäistä. (Puustinen ym. 2005).
Fosforia voi liueta veteen ja kulkeutua liukoisessa muodossa vesistöön. Tähän vaikuttaa erityisesti pellon fosforipitoisuus eli P-luku. Useita peltoja on muutamien viime vuosikymmenien aikana lannoitettu fosforin suhteen ylen määrin, jolloin pellon P-luku on noussut. Korkean P-luvun pelloilta valuu enemmän liukoista fosforia vesistöön kuin P-luvultaan matalilta pelloilta (Ekholm 2000). Toisin kuin partikkeli- fosforin tapauksessa, muokkaustavan keventäminen pääsääntöisesti lisää liukoisen fosforin kulkeutumista vesistöön (Puustinen ym. 2005). Pellon fosforipitoisuutta voidaan pitkällä aikavälillä laskea tiukennetulla lannoituksella ja näin vähentää liukoisen fosforin kuormitusta (Ekholm 2000). P-luvun kompensaatiota ei oteta kuitenkaan tässä työssä huomioon.
Maatalous aiheuttaa myös typpikuormitusta vesistöihin. Typen kulkeutumiseen vaikuttaa eniten maalaji ja muokkaustapa. Peltojen kaltevuudella ei ole suurta merkitystä. Kevyempi muokkaustapa pääsääntöisesti keventää myös typpikuormitusta
(Koskiaho ym. 2002). Typpikuormitusta saadaan siis yleensä vähennettyä samalla kun vähennetään partikkelifosforikuormitusta.
2.3 Suojavyöhykkeet
Suojavyöhykkeet ovat maakaistaleita, jotka sijaitsevat vesistön ja pellon välissä. Ne ovat pysyvästi kasvipeitteisiä ja niitä ei lannoiteta. Suojavyöhykkeen tarkoitus on vähentää eroosiota ja ravinteiden kulkeutumista pelloilta vesiin. Niillä on myös myönteisiä vaikutuksia maisemaan ja luonnon monimuotoisuuteen. (MMM 2007c).
Suojavyöhykkeet vähentävät tehokkaasti pelloilta huuhtoutuvan maa-aineksen pääsyä veteen asti ja täten maatalouden vesistökuormitusta. Ne ovat erityisen hyödyllisiä jyrkillä pelloilla tai tulvan aikaan veden alle jäävillä pelloilla, koska ne sitovat
kiintoainesta. (MMM 2007c).
2.4 Kosteikot
Kosteikolla tarkoitetaan ojan, puron, joen tai muun vesistön osaaja sen ranta-aluetta, joka suuren osan vuodesta on veden peitossa ja muunkin ajan pysyy kosteana (MMM 2007b). Kosteikkoja perustetaan useimmiten vesienhoidollisista syistä, mutta niillä on runsaasti positiivia vaikutuksia esimerkiksi luonnon monimuotoisuuteen ja maisemaan. Kosteikolla voidaan vähentää vesistöjen fosfori-ja typpikuormitusta.
Useiden järvien pintaa on aikoinaan laskettu, jotta saataisiin lisää viljelyalaa.
Samoista syistä luonnonuomissa ja vesistöissä olleita kosteikkoja on kuivatettu (MMM 2007b). Uomien varressa voi olla useita hyviä paikkoja kosteikkoa varten.
Kosteikon vedenpuhdistusmekanismit ovat kiintoaineksen laskeutuminen, liuenneen fosforin adsorptio, typen denitrifikaatio ja ravinteiden biologinen kulutus. Ravinteet jäävät pääsääntöisesti kosteikkoon, paitsi typen denitrifikaation tapauksessa, jossa typpi poistuu ilmakehään. Mekanismeille on tärkeää veden pitkä viipymä. (Puustinen et ai. 2007).
Koska valtaosa pelloilta tulevasta fosforista on sitoutunut kiintoainekseen, on sen laskeutuminen eli sedimentaatio tärkeä puhdistusmekanismi. Pidempi veden viipymä edistää sedimentaatiota. Myös kosteikon kasvillisuus pidättää jonkin verran kiintoainesta. Ravinteet jäävät kosteikkoon, joten poikkeuksellisen suurissa virtaama- tapauksissa ravinteet voivat lähteä uudelleen liikkeelle. (Puustinen et ai. 2007)
aineksen ja kosteikkoon tulevan veden DRP-pitoisuuksista. Kun veden DRP-pitoituus ylittää maa-ainekselle ominaisen fosforin tasapainopitoisuuden fosforia pidättyy.
Adsorptioon vaikuttaa maa-aineksessa olevan vapaan fosforilla kyllästymättömän raudan ja alumiinin määrä ja kosteikon happitilanne. Adsorptio toimii parhaiten hapellisissa olosuhteissa. Hapettomuuden vallitessa maaperän rautaoksideista alkaa vapautua fosforia. Koska raudan ja alumiinin määrä kosteikossa on rajallinen, fosforin pidättyminen adsorption kautta heikkenee kosteikon iän kasvaessa.
(Puustinen et ai. 2007)
Nitraattityppeä pelkistyy mikrobitoiminnan kautta kaasumaiseen muotoon, joka poistuu ilmakehään. Tätä kutsutaan typen denitrifikaatioksi. Se on kosteikon merkittävin typenpoistoprosessi. Sen teho ei periaatteessa heikkene kosteikon iän myötä, sillä typpi poistuu kosteikosta pysyvästi, eikä jää kosteikkoon, kuten fosfori adsorptiossa. Denitrifikaatio on tehokkaimmillaan hapettomissa ja lämpimissä olosuhteissa ja kun tulevan veden nitraattitypen pitoisuus on suuri. (Puustinen et ai.
2007)
Kasvillisuus käyttää ravinteita varsinkin kasvukauden aikana, mutta ravinteita vapautuu takaisin veteen lakastumis- ja hajoamisvaiheen aikana. Netto tasoltaan ravinteiden biologinen kulutus ei ole kovin suuri. Kasvillisuuden kautta tapahtuvaa ravinteiden ottoa voidaan tehostaa niittämällä ja poistamalla kosteikon kasvillisuutta säännöllisesti. Vesiensuojelun karmalta kasvillisuuden tärkein ominaisuus on suoran ravinteiden oton sijaan tukea muita mekanismeja. Esimerkiksi tiheä kaislikko siivilöi kiintoainesta läpivirtaavasta vedestä ja korkeat järviruo'ot tuottavat pohjalle juuristonsa kautta fosforin pidättymiselle tärkeää happea. (Puustinen et ai. 2007)
Luku 3
Maatalouden
ympäristötukij ärj estelmä
3.1 Ympäristötuen historia
Maatalouden ja ympäristön suhde on muuttunut viime vuosikymmenien aikana (Aakkula ym. 2006). 1970-luvulla vesistöjen pilaantumisesta syytettiin lähinnä yhdyskuntia ja teollisuuslaitoksia. Maatalouden ja ympäristön suhdetta pidettiin ongelmattomana, vaikka maataloudessa oltiin ruvettu käyttämään enenevissä määrin kasvinsuojeluaineita ja lannoitteita. Maatalous nähtiin ympäristövaroja kestävästi käyttävänä elinkeinona eikä siihen kohdistunut ympäristöpoliittisia vaateita (Aakkula ym. 2006).
1980-luvulla myös maataloutta ryhdyttiin pitämään vesistöjen yhtenä kuormittajana.
Tuolloin perustetun ympäristöministeriön laatimassa vuoteen 1995 yltävässä vesien
suojelun tavoiteohjelmassa maatalouden vaadittiin vähentävän vesistökuormitustaan tasavertaisesti teollisuuden ja yhdyskuntien kanssa ja fosforin osalta vähentämis
tavoite oli jopa 50% (Ympäristöministeriö 1988). Maatalouspolitiikan toimijat eivät hyväksyneet uusia tavoitteita, vaan korostivat teollisuuden ja yhdyskuntien maa
taloutta suurempaa merkitystä vesistöjen tilaan ja vaativat lisätutkimusta maatalouden osuudesta vesistökuormitukseen (Aakkula ym. 2006). Tutkimusta varten perustettiin maatalous- ja vesientila -tutkimusohjelma, jonka johtopäätökset vahvistivat käsitystä siitä, että maatalouden osuus vesistökuormituksesta on suurempi kuin teollisuuden ja yhdyskuntien yhteenlaskettu osuus (Rekolainen ym. 1992). Tämän seurauksena ryhdyttiin maataloudessakin hajoittamaan ympäristöpolitiikkaa. Uusia keinoja, esimerkiksi taloudellista ohjausta, ei kuitenkaan tullut mukaan, vaan viljelijää ohjattiin suosittelemalla hyviä viljelykäytäntöjä (Aakkula ym. 2006).
Maatalouden tukijärjestelmä sai uusia piirteitä, kun Suomi liittyi Euroopan Unioniin vuonna 1995. EU:n yhteinen maatalouspolitiikka (CAP) asetti väljät ja laadulliset kriteerit maatalouden ympäristöpolitiikalle. Suomessa otettiin käyttöön maatalouden
keskityttiin lähinnä vesistöjen suojeluun. Aiemmin suositeltuja hyviä viljely
käytäntöjä pystyttiin nyt tukemaan rahallisesti. Kritiikkiä herätti toimenpiteiden riittämättömyys (Aakkula 2006). Maatalouden kokonaistuki pysyi samana, joten ympäristötuki lohkaistiin vanhoista tuotantotuista.
3.2 Tukijärjestelmän rakenne ja toimenpiteet
Suomen olosuhteissa maataloustuotteiden tuotantokustannukset nousevat suuriksi verrattuna niistä saatuihin myyntituloihin. Maataloustukien avulla halutaan turvata ruoantuotannon omavaraisuus. Viljelijälle maksetaan suoria tulotukia jatkuvuuden ja kannattavuuden turvaamiseksi. Lisäksi maksetaan kustannusperusteisia investointi
tukia.
EU:n rahoittamia tukia ovat yhteisen maatalouspolitiikan tilatuki eli CAP-tuki (Common Agricultural Policy), luonnonhaittakorvaus eli LFA-tuki (Less Favorable Areas) ja ympäristötuki. Suomella on oikeus maksaa kansallisia tukia, joista tärkeimmät ovat Etelä-Suomen kansallinen tuki, pohjoinen tuki sekä ympäristötuen ja luonnonhaittakorvauksen kansalliset lisäosat. Ympäristötuen kansallisesta lisäosasta ollaan luopumassa.
Tärkein tukimuoto ovat tilatuet, joita maksetaan hehtaarikohtaisesti tuotannosta riippumatta. Luonnonhaittakorvauksen tarkoituksena on säilyttää maatalous elin
voimaisena huolimatta haittaavista luonnontekijöistä, kuten esimerkiksi Suomen lyhyestä kasvukaudesta. Ympäristötuen tarkoituksena on ohjata maataloutta ympäristöystävällisempään suuntaan. Ympäristötuen ehtoihin sitoudutaan useaksi vuodeksi kerrallaan.
Ympäristötuki koostuu vähimmäisvaatimuksista lannoitukselle ja kasvinsuojelu
aineiden käytölle, perustoimenpiteistä, lisätoimenpiteistä ja erityistukisopimuksista (Maaseutuvirasto 2007a). Lannoitukselle ja kasvinsuojeluaineille on määritelty rajoituksia, joita jokaisen ympäristötukeen sitoutuneen viljelijän tulee noudattaa ilman erilliskorvausta.
Perustoimenpiteet ovat pakollisia jokaiselle ympäristötukeen sitoutuneelle viljelijälle.
Ne voidaan nähdä eräänlaisena perustasona, jota täydennetään muilla toimilla. Koti
eläintiloille perustuen suuruus on 107 euroa/ha/v, ja kasviviljelytiloille 93 euroa/ha/v (Maaseutuvirasto 2007a). Perustoimenpiteet on esitetty liitteessä 1.
Erityisesti vesistöön vaikuttavia perustoimenpiteitä ovat pientareet ja suojakaistat.
Piennar on valtaojan varteen jätettävä vähintään yhden metrin levyinen monivuotisen nurmikasvillisuuden peittämä maakaistale. Piennar voi olla kolmekin metriä leveä,
jos se vesiensuojelullisesti on perusteltua. Piennarta ei lannoiteta eikä siinä käytetä kasvinsuojeluaineita, paitsi erityisistä syistä. (Maaseutuvirasto 2007a)
Suojakaista on piennarta leveämpi, vähintään keskimäärin kolme metriä leveä alue, joka perustetaan puron, järven, lammen tai talousvesikaivojen ympärillä tai meren rannalla sijaitsevalle peltolohkolle. Suojakaista voi olla enintään keskimäärin 10 metriä leveä, jos se vesiensuojelullisesti on perusteltua. Suojakaista niitetään yleensä kerran kasvukaudessa ja sitä saa laiduntaa. (Maaseutuvirasto 2007a)
Perustoimenpiteiden lisäksi viljelijät voivat valita lisätoimenpiteitä, joista maksetaan erikseen. A-ja В-tukialueella viljelijä voi valita enintään neljä lisätoimenpidettä ja C- tukialueella enintään kaksi (Maaseutuvirasto 2007a). Jotkin lisätoimenpiteistä sulkevat muita pois ja jotkin sopivat vain esimerkiksi kotieläintiloille. Lisätoimen
piteet on listattu liitteessä 2.
Tässä työssä ei keskitytä esimerkiksi lannoitukseen tai viljeltävien kasvilajien runsauteen vaan peltoihin kohdistuviin muokkaustoimenpiteisiin. Siksi tarkastellaan lähemmin muutamaa lisätoimenpidettä.
Toimenpiteet peltojen talviaikainen kasvipeitteisyys ja tehostettu muokkaus, peltojen talviaikainen kasvipeitteisyys ja peltojen tehostettu talviaikainen kasvipeitteisyys ovat samantyyppisiä ja niillä kaikilla pyritään estämään eroosiota. Ensimmäisessä sallitaan pellon kevyt muokkaaminen, esimerkiksi kevennetty syyssänkimuokkaus kulti- vaattorilla kertaalleen. Kaksi jälkimmäistä on mahdollista valita ainoastaan A- ja B- tukialueilla. Ne eroavat toisistaan ainoastaan vaadittavan peltoalan prosenttiosuuden suhteen. Kaikissa toimenpiteissä edellytetään kasvipeitteisyyden säilyvän kylvö- muokkaukseen asti ja toimenpidettä suositellaan kohdistettavaksi vesistöihin ja valtaojiin rajoittuville peltolohkoille. Kotieläintila ei voi valita mitään näistä toimenpiteistä. Kaikki kolme toimenpidettä ovat toisensa poissulkevia eli niistä voi valita ainoastaan yhden. (Maaseutuvirasto 2007a)
Laajaperäisessä nurmituotannossa kotieläintilalla pitää olla vähintään puolet peltoalasta nurmikasvien viljelyssä. Nurmien lannoittamiseen saa käyttää typpeä enintään 75 % "Peltokasvien lannoitus" -perustoimenpiteen mukaisista typpimääristä.
Toimenpiteen voi valita ainoastaan A- ja В-alueilla. Toimenpidettä ei voi valita yhdessä vähennetyn lannoituksen, typpilannoituksen tarkentamisen peltokasveilla tai peltojen tehostetun talviaikaisen kasvipeitteisyyden kanssa. (Maaseutuvirasto 2007a) Vesien suojelun kannalta merkittäviä erityistukisopimuksia ovat:
• Suojavyöhykkeiden perustaminen ja hoito
• Monivaikutteisen kosteikon hoito
• Lannan käytön tehostaminen
• Luonnonmukainen tuotanto
• Luonnonmukainen kotieläintuotanto
Niistä tämän työn kannalta oleellisia ovat kaksi ensimmäistä. Muita erityistuki
sopimuksia ovat:
• Perinnebiotooppinen hoito
• Luonnon ja maiseman monimuotoisuuden edistäminen
• Alkuperäiskasvien viljely
• Alkuperäisrotujen kasvattaminen
Suojavyöhykkeitä suositellaan varsinkin jyrkille pelloille, jotka viettävät valtaojaan tai vesistöön. Suojakaista ei tällaisissa tapauksissa ole riittävä pidättämään pellolta lähtenyttä maa-ainesta, vaan tarvitaan leveämpää suojavyöhykettä. Suojavyöhyke perustetaan viljelyksessä olevalle pellolle. Joissain tapauksissa mukaan voidaan ottaa myös pellon ja vesistön väliin jäävä maakaistale. Pellon ja vesistön välissä ei kuitenkaan saa olla metsää. Suojavyöhykkeen tulee olla vähintään keskimäärin 15 metriä leveä, sen vähimmäiskoko on 30 aaria ja siitä on tehtävä oma peltolohkonsa.
Sen tulee olla monivuotisen nurmikasvillisuuden peittämä ja sitä ei saa lannoittaa.
Suojavyöhykettä hoidetaan niittämällä tai laiduntamalla, mikäli siitä ei aiheudu vesiensuojelulle haittaa. (MMM 2007c)
Suojavyöhykkeen perustamisesta ja hoidosta maksetaan ympäristötukea enintään 450
€/ha. Sopimusala koostuu suojavyöhykkeestä ja sille ei makseta ympäristötuen perus- tai lisätoimenpiteiden tukea, mutta sille voidaan maksaa luonnonhaittakorvaus.
Suojavyöhykkeen yläpuolinen peltolohko saa normaalin ympäristötuen. Suoja
vyöhykkeen perustamisesta ja hoidosta solmitaan viisi- tai kymmenvuotinen sopimus.
Perustamisesta on laadittava suunnitelma ja hoidosta pidetään vapaamuotoista hoito- päiväkirjaa. (MMM 2007c)
Kosteikon hoitamiseen, esimerkiksi lietteen poistoon, rakenteiden ylläpitoon ja kasvillisuuden niittämiseen voi saada ympäristötuen erityistukea. Tuen suuruus riippuu hoidosta aiheutuvista kustannuksista ja mahdollisista tulonmenetyksistä ja on enintään 450 €/ha. Tehtävän sopimuksen kesto on viisi tai kymmenen vuotta.
Sopimukseen liitetään hoitosuunnitelma ja kosteikon hoitamisesta pidetään vapaa
muotoista hoitopäiväkiijaa. (MMM 2007b)
Kosteikon perustamista varten on erillinen ei-tuotannollisten investointien tuki.
Perustettavan kosteikon tulee sijoittua vesienhoidollisesti merkittävään paikkaan. Sen tulee olla pinta-alaltaan vähintään 0,3 haja vähintään 0,5-1% yläpuolisesta valuma- alueesta. Lisäksi yläpuolisen valuma-alueen peltoisuusprosentti tulee olla 20%.
Toteutusaikaa kosteikon perustamiseen on kaksi vuotta, erikseen hakemalla voi saada
vielä yhden lisävuoden. Kosteikon perustamisen jälkeen tulee solmia vaikutteisen kosteikon hoitamisesta erityistukisopimus. (Wallenius 2007)
moni-
3.3 Tukijärjestelmä ohjauskeinona
Ympäristötuki on ohjauskeino, jossa ympäristölle suotuisista toimenpiteistä annetaan korvaus (Kaljonen 2002). Suomen liittyessä EU:in vuonna 1995 uuden ympäristötuen piiriin liittyi 81% viljelijöistä ja vuonna 2002 ympäristötuki kattoi jo 98% viljely
alasta (MMM 2003 s. 14). Ympäristötuesta muodostui nopeasti alueellisesti kattava ohjauskeino.
Ympäristötuki muodostaa merkittävän osan viljelijöiden tulosta, eli se on toisaalta myös tuotantotuki. Sen osuus maatalouden tuista on noin 18 prosenttia ja maa
talouden kokonaistuotosta noin 7 prosenttia (Aakkula ym. 2006). Ympäristötuella on ollut merkittävä tuotantoa ylläpitävä vaikutus (Turtola ym. 2008).
Ympäristötuki on toisaalta ohjauskeino ja toisaalta tuotantotuki. Suomen liittyessä EU:iin juuri ympäristötuen avulla saatiin maatalouden kokonaistuki nostettua kansallisesti hyväksyttävälle tasolle EU:n komissiota tyydyttävällä tavalla (Aakkula ym. 2006). Tämän takia ympäristötuen osuus kokonaistuesta nousi merkittäväksi.
Luku 4
Aurajoen valuma-alueen
ominaisuudet ja tausta-aineistot
4.1 Aurajoen valuma-alue
Työssä tarkastellaan Aurajoen valuma-aluetta Lounais-Suomessa. Sen halki virtaava Aurajoki saa alkunsa Oripään harjualueelta ja virtaa 70 km Pöytyän, Auran, Liedon ja Turun kautta saaristomereen. Alueen pinta-ala on 885 km2 ja siitä on 53% metsää ja 37% peltoa (Hertta-tietokanta 2008). Maaperä on enimmäkseen savimaata ja jonkin verran hietaa, hiekkaa tai moreenia (Puustinen ym. 1994). Paikoin jyrkätkin pelto
alueet sijaitsevat enimmäkseen jokien varsilla, muodostaen erään Suomen kansallis
maisemista.
Alueella on runsaasti maataloutta. Maatiloista kaijatalouksia on noin 30% ja loput lähinnä kasvinviljelytiloja. Erikoiskasviviljelyä alueella on suhteellisen vähän.
Laiduntaminen on harvinaista. (LOS 2007)
Aurajoki kuljetti Saaristomereen vuosina 2000-2005 keskimäärin 47 tonnia fosforia ja 635 tonnia typpeä vuosittain. Peltoviljely ja karjatalous ovat suurimpia kuormituksen lähteitä. Maatalouden arvioitu osuus typpikuormituksesta on 69% ja fosfori- kuormituksesta 66%. Muita kuormituksen lähteitä ovat haja-asutus ja luonnon- huuhtouma. Taajamien jätevesikuormitus on muutamien prosenttien luokkaa. (LOS 2007)
Virtaama uomassa vaihtelee runsaasti sateiden mukaan. Uomien reunat ovat kaltevia ja ympäröivät ojitetut pellot ovat tiivistä savimaata, eikä virtaamaa tasaavia järviä ole.
Kuormitus on suurimmillaan runsaiden virtaamien aikaan syksyllä ja keväällä ja leutoina talvina tammi-maaliskuun aikaan.
Valuma-alueen jokien ja ainoan järven, Savojärven, tila on välttävä tai huono. Joet virtaavat voimaperäisesti viljeltyjen savimaiden halki, minkä takia vesi on sameaa ja siinä on runsaasti ravinteita. Aurajoen yläjuoksulla pienen virtaaman takia taajamien jätevedet aiheuttavat tilan huonontumista.
Aurajoen valuma-alueella on peltoa 327,45 neliökilometriä. Alueen peltoalan kaltevuus- P-luku- ja maalajijakauma on esitetty alla olevissa taulukoissa. Jakauma on arvioitu Turun vesi-ja ympäristöpiirin arvojen perusteella (Puustinen ym. 1994).
Taulukko 1. Kai te vuusj akauma
Kaltevuus Alle 0.5% 0.5%-1.5% 1.5% - 3% 3%- 6% Yli 6%
Osuus 27% 33% 23% 12% 5%
Taulukko 2. P-lukuj akauma
P-luku Alle8 8-14 Yli 14
Osuus 17% 42% 41%
Taulukko 3. Maalaj ij akauma
Maalaji Savi Hiesu Karkeat Eloperäiset
Osuus 68% 2% 23% 7%
Koska tietoa eri kaltevuuslajien P-lukujakaumista tai maalaj ¡jakaumista ei ollut käytettävissä, oletettiin, että kussakin kaltevuusluokassa P-luku ja maalaji on samalla tavalla jakautunut. Tämä ei vastaa todellisuutta, mutta on siitä riittävä approksimaatio.
Alkutilanteessa muokkaustapoina ovat normaali syyskyntö (81%), syysviljat (5%) ja pysyvä nurmi (15%). Tämä vastaa tilannetta ennen Suomen EU-jäsenyyttä.
Suojavyöhykkeitä ei ole alkutilanteessa lainkaan, eikä myöskään kosteikolta.
4.2 Viljelyalueiden valumavesien hallintamalli (VIHMA)
Viljelyalueiden valumavesien hallintamalli (VIHMA) on malli pellolta tulevasta kuormituksesta ja sen vähentämisestä. Se perustuu koekentiltä hankittuun aineistoon ja ottaa huomioon pellon muokkaustavan, kaltevuuden, maalajin ja P-luvun.
VI HM An avulla voidaan arvioida, kuinka paljon pellolta lähtee kiintoainesta, partikkelifosforia, liukoista fosforia ja typpeä vesistöön. Se kertoo peltolohkon kuormituksen pellon reunalla, ei siis valuma-alueen keskimääräistä kuormitusta (Puustinen 2008). VIHMA selittää kuormitusta muokkaustavalla ja pellon ominai
suuksilla eikä ota esimerkiksi lannoitusta huomioon.
Koekentät sijaitsevat Etelä- ja Lounais-Suomessa. Yhteensä seitsemältä koekentältä mitattiin pintavaluntaa ja sen laatua ja lisäksi viideltä kentältä myös salaojavaluntaa.
Varhaisin koekenttä on perustettu vuonna 1975 ja uusin vuonna 1990. (Puustinen 2008)
VIHMAssa peltojen ominaisuudet on jaoteltu luokkiin perustuen 1990-luvun alussa tehtyyn peltojen ominaisuuksien inventointitutkimukseen (KUTI-tutkimus) (Puustinen 2008). Tutkimukseen valitut pellot valittiin alueellisen peltoalan mukaan painotetulla otannalla (Puustinen ym. 1994). VIHMAssa käytetyt peltojen ominai
suuksien luokitukset ovat
Maalajit: savet, hiesut, hiedat ja sitä karkeammat kivennäismaat sekä eloperäiset turve-ja multamaat.
‘ Kaltevuus: alle 0.5%, 0.5 - 1.5%, 1.5 - 3%, 3 - 6% ja yli 6%.
• P-luku: alle 8 mg/l, 8-14 mg/l ja yli 14 mg/l.
Koekentät eroavat toisistaan kaltevuuden, P-luvun ja maalajin suhteen. Suurin osa koekentistä sijaitsee savimailla, yksi koekenttä on hietamaalla ja yksi eloperäisellä maalla. Koekentät eivät kata kaikkia ominaisuusluokkien yhdistelmiä, joten osa VIHMAn arvoista on laskennallisia. Esimerkiksi hiesumaiden kuormitusluvut on laskettu savimaiden luvuista. Puuttuvien kaltevuusluokkien kuormitusluvut on interpoloitu muiden kaltevuusluokkien lukujen perusteella. (Puustinen 2008).
Muokkaustavat perustuvat Puustisen ym. (2005) luokitteluun. Luokittelussa otetaan huomioon muokkauksen intensiteetti ja ajankohta. Kaikkien muokkaustapojen vaikutusta kuormitukseen on tutkittu Aurajoen koekentällä. Muilla koekentillä on mitattu useimpien muokkaustapojen vaikutuksia. Puuttuvat arvot on interpoloitu mitattujen arvojen pohjalta. (Puustinen 2008).
VIHMAn avulla voidaan arvioida myös suojavyöhykkeiden vaikutuksia kuormitukseen. Arvot perustuvat laskennalliseen malliin, jonka antamia tuloksia on verrattu kahdelta koekentältä saatuihin suojavyöhyketuloksiin. (Puustinen 2008).
4.3 Mallissa käytettyjen kosteikkojen tiedot
Mallikosteikoita varten käytettiin kolmesta kosteikosta mitattuja tietoja ja laajemman empiiriseen aineiston perusteella arvioituja funktioita. Flytträskin, Flovin ja Alastaron kosteikoilta mitattuja keskimääräisiä ravinnevähenemiä käytettiin suoraan kolmen mallikosteikon tietoina. Puustisen ym. (2007, s. 31) esittämien yhtälöiden pohjalta laskettiin useiden erilaisten mallikosteikoiden vaikutukset. Kustannukset arvioitiin ympäristötuen avulla. Esimerkkikosteikot on listattu liitteessä 3.
4.3.1 Flytträsk, Hovi ja Alastaro
Flytträskin kosteikko on erittäin suuri patoamalla toteutettu kosteikko. 60 hehtaarin suuruinen luonnontilaista muistuttava kosteikko on tehty nykyiseen muotoonsa 1980- luvulla ojitustoimenpiteiden avulla. Keski- ja matalan veden aikoina vesi virtaa kosteikon 5-8 metrin levyisiä ja 0,9-1,3 metrin syvyisiä uomia pitkin ja suuremmat virtaamat levittäytyvät koko kosteikkoalueelle. Kosteikon valuma-alueen pinta ala on 20 neliökilometriä ja peltoisuusprosentti on 35%. (Puustinen ym. 2007)
Hovin kosteikko on rakennettu vuonna 1998 patoamalla ja kaivamalla vanhaa peltomaata. Peltomaasta poistettiin noin 30 cm:n kerros ruokamultaa, jotta vältyttiin fosforin liukenemiselta vuosikymmeniä lannoitetusta maasta ja saatiin alapuolinen runsaasti rautaa ja alumiinia sisältävä maakerros esille. Hovin kosteikko on 0,6 hehtaarin kokoinen ja sen yläpuolinen valuma-alue on kooltaan 12 hehtaaria.
Kosteikko on siis suhteessa suuri (5%) valuma-alueeseensa nähden, minkä takia veden viipymä on pitkä. Valuma-alue on täysin viljelykäytössä ja sen keskikaltevuus on 2,8%. (Puustinen ym. 2007)
Alastaron kosteikko on toteutettu vuonna 1996 massiivikaivuulla ympäristötuen erityistukirahoituksella. Kosteikko koostuu kahdesta suunnilleen samankokoisesta osasta, joissa syvemmän keskisyvyys on tulva-aikaan n. 1,25 metriä ja matalampi osa on tiheän kasvillisuuden peitossa. Kosteikon yläpuolinen valuma-alue on tasainen ja pääosin (90%) viljelykäytössä. Kosteikon koko on 0,48 hehtaaria ja sen osuus valuma-alueesta on 0,5%. (Puustinen ym. 2007)
Esimerkkikosteikkojen mitatut ainepoistumat on esitetty alapuolisessa taulukossa.
Luvut kertovat kuormitusvähenemän kiloina kosteikkohehtaaria kohden ja poistuma- prosentin. Hovin luvut ovat yhden vuoden keskiarvoja, Alastaron ja Flytträskin luvut perustuvat kahden vuoden mittauksista laskettuun keskiarvoon.
Taulukko 4. Esimerkkikosteikoiden vuotuiset ainepoistumat (Koskiaho ym. 2003, s. 95-97)
Kosteikko Kiintoaine Kokonais fosfori
- Liukoinen
fosfori Kokonaistyppi
kg/ha % kg/ha % kg/ha % kg/ha %
Hovi 24300 68% 24 62 % 1,2 27% 280 36%
Alastaro 9400 18% 8,1 7% -4,7 -20 % -255 -6%
Flytträsk 755 12% 1,6 15% 0,15 8% 42 8%
Alastaron kosteikosta on lähtenyt enemmän liukoista fosforia ja typpeä kuin mitä sinne on tullut. Tämä saattaa johtua kosteikon runsaasta kasvillisuudesta, joka on imenyt ravinteita maaperästä (Koskiaho ym. 2003).
4.3.2 Laskennalliset mallikosteikot
Kosteikon ravinteiden pidättämiskykyyn vaikuttavat kosteikon suhde yläpuoliseen valuma-alueeseen ja yläpuolisen valuma-alueen peltoisuusprosentti. Suhteellisesti tehokkainta pidättyminen on, kun yläpuolinen valuma-alue on täysin peltoa ja kosteikon suhde valuma-alueeseen on kaikkein pienin. Laskennalliset mallikosteikot eroavat toisistaan kokonsa ja yläpuolisen valuma-alueen peltoisuusprosentin mukaan.
Kaikilla valuma-alueen koko on 100 hehtaaria. Kosteikkojen koot ovat 0.3 ha, 0.5 ha, 0.7 ha, 1 ha, 1.5 ha, 2 ha, 3 ha, 5 ha, 7 ha, 10 ha, 15 ha ja 20 ha. Käytetyt peltoisuus- prosentit ovat 30%, 50%, 70% ja 100%.
Ravinteiden poistuminen arvioitiin Puustisen ym. (2007, s. 31) esittämien yhtälöiden pohjalta. Yhtälöt on saatu pohjoismaisten ja USArlaisten kosteikoiden tietojen perusteella. Ravinnepoistumia on verrattu kosteikon pinta-alan suhteeseen valuma- alueeseen ja tehty partikkelifosforin osalta potenssisovitus pisteisiin ja muiden kuormitusten suhteen lineaarinen sovitus. Yhtälöt on esitetty seuraavan sivun kuvassa, y on ravinteiden poistumisprosentti ja x on kosteikon pinta-alan ja valuma- alueen suhde.
Ravinteiden pidättyminen kosteikkoon
---Partkkefctebri __ . . Ukonen tisbri . . . .Kokonaetyppi
Kosteikon koko suhteessa valuma-alueeseen [%]
Kuva 1. Ravinteiden pidättyminen kosteikkoon (Puustinen ym. 2007, s. 31)
Yhtälöistä saadaan absoluuttiset pidättymismäärät kertomalla ne yläpuolisen valuma- alueen pellon pinta-alalla ja keskimääräisellä kuormituksella. Tässä ei oteta kantaa siihen, minkälaisia ja miten muokattuja peltoja valuma-alueella on, vaan käytetään keskimääräistä kuormitusta. Lisäksi oletetaan kaiken kuormituksen tulevan maa
taloudesta, jotta voidaan arvioida kosteikkojen tehoa nimenomaan maatalouden vesistökuormituksen vähentämisessä. Keskimääräisinä kuormituslukuina käytettiin 0,77 kg/ha partikkelifosforia, 0,44 kg/ha liukoista fosforia ja 18,3 kg/ha typpeä.
Luku 5
Vesistökuormitusta vähentävien toimenpiteiden priorisointi ja lineaarinen optimointimalli
5.1 Mallin lähtöoletukset
Optimointimalli perustuu pääasiallisesti VIHMA-aineistoon. VIHMAsta saadaan eri toimenpiteiden vaikutukset vesistökuormitukseen ja mallissa käytettävät luokittelut, esimerkiksi kaltevuusluokat. Toimenpiteen kustannuksena on toimenpiteelle maksettavan maatalouden ympäristötuen määrä. Myös muunlaisia kustannuksia, esimerkiksi viljelijälle toimenpiteestä tai sadon menetyksestä koituvia kustannuksia olisi mahdollista käyttää. Tässä tarkastellaan kuitenkin ympäristötukea ohjaus
keinona, joten käytetään sitä kustannuksena.
Laskennan kannalta on huomattava, että malli pitää yhdenvertaisina toimenpiteitä, jotka alentavat kuormitusta yhtä paljon ja ovat kustannuksiltaan samanlaiset. Jos kaksi toimenpidettä ovat VIHMAn kannalta samanlaisia ja saavat lisäksi saman verran tukea, niitä tulee tarkastella yhdessä.
Mallissa oletetaan, että kaikki tilat ovat ympäristötukikelpoisia ja ympäristötuki kattaa koko peltoalan. Tämä vastaa todellisuutta melko hyvin, sillä noin 95 % pelto
alasta on ympäristötuen piirissä. Yksinkertaistuksen ansiosta ympäristötuen lisä
toimenpiteitä tai erityistoimenpiteitä voidaan kohdistaa mille tahansa peltoalalle.
Ympäristötuen perusosa ja lisätoimenpiteiden tuki maksetaan koko tilan hehtaarien mukaan, vaikka toimenpide kohdistuisikin vain osalle peltoalasta. Koska tässä mallissa ei tarkastella yksittäisiä tiloja ja halutaan tarkastella nimenomaan tukien kohdentumista erityyppisille pelloille, tukea ajatellaan maksettavan toimenpiteen peltoalan mukaan.
Viljelijä voi valita ympäristötuen lisätoimenpiteistä haluamansa. Tässä käytettävä malli ei ota huomioon yksittäisiä viljelijöitä tai maatiloja. Usean itsenäisen ja omaa
hyötyä maksimoivan päätöksentekijän sijasta malli olettaa kaikkien toimivan yhteisen päämäärän, eli vesistökuormituksen vähentämisen eteen. Tämä tarkoittaa sitä, että valittavaan muokkaustapaan vaikuttaa vain pellon ominaisuudet, ei yksittäisen viljelijän toimeentulo. Valuma-aluetasolla tukea jaetaan saman verran, mutta se jakautuu tilatasolla eri tavalla. Käytännössä viljelijät tekevät itsenäisesti päätöksensä, ja heillä on muitakin kriteereitä kuin koko alueen vesistökuormituksen minimointi.
Sen takia mallin antamien tulosten merkitystä ja toteuttamista tarkastellaan erikseen viljelijän näkökulmasta.
Jotkin lisätoimenpiteet saattavat sulkea muita pois tilatasolla. Esimerkiksi lisätoimen
piteet "peltojen talviaikainen kasvipeitteisyys tai kevennetty muokkaus" ja "peltojen tehostettu talviaikainen kasvipeitteisyys" ovat toisensa poissulkevia. Koska tarkastelutasona tässä työssä on valuma-alue eikä yksittäinen tila, optimoinnissa ei välitetä näistä rajoituksista.
Koska kaikkien tilojen oletetaan olevan mukana ympäristötukijärjestelmässä, voidaan tarkastella lisätoimenpiteitä ja erityistoimenpiteitä. Näistäkin tarkasteluun otetaan lähinnä muokkaukseen liittyvät toimenpiteet ja esimerkiksi lannoitus jätetään mallissa huomioimatta. Tämä tehdään osaksi sen takia, että VIHMA-aineistossa käsitellään vain muokkaustavan vaikutuksia pellolta tulevaan kuormitukseen. Lisäksi lannoitus
tasot ovat jo laskettu niin alas, ettei niihin voida käytännössä vaikuttaa samalla tavalla kuin muokkaustapoihin tai suojavyöhykkeiden ja kosteikkojen rakentamiseen.
5.2 Päätösmuuttujat
Päätösmuuttujina mallissa ovat pellon muokkaustapa ja rakennettavien kosteikkojen määrä. VIHMAn perusteella kuormituksen kannalta voidaan erotella seuraavat muokkaustoimenpiteet:
• Normaali syyskyntö
• Kultivointi syksyllä
• Sänkimuokkaus syksyllä
• Syysviljat
• Suorakylvö syksyllä
• Kultivointi tai sänkimuokkaus keväällä
• Suorakylvö keväällä
• Pysyvä nurmi
Näistä pysyvä nurmi ei tosiasiallisesti ole varsinainen muokkaustoimenpide, mutta
Suojavyöhykkeet perustetaan pellolle, joten ne voidaan rinnastaa muokkaus- toimenpiteisiin. Suojavyöhykettä ei ole mielekästä perustaa pellolle, jossa on pysyvä nurmi, joskin viljelykierron takia on täysin mahdollista, että jonain vuonna suoja
vyöhykkeen yläpuolella on nurmea. Viljelykierto jätetään kuitenkin huomioimatta.
Koska suojavyöhykkeen vaikutukset riippuvat yläpuolisesta pellosta, on tarpeen ottaa mukaan suojavyöhykevaihtoehto kullekin muokkaustavalle poislukien pysyvä nurmi.
Saadaan seuraavat toimenpiteet:
• Normaali syyskyntö ja suojavyöhyke
• Kultivointi syksyllä ja suojavyöhyke
• Sänkimuokkaus syksyllä ja suojavyöhyke
• Syysviljat ja suojavyöhyke
• Suorakylvö syksyllä ja suojavyöhyke
• Kultivointi tai sänkimuokkaus keväällä ja suojavyöhyke
• Suorakylvö keväällä ja suojavyöhyke
Suojavyöhykkeestä maksetaan tukea suojavyöhykkeen alan mukaan, mutta sen vaikutukset kohdistuvat suojavyöhykkeen yläpuoliselle pellolle. Vaikutukset suoja- vyöhykkeellisen pellon hehtaaria kohden saadaan suoraan VIHMAsta, mutta kustan
nuksissa täytyy yhdistää suojavyöhykkeen saama kustannus yläpuolisen pellon saamaan ympäristötukeen. Suojavyöhykkeelliselle pellolle voidaan kuitenkin laskea sen kustannukset ja vaikutukset kuormitukseen peltohehtaaria kohden, joten suoja
vyöhyke ja muokkaustapa yhdistelmät ovat mallin kannalta samanlaisia kuin muokkaustoimenpiteet. Merkitään pellolle kohdistuvan toimenpiteen pinta-alaa kullakin kaltevuusluokalla, P-luvullaja maalajilla 4'PM, jossa i viittaa edellä luetel
tuihin toimenpiteisiin, K kaltevuuslukuun, P P-lukuun ja M maalajiin. Mitään toimen
pidettä ei voi toteuttaa negatiivisen pinta-alan verran, joten xf'FM а О V/, K,P,M . Kosteikot perustetaan usein paikkaan, jossa ne eivät vie kovinkaan paljon peltoalaa.
Oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi, että ne eivät kuluta lainkaan peltoalaa, joten niitä voidaan tarkastella erillään muista toimenpiteistä. Otetaan malliin esimerkki- kosteikkoja, joiden vaikutukset ja ominaisuudet tiedetään. Malliin otettuja kosteikkoja ei ole välttämättä mahdollista perustaa tarkasteltavana olevalle valuma- alueelle, mutta niiden avulla voidaan arvioida kosteikkojen tehokkuutta suhteessa muihin toimenpiteisiin.
Kosteikoiden osalta tehdään kaksi erillistä tarkastelua. Ensimmäisessä lasketaan kosteikoiden osuus kokonaiskustannuksista, kun kosteikolta saa rakentaa niin paljon kuin alueelle mahtuu. Käytetään tähän tarkoitukseen vain yhtä kosteikkotyyppiä, joka edustaa keskimääräistä kosteikkoa. Tämän kosteikon tiedot on esitetty alla olevassa taulukossa
Taulukko 5. Mallissa käytetyn keskimääräisen kosteikon tiedot
Kosteikon pinta-ala
Yläpuolisen valuma-alueen Pinta-ala Peltoisuus%
Vähennys kg/ha
PP DRP TotN
Kosteikon saama ympäristötuki
1 ha 100 ha 50 8.93 1.83 95.80 850
Merkitään perustettavien keskimääräisten kosteikkojen lukumäärää muuttujalla y.
Koska kosteikkoa ei voida perustaa vain osittain, muuttujan tulee olla positiivinen kokonaisluku y (E N. Määritetään lisäksi kosteikoille maksimimäärä peltojen pinta- alan perusteella. Koska Aurajoella on peltoalaa on n. 30 000 ha, siellä voi olla enintään 600 valuma-aluetta, joiden pinta-ala on 100 ha ja peltoisuusprosentti 50, joten y s 600. Käytännössä luku on yläkanttiin, mutta toimii hyvin ylärajana.
Toisessa tarkastelussa lasketaan, mitkä kosteikkotyypit ovat kilpailukykyisiä pelto- toimenpiteiden kanssa. Malliin otettavat kosteikkotyypit ovat hovikosteikko, alastarokosteikko ja flytträskkosteikko sekä laskennalliset mallikosteikot. Näistä tiedetään vuotuiset ainepoistumat sekä pinta-alat, joista saadaan ympäristötuen mukaiset kustannukset.
Merkitään kosteikon perustamispäätöstä binaarimuuttujalla * 6 {0,1}, jossa j viittaa kosteikon tyyppiin. Lista kosteikoista on liitteessä 3. Muuttujan arvolla 0 kyseistä kosteikkotyyppiä ei rakenneta ja arvolla 1 rakennetaan.
5.3 Toimenpiteiden tukikustannukset
Ympäristötuen määrä ei ole kaikissa tapauksissa yksiselitteistä. Esimerkiksi suojavyöhykkeestä saatava reaalinen tuki voi vaihdella tapauskohtaisesti. Tuelle on kuitenkin määritelty maksimitasot. Tässä työssä käytetään näitä maksimitasoja.
Tällöin voidaan olla varmoja siitä, että toimenpiteet saadaan toteutettua annetulla budjetilla ja että mallin laskemat minimikustannukset eivät ole oikeasti suuremmat.
Perinteisin ja yleisin muokkaustapa on normaali syyskyntö. Se ei mahdollista muokkaukseen liittyviä lisätoimenpiteitä, joten sillä tavalla muokatun peltoalan voidaan ajatella saavan vain perustuen. Oletetaan lisäksi, että tilat ovat lähinnä kasvinviljelytiloja, jolloin tuki on 93€.
Ympäristötuen lisätoimenpide "Peltojen talviaikainen kasvipeitteisyys tai kevennetty muokkaus" edellyttää, että 30% tukikelpoisesta pinta-alasta on pidettävä kasvukauden ulkopuolella kasvien tai kasvijätteiden peittämänä tai hyväksytysti kevennetysti
syysviljat toteuttavat nämä ehdot. Lisätoimenpiteestä saatava tuki on ll€/ha, joten kokonaistueksi tulee 104€.
Lisätoimenpide "Peltojen talviaikainen kasvipeitteisyys" edellyttää, että vähintään 30% pinta-alasta on pidettävä kasvuston tai sängen peittämänä kasvukauden ulkopuolella. "Peltojen tehostettu talviaikainen kasvipeitteisyys" -lisätoimenpiteen edellyttämä pinta-ala on 50%, muuten ehdot ovat samat (Maaseutuvirasto 2007b).
Kultivointi ja sänkimuokkaus keväällä samoin kuin suorakylvö täyttävät nämä ehdot.
Lisätoimenpiteestä maksetaan 30€/ha tai tehostetusta versiosta 45€/ha. Lasketaan suuremman tuen mukaan, koska mallin tapauksessa tukeen kuuluvasta pinta-alasta 100% on kasvipeitteisenä kasvukauden ulkopuolella. Kokonaistueksi saadaan 138€/ha.
Maatilan peltojen pinta-alasta vähintään puolet on oltava nurmikasvien viljelyssä vuosittain, jotta voidaan valita lisätoimenpide "Laajaperäinen nurmituotanto". Lisäksi nurmien lannoittamiseen käytettävän typen sallittu määrä on tiukempi. Toimenpiteen voi valita ainoastaan kotieläintila, joten käytetään tässä tapauksessa perustukena 107
€/ha. Hahmotelluista toimenpiteistä pysyvä nurmi täyttää nämä ehdot. Lisätoimen
piteestä maksetaan 55 €/ha ja kokonaistueksi tulee 162€/ha.
Suojavyöhykkeen perustaminen on erityistoimenpide ("Suojavyöhykkeiden perus
taminen ja hoito"), josta maksetaan enintään 450€/ha. Suojavyöhykkeen alalta ei makseta muuta ympäristötukea. Sen yläpuolinen peltolohko saa kuitenkin normaalin ympäristötuen. Jotta suojavyöhykkeellisen pellon tuki per hehtaari saadaan laskettua, suojavyöhykkeen ja sen yläpuolisen peltolohkon tuet täytyy yhdistää.
Oletetaan että suojavyöhyke perustetaan 2,2 ha peltolohkolle, jonka vesistöön rajoittuvan sivun pituus on 120 metriä. Tämä vastaa keskimääräistä peltolohkoa.
Suojavyöhykkeen leveys on 15 metriä, joten sen alaksi saadaan 0,18 ha. Tämä osa peltolohkosta saa suojavyöhykkeen tuen 450€/ha ja loppuosa pellosta saa ympäristö
tukea muokkaustavasta riippuen. Laskemalla nämä tuet yhteen ja jakamalla pelto
lohkon alalla saadaan suoj avy öhykkeellisen pellon ympäristötuen suuruudelle arvio.
Merkitään pellolle kohdistuvan toimenpiteen kustannusta c\, jossa alaindeksi i viittaa toimenpiteeseen. Toimenpiteiden saamat tukimäärä eli mallin kannalta kustannukset on esitetty kuvassa 2.
Peltotoimenpiteiden kustannukset
93 104 122 132 138 162 164
Tukimäärä, €
Kuva 2. Peltoon kohdistuvien toimenpiteiden kustannukset
Monivaikutteisen kosteikon hoitoon on mahdollista saada erityistukea 450 €/ha.
Lisäksi kosteikon perustamiseen on mahdollista saada ei-tuotannollisten investointien tukea enintään 4000€/kosteikko ha. Jaetaan investointi kymmenen vuoden ajalle, jolloin kosteikon tueksi saadaan 850€/ha. Lasketaan tämän avulla eri
kosteikkotyyppien kustannukset.
Flytträskkosteikko on pinta-alaltaan sen verran suuri, että tuki nousisi epäuskottavalle tasolle. Lisäksi kosteikko on perustettu patoamalla valmiiksi soveliaaseen alueeseen, eli perustuskustannukset ovat olleet pienet verrattuna kokoon. Arvioidaan perustamis
kustannuksiksi 5000 € ja vuotuisiksi hoitokustannuksiksi 3000 €. Jakamalla investointi kymmenelle vuodelle ja lisäämällä hoitotuki saadaan vuotuiseksi tueksi 3500 €.
Merkitään kosteikon kustannusta c), jossa alaindeksi j viittaa kosteikkotyyppiin.
Kosteikkojen kustannukset on esitetty liitteessä 3.
5.4 Toimenpiteiden vaikutukset
VI HM An aineistosta saadaan selville, kuinka paljon eri muokkaustavoilla erityyppisistä pelloista valuu kiintoainesta, partikkelifosforia, liukoista fosforia ja typpeä. Kuormitus voi riippua kaltevuudesta, P-luvusta ja maalajista. Partikkeli-
Suojavyöhykkeiden vaikutus riippuu sen yläpuolisen pellon muokkaustavasta.
Intensiivisesti muokatulta pellolta valuu enemmän kiintoainesta ja suojavyöhyke pidättää sitä enemmän. Suojavyöhykkeen vaikutukset ovat hehtaarikohtaisia olettamalla, että suojavyöhyke perustetaan 2,2 hehtaarin peltolohkolle ja on pituudeltaan 120 metriä ja leveydeltään 15 metriä. Kuormitus on tämän jälkeen suhteutettu koko pinta-alaa kohden. Merkitään partikkelifosforin kuormitusta eri toimenpiteiden pelloilla a*™, liukoisen fosforin osalta " ja typen osalta
aTMNjj • Kokonaisfosforin kuormitusta voidaan arvioida laskemalla partikkelifosfori
ja liukoinen fosfori yhteen: .
Kosteikon vaikutus riippuu sen koosta verrattuna yläpuoliseen valuma-alueeseen ja siitä, kuinka paljon peltoa sen yläpuolisella valuma-alueella on. Hovikosteikosta, alastarokosteikosta ja flytträskkosteikosta on saatavilla suoraan tieto niiden kuormitusta vähentävästä vaikutuksesta kosteikkohehtaaria kohti (Taulukko 4).
Kertomalla nämä luvut kosteikon pinta-alalla, saadaan alla olevan taulukon kuormitusvähennykset tai alastarokosteikon kohdalla mahdolliset lisäkuormitukset.
P-luku ja maalaji ja typpikuormitukseen vaikuttaa ainoastaan maalaji. Pelloilta tuleva kuormitus eri muokkaustavoilla saadaan VIHMA-aineistosta.
Taulukko 6. Kuormituksen väheneminen esimerkkikosteikoissa
Kosteikko Kokonaisfosfori kg
Liukoinen fosfori kg
Kokonaistyppi kg
Hovikosteikko 14,4 0,72 168
Alastarokosteikko 3,89 -2,26 -122,16
Flytträskkosteikko 96 18 2520
Laskennallisille kosteikoilla täytyy käyttää laskennallista vähennysarvoa. Veden ravinnepitoisuus vaihtelee vuoden mittaan, mikä vaikuttaa kosteikon tehoon.
Käytetään keskimääräistä kuormitusta referenssitasona. Kaikkien kosteikkotyyppien vaikutukset vesistökuormitukseen on esitetty liitteessä 3.
Merkitään kosteikkojen kuormituksen muutosta app,kj partikkelifosforin tapauksessa, aim,k,j liukoisen fosforin tapauksessa ja ат<яы,кj typen tapauksessa. Lasketaan kokonaisfosforin muutos liukoisen ja partikkelifosforin muutosten summana:
aTolP,k,j = aPP,k,j + QDRPJcJ ■
5.5 Kohdefunktio
Kohdefunktioksi on kolme ehdokastyyppiä, riippuen halutusta tarkastelusta.
Optimoinnissa voidaan
1) minimoida kustannuksia, kun rajoituksena on kuormituksen tavoitetaso kullekin kuormitukselle,
2) minimoida yksittäistä kuormittavaa tekijää,
3) minimoida kokonaiskuormitusta, kun käytettävissä on määrätty budjetti.
Ensimmäisessä tapauksessa määritetään kullekin kuormitukselle haluttu tavoitetasoja asetetaan ne rajoituksiksi. Kohdefunktiona on toimenpiteiden saaman ympäristötuen summa, joka halutaan minimoida:
min +ckyy tai
41 " ¡.K,PM
Toisessa tapauksessa minimoidaan jotain kuormituksista, esimerkiksi partikkeli- fosforia:
min +W -ai +2<.„лЛ.
Rajoituksena toimii käytettävissä oleva ympäristötuki ja muiden kuormitusten tavoitetasot.
Kolmannessa tapauksessa pyritään saamaan eri kuormitukset jollain tavalla yhteis
mitallisiksi. Tällöin tulisi määrittää esimerkiksi kuinka paljon fosforia tulisi vähentää, jotta vaikutus olisi sama kuin typpikilon vähentämisellä. Tähän on kehitetty useita menetelmiä, mutta pitäydytään tässä työssä yksittäisten kuormitusten tarkastelussa ja otetaan niiden yhteisvaikutukset vasta tuloksia tarkastellessa huomioon.
5.6 Rajoitteet
Alkutilanteen peltoala on jakautunut tietyllä tavalla. Oletetaan, että peltojen kaltevuudet, maalajit tai P-luvut pysyvät samoina. Määritellään rajoitukset
2
л|YK,P.M VK,P,M,missä x, on alkutilanteen pinta-ala pellolle, jolle tehdään toimenpide i ja jonka kaltevuus on K, P-luku P ja maalaji M. Mallissa voidaan peltojen osalta muuttaa vain
Jos muita rajoitteita ei määritetä, malli ratkaisee minimoitavan kriteerin teoreettisen minimin. Esimerkiksi partikkelifosforia minimoitaessa tuloksena on pienin partikkeli- fosforikuormitus, johon voidaan päästä, jos kustannukset ja muut kuormitukset saavat kasvaa vapaasti. Tuloksen avulla voidaan arvioida vähentämistavoitteiden realistisuutta, eli onko joihinkin asetettuihin tavoitteisiin ylipäänsä mahdollista päästä.
Jotta saadaan toteuttamiskelpoisempia tuloksia, voidaan rajoittaa kustannus lähtö
tilanteen tasolle. Tällöin voidaan tarkastella, onko kuormitusta mahdollista vähentää lähtötilanteesta lisäämättä kustannuksia, ja millä toimenpiteillä se tapahtuu. Olkoon lähtötilanteen kustannustaso H. Tällöin rajoitus on
KJ>M + c'y s H tai s«#"'
¡.“M j
sH.
Yhtä kuormitustyyppiä minimoitaessa muut saattavat nousta. Esimerkiksi partikkeli- fosforikuormituksen vähentäminen usein nostaa liukoisen fosforin kuormitusta.
Lisäksi kustannuksia minimoitaessa on tarpeen asettaa kuormituksille maksimitaso, jotta saadaan käyttökelpoisia tuloksia. Maksimitasona voidaan käyttää lähtötilanteen tasoa, jolloin tuloksista voidaan arvioida, kuinka paljon ja miten yhtä kuormitus- tyyppiä tai kustannusta saadaan vähennettyä ilman että tilanne huononee muun kuormituksen suhteen. Toinen mahdollisuus on pyrkiä vähentämään kuormitusta nykyiseltä tasolta. Tällöin maksimitasona voidaan pitää valtioneuvoston periaate
päätöksen mukaista 30%:n vesistökuormituksen vähenemää vuosien 2001-2005 tasosta (Ympäristöministeriö 2007). Kuormituksen muutos saadaan laskemalla toimenpiteiden vaikutukset yhteen. Olkoon kuormituksen tavoitetasot PPmax, DRPmax
PotPmax ja TotNmax. Esimerkiksi useiden kosteikkotyyppien tapauksessa rajoitukset ovat
2-
2"
ÍJK.PM
K.PM KJ>.M pp.tj
KJ>,M K,P,M DRPjjX¡
' K,P,M KJ>,M , “TolPjj-X- i
LK.P.M
+2app*jZjs pp-
j
+ ^aDRPJ¡,jZj 5 DPP,
j
+ '2aTo,p*jZj*TotPn
V nKJ>M KJ>,M
/j uTol\j,ixi
Í.K.PM
'^‘bo.Nt.jZj S PotNl
Käytännössä muokkauskäytäntöjä ei saada muutettua mallin antamien tulosten mukaisiksi saman tien. Maltillisempi ratkaisu saadaan rajoittamalla toimenpiteiden muuttumista. Oletetaan, että alkutilanteen muokkaustapojen kokonaisalat saavat muuttua enintään p% peltojen kokonaispinta-alasta. Muokkaustavat saavat kuitenkin
