NÄKYVÄTKÖ ILMASTONMUUTOKSEN VAIKUTUKSET POHJOIS-KARJALAN VESISTÖJEN VEDENLAADUSSA?
TOMI HUUSKO
Pro gradu -tutkielma Itä-Suomen yliopisto Ympäristö- ja biotieteiden laitos
Biologia 2017
ITÄ-SUOMEN YLIOPISTO
Ympäristö- ja biotieteiden laitos, biologia
HUUSKO, TOMI: Näkyvätkö ilmastonmuutoksen vaikutukset Pohjois-Karjalan vesistöjen vedenlaadussa?
Pro gradu -tutkielma, 32 s., liitteitä 2 Helmikuu 2017
--- Suomessa ilmastonmuutos on todennäköisesti vaikuttanut vesistöjen olosuhteisiin erityisesti lämpenevän ilman ja lisääntyneiden sateiden myötä. Ilmaston muutokset vaikuttavat vesistöjen fysikaalis-kemiallisten muuttujien arvoihin. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on kartoittaa mahdollisesti ilmastonmuutokseen liittyviä muutoksia veden laadussa Pohjois- Karjalassa.
Tutkimukseen valittiin Suomen ympäristökeskuksen pitkäaikaisseurantojen 10 mittauspistettä Pohjois-Karjalan alueelta. Mittauspisteistä jokia oli kolme ja järviä seitsemän.
Ihmisen suora vaikutus vesistöihin täytyi olla mahdollisimman vähäinen. Näistä mittauspisteistä tutkittiin 13 fysikaalis-kemiallista muuttujaa vuosilta 1960–2016. Talven ja kesän arvoja tarkasteltiin erikseen. Näiden muuttujien vaihtelua verrattiin Ilmatieteen laitoksen avoimen datan tietoihin ilman lämpötilan ja sädemäärän muutoksista korrelaation avulla. Lisäksi tutkittiin, olivatko muutokset samanaikaisia vesistöjen välillä.
Tuloksista on havaittavissa yhteyksiä ilman lämpötilan ja sademäärän muutoksien mahdollisista vaikutuksista muuttujiin. Ilman lämpötila on kohonnut keskimäärin noin 0,03 °C ja sadesumma noin 1,8 mm vuodessa 1960-luvun alusta lähtien. Ilman lämpötila korreloi voimakkaimmin kesällä positiivisesti veden lämpötilan ja alkaliniteetin kanssa sekä talvella positiivisesti veden lämpötilan ja korkeuden kanssa. Sademäärän lisääntyminen on selkeimmin yhteydessä kohonneisiin veden korkeuden ja väriluvun arvoihin. Vesistöjen välillä korrelaatiot ja samanaikaiset muutokset ovat voimakkaimpia erityisesti alkaliniteetin ja veden korkeuden välillä. Kesällä samanaikaiset muutokset olivat selkeämmin havaittavissa vesistöjen välillä kuin talvella. Lisäksi on havaittavissa selkeitä merkkejä väriluvun kasvusta ja toisaalta kokonaisfosfori pitoisuuden laskusta vesistöissä.
Tulosten perusteella voidaan havaita vesistöjen fysikaalis-kemiallisissa tekijöissä muutoksia, jotka ovat samanaikaisia ilman lämpötilan ja sademäärän muutosten kanssa.
Ilmasto-olosuhteiden muutokset ovat todennäköisesti vaikuttaneet muuttujiin, mutta lisäksi ihmisten paikallisella tasolla toteuttamat toimenpiteet, esim. maanmuokkaus, voivat olla siihen syynä. Lisäksi Euroopassa on laadittu ilmanlaadun säädöksiä, jotka ovat vähentäneet happamien päästöjen ja laskeumien määriä. Vähentyneet happamat päästöt muun muassa voivat nostaa vesistöjen pH:ta. Lisää tutkimuksia ilmastonmuutoksen vaikutuksista Suomen vesistöihin tulisi tehdä, jotta pystyttäisiin varautumaan ja ennustamaan vaikutuksia vesiekosysteemeihin ja niiden kautta ihmisten elämään.
UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND
Department of Environmental and Biological Sciences, biology
HUUSKO, TOMI: Are the effects of climate change noticeable on the quality of waterbodies in North Karelia?
MSc. Thesis, 32 pp., Appendices 2 February 2017
--- Climate change related increases in air temperature and precipitation may have affected the limnology of Finnish lakes. Changes in climate affect the physical and chemical properties of the water bodies. The aim of this thesis was to investigate the possible changes in water quality in North Karelian waterbodies.
For this research 10 measuring points were chosen from Finnish Environment Institute long-term monitoring system from the region of North Karelia. Three of the measurement points were rivers and seven were lakes. Such waterbodies were chosen, where direct human effects were minimal. Thirteen variables measured during the years 1960–2013 were examined. Winter and summer variables were examined separately. Changes in these variables were compared to Finnish Meteorological Institute’s open data of air temperature and rainfall changes by using correlation. In addition, correlation strength between bodies of water was examined.
The results indicated possible links between changes in these variables and the changes in air temperature and precipitation. Both average air temperature and rainfall have risen in the North Karelian region. Air temperature has risen about 0,03 °C and rainfall 1,8 mm yearly from the early 1960s. Air temperature correlated most strongly positively with water temperature and alkalinity in summer as well as positively with water temperature and the water level water in winter. Increased rainfall is mostly connected with increased water levels and water colour values. Correlations and concurrent changes between bodies of water were most significant particularly with alkalinity and increased water levels. Correlation strengths were more significant in the summer than in the winter. Furthermore, there were noticeable signs of increased water colour values and on the other hand of decreases in total phosphorus in the waterbodies.
The results indicate changes in physical and chemical variables that were concurrent with air temperature and rainfall changes. Fluctuations in climate conditions possibly affected the variables but in addition local human impacts might have affected the results. Furthermore, European air quality regulations have resulted in decreased acid emissions and fallout. These reductions presumably resulted elevated pH levels of waterbodies. More studies are needed on the effects of climate change on Finnish waterbodies in order to predict its effects on aquatic ecosystems.
SISÄLLYSLUETTELO
1 JOHDANTO ... 2
2 VESISTÖT ... 3
2.1 Suomen vesistöt ... 4
2.2 Pohjois-Karjalan vesistöt ... 5
3 ILMASTONMUUTOS ... 6
3.1 Lämpötila ja sademäärä Pohjois-Karjalassa ... 9
4 TUTKIMUKSEN TAVOITTEET JA HYPOTEESIT ... 11
5 AINEISTO JA MENETELMÄT ... 12
5.1 Tutkimusalue ... 12
5.2 Aineiston keruu ja käsittely ... 15
6 TULOKSET ... 16
6.1 Vedenlaatu vesistöissä ... 16
6.2 Kesän arvot ... 18
6.3 Talven arvot ... 22
7 TULOSTEN TARKASTELU ... 26
8 JOHTOPÄÄTÖKSET ... 29
KIITOKSET ... 30
LÄHDELUETTELO ... 30 LIITTEET
2 1 JOHDANTO
Vesi on elämän perusta maapallolla (Kegley & Andrews 1998). Se toimii aineiden kuljettajana sekä elinympäristönä monille eliöille. Vesi reagoi helposti muiden aineiden kanssa ja se on erinomainen liuotin. Lisäksi vesi on osallisena suurimmassa osassa maalla tapahtuvista reaktioista, joilla on suuri merkitys aineiden kiertoon. Maanpinnalla sijaitseva vesi sisältää erilaisia yhdisteitä, jotka voivat olla veteen liuenneina tai erikokoisina partikkeleina (Essington 2004). Päälähde näille yhdisteille on kallio- sekä maaperä, joista liukenee partikkeleita sekä ioneja vesistöihin. Vedessä on luonnostaan erilaisia orgaanisia ja epäorgaanisia aineita, mm. hiili, rauta, kalsium ja magnesium, mutta vesistöihin päätyy ihmisen päästöjen myötä eliöille haitallisiakin yhdisteitä, esim. rikkihappoa.
Ilmastonmuutos on yksi pahimmista vaaroista ekosysteemeille maapallolla, koska se uhkaa monen lajin säilymistä muuttamalla ja hävittämällä niiden elinympäristöjä (Rosenzweig ym.
2007). Ilmastonmuutoksen aiheuttaa kasvihuoneilmiön voimistuminen ja tämä muuttaa olosuhteita globaalisti (Jylhä ym. 2009). Muuttuva ilmasto vaikuttaa myös Suomen luontoon, erityisesti vesistöihin, ja ihmisten elämään. Muuttuva ilmasto aiheuttaa biologisia, kemiallisia ja fyysisiä muutoksia luonnossa (Adrian ym. 2009). Ilmastonmuutoksen vaikutusten havainnointi ja mahdollinen ennustaminen auttavat varautumaan ja sopeutumaan muutoksen tuomiin ilmiöihin (Jylhä ym. 2009). Ilmastonmuutoksen vaikutusten havainnointi on haasteellista, koska mahdolliset muutokset voivat aiheutua myös muista tekijöistä ja seuraamukset voivat olla moniulotteisia (Adrian ym. 2009). Biologisten seuraamusten ennustaminen ja havainnointi ovat erityisen vaikeaa, koska biologiassa yleensä havainnoidaan välittömiä ja paikallisia vaikutuksia pitkäaikaisten ennusteiden sijaan (Parmesan & Yohe 2003). Selkeitä havaintoja on kuitenkin tehty ilmastonmuutoksen vaikutuksista eloperäisiin systeemeihin muun muassa aikaistuneen kevään ja lyhentyneen talven myötä.
Akvaattiset ekosysteemit ovat erittäin herkkiä luonnonolosuhteiden muutoksille (Williamson ym. 2008). Muutokset valuma-alueiden olosuhteissa vaikuttavat voimakkaasti vesistöihin ja virtaavien vesien kautta tapahtuneet muutokset vaikuttavat alajuoksun vesistöihin. Vesistöt kuljettavat ja säilövät ravinteita sekä energiaa. Lisäksi sisävedet tarjoavat ekosysteemipalveluja ihmisille, kuten juomavettä kuluttajille ja vettä teollisuuden käyttöön.
Muuttuneen ilmaston vaikutukset ovat havaittavissa vesistöissä globaalisti (Adrian ym.
2009). Vesistöt, erityisesti järvet, ovat hyviä ilmastonmuutoksen vaikutusten havainnollistajia, koska järvet ovat herkkiä olosuhteiden muutoksille ja mahdolliset muutokset näkyvät niissä
3
nopeasti. Lisäksi tieto mahdollisista muutoksista jää järven sedimentteihin ja järviä on myös tutkittu runsaasti, jolloin muutoksia on helppo vertailla. Järviä sijaitsee ympäri maapalloa, joten ilmastonmuutosten vaikutuksia voidaan rinnastaa eri alueilla. Sisävesien tarkastelu auttaa ymmärtämään ihmisten vaikutusta akvaattisiin ekosysteemeihin ja muutosten merkitystä vesistöjen olosuhteisiin.
Suomessa on havaittu muuttuneen ilmaston vaikutuksia vesistöjenolosuhteissa, kuten vesistöjen lämpötilassa ja happipitoisuudessa (Järvinen ym. 2002). Kohoavat lämpötilat ja lisääntyvä sade vaikuttavat järvien yhdisteisiin, koska nämä tekijät ovat osallisena valuma- alueiden biologisiin prosesseihin, jolloin vesitöihin päätyvien aineiden pitoisuudet muuttuvat.
Tämän lisäksi Pohjois-Atlantin oskillaatio (North Atlantic Oscillation, NAO) voi vaikuttaa vahvasti vesistöjen olosuhteisiin etenkin talvella. NAO-indeksi ilmaisee Pohjois-Atlantilla tapahtuvan ilmanpaineen vaihtelun muutosta (NCEI 2016). Positiivisen indeksin aikaan Pohjois-Euroopassa lämpötilat ja sademäärät voivat olla suuremmat ja negatiivisen indeksin aikaan päinvastoin. Syksyn sääolosuhteilla on merkittävä vaikutus seuraavan kevään ja kesän vesistöjen limnologiaan (Järvinen ym. 2002). Myös jääpeite vaikuttaa aineiden kulkeutumiseen vesistöihin. Koska lämpimät olosuhteet lyhentävät jäiden kestoa, järvien vedenlaatu muuttuu.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää: onko Pohjois-Karjalan vesistöissä havaittavissa ilmastonmuutokseen liittyviä muutoksia ja miten mahdolliset muutokset näkyvät. Tulosten avulla voidaan suunnitella mahdollisia toimenpiteitä ilmastonmuutoksen tuomien vaikutusten sopeutumiseen ja ennustamiseen.
2 VESISTÖT
Vesi on elämän ehto ja vallitseva kemiallinen yhdiste organismeissa (Wetzel 2001: 1–7).
Maapallon pinta-alasta 71 % on veden peittämää. Lähes kaikki tästä vedestä on merissä ja jäätikköinä napa-alueilla. Vain murto-osa vedestä on sisämaan vesistöissä, mutta sen merkitys ihmisille ja eläimille on merkittävä. Maapallon makeaa vettä voidaan lisätä huonosti, koska mm. suolaisen veden muuttaminen makeaksi on kallista ja hankalaa. Näin ollen makean veden varannot ovat tärkeitä sekä ihmisille että eläimille.
Maapallon noin 117 miljoonaa järveä peittävät noin 3,7 % maapallon jäätiköttömästä pinta-alasta (Verpoorter ym. 2014). Isot ja keskikokoiset järvet, joiden pinta-ala ylittää 10 km2, muodostavat järvien pinta-alasta suurimman osan. Noin 40 % maapallon makeasta vedestä on isoissa järvissä (Wetzel 2001: 15–18). Suurin osa pienistä järvistä sijaitsee
4
lauhkean ja subarktisen vyöhykkeiden alueilla pohjoisella pallonpuoliskolla. Pienten järvien vaikutus maapallolle on kuitenkin suurempi kuin isojen tai keskikokoisten, koska pienet järvet vaikuttavat merkittävästi aineiden kiertoon, biodiversiteettiin ja tuotantoon (Verpoorter ym.
2014). Pienten järvien alueilla tapahtuu paljon primäärituotantoa, mikä mahdollistaa selkärangattomien ja kalojen runsaan määrän näissä vesistöissä. Joet ja purot ovat tärkeitä sisämaan vesistöille, vaikka vain 0,0001 % maapallon vesistä on virtaavissa vesistöissä (Wetzel 2001: 15–18). Niiden kautta vedet kulkeutuvat vesistöistä toiseen ja valuma-alueiden vedet päätyvät lopulta suurempaan vesistöön. Virtaavat vedet eroavat muista vesistöistä painovoiman aiheuttaman liikkeen myötä ja veden vaihtuvuus on niissä nopeaa. Virtaus vaikuttaa maan muotoihin, sedimentteihin ja veden organismeihin. Ihmiset hyödyntävät sisävesistöjä mm. veden lähteenä, kalastuksessa, maanviljelyssä, teollisuudessa ja sähköntuotannossa (Frumin 2003).
2.1 Suomen vesistöt
Suomen järvet sijaitsevat boreaalisella vyöhykkeellä maapallon pohjoisosassa (Reece ym.
2011: 1201). Boreaalisella vyöhykkeellä ilman vuosittainen keskilämpötila on 3–6 °C välillä ja lämpötila vaihtelee kesän ja talven aikana runsaasti (Wieder & Vitt 2006, Reece ym. 2011:
1201). Kylmäkausi, jolloin päivittäinen keskilämpötila on alle 10 °C, kestää vyöhykkeellä 6–8 kuukautta. Vuosittainen sadanta vaihtelee 300–700 mm välillä (Reece ym. 2011: 1201).
Boreaalisen vyöhykkeen kasvillisuus on havupuuvaltaista ja eliölajisto on suppeaa verrattuna tropiikin lajistoon (Wieder & Vitt 2006). Vyöhykkeen metsät kattavat kolmanneksen maailman metsien pinta-alasta ja alueen ekosysteemit ovat tärkeitä pohjoisille lajeille ja ihmisten toiminnalle.
Suomessa on noin 188 000 järveä ja lampea, joiden pinta-ala on vähintään 500 m2 (Raatikainen & Kuusisto 1988). Suomessa on vain kolme suurjärveä: Saimaa, Päijänne ja Inari, joiden pinta-ala ylittää 1000 km2. Noin 99 % järvistä on alle neliökilometrin kokoisia.
Valtaosa järvistä sijaitsee 70–150 metrin korkeudella merenpinnasta ja suuri osa järvialtaista on muodostunut jäätiköitymisen jättämiin painaumiin (Lappalainen 1998). Mannerjäätikön kulkusuunta on vaikuttanut Suomen järvien muotoon: järvet ovat kapeita, pitkiä ja luode- kaakkosuuntaisia. Järvillä on runsaasti rantaviivaa, mitä muodostuu kapean muodon ja useiden saarien myötä. Veden ja maan väliin muodostuva raja-alue on luonnon monimuotoisuudelle merkittävä alue.
5
Suomen järvet ovat pääosin matalia ja väriltään tummia (Lappalainen 1998, Rantakari ym.
2004). Monissa järvissä keskisyvyys on alle kaksi metriä, mutta suurten vesistöjen syvyys nostaa keskisyvyyden seitsemään metriin (Lappalainen 1998). Järvistä 70 % on syvyydeltään alle 10 metriä. Tumman värin aiheuttavat mahdolliset korkeat orgaanisen hiilen (TOC) tai raudan pitoisuudet (Rantakari ym. 2004). Typpi- ja fosfori-ravinteet kulkeutuvat valtaosin metsistä orgaanisessa muodossa vesistöihin. Lisäksi maataloudesta kulkeutuu runsaasti ravinteita vesistöihin. Suomen vesistöistä noin 66 % on tyypiltään karuja ja noin 10 % runsasravinteisia (Lappalainen 1998). Suomessa humuspitoiset vesistöt ovat yleisiä, koska valuma-alueilla sijaitsee runsaasti soita ja metsiä. Orgaanisen hiilen pitoisuudet (TOC) ovat kohonneet vesistöissä lisääntyneiden sateiden ja nousseen lämpötilan myötä Suomessa 1960- luvun alusta lähtien (Lepistö ym. 2014). Orgaanisen hiilen pitoisuudet kohoavat, koska valuma-alueilta, erityisesti soilta, vapautuu muuttuvien olosuhteiden myötä eloperäistä ainesta (Freeman ym. 2001). Orgaanisen hiilen lisääntymiseen on myös vaikuttanut happamoitumisen vähentyminen Euroopan alueella (Evans ym. 2005). Orgaanisen hiilen määrä näyttäisi nousevan, kun vesistön pH kasvaa happamoitumisesta toipumisen myötä.
Järvien happamoituminen on pysähtynyt ja vesistöjen pH-arvot ovat nousemassa, koska rikkipäästöt ovat vähentyneet (Schöpp ym. 2003, Vuorenmaa 2007). 1950-luvulta lähtien Euroopan rikkipäästöt lisääntyivät voimakkaasti ja 1970-luvun lopussa päästöt olivat 60 miljoonaa tonnia vuodessa (Schöpp ym. 2003). Kansainvälisten sopimusten myötä rikkipäästöjä aloitettiin rajoittamaan ja ne kääntyivät laskuun 1970-luvun jälkeen. Päästöt ovat vähentyneet viimeiset 30 vuotta. 1980- ja 2000-luvun aikana päästöt vähenivät 67 % ja 2000-luvun jälkeen päästöt ovat vähentyneet 48 %. Vuonna 1995 Suomen rikkilaskeumista 89 % on tullut rajojen ulkopuolelta tuulien mukana Keski- ja Itä-Euroopasta, mutta näidenkin päästöjen määrät ovat vähentyneet huomattavasti (Vuorenmaa 2007). Rikkipäästöjä pyritään vähentämään Euroopassa 66 % vuoden 1990-tasosta vuoteen 2030 mennessä (Schöpp ym.
2003). Vesistöt ovat alkaneet palautua happamoitumisesta ja niiden ekologinen tila on parantunut.
2.2 Pohjois-Karjalan vesistöt
Pohjois-Karjalan pinta-alasta noin 20 % on veden peittämää (Mononen ym. 2016). Pohjois- Karjalan eteläisessä osassa vesistöt ovat kohtalaisen kirkasvetisiä, suuria ja karuja. Soiden osuus eteläisessä osassa on vähäinen, mutta pohjoista ja itää kohti suot yleistyvät. Siellä vesistöt ovat soiden vaikutusten myötä lievästi reheviä ja sisältävät runsaasti humusta. Suurin
6
osa alueen vesistöistä on erityyppisiä humusvesiä. Noin kolmannes Pohjois-Karjalaan tulevasta vedestä tulee Venäjän puolelta. Yhteensä valuma-aluetta on noin 31 000 km2. Suurin osa Pohjois-Karjalan vesistöistä kuuluvat Vuoksen vesistöön.
Alueen suurimmat järvet ovat Höytiäinen, Koitere, Karjalan Pyhäjärvi, Pielinen ja Oriveden-Pyhäselän selkävesistöt (Mononen ym. 2016). Suurin joki on Pielisjoki, josta Koitajoen ja Pielisen vedet virtaavat Pyhäselkään. Pohjois-Karjalasta vedet kulkeutuvat pääosin Paasivedestä Haukiveteen ja sieltä Ala-Saimaan kautta Vuokseen. Vaikka Pohjois- Karjalasta löytyy suuria järviä, pääsääntöisesti alueen järvet ovat pieniä – pinta-ala on alle 50 hehtaaria. Niiden osuus pintavesien pinta-alasta on alle 10 %.
3 ILMASTONMUUTOS
Maapallon ilmasto on muuttunut selkeästi ja nopeasti vuodesta 1950 lähtien (IPCC 2014).
Kasvihuoneilmiö vaikuttaa maapallon lämpötilaan ja mahdollistaa elämän maapallolla.
Ilmakehä päästää näkyvää valoa läpi ja kasvihuoneilmiö estää maanpinnasta heijastunutta lämpösäteilyä haihtumasta takaisin avaruuteen. Jos kasvihuoneilmiötä ei olisi, maapallon keskilämpötila olisi +15 °C sijaan -18 °C, jolloin valtameret olisivat jäässä (Kolström ym.
2007). Ihmisen toiminnan vapauttamat kasvihuonekaasut voimistavat kasvihuoneilmiötä, joka muuttaa maapallon olosuhteita. Esimerkiksi ilmakehä ja meret ovat lämmenneet, jään ja lumen määrät ovat vähentyneet ja meriveden pinta on noussut.
Kasvihuoneilmiötä vahvistaa kasvihuonekaasujen määrän kohoaminen ilmakehässä (Kolström ym. 2007). Kasvihuonekaasut, joita ovat esim. hiilidioksidi (CO2), metaani (CH4) ja dityppioksidi (N2O), ovat lisääntyneet voimakkaasti esiteollisen ajan jälkeen (kuva 1) (IPCC 2014). Väestönkasvu ja fossiilisten polttoaineiden käyttö ovat aiheuttaneet päästöjen kasvua, mikä on todennäköisesti tärkein syy voimakkaaseen ilmaston lämpenemiseen 1950- luvulta lähtien. Ihmisen aiheuttamista kasvihuonekaasuista puolet on päätynyt ilmakehään viimeisen 40 vuoden aikana.
7
Kuva 1. Kasvihuonekaasujen: hiilidioksidi (CO2, vihreä), metaani (CH4, oranssi) ja dityppioksidin (N2O, punainen) pitoisuudet (parts per million/parts per billion) vuosilta 1850–
2012. Pisteet ovat jäästä kerättyä dataa ja viivat ovat ilmakehämittauksia (IPCC 2014).
Kasvihuonekaasujen määrä on lisääntynyt teollisella aikakaudella voimakkaasti (Kolström ym. 2007, IPCC 2014). Fossiilisten polttoaineiden käyttö ja maatalouden päästöt ovat merkittävimpiä kasvihuonekaasujen lähteitä. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on kohonnut 35 % ja metaanipitoisuus 148 % viimeisen 250 vuoden aikana (Kolström ym. 2007).
Kasvihuonekaasuista hiilidioksidi on aiheuttanut 60 % ja metaani 20 % lämpötilan noususta.
Vaikka metaanin osuus ilmakehässä on pienempi kuin hiilidioksidin, sen vaikutus ilmaston lämpenemiseen on merkittävämpi, koska metaani on lämpövaikutukseltaan suurempi kuin hiilidioksidi.
Jokainen vuosikymmen on ollut edeltävää vuosikymmentä lämpimämpi 1850-luvulta lähtien (IPCC 2014). Viimeisimmät 30 vuotta ovat olleet mittaushistorian lämpimimpiä.
Maan ja merien pinta on lämmennyt keskimäärin 0,85 °C vuosien 1880–2012 aikana.
Viimeisen 20 vuoden aikana Grönlannin ja Antarktiksen jäämassa on huvennut nopeasti.
Samoin on tapahtunut muillakin maapallon jäätiköillä. Keväinen lumipeite on pienentynyt ja talven lämpötilat ovat kohonneet. Lisäksi hiilidioksidia on sitoutunut meriin lisääntyvissä määrin, mikä aiheuttaa merien happamoitumista (Doney ym. 2009). Happamoituminen kiihtyy lisääntyvien hiilidioksidipäästöjen myötä ja vaikuttaa biokemiallisten prosessien kautta merien eliöihin. Lisäksi vesikehän kierto on muuttunut ilmastonmuutoksen myötä:
jääpeite on pienentynyt ja sulaa vettä on enemmän (IPCC 2014).
Viimeisten vuosikymmenten aikana ilmastonmuutos on vaikuttanut ihmisten ja luonnon toimintaan (IPCC 2014). Lämpötilan kohoaminen on muuttanut luonnon ja ihmisten elinympäristöjä kaikilla mantereilla. Alueelliset muutokset sademäärässä ja lämpötiloissa ovat vaikuttaneet vesien jakautumiseen eri alueille sekä veden määrään ja laatuun. Tämä on
8
aiheuttanut muutoksia lajien esiintyvyyksissä. Muun muassa makean veden lajit ovat vaihtaneet elinalueitaan ja muuttokäyttäytymistään. Lisäksi lajienväliset vuorovaikutukset ja lajien lukumäärät ovat muuttuneet.
Jos kasvihuonekaasujen päästöt lisääntyvät edelleen, ilmaston lämpeneminen jatkuu ja vaikuttaa voimakkaasti ekosysteemeihin (IPCC 2014). Mikäli kasvihuonekaasut lisääntyvät nykyisellä vauhdilla, globaalisti lämpötilat voivat kohota jopa 0,3–4,8 °C vuoteen 2100 mennessä. Ilmastonmuutoksen seurauksena kuumat ja kuivat kaudet lisääntyvät sekä pidentyvät alueellisesti. Kuitenkin toisilla alueilla runsaat sateet yleistyvät ja voimistuvat.
Suomessa ilmastonmuutoksen vaikutukset korostuvat, koska pohjoisella alueella ennustetaan voimakasta lämpötilan kohoamista ja sademäärän lisääntymistä (Kolström ym.
2007, Mononen ym. 2016). Ilman lämpötila on noussut Suomessa keskimäärin 0,7 °C viimeisen vuosisadan aikana (Kolström ym. 2007). Erityisesti syksyt ja keväät ovat lämpimämpiä. Sademäärät eivät ole juurikaan lisääntyneet 1900-luvulla. Suomessa lämpötilan ennustetaan nousevan 1,65–9,6 °C ja sademäärän lisääntyvän 6–37 % vuoteen 2100 mennessä. Ilmastonmuutoksen myötä sään ääri-ilmiöt, esim. tulvat, kuivat kaudet sekä rankka- että talvisateet tulevat lisääntymään (Jylhä ym. 2009).
Sisävesiin ilmastonmuutos vaikuttaa erityisesti virtaamien muutosten myötä (Mononen ym. 2016). Esimerkiksi vuodenaikaisvaihtelu virtaamissa mahdollisesti muuttuu, koska talvikuukausina vettä sataa enemmän ja mahdollinen lumipeite jää vähäisemmäksi. Erityisesti järvien pinnan tasot saattavat nousta talvikuukausina. Kuitenkin pidentynyt kesäkausi voi lisätä haihtumista vesistöistä, mikä kenties vähentää virtaamia ja laskea veden korkeutta.
Ilmastonmuutos todennäköisesti vahvistaa rehevöitymistä vesiekosysteemeissä, koska talvivalunnan kasvu ja peltojen jääminen lumettomaksi lisäävät ravinteiden kulkeutumista vesistöihin (Kolström ym. 2007). Esimerkiksi typen ja fosforin määrä vesistöissä tulee mahdollisesti lisääntymään. Lisäksi lisääntynyt sadanta voi edistää ravinteiden ja vesistöille haitallisten aineiden huuhtoutumista vesistöihin (Mononen ym. 2016).
Valunnan mukana vesistöihin kulkeutuu vesistön värilukuun vaikuttavia tekijöitä (Wetzel 2001: 57–60). Väriluku kuvaa eräiden liuenneiden yhdisteiden määrää vedessä. Erityisesti liuennut rauta ja orgaaninen hiili vaikuttavat värilukuun kasvattaen sitä. Väriluvun kohotessa valon läpäisevyys vedessä pienenee. Ravinteiden lisääntyminen vesistöissä voi vähentää karujen järvien määrää Suomessa (Kolström ym. 2007). Lämpötilan kohoaminen edistää todennäköisesti sinilevien kasvua, mikä voi puolestaan aiheuttaa lisääntyviä happikatoja ja rehevöitymistä vesistöissä. Kuitenkin jäät tulevat luultavasti peittämään vesistöjä lyhemmän aikaa, jolloin hapen kierto helpottuu talvisin (Mononen ym. 2016). Vähentynyt jään
9
peittävyys tulee suosimaan kevät-kutuisia lajeja (esim. ahven) ja veden korkeuden vaihtelut vaikuttavat suotuisasti vaihteluun sopeutuneisiin kasvilajeihin.
3.1 Lämpötila ja sademäärä Pohjois-Karjalassa
Pohjois-Karjalassa lämpötilat ovat kohonneet 1960-luvulta noin 0,03 °C vuodessa (kuva 2).
Vuosittainen sadesumma on lisääntynyt noin 1,8 mm vuodessa 1960-luvulta (kuva 4).
Muutokset ilman lämpötilassa ovat selkeimmin havaittavissa 1980-luvulta lähtien.
Keskilämpötila on noussut noin 0,06 astetta vuodessa 1980-luvulta, joten lämpötilan nousu on todennäköisesti kasvanut (kuva 3). Sadesummassa ei ole havaittavissa voimakkaampaa kasvua 1980-luvulla (kuva 5).
Kuva 2. Pohjois-Karjalan keskilämpötilat (°C) vuosilta 1960–2015. Lineaarinen trendi on kohoava. (p<0,01) (Ilmatieteen laitos avoin data 2016).
y = 0,033x + 1,411 R² = 0,227 0,0
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Vuosittainen keskilämpötila Pohjois-Karjalassa 1960-2015
Vuosittainen keskilämpötila Lin. (Vuosittainen keskilämpötila)
°C
**
10
Kuva 3. Pohjois-Karjalan keskilämpötilat (°C) vuosilta 1983–2015 (p<0,01) (Ilmatieteen laitos avoin data 2016).
Kuva 4. Vuosittainen sadesumma (mm) Pohjois-Karjalassa vuosilta 1960–2015 (p<0,01) (Ilmatieteen laitos avoin data 2016).
y = 0,055x + 1,781 R² = 0,235 0,0
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
Vuosittainen keskilämpötila Pohjois-Karjalassa 1983-2015
Keskilämpötila Lin. (Keskilämpötila)
°C
y = 1,834x + 596,29 R² = 0,123
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Vuotuinen sadesumma Pohjois-Karjalassa 1960-2015
mm
**
**
11
Kuva 5. Vuosittainen sadesumma (mm) Pohjois-Karjalassa vuosilta 1983–2015 (Ilmatieteen laitos avoin data 2016).
4 TUTKIMUKSEN TAVOITTEET JA HYPOTEESIT
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, näkyvätkö muuttuneen ilmaston vaikutukset Pohjois-Karjalan vesistöissä ja millaisia mahdolliset muutokset ovat. Mahdollisten muutosten selvittäminen on tarpeellista, jotta pystyttäisiin ennustamaan ja varautumaan muutoksiin, joilla voi olla merkitystä sekä luonnolle että ihmisten toiminnalle tulevaisuudessa.
Hypoteesina oli, että vesistöjen limnologiassa on tapahtunut muutoksia ilmastonmuutoksen myötä. Arvot olivat oletettavasti kohonneet ja tämä näkyisi vesistöjen mittausarvoissa.
Erityisesti väriluvun ja lämpötilan arvoissa oletettiin selkeästi havaittavaa nousua.
Alkaliniteettissa ja pH:ssa oletettiin näkyvän kohoamista vähentyneiden rikkipäästöjen myötä.
Alkaliniteetti tarkoittaa veden puskurikykyä, toisin sanoen hapon neutralisointiin vaikuttavaa veden emäksisyyttä (Tirri ym. 2006). Sääolosuhteilla, erityisesti paikallisella sademäärällä, uskottiin olevan vaikutusta eritoten veden väriin lisäävästi.
y = 0,414x + 668,69 R² = 0,003
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
Vuotuinen sadesumma Pohjois-Karjalassa 1983-2015
mm
12 5 AINEISTO JA MENETELMÄT
5.1 Tutkimusalue
Tutkimusalueena oli Pohjois-Karjalan vesistöt (kuva 6). Tutkimukseen valittiin 10 mittauspistettä yhdeksästä eri vesistöstä, joista järviä oli seitsemän ja jokia oli kolme. Pisin etäisyys vesistöjen välillä oli Pielisen ja Pyhäjärven välillä (noin 170 km) ja lyhyin Iso Hietajärven ja Hietapuron sekä Kelopuron välillä (noin 700 m). Vesistöjen koot vaihtelivat noin 82–89000 ha välillä ja keskisyvyydet vaihtelivat Hietapuron 0,5 m ja Pielisen 10,1 m välillä (taulukko 1).
13
Kuva 6. Mittauspisteiden sijainnit Pohjois-Karjalassa (Suomen ympäristökeskus 2016).
14 Taulukko 1. Vesistöjen mittauspisteiden tiedot.
Nimi Koordinaatit Pinta- ala ha
Pintavesityyppi Keskisyvyys m
Suurin syvyys m
Aineiston keruu vuodet
Hietapuro 63°16'90.7"N 30°71'43.0"E
Joki - Pienet turvemaiden joet (Pt)
0,5 0,5 1987–2016
Iso
Hietajärvi
63°16'34.5"N 30°70'39.9"E
82,0 Pienet ja keskikokoiset vähähumuksiset järvet (Vh)
3,6 8,8 1987–2016
Jongunjoki 63°56'32.5"N 30°01'42.1"E
Joki - Keskisuuret turvemaiden joet (Kt)
1,5 1,5 1968–2014
Kelopuro 63°16'22.2"N 30°69'21.7"E
Joki - Pienet turvemaiden joet (Pt)
0,6 0,6 1989–2015
Koitere Juuansaari
62°94'89.4"N 30°62'77.5"E
16367 Suuret
humusjärvet (Sh)
6,7 46,5 1965–2016
Pielinen Ritoniemi
63°52'73.7"N 29°16'62.4"E
89421 Suuret
humusjärvet (Sh)
10,1 61 1986–2015
Pyhäjärvi Syrjäsalmi
62°03'41.5"N 29°92'33.1"E
20679 Suuret
vähähumuksiset järvet (SVh)
8,1 27 1965–2016
Pyhäselkä Kokonluoto
62°46'60.6"N 29°79'81.7"E
36110 Suuret
humusjärvet (Sh)
8,8 67 1961–2016
Viinijärvi Venepohja
62°65'30.6"N 29°39'97.0"E
13491 Pienet ja keskikokoiset vähähumuksiset järvet (Vh)
5,8 58,3 1962–2016
Viinijärvi Haninniemi
62°74'44.7"N 29°31'59.7"E
13491 Suuret
vähähumuksiset järvet (SVh)
5,8 58,3 1962–2016
15 5.2 Aineiston keruu ja käsittely
Vesistöistä valittiin 10 mittauspistettä Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) Hertta – tietokannasta, josta aineisto kerättiin. Hertta – tietokanta on ympäristötiedon hallintajärjestelmä, jossa on avoimena ympäristöhallinnon tietoa mm. vesivaroista ja ympäristön tilasta (Suomen ympäristökeskus 2016). Kriteerinä oli, että vesistöistä oli tehty säännöllisiä mittauksia usealta vuosikymmeneltä ja ihmisen aiheuttaman kuormituksen tuli olla vähäinen. Suoraa jätevesikuormitusta ei saanut esiintyä. Tutkimukseen valittiin isoja ja pieniä järviä sekä virtaavia vesiä (liitteet 1 ja 2). Vesistöistä tukittiin erilaisia fysikaalis- kemiallisia muuttujia (lämpötila, alkaliniteetti, pH, sähkönjohtavuus, väri, kokonaistyppi, kokonaisfosfori, sulfaatti, rauta, hapen kyllästysprosentti, liukoinen happi, klorofylli-a ja veden korkeus) tarkasteluun. Suurin osa arvoista otettiin metrin syvyydestä, koska tämä on näytteiden mittaamisen vakiosyvyys. Liukoinen happi ja hapen kyllästysprosentti otettiin pohjan läheltä, koska näin pystytään havainnoimaan mahdollista happivajausta pohjalla.
Kesän klorofylli-a:n pitoisuus otettiin yhdistettynä kaikista syvyyksistä. Näytteet otetaan kokoamanäytteenä tuottavasta kerroksesta ja kerrosten yhdistäminen antaa klorofylli-a:n kokonaispitoisuuden. Veden korkeus saatiin kuudesta eri vesistöstä. Pielisestä ei ollut mitattu alkaliniteettia, rautaa ja sulfaattia.
Kuukausittaiset keskilämpötilat ja sadesummat laskettiin Ilmatieteen laitoksen aineiston (Ilmatieteen laitos avoin data 2016) avulla koko Pohjois-Karjalan alueelta (kuvat 2–5). Näistä laskettiin vuosittaiset keskilämpötilat ja sadesummat talvi- sekä kesäajalle. Kesäkuukausien keskilämpötilat laskettiin heinä-elokuulta ja talvikuukausien helmi-, maalis- ja huhtikuulta.
Sadesummat laskettiin kesää edeltävän 9 kk ajalta (loka-kesäkuu) ja talvelle edeltävän 6 kk ajalta (elo-tammikuu). Sadesummien tarkasteluun valittiin edeltävät 9 ja 6 kk, koska erityisesti syksyn runsaat sateet vaikuttavat vedenlaatuun. Tämän lisäksi sademääriä, lämpötiloja, veden lämpötilaa ja korkeutta verrattiin NAO-indeksiin ja vertailtiin mahdollisten muutosten yhtäläisyyksiä. Eri vuosien NAO-indeksit saatiin National Weather Service climate prediction centerin (2016) sivuilta.
Hertasta saadut tiedot olivat usealta kuukaudelta. Näistä laskettiin Microsoft Excel- ohjelmalla lämpötiloille, sadesummille sekä muuttujille vuosittaiset keskiarvot sekä talvi- (1.2–15.4) että kesäajalle (1.7–31.8). Aineistosta laskettiin korrelaation avulla ovatko tietyn muuttujan ajalliset arvot eri vesistöissä yhteydessä ilman lämpötilan tai sadesumman muutosten kanssa. Tämän lisäksi laskettiin ovatko eri vesistöistä mitatut tietyn muuttujan arvot korrelaatiossa keskenään. Muuttujien välisissä vertailuissa käytettiin Pearson-
16
korrelaatiokerrointa ja laskelmat tehtiin Microsoft Excel-ohjelmalla. Korrelaatiokertoimien tulkinnan tarkoituksena on tarkastella muuttuneen ilmaston mahdollisia vaikutuksia eri muuttujiin. Korrelaatio ja koherenssi soveltuvat Magnuson ym. (1990) mukaan hyvin ilmaisemaan mahdollisia muutoksia, koska eri vesistöjen muuttujista saadaan vertailukelpoisia. Kesän ja talven keskilämpötiloja ja sadesummien keskiarvoja tulkittiin korrelaatiolla jokaiseen muuttujaan erikseen. Näin selvitettiin, että ovatko muutokset samanaikaisia ja mahdollisesti vuorovaikutuksessa. Näistä laskettiin Fisherin muunnoksella (z' = ½[ln(1+r) - ln(1-r)]) korrelaatiokertoimen keskiarvot z-arvoksi ja painottamalla keskiarvot havaintovuosien määrällä. Z-arvojen keskiarvo laskettiin ja se palautettiin korrelaatioarvoksi (r) toisella kaavalla (r = [EXP(2z)-1] / [EXP(2z)+1]). Tulokseksi saatiin korrelaatiokertoimien (r) keskiarvo. Positiivinen korrelaatio ilmaisee kohonneen ilman lämpötilan tai sadesumman olevan mahdollisesti yhteydessä positiivisesti muuttujiin. Tämän lisäksi IBM SPSS Statistics 23 -ohjelmalla tarkasteltiin, kuinka monessa vesistössä korrelaatio oli tilastollisesti merkitsevä (p<0,05). Vertaamalla ilman lämpötilaa ja sadesummaa vesistöjen muuttujiin vastattiin kysymykseen: vaikuttaako muuttunut ilmasto vesistöjen limnologiaan. Lisäksi vertaamalla fysikaalis-kemiallisia muuttujia järvien välillä, pystyttiin havainnoimaan mahdollista samanaikaisia muutoksia vesistöjen välillä. Oletuksena oli muutosten olevan koherentteja eli samanaikaisia alueen vesistöjen välillä.
Värilukua ja kokonaisfosforia selvitettiin tarkemmin näytepisteillä, joissa näiden muuttujien vuotuinen keskiarvo oli suurin ja pienin tutkimusjakson aikana. Nämä kaksi muuttujaa valittiin, koska väriluku indikoi vahvasti vesistön humuspitoisuutta ja fosfori on tärkeimpiä kasviplanktonin tuotantoa rajoittavista tekijöistä.
6 TULOKSET
6.1 Vedenlaatu vesistöissä
Vesistöjen vedenlaaduissa esiintyi runsaasti vaihtelua sekä talven että kesän osalta (taulukot 2 ja 6). Muuttujien pitoisuuksissa esiintyi paljon vaihtelua erityisesti virtaavien vesistöjen ja järvien välillä. Järvissä, joissa väriluku ja kokonaisfosfori olivat suurempia, esiintyi enemmän vuosittaista vaihtelua kuin pienemmän pitoisuuden omaavissa vesistöissä vuodesta 1983 lähtien. Väriluku on kohonnut sekä suurimman että pienimmän pitoisuuden osalta (kuva 7).
Väriluku oli suurin tarkasteltuna Jongunjoessa ja pienin Pyhäjärvessä. Fosforipitoisuudessa ei
17
sen sijaan ollut havaittavissa yhtä selvää muutosta, mutta trendi oli laskeva (kuva 8). Suurin pitoisuus oli Pielisessä ja pienin Pyhäjärvessä.
Kuva 7. Väriluku Jongunjoessa ja Pyhäjärvessä, joista mitattiin korkeimmat ja alhaisimmat arvot tutkimusaineistossa vuosina 1983–2015. Suunta on kasvava molemmissa (p< 0,05).
Kuva 8. Kokonaisfosfori Pielisessä ja Pyhäjärvessä, joista mitattiin korkeimmat ja alhaisimmat arvot tutkimusaineistossa vuosina 1983–2015. Suunta on laskeva molemmissa tapauksissa (p<0,01).
y = 1,157x + 117,48 R² = 0,145
y = 0,120x + 9,813 R² = 0,144 0,00
50,00 100,00 150,00 200,00
1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015
Vuosittainen keskiarvo väriluvulle Pyhäjärvessä ja Jongunjoessa
Väriluku Jongunjoki Väriluku Pyhäjärvi Lin. (Väriluku Jongunjoki) Lin. (Väriluku Pyhäjärvi) mg/l Pt
*
*
y = -0,278x + 24,675 R² = 0,304
y = -0,043x + 5,968 R² = 0,207
0 5 10 15 20 25 30
1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
Vuosittainen keskiarvo kokonaisfosforille Pyhäjärvessä ja Pielisessä
Kokonaisfosfori Pielinen Kokonaisfosfori Pyhäjärvi Lin. (Kokonaisfosfori Pielinen) Lin. (Kokonaisfosfori Pyhäjärvi) µg/l
**
**
18 6.2 Kesän arvot
Kesällä mitattujen muuttujien arvot vaihtelivat runsaasti eri vesistöjen välillä (taulukko 2).
Veden lämpötila on kohonnut järvissä, mutta virtaavissa vesistöissä muutosta ei ole tapahtunut merkittävästi (kuva 9). Ilman lämpötilan ja muuttujien välillä löytyi vähäistä ja kohtalaista korrelaatiota kesän mittauksissa (taulukko 3). Erityisesti ilman lämpötila oli mahdollisesti yhteydessä veden lämpötilaan ja alkaliniteettiin positiivisella korrelaatiolla.
Vähäistä positiivista korrelaatiota oli havaittavissa pH:ssa. Ilman lämpötilan oli negatiivisessa korrelaatiossa veden korkeuden, klorofylli-a:n, hapen kyllästysasteen sekä liukoisen hapen kanssa. Tilastollisesti merkitsevää korrelaatiota ilman lämpötilan ja seuraavien muuttujien välillä ei ilmennyt: väriluku, sähkönjohtavuus, kokonaistyppi, kokonaisfosfori, rauta ja sulfaatti.
Kuva 9. Järvien ja virtaavien vesistöjen vuosittaiset veden lämpötilan keskiarvot kesät 1972–
2015. Lineaarinen trendi on kasvava järvien kohdalla (p<0,01).
y = 0,038x + 16,687 R² = 0,142
y = 0,005x + 16,67 R² = 0,001 10,00
12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00 24,00
Vesistöjen keskilämpötilat kesältä 1972-2015
Järvien vuosittaiset keskiarvot
Virtaavien vesistöjen vuosittaiset keskiarvot Lin. (Järvien vuosittaiset keskiarvot)
Lin. (Virtaavien vesistöjen vuosittaiset keskiarvot)
°C
**
19
Taulukko 2. Kesällä mitattujen muuttujien arvot ja niiden vaihteluvälit sekä mittausten määrät (n).
Muuttuja Vaihteluväli n
Veden lämpötila 8,6–24,7 °C 386
pH 4,8–7,9 387
Väriluku 5,0–280,0 mg/l Pt 381
Sähkönjohtavuus 1,2–7,4 mS/m 386
Kokonaistyppi 100,0–648,0 µg/l 373
Kokonaisfosfori 2,0–41,0 µg/l 375
Alkaliniteetti -0,01–0,30 mmol/l 337
Rauta 7,5–1300,0 µg/l 341
Sulfaatti 0,2–14,5 mg/l 142
Hapen kyllästysaste 3,5–98,0 kyll.% 347
Happi, liukoinen 0,4–9,8 mg/l 348
Klorofylli-a 0,8–17,0 µg/l 275
Vedenkorkeus 7843–16521 cm 267
20
Taulukko 3. Kesäaikaisen ilman lämpötilan ja eri vedenlaatumuuttujien keskimääräinen korrelaatio (r).
Ilman lämpötila r Merkitsevien
korrelaatioiden osuus aineistossa
Veden lämpötila 0,62 10/10
Alkaliniteetti 0,50 9/9
Happi, liukoinen -0,25 2/10
pH 0,22 4/10
Veden pinnan korkeus -0,21 3/6
Hapen kyllästysaste -0,20 1/10
Kokonaistyppi -0,18 3/10
Klorofylli-a -0,14 2/10
Kokonaisfosfori -0,13 3/10
Sähkönjohtavuus 0,12 5/10
Sadesumma korreloi vain muutaman muuttujan välillä (taulukko 4). Sadesumma oli yhteydessä positiivisesti veden korkeuteen ja värilukuun. Vähäistä negatiivista korrelaatiota oli sadesumman ja sähkönjohtavuuden välillä. Kesän arvojen kohdalla sadesumman ja seuraavien muuttujien kohdalla ei ollut havaittavaa korrelaatiota: veden lämpötila, pH, kokonaistyppi, kokonaisfosfori, alkaliniteetti, rauta, sulfaatti, hapen kyllästysaste sekä liukoisuus ja klorofylli-a.
21
Taulukko 4. Edeltävän 9 kuukauden sadesumman ja kesäaikaisten eri vedenlaatumuuttujien keskimääräinen korrelaatio (r).
Sadesumma 9 kk r Merkitsevien
korrelaatioiden osuus aineistossa
Veden pinnan korkeus 0,37 4/6
Väriluku 0,32 5/10
Sähkönjohtavuus -0,20 5/10
Hapen kyllästysaste -0,11 2/10
Lisäksi joidenkin muuttujien kohdalla on havaittavissa korrelaatiota muuttujissa järvien välillä, mikä näkyy samanaikaisina muutoksina mittaustuloksissa vesistöissä (taulukko 5).
Alkaliniteettissa, veden korkeudessa ja lämpötilassa oli kohtalaista positiivista korrelaatiota järvien välillä. Lisäksi vähäistä positiivista korrelaatiota ilmeni väriluvun, sähkönjohtavuuden, kokonaisfosforin, klorofylli-a, pH:n ja sulfaatin arvoissa. Muutokset ovat pieniä, mutta samanaikaisia tarkastelluissa vesistöissä. Lisäksi sulfaatin ja väriluvun välillä oli havaittavissa kohtalaista negatiivista korrelaatiota (r=-0,56). Yhtenäistä merkitsevää korrelaatiota ei ilmennyt kokonaistypin, raudan ja hapen kyllästysasteen sekä hapen liukoisuuden osalta. Lisäksi NAO-indeksi ei todennäköisesti ollut yhteydessä veden tai ilman lämpötilaan tai sadesummaan Pohjois-Karjalassa, mutta NAO-indeksi korreloi hieman veden korkeuden kanssa (r=-0,12)
22
Taulukko 5. Kesäaikaisten vedenlaatumuuttujien keskimääräinen korrelaatio vesistöjen välillä (r).
r Merkitsevien
korrelaatioiden osuus aineistossa
Alkaliniteetti 0,67 34/36
Veden pinnan korkeus 0,52 12/15
Veden lämpötila 0,49 31/45
Väriluku 0,41 25/45
Sähkönjohtavuus 0,41 25/45
Kokonaisfosfori 0,32 19/45
pH 0,31 20/45
Sulfaatti 0,29 8/36
Rauta 0,19 8/36
Happi, liukoinen 0,19 9/45
Klorofylli-a 0,17 5/45
Hapen kyllästysaste 0,15 3/45
6.3 Talven arvot
Vesistöjen talviaikaisissa lämpötiloissa oli tapahtunut nousua vuodesta 1964 lähtien sekä järvien että virtaavien vesistöjen lämpötiloissa (kuva 10). Talven muuttujat vaihtelivat runsaasti eri vesistöjen välillä (taulukko 6). Talvella mitatuista muuttujista ilmeni pääsääntöisesti vähäisiä korrelaatioita. Ilman lämpötilan ja muuttujien välillä ilmeni vähäistä positiivista korrelaatiota (taulukko 7). Se oli yhteydessä veden lämpötilaan ja korkeuteen positiivisesti. Ilman lämpötilan ja suurimman osan mittauksista välillä ei löytynyt merkitsevää korrelaatiota: pH, väriluku, sähkönjohtavuus; kokonaisfosfori, alkaliniteetti, rauta, sulfaatti ja hapen kyllästysaste sekä liukoisuus.
23
Kuva 10. Järvien ja virtaavien vesistöjen vuosittaiset veden lämpötilan keskiarvot kesät 1972–
2016. Lineaarinen trendi on kasvava molemmissa vesistöissä (p<0,01).
Taulukko 6. Talvella mitattujen muuttujien arvot ja niiden vaihteluvälit sekä mittausten määrät (n).
Muuttuja Vaihteluväli n
Veden lämpötila -0,1–2,8 °C 417
pH 5,2–7,4 419
Väriluku 0,0–180,0 mg/l Pt 417
Sähkönjohtavuus 1,5–12,0 mS/m 418
Kokonaistyppi 20,0–1200,0 µg/l 415
Kokonaisfosfori 1,0–51,3 µg/l 415
Alkaliniteetti 0,03–0,37 mmol/l 384
Rauta 0,0–1200,0 µg/l 383
Sulfaatti 0,4–15,3 mg/l 193
Hapen kyllästysaste 6,0–87,7 kyll. % 383
Happi, liukoinen 0,8–12,6 mg/l 383
Vedenkorkeus 7830–16500 cm 273
y = 0,011x + 0,262 R² = 0,315
y = 0,017x + 0,027 R² = 0,522 -1,00
-0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00
Vesistöjen keskilämpötilat talvelta 1972-2015
Järvien vuosittaiset keskiarvot
Virtaavien vesistöjen vuosittaiset keskiarvot Lin. (Järvien vuosittaiset keskiarvot)
Lin. (Virtaavien vesistöjen vuosittaiset keskiarvot)
**
°C
**
24
Taulukko 7. Talviaikaisen ilman lämpötilan ja eri vedenlaatumuuttujien keskimääräinen korrelaatio (r).
Ilman lämpötila r Merkitsevien
korrelaatioiden osuus aineistossa
Veden lämpötila 0,30 5/10
Veden pinnan korkeus 0,29 4/6
Sähkönjohtavuus -0,19 2/10
Kokonaistyppi 0,15 4/10
Kokonaisfosfori -0,14 2/10
Sadesumman kohdalla korrelaatiota esiintyi enemmän (taulukko 8). Korkeudessa havaittiin kohtalaista ja väriluvussa vähäistä positiivista korrelaatiota. Vähäistä negatiivista korrelaatiota oli sadesumman sekä alkaliniteetin ja sähkönjohtavuuden välillä. Sadesumma ei korreloinut merkitsevästi seuraavien muuttajien kanssa: veden lämpötila, pH, kokonaistyppi ja -fosfori, rauta, sulfaatti ja hapen kyllästysaste sekä liukoisuus.
Taulukko 8. Edeltävän 6 kuukauden sadesumman ja talviaikaisten eri vedenlaatumuuttujien keskimääräinen korrelaatio (r).
Sadesumma 6 kk r Merkitsevien
korrelaatioiden osuus aineistossa
Veden pinnan korkeus 0,43 4/6
Väriluku 0,32 6/10
Sähkönjohtavuus -0,25 4/10
Alkaliniteetti -0,25 3/9
pH -0,17 1/10
Rauta 0,14 4/9
25
Lisäksi joidenkin muuttujien kohdalla on havaittavissa positiivista korrelaatiota vesistöjen välillä talvella (taulukko 9). Alkaliniteetin, korkeuden ja väriluvun kohdalla vesistöjen välillä oli kohtalaista positiivista korrelaatiota. Sähkönjohtavuudessa, veden lämpötilassa, pH:ssa ja kokonaisfosforissa näkyi vähäistä korrelaatiota. Lisäksi sulfaatin ja väriluvun välillä oli vähäistä negatiivista korrelaatiota (r=-0,30). Ilman lämpötilan sekä NAO-indeksin välillä oli kohtalainen positiivinen korrelaatiota (r=0,41) ja sademäärän sekä NAO-indeksin välillä oli vähäinen korrelaatio (r=0,14). Yhtenäistä merkitsevää korrelaatiota ei ilmennyt:
kokonaistyppi, rauta, sulfaatti ja hapen kyllästysaste sekä liukoisuus.
Taulukko 9. Talviaikaisten vedenlaatumuuttujien keskimääräinen korrelaatio vesistöjen välillä (r).
r Merkitsevien
korrelaatioiden osuus aineistossa
Alkaliniteetti 0,56 29/36
Väriluku 0,47 26/45
Veden pinnan korkeus 0,46 9/15
Sähkönjohtavuus 0,35 21/45
Veden lämpötila 0,33 19/45
pH 0,27 15/45
Sulfaatti 0,27 13/36
Kokonaisfosfori 0,22 13/45
Kokonaistyppi 0,16 13/45
Rauta 0,14 10/36
Happi, liukoinen 0,13 8/45
Hapen kyllästysaste 0,13 9/45
26 7 TULOSTEN TARKASTELU
Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää muuttuneen ilmaston aiheuttamia mahdollisia muutoksia Pohjois-Karjalan vesistöjen vedenlaadussa vuosikymmenien aikana 1960-luvulta lähtien. Pohjois-Karjalassa ilman lämpötila on kohonnut noin 0,03 °C vuodessa 1960-luvulta lähtien. Tuloksista ilmenee, että ilman lämpötila korreloi kesän osalta voimakkaimmin positiivisesti veden lämpötilan ja alkaliniteetin sekä negatiivisesti liukoisen hapen kanssa.
Talven ilman lämpötila korreloi voimakkaimmin positiivisesti veden lämpötilan ja korkeuden kanssa sekä negatiivisesti sähkönjohtavuuden kanssa. Ilman lämpötilan ja veden lämpötilan muutokset ovat vahvasti yhteydessä toisiinsa. Samaan tulokseen on päädytty Trumpickas ym.
(2009) tutkimuksessa. Todennäköisesti nouseva ilman lämpötila tulee vaikuttamaan kohottavasti vesistöjen lämpötiloihin jatkossa. Ilman lämpötila vaikuttaa veden korkeuteen laskien sitä kesällä ja nostaen sitä talvella. Kesällä haihdunta on suurempaa lämpötilan noustessa ja talvella vesi ei jäädy lämpötilan pysyessä nollan yläpuolella. Kesän ilman lämpötilan ja lionneen hapen negatiivinen korrelaatio voi todennäköisesti selittyä kohonneen lämpötilan vaikutuksesta. Korkeampi vedenlämpötila voi aiheuttaa suurempaa hapen kulutusta ja vähentää liuenneen hapen määrää vesistössä, koska aerobinen hapenkulutus on voimakkaampaa korkeammassa lämpötilassa (Komatsu ym. 2007). Hapettoman kerroksen oletetaan kasvavan vesistöissä lämpiämisen myötä tulevaisuudessa. Lisäksi lämpötila vaikuttaa suoraan hapen pitoisuuksiin vesistöissä kemiallisten reaktioiden kautta, jolloin kylmässä vedessä hapen liukoisuus on merkittävämpää (Korhonen 2002, Piccolroaz ym.
2013). Talven happipitoisuuteen lämpötilalla ei ole juurikaan vaikutusta, koska todennäköisesti jääkerros toimii ilman ja veden eristäjänä. Kohonneet alkaliniteetti ja pH ovat todennäköisesti seurausta happamoitumisen vähentymisestä Suomessa lämpötilan nousun sijaan. Happamoitumin on vähentynyt Suomessa ja tämä vaikuttaa pH:n ja alkaliniteetin arvoihin kohottavasti (Forsius ym. 2002). Happamoitumisen vähentyminen hidastunee kuitenkin tulevaisuudessa. Lisäksi vesistöjen välillä vaihtelevat pohjavesiesiintymät voivat vaikuttaa veden humus ja pH-arvoihin (Kirkkala 2001). Talven sähkönjohtavuuden ja ilman lämpötilan korrelaation negatiivisuus on oletettavasti yhteydessä vähentyneeseen primäärituotantoon ja eloperäisten aineiden kulkeutumiseen vesistöihin. Tämä on Keskitalon
& Elorannan (1999) mukaan todennäköinen selitys.
Kesää edeltävän yhdeksän kuukauden sademäärä korreloi voimakkaimmin positiivisesti veden korkeuden ja väriluvun kanssa sekä negatiivisesti sähkönjohtavuuden kanssa. Talvea edeltävän kuuden kuukauden sademäärä korreloi voimakkaimmin samaan tapaan positiivisesti
27
veden korkeuden ja väriluvun kanssa sekä negatiivisesti sähkönjohtavuuden kanssa.
Lisääntyvien sateiden myötä veden pinnan korkeus kohoaa. Säännöstelyllä, jolloin veden korkeutta muutetaan ihmisen toimesta, voi olla merkitystä veden korkeuteen, mutta sääolot vaikuttavat siihen voimakkaammin (Marttunen & Hellsten 2001). Suurin osa vedestä kulkeutuu vesistöihin keväällä ja kesällä haihtuminen voi olla runsasta etenkin suurissa vesistöissä. Lisääntyneet sateet kasvattavat maa-aineksen huuhtoutumista valuma-alueilta, mikä todennäköisesti nostattaa värilukua. Tämä voi myös olla seurausta happamoitumisen vähentymisestä, mutta todennäköisesti sateiden vaihtelulla ja lisääntymisellä on ollut vaikutusta (Vuorenmaa ym. 2006). Sähkönjohtavuuden vähentyminen on todennäköisesti seurausta tuotannon vähenemisestä ja eloperäisen aineksen laskusta talvella samalla kun sateet ovat lisänneet aineksen kulkeutumista vesistöihin.
Tulokset muuttujissa vesistöjen välillä ovat samankaltaisia talven ja kesän osalta. Kesän mittauksissa muuttujien korrelaatiot vesistöjen välillä ovat voimakkaimpia: alkaliniteetissa, veden korkeudessa sekä lämpötilassa, väriluvussa ja sähkönjohtavuudessa. Talven osalta voimakkaimmat korrelaatiot ovat samoilla muuttujilla kuin kesällä, mutta voimakkuudet ja järjestykset vaihtelevat. Tutkimuksen tulokset ovat samassa linjassa George ym. (2000) tulosten kanssa. Fysikaalisten muuttujien (mm. veden korkeus ja lämpötila) kohdalla vastaavuussuhde on voimakkaampi kuin kemiallisten (mm. alkaliniteetti ja väriluku) ja biologisten (klorofylli-a) muuttujien kohdalla (George ym. 2000). Kuitenkin kemialliset muuttujat ovat voimakkaammassa vastaavuussuhteessa kuin biologiset muuttujat.
Alkaniteettissa tulos on voimakkain, mutta tähän on mahdollisesti syynä vesistöjen happamoitumisesta palautuminen.
Fysikaalis-kemialliset muuttujien muutokset ovat selkeästi samankaltaisia vesistöjen välillä. Sekä kesä- että talviajan mittauksista 12 muuttujalla on paljon merkitseviä arvoja ja ne korreloivat havaittavasti vesistöjen välillä. Erityisesti alkaliniteetti, veden pinnan korkeus ja väriluku ovat merkitseviä sekä kesän että talven osalta. Etelä-Suomen järvissä on myös havaittu sähkönjohtavuuden, kalsiumin, alkaliniteetin ja lämpötilan muuttuneen voimakkaasti samanaikaisesti ja -suuntaisesti järvien välillä (Järvinen ym. 2002). Kesällä samanaikaiset muutokset olivat selkeämmin näkyvissä vesistöjen välillä kuin talvella, mikä on Magnuson ym. (1990) tulosten kaltaisia. Tämän eron todennäköisesti aiheuttaa jääpeite, koska avonainen vesistö reagoi voimakkaammin ympäristöolosuhteisiin kuin jäänpeittämä vesistö ja tämä havaitaan voimakkaampana korrelaationa.
Tuloksista ilmenee väriluvun kohonneen sekä suurimman että pienimmän pitoisuuden vesistössä. Väriluvun nousu voi selittyä usealla tekijällä: ilmastonmuutos, maan käytön
28
muutokset ja happamoitumisen väheneminen. Vähentyneet rikkipäästöt Euroopassa lisäävät liuenneen orgaanisen hiilen (DOC) huuhtoutumista valuma-alueilta vesistöihin, jolloin myös väriluku kasvaa (Evans ym. 2006). Lämmennyt ilma selittäisi 10–20 % väriluvun kohoamisesta ja kohonnut hiilidioksidin määrä ilmakehässä 1–5 %. Viimeisen 20 vuoden aikana rikkipäästöt ovat vähentyneet huomattavasti. Rikkipäästöt ovat vähentyneet 50 % vuodesta 1986 ja vesistöjen olosuhteet ovat palautumassa tätä edeltävälle tasolle. Lisäksi lisääntynyt sadanta ja erityisesti tulvat tuovat eloperäistä ainesta valuma-aluilta (Lepistö ym.
2014). Maan jäätyminen talvisin on vähentynyt ja tämän seurauksena sekä talvella että keväällä lumien sulamisen aikaan eloperäistä hiiltä kulkeutuu vesistöihin enemmän.
Tulevaisuudessa lämpimämmät talvet lisääntyvät, jolloin sulasta maasta irtoaa enemmän ja pidemmän aikaa hiiltä ja typpeä vesistöihin (Matzner & Borken 2008). Näiden seurauksena väriluvut ovat kohonneet ja todennäköisesti jatkavat kohoamista. Ilmastonmuutos vaikuttaa järvien orgaanisen hiilen (Total organic carbon, TOC) pitoisuuksiin enemmän kuin maanmuokkaus, koska vesistöjen omat prosessit käsittelevät maankäytön muutosten aiheuttamat orgaanisen hiilen määrän nousut vesistössä tehokkaasti (Tranvik ym. 2009, Lepistö ym. 2014). Ilmastonmuutos vaikuttaa sadantaan ja sen kautta myös kuivuuteen sekä valuntaan alueittain, mitkä puolestaan muuttavat orgaanisen hiilen kulkeutumista vesistöihin (Lepistö ym. 2014).
Kokonaisfosforin trendi on sen sijaan laskeva pienimmän ja suurimman pitoisuuden vesistössä, vaikka fosforin koherenssi ei olekaan suurta vesistöissä. Asuin- ja teollisuusjätevesien puhdistus on parantunut ja maatalouden lannoitteiden käyttö on vähentynyt, mikä on todennäköisesti laskenut kokonaisfosforipitoisuuksia vesistöissä.
Lannoitteiden vähentyminen on esimerkiksi vähentänyt fosforipitoisuuksia Pyhäjärvessä (Kirkkala 2001). Runsas sadanta ja veden valunta voivat vähentää fosforin määrää lisäämällä sen reagointia muiden aineiden kanssa, mm. raudan oksidien kanssa. (Pant & Reddy 2001).
Sadannan myötä näitä aineita saattaa vapautua enemmän sitomaan fosforia.
Vesistöjen lämpötilat ovat kohonneet erityisesti järvissä. Kritzberg ym. (2014) mukaan maapallon pohjoisosien vesistöjen lämpötilat ja väriluvut ovat kohonneet jatkuvasti. Myös tämän tutkimuksen tulokset viittaavat tähän. Veden lämpötilan kohoaminen on todennäköisesti seurausta ilmastonmuutoksen aiheuttamasta ilman lämpötilan noususta (Kritzberg ym. 2014). Myös klorofylli-a:n määrässä on havaittavissa lievää kasvua.
Klorofyllin määrä saattaa jatkaa kasvua tulevaisuudessa aikaistuvan ja lämpenevän kesän myötä, mutta kasvua saattavat rajoittaa myös kasvavat eläinplanktonien määrät (Winder &
Sommer 2012). Eläinplanktonin määrä lisääntyy, koska kasviplanktonia on enemmän tarjolla
29
ravinnoksi. Eläinplanktonin määrän kasvu voi puolestaan saalistuksen kautta vähentää kasviplanktoniin määrää.
Saaduista tuloksista havaitaan muutokset vesistöjen olosuhteissa. Tuloksista on nähtävissä muuttuneen ilmaston aiheuttamat muutokset, mutta kaikki tekijät eivät välttämättä ole seurausta muuttuneesta ilmastosta. Esimerkiksi ihmisten toiminnalla vesistöjen lähialueilla voi olla vaikutusta tuloksiin. Muutoksia on tapahtunut fysikaalis-kemiallisissa muuttujissa ja tulokset viittaavat siihen, että todennäköisesti näin tapahtuu myös tulevaisuudessa. Tällä on vaikutusta vesistöjen ja niihin yhteydessä oleviin ekosysteemeihin, lajeihin ja ihmisiin ilmaston ja elinympäristön muutoksen myötä.
8 JOHTOPÄÄTÖKSET
Hypoteesin mukaisesti vesistöjen vedenlaadussa on tapahtunut muutoksia 1960-luvulta lähtien. Kuten hypoteesissa oletettiin: väriluku ja veden lämpötila olivat kohonneet.
Muutokset vesistöissä ovat samanaikaisia muuttuneiden ilmasto-olosuhteiden kanssa.
Lämpötilojen ja sademäärien sekä fysikaalis-kemiallisten muuttujien välillä esiintyy samanaikaista havaittavaa korrelaatiota. Vaikka muuttunut ilmasto on todennäköisesti vaikuttanut fysikaalis-kemiallisiin muuttujiin, osa muutoksista voi aiheutua muista tekijöistä.
Suurimmat muutokset olivat vesistöjen fysikaalisissa muuttujissa, vaikkakin alkaliniteetti poikkeaa tästä ja korreloi voimakkaasti ilmaston muutosten kanssa. Alkaliniteetin voimakas muutos on mahdollisesti seurausta happamien päästöjen vähentymisestä Euroopassa ja vesistöjen palautumisesta. Ilman lämpötilalla näyttäisi olevan suurempi merkitys fysikaalis- kemiallisiin muuttujiin kuin sademäärällä. Kuitenkin värilukuun sadesummalla on mahdollisesti huomattava vaikutus tulosten mukaisesti. Koherenssit vesistöjen välillä olivat suurimmassa osassa tapauksista merkitseviä, mikä viittaa samanaikaisiin muutoksiin vesistöjen olosuhteissa.
Saatujen tulosten perusteella muuttuva ilmasto vaikuttaa todennäköisesti vesistöjen limnologiaan, mikä voi myös aiheuttaa muutoksia vesiekosysteemeihin ja ihmisen vesistöjen käyttöön tulevaisuudessa. Esimerkiksi vesieliöiden lajimäärät saattavat muuttua ja vedenlaadun muutokset voivat vaikuttaa veden käyttöön mm. vesilaitoksilla. Jatkotutkimuksia tulisi tehdä, jotta pystyttäisiin ennustamaan mahdollisten muutosten voimakkuutta ja vaikutuksia luonnolle.
