Search

Understanding the anthropogenic and natural factors that affect runoff water quality is essential for proper planning of water protection and forest management, particularly in the changing climate. We measured water quality and runoff from 10 unmanaged and 20 managed forested headwater catchments (7–12,149 ha) located in Finland. We used linear mixed effect models to test whether the differences in total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) export and concentrations observed can be explained by catchment characteristics, land use, forest management, soil fertility, tree volume and hydrometeorological variables. Results show that much of variation in TOC, TN and TP concentrations and export was explained by drainage, temperature sum, peatland percentage and the proportion of arable area in the catchment. These models explained 45–63% of variation in concentrations and exports. Mean annual TOC export in unmanaged catchments was 56.4 ± 9.6 kg ha−1 a−1, while in managed it was 79.3 ± 3.3 kg ha−1 a−1. Same values for TN export were 1.43 ± 0.2 kg ha−1 a−1 and 2.31 ± 0.2 kg ha−1 a−1, while TP export was 0.053 ± 0.009 kg ha−1 a−1 and 0.095 ± 0.008 kg ha−1 a−1 for unmanaged and managed, respectively. Corresponding values for concentrations were: TOC 17.7 ± 2.1 mg L−1 and 28.7 ± 1.6 mg L−1, for TN 420 ± 45 µg L−1 and 825 ± 51 µg L−1 and TP 15.3 ± 2.3 µg L−1 and 35.6 ± 3.3 µg L−1. Overall concentrations and exports were significantly higher in managed than in unmanaged catchments. Long term temperature sum had an increasing effect on all concentrations and exports, indicating that climate warming may set new challenges to controlling nutrient loads from catchment areas.

Ilmastoviisaan luonnonsuojelusuunnittelun perustana on tieto siitä, millä alueilla ilmasto muuttuu voimakkaimmin, mitkä suojelualueet, lajit ja lajipopulaatiot sekä luontotyypit ovat kaikkein alttiimpia muutokselle ja miten muutokseen sopeudutaan. SUMI-hankkeessa selvitettiin lämpösumman, tammikuun keskilämpötilan ja vuosittaisen vesitaseen muutosnopeutta ja pienilmastollisia muutoksia Suomen Natura 2000 -verkostossa. Lämpösumman ja tammikuun lämpötilan ennustetuissa muutosnopeuksissa on merkittäviä alueellisia eroja ja Natura-alueiden pienilmasto tulee muuttumaan huomattavasti. Avainasemassa on turvata lajit, joiden populaatioiden menestyminen liittyy nopeimmin muuttuviin ilmastotekijöihin. Suojelualuesuunnittelussa tulee painottaa suojelu- ja hoitotoimien joustavaa suunnittelua sekä varautua mittaviin olosuhteiden muutoksiin. Ennallistaminen ja luonnonhoito ovat tärkeitä keinoja lajien elinympäristöjen ja luontotyyppien tilan parantamiseksi muuttuvassa ilmastossa. Kohdentamalla ennallistamista ja luonnonhoitoa ilmastoviisaasti voidaan tukea lajien siirtymistä. Lajien ominaisuudet vaikuttavat niiden haavoittuvuuteen ilmastonmuutokselle; negatiiviset vaikutukset korostuvat pohjoisen viileisiin oloihin, kuten tunturi- ja suoelinympäristöihin, erikoistuneilla lajeilla, joiden leviämiskyky on rajoittunut. Eri eliöryhmillä nousi esille myös muita lajien haavoittuvuutta ilmastonmuutokselle heijastelevia ominaisuuksia, joita on tärkeää huomioida lajien hoito- ja suojelusuunnittelussa. Lajien ominaisuuksien perusteella tunnistettiin joukko ilmastonmuutokselle haavoittuvimpia lajeja, joihin suojelutoimia kannattaa kohdentaa. Luontodirektiivilajien - ja etenkin saman lajin populaatioiden - välillä oli selviä eroja lajien altistumisessa lämpösumman ja tammikuun lämpötilan muutosnopeuteen, sekä esiintymien ympäristön haitallisen maankäytön määrässä. SUMI-hankkeessa tarkasteltiin suojelualueverkoston merkitystä maalinnustolle sekä havaittujen että ennustettujen levinneisyysmuutosten osalta. Suojelullisesti arvokkaiden suo- ja tunturilajien lajimäärä pieneni sekä suojelualueilla että suojelemattomilla alueilla, kun taas kosteikkolajien määrä kasvoi koko maassa. Suojelualueet puskuroivat ilmastonmuutoksen negatiivisia vaikutuksia suojelullisesti merkittäville lajeille, mutta vaikutukset ovat jo nähtävissä niilläkin. Linnuston monimuotoisuuden kannalta suojelualueverkosto on perustettu ilmastonmuutoksen näkökulmasta oikeansuuntaisesti, mutta Etelä- ja Keski-Suomessa metsien suojelualueverkosto on riittämätön turvaamaan lintulajiston monimuotoisuuden. Ilmastonmuutoksen vaikutukset luontotyyppeihin ovat ensisijassa laadullisia. Herkimmiksi luontotyypeiksi on tunnistettu rannikon hauru- ja meriajokasvallit sekä primäärisukkessioon liittyvät luontotyypit, lumenviipymät, tunturikoivikot, tunturikankaat, virtavesien latvapurot, Tunturi-Lapin pienvedet, perinnebiotoopit, palsasuot, eteläiset aapasuot, lähteet ja lähdesuot sekä avoimet ja puoliavoimet kallioluontotyypit. Ilmastonmuutoksen myötä lisääntyvien luontaisten häiriöiden arvioidaan vaikuttavan positiivisesti metsien rakenteeseen lisäämällä kuolleen puun sekä runsaslahopuustoisten nuorten sukkessiovaiheiden ja lehtipuiden määrää. Monimuotoiset metsät ovat avainasemassa metsien ekosysteemipalveluiden ja sopeutumiskyvyn turvaamisessa. SUMI-hankkeessa kehitettiin laskentamenetelmää, jonka avulla voidaan arvioida metsän käsittelytapojen ja ilmastonmuutoksen vaikutuksia metsien hiilitaseeseen tarkalla resoluutiolla. Alustavien mallinnustulosten mukaan puuston ja metsämaan hiilivarasto kasvoi sekä suojelumetsä- että talousmetsäskenaariossa Evon alueella vuosina 2013–2099. Suojelumetsä sitoi hiiltä hitaammin kuin talousmetsä mutta säilyi hiilen nieluna koko tarkastelujakson ajan. Yhdistämällä hiilitasearviot luonnon monimuotoisuutta kuvaaviin paikkatietoaineistoihin voidaan suojelualuesuunnittelussa priorisoida sekä ilmastohyödyiltään että luontoarvoiltaan parhaita kohteita.

Maankäytöstä ja muusta ihmistoiminnasta aiheutuu lähes aina luonnon taustakuorman ylittävää ravinne- ja kiintoainekuormitusta vesistöihin. Julkaisussa esitellään valuma-alueelta vesistöön kohdistuvan kokonaistypen, kokonaisfosforin ja kiintoaineen kuormituksen arviointiin kehitetty KUSTAA -työkalu. KUSTAA perustuu ominaiskuormitusmenetelmään ja kattaa tyypillisimpiin maankäyttömuotoihin liittyvät toimenpiteet ja muut haja- ja pistekuormituslähteet. Kuormitusarvion lähtötiedoiksi tarvitaan valuma-alueen pinta-ala, sen vesistöjen pinta-ala, metsä- ja maataloustoimenpiteiden pinta-alat ja muut haja- ja pistekuormituslähteiden määrät vuositasolla. Tietojen perusteella tuotetaan arvio valuma-alueen kokonaiskuormituksesta ja sen jakautumisesta eri lähteisiin. Lisäksi esitetään yksinkertainen epävarmuusarvio. KUSTAA -työkalu on integroitu taulukkolaskentaympäristöön ja tarkoitettu käytännön toimijoiden käyttöön. Sen avulla voidaan arvioida esimerkiksi maankäytössä tapahtuvien muutosten, pistekuormituksen hallinnan tai yksittäisen kuormituslähteen vaikutuksia valuma-alueen kokonaiskuormitukseen. Julkaisussa kootaan kattavasti yhteen tyypillisimpiä maankäyttömuotoja ja haja- ja pistekuormituslähteitä edustavat ominaiskuormitusluvut ja esitellään KUSTAA -työkalun käyttöä esimerkkilaskelmien avulla.

The terrestrial export of dissolved organic matter (DOM) is associated with climate, vegetation and land use, and thus is under the influence of climatic variability and human interference with terrestrial ecosystems, their soils and hydrological cycles. The present study provides an assessment of spatial variation of DOM concentrations and export, and interactions between DOM, catchment characteristics, land use and climatic factors in boreal catchments. The influence of catchment characteristics, land use and climatic drivers on the concentrations and export of total organic carbon (TOC), total organic nitrogen (TON) and dissolved organic phosphorus (DOP) was estimated using stream water quality, forest inventory and climatic data from 42 Finnish pristine forested headwater catchments, and water quality monitoring, GIS land use, forest inventory and climatic data from the 36 main Finnish rivers (and their sub-catchments) flowing to the Baltic Sea. Moreover, the export of DOM in relation to land use along a European climatic gradient was studied using river water quality and land use data from four European areas. Additionally, the role of organic and minerogenic acidity in controlling pH levels in Finnish rivers and pristine streams was studied by measuring organic anion, sulphate (SO4) and base cation (Ca, Mg, K and Na) concentrations. In all study catchments, TOC was a major fraction of DOM, with much lower proportions of TON and DOP. Moreover, most of TOC and TON was in a dissolved form. The correlation between TOC and TON concentrations was strong and TOC concentrations explained 78% of the variation in TON concentrations in pristine headwater streams. In a subgroup of 20 headwater catchments with similar climatic conditions and low N deposition in eastern Finland, the proportion of peatlands in the catchment and the proportion of Norway spruce (Picea abies Karsten) of the tree stand had the strongest correlation with the TOC and TON concentrations and export. In Finnish river basins, TOC export increased with the increasing proportion of peatland in the catchment, whereas TON export increased with increasing extent of agricultural land. The highest DOP concentrations and export were recorded in river basins with a high extent of agricultural land and urban areas, reflecting the influence of human impact on DOP loads. However, the most important predictor for TOC, TON and DOP export in Finnish rivers was the proportion of upstream lakes in the catchment. The higher the upstream lake percentage, the lower the export indicating organic matter retention in lakes. Molar TOC:TON ratio decreased from headwater catchments covered by forests and peatlands to the large river basins with mixed land use, emphasising the effect of the land use gradient on the stoichiometry of rivers. This study also demonstrated that the land use of the catchments is related to both organic and minerogenic acidity in rivers and pristine headwater streams. Organic anion dominated in rivers and streams situated in northern Finland, reflecting the higher extent of peatlands in these areas, whereas SO4 dominated in southern Finland and on western coastal areas, where the extent of fertile areas, agricultural land, urban areas, acid sulphate soils, and sulphate deposition is highest. High TOC concentrations decreased pH values in the stream and river water, whereas no correlation between SO4 concentrations and pH was observed. This underlines the importance of organic acids in controlling pH levels in Finnish pristine headwater streams and main rivers. High SO4 concentrations were associated with high base cation concentrations and fertile areas, which buffered the effects of SO4 on pH. Liuenneen orgaanisen aineen huuhtoutumiseen valuma-alueelta vesistöihin vaikuttavat useat tekijät kuten valuma-alueen ominaisuudet, maankäyttö ja hydrologia. Huuhtoutumistutkimukset ovat perinteisesti keskittyneet epäorgaanisiin ravinteisiin, vaikka erilaisilta maankäyttömuodoilta vesistöihin huuhtoutuu myös runsaasti orgaanisia ravinteita. Valuma-alueelta huuhtoutuva orgaaninen aines vaikuttaa veden laatuun, sillä se edistää rehevöitymistä sekä vaikuttaa veden lämpötilaan ja näkösyvyyteen. Tutkimuksessa selvitettiin orgaanisen hiilen, typen ja fosforin huuhtoutumista pieniltä luonnontilaisilta latvavaluma-alueilta sekä suurilta jokivaluma-alueilta. Lisäksi orgaanisen ja minerogeenisen happamuuden merkitystä veden pH-tason säätelijänä tutkittiin määrittämällä orgaanisen anionin, sulfaatin ja emäskationeiden pitoisuudet luonnontilaisissa puroissa sekä suurissa joissa. Kaikissa joissa ja puroissa orgaaninen hiili muodosti suuren osan liuenneesta orgaanisesta aineesta. Orgaanisen typen ja orgaanisen fosforin pitoisuudet olivat huomattavasti pienempiä. Luonnontilaisissa puroissa yli 90 % kokonaistypestä ja yli 50 % liuenneesta kokonaisfosforista oli orgaanisessa muodossa. Suurin osa orgaanisesta typestä ja hiilestä oli liuenneessa muodossa. Orgaanista hiiltä huuhtoutui eniten alueilta, joilla topografia ja ilmasto-olosuhteet suosivat orgaanisen hiilen varastojen kertymistä valuma-alueelle, kuten Suomen runsassoisilla alueilla. Suomalaisilla puro- ja jokivaluma-alueilla orgaanisen hiilen huuhtouma lisääntyi soiden osuuden kasvaessa. Luonnontilaisilla latvavaluma-alueilla myös kuusen osuus puustosta korreloi positiivisesti sekä orgaanisen hiilen että orgaanisen typen pitoisuuksien ja huuhtoumien kanssa. Suomalaisissa joissa orgaanisen hiilen pitoisuuksiin vaikuttivat lisäävästi paitsi suot myös maatalousalueet. Ihmistoiminnan vaikutus näkyi myös lisääntyneinä orgaanisen typen ja orgaanisen fosforin kuormina maatalousvaltaisilta ja taajamavaltaisilta jokivaluma-alueilta. Kaikkein voimakkaimmin orgaanisen aineen huuhtoumiin jokivaluma-alueilla vaikutti valuma-alueen järvisyys. Mitä suurempi oli valuma-alueen järviprosentti sitä pienemmät olivat huuhtoumat, mikä indikoi orgaanisen aineen pidättymistä järviin. Orgaanisten ravinteiden osuus kokonaisravinteiden pitoisuuksista laski luonnontilaisilta metsäisiltä latvavaluma-alueilta alavirtaan suurille maankäytöltään vaihteleville jokivaluma-alueille tultaessa. Samalla orgaanisen typen ja fosforin pitoisuudet kuitenkin nousivat alajuoksua kohden. Orgaanisen hiilen pitoisuudet sen sijaan olivat korkeimmillaan latva-valuma-alueilla ja laskivat suurille jokivaluma-alueille tultaessa. Maankäytön muutos luonnontilaisilta latvavaluma-alueilta suuriin jokiin tultaessa aiheutti muutoksia huuhtoutuvaan orgaaniseen aineeseen, koska luonnontilaisilta, kaupunkimaisilta ja maatalousvaltaisilta alueilta huuhtoutuva orgaaninen aines on ravinnesuhteiltaan erilaista. Myös jokien eri merialueille kuljettaman orgaanisen aineen ravinnesuhteet vaihtelivat merkittävästi heijastaen kunkin valuma-alueen maankäyttöä. Nämä vaihtelut orgaanisen aineen ravinnesuhteissa vaikuttavat mahdollisesti orgaanisen aineen hajoamiseen ja biologiseen käytettävyyteen. Valuma-alueiden maankäyttö vaikutti myös sekä orgaaniseen että minerogeeniseen happamuuteen joissa ja puroissa. Orgaaninen anioni dominoi pohjoisissa puroissa ja joissa heijastaen valuma-alueiden soiden runsautta, kun taas sulfaatti dominoi Etelä-Suomessa ja rannikkoalueilla, missä on runsaasti reheviä alueita, maatalous- ja taajama-alueita, happamia sulfaattimaita sekä korkein sulfaattilaskeuma. Korkea orgaanisen hiilen pitoisuus laski pH arvoja puroissa ja joissa, mutta sulfaatin ja pH:n välillä ei ollut riippuvuutta, mikä korostaa orgaanisten happojen merkitystä pH tason säätelijänä suomalaisissa puroissa ja joissa.

Metsät vaikuttavat vesistöjen veden laatuun. Luonnontilaisilta metsä- ja suoalueilta vesistöihin kulkeutuvia ainevirtoja kutsutaan taustakuormaksi. Metsissä tehtävät toimenpiteet kuten päätehakkuut, maanmuokkaukset, lannoitukset ja ojitukset lisäävät vesistöihin tulevaa kuormitusta. Tässä julkaisussa esitellään metsätalousmaalta tulevaan luonnon taustakuormaan ja eri metsätaloustoimenpiteiden aiheuttamaan kuormituksen lisäykseen perustuva typpi-, fosfori- ja kiintoainekuormituksen laskentamenetelmä, KALLE. Laskentamenetelmän kuvauksen yhteydessä esitetään taustakuormitusluvut ja kivennäis- ja turvemaiden metsänuudistamisen ja lannoituksen sekä turvemaiden kunnostusojituksen ominaiskuormitusluvut. Ominaiskuormitusluvut on tuotettu olettaen, että vesiensuojelusta on huolehdittu uudistamishakkuiden yhteydessä jättämällä suojakaistoja vesistöjen varteen ja kunnostusojituksissa tekemällä laskeutusaltaita. Laskentamenetelmä ottaa huomioon toimenpiteiden pitkän vaikutusajan. KALLE-laskentamenetelmä on kehitetty valtakunnallisia, vesistöalueryhmittäisiä ja vesienhoitoalueittaisia laskelmia varten. Julkaisussa esitetään myös esimerkkilaskelmien tuloksia.