JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Turvemaiden merkitys maataloussektorin kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisessä on korostunut. Turvemailla on arvioitu syntyvän valtaosa päästöistä, vaikka niiden osuus koko viljelyalasta on pieni. Pohjaveden pinnan ylläpitäminen noin 30 cm syvyydessä on havaittu tehokkaimmaksi toimeksi päästöjen vähentämiseksi. Pohjois-Suomen turvemaavaltaisella alueella pohjaveden pinnan säätö on kuitenkin pystyttävä sovittamaan normaalin viljelyn kanssa. Diplomityössä otetaan vesitaloudellinen näkökulma pohjaveden pinnan säätämiseen tapauksessa, jossa turvepellon kesän aikaista pohjaveden pintaa säädetään ja ylläpidetään tavoitetasolla nurmenviljelyn ohessa. Tutkimus suoritettiin Luonnonvarakeskuksen (Luke) Ruukin tutkimusaseman 19,56 ha kokoiselle ohutturpeiselle peltoalalle.

Vesitaseiden kautta arvioitiin kesän aikaista (kesä-, heinä- ja elokuu) säätöveden vajausta. Taseissa peltojen haihduntaa korvataan sadannan lisäksi peltojen valuma-alueelta muodostuvalta valunnalla. Taseita laskettiin säämittauksien keskiarvoilla, vuosien 2018–2020 mittauksiin perustuen, sekä arvioitiin ilmastonmuutoksen vaikutusta taseisiin vuosisadan loppuun mennessä. Mahdollisen vajauksen täyttämiseksi käytettäviä varastointivaihtoehtoja arvioidaan peltojen lähelle kaivettavan varaston, valtaojien padottamisella saatavan varaston sekä valuma-alueen metsäojien tilavuuksia. Näiden lisäksi tutkitaan valunnan vuosittaista vaihtelua Ruukin lähellä.

Vuosina 2018–2020 kaikkien peltolohkojen pohjaveden pinta oli vuosittain keskimäärin syvemmällä kuin 30 cm syvyydessä. Ohutturpeisilla (< 40 cm) lohkoilla pohjaveden pinta vaihteli vuosittain 84–129 cm välillä. Paksuturpeisilla (40–60 cm) lohkoilla pohjaveden pinta vaihteli 64–96 cm välillä.

Mittauspisteiden keskiarvojen mukaan peltojen vesitase on positiivinen kaikkina kesäkuukausina, eli sadanta ja valunta riittävät yhdessä täyttämään haihduntaa pelloilta. Vuonna 2018 tase oli negatiivinen kesä- ja heinäkuussa ja veden vajaus oli 142 mm. Vuonna 2019 tase oli negatiivinen heinäkuussa ja vajaus oli 81 mm. Vuonna 2020 tase oli negatiivinen kesäkuussa ja vajaus oli 80 mm. Pienillä valuma-alueilla peltojen yläpuoliselta valuma-alueelta tuleva valunta ei ole siis luotettava kasteluveden lähde.

Työssä arvioitiin valunnan pidättämisen mahdollisuuksia Ruukin valuma-alueella. Yläpuolisen valuma-alueen metsäojien kokonaispidätystilavuudeksi arvioitiin 285 mm. Lisäksi peltojen viereen pystytään tekemään vesiallas, jonka pinta-ala on 0,7 ha ja tilavuus 38 mm. Valtaojien padottamisella saatiin aikaiseksi 12,5 mm vesivarasto neljällä padolla. Kolmesta varastointivaihtoehdosta metsäojat ovat ainoat, joiden tilavuus voi teoriassa riittää täyttämään peltojen vesivajauksen erittäin kuivana vuonna. Varastoaltaan tilavuus kuitenkin riittäisi säätökastelemaan pellot kerran ensimmäisen niiton jälkeen.

Tämän työn tulokset kertovat ensisijaisesti Ruukin toimipisteen turvemaista ja pohjaveden pinnan säätämisen rajoitteista. Työn jälkeen tunnetaan paremmin, millaista pohjaveden pinnan säätöä pystytään toteuttamaan tutkimuspelloilla. Jatkossa Ruukin tutkimusasemalla voidaan seurata pohjaveden pinnan manipuloinnin vaikutusta kasvihuonekaasupäästöihin sekä salaojavalunnan määrään ja laatuun. Metsätalouden vesienhallintakeinoista löytyy paljon keinoja, joilla pystytään lisäämään kesän aikaista valuntaa peltojen kasteluvedeksi ja näiden menetelmien yhdistäminen olisi tärkeä selvittää jatkossa.

Water balance estimation for cultivated peatlands from the point of view of water table management

Abstract

Cultivated peatlands are primary targets in efforts to mitigate greenhouse gas (GHG) emissions from Finnish agricultural sector. Minority of all farmlands is located on these organic soils but are estimated to produce the majority of the GHG emissions. Managing water table level (WTL) at ~30 cm depth is known to be the most efficient method to control emissions. In the peatland rich northern regions of Finland water table management must fit together with regular farming practices. Main goal of this thesis was to estimate water balance for cultivated peatlands with grass crops when water table is maintained at a constant level and lowered during harvesting. Study is conducted for field with 19.56 ha area and shallow (< 60 cm) peat layer at surface. Field is managed by Natural Resources Institute Finland (Luke) Ruukki research station.

Water balances are used to evaluate the water deficit for the summer months (June, July, and August). In the water balances runoff from the field catchment is used to supplement the evapotranspiration (ET) loss from the field. Water balances were calculated for the long-term climate averages, measurements from 2018–2020 and the conditions at the end of the century by considering the impact of the climate change. Possible locations for water reservoirs and their suitability were evaluated for three cases: Build reservoir, damming main drainage channels and damming forest ditches. Variability of monthly runoff in the region is also evaluated to determine the suitability of summertime runoff as a source of irrigation water.

During the years 2018–2020 annual average WTL was below target 30 cm depth for all blocks for each year. For the blocks with shallower peat layer (< 40 cm) annual average WTL was between 84–129 cm below soil surface. Blocks with thicker peat profiles (40–60 cm) had annual average WTL between 64–96 cm below surface.

Water balance for long term averages was positive for all summer months. Meaning that precipitation and runoff were sufficient to supplement the ET loss from fields. In the year 2018 balance was negative in June and July with maximum water deficit of 142 mm. Water balance for the year 2019 was negative in July with maximum water deficit of 81 mm. In 2020 balance was negative in June with 80 mm water deficit. Results indicate that runoff from small catchment does not fulfill the controlled irrigation water needs in this region.

Water retention volume in forest ditches at upstream catchment from study field were estimated to be 285 mm. Reservoir with 0.7 ha surface area and 38 mm capacity could be dug close to the fields. Damming of main drainage ditches along the fields could produce reservoir with 12.5 mm storage capacity. Forest ditches were only option that could theoretically store enough water to maintain water table even in dry summer. Capacity of build reservoir would be enough to raise WTL to 30 cm depth once in early summer.

Results from this thesis are mainly relevant to the fields in Ruukki research station. With these results possibilities to manipulate WTL for research purposes are better known. In the future the impacts of WTL manipulation to GHG emissions and drainage runoff quality can be measured. Water management practices in the forestry sector were found to be possible solution to increase the amount of summertime runoff used in the water table management.