Assessing the effects of subsurface drainage on hydrology and nitrogen transport in Nordic fields

Salaojitus on pääasiallinen maatalouden vesien hallintamenetelmä pohjoisilla alueilla. Uusien salaojitusten asentaminen sekä vanhojen salaojitusten täydennysojittaminen muuttavat veden virtausreittejä maanpinnalla ja maaperässä sekä vaikuttavat pellon vesitaseeseen. Nämä muutokset vaikuttavat pellolla tapahtuviin typen prosesseihin sekä typpikuormaan. Salaojitusmenetelmän vaikutuksien arviointia monimutkaistavat kuivatukseen vaikuttavat sääolot, maaperän hydrauliset ominaisuudet sekä peltoa ympäröivät alueet. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kuivatusjärjestelmien merkitystä veden virtaukseen ja typen kulkeutumiseen kerättyjen mittausaineistojen, tilastollisten menetelmien sekä matemaattisen mallintamisen avulla. Kahden salaojitusmenetelmän toimintaa Sievin koepellolla tutkittiin tilastollisilla menetelmillä. Erot pohjavedenpinnan tasoissa johtuivat salaojitusmenetelmästä sekä maalajista salaojasyvyydessä. Absoluuttiset erot eri ojitusmenetelmillä käsiteltyjen lohkojen välillä olivat keskimäärin vain 0,1 m. Maan ominaisuuksien ja kuivatusjärjestelmän vaikutuksia veden virtausreitteihin tutkittiin tarkemmin prosessipohjaisella hydrologisella mallilla. Salaojitusvaihtoehtojen vaikutuksia simuloitiin 1D, 2D ja 3D mallisovelluksissa, joissa käytettiin mittausaineistoa eteläsuomalaiselta savipellolta (Nummela). Kuivatusjärjestelmä voitiin kuvata ojaväli- ja peltolohkomittakaavan malleilla. 3D ojavälisimulaatioista saatiin tietoa, kuinka maanäytteiden mittaustietojen suora käyttö mallin parametrisoinnissa voi toimia mallin kalibroinnin vaihtoehtona. Ojavälimittakaavan parametrisointi skaalattiin peltolohkomittakaavaan pitkän ajan 2D simulaatioita varten. Lyhyen ajan 3D simulaatioiden mukaan veden virtausta dominoi mallissa kuvatut makrohuokoset verrattuna kuivatusjärjestelmän vaikutuksiin. Pitkäaikaisten 2D simulaatiotulosten vertailu paljasti, että kuivatuksen tehostaminen muutti pellon valuntareittien suhteita, laskien myös pohjavesivalunnan määrään. Työssä kehitettiin yleinen aineiden kulkeutumista kuvaava matemaattinen malli ja sillä tutkittiin typen kierron prosesseja ja typen kulkeutumista. Typpimallia testattiin 1D sovelluksissa lyhyille syysjaksoille, jolloin huuhtoumaa kontrolloi pääosin kasvukauden jälkeiset maan typpivarastot ja sateiden ajoittuminen. Maan kosteus selitti kaasumaisen typpivirran suuruutta. Pitkäaikaiset mittausaikasarjat, tilastolliset analyysimenetelmät ja prosessi-pohjainen mallinnus osoittivat, että salaojituksen vaikutukset ovat kohdekohtaisia. 1D, 2D ja 3D mallisovelluksilla pystyttiin selvittämään, mitkä tekijät vaikuttavat salaojavalunnan määrään, ja mistä alkulähteistä kuivatusvalunta muodostuu. Kuivatusjärjestelmää kuvattiin näissä sovelluksissa eri tavoille, mikä vaikutti veden virtausreitteihin. Peltoviljelyn ravinnekuormituksen vähentäminen vaatii pellon vesitaseen sekä kuormitusmekanismien kokonaisvaltaista ymmärtämistä. Tutkimustulosten mukaan salaojituksen tehostaminen siirtää typpikuormitusta pohjavesivalunnasta salaojavaluntaan eikä näin ollen oleellisesti kasvata typpikuorman määrää.