Sedimentin fosfori rehevöittää kauan

Fosfori on tärkein sisävesiä rehevöittävistä ravinteista ja sitä varastoituu järvien pohjasedimenttiin. Jos happi vähenee, alkaa varasto purkautua. Tästä kutsutaan sisäiseksi kuormitukseksi.

Fosfori on minimitekijä

Vesistöjen tärkeimmät ravinteet ovat typpi ja fosfori. Suurimmassa osassa Suomen sisävesiä fosfori on tuotantoa rajoittava minimitekijä, typen ja fosforin suhde on tavallisesti noin 25:1. Vesistöissä fosforia ei esiinny alkuaineena, vaan fosfaattimuodossa eli fosforihapon suoloina. Iso osa vesipatsaan fosforista voi olla sitoutuneena orgaanisiin yhdisteisiin. 

Tavallisesti fosfori kiertää järviekosysteemissä nopeasti. Hajotustoiminnan yhteydessä vapautunut epäorgaaninen fosfori voi kesäaikaan sitoutua orgaanisiin yhdisteisiin 1–100 minuutissa. Talvella, kun hajotustoiminta on hitaampaa, vastaava aika vaihtelee muutamasta tunnista kahteen kuukauteen.

Kun orgaaninen aines hajoaa, sen sisältämä fosfori vapautuu fosfaatteina veteen. Suuri osa siitä sidotaan nopeasti takaisin eliöihin. Osa fosforista laskeutuu partikkelien mukana järven pohjalle ja sitoutuu sedimenttiin. Hapellisissa olosuhteissa rautayhdisteet sitovat fosforia sedimenttiin, jolloin muodostuu kiinteää rauta(III)fosfaattia, FePO4. Sitoutuvat fosforimäärät voivat olla suuriakin. 

Sedimentti varastoi

Pitkään jatkunut fosforikuormitus saattaa lopulta johtaa siihen, että järven pohjasta alkaa vapautua ravinteita. Tavallisesti ylimääräinen fosfori sitoutuu järven pohjaan, mutta jos kuormitus jatkuu, alkaa fosforia lopulta liueta takaisin veteen. Tämä sisäinen kuormitus rehevöittää järveä eli lisää perustuotantoa, ja välillisesti se aiheuttaa pohjiin happikatoa.

Sisäinen kuormitus käynnistyy erityisen helposti sellaisissa järvissä, jotka ovat jo ennestään reheviä ja joihin tulee paljon ulkoista kuormitusta. Monin paikoihin ihmisen toiminta on lisännyt merkittävästi vesistöjen fosforikuormaa. Ravinnetta pääsee vesistöön metsien lannoittamisen, turkistarhauksen, kalankasvatuksen sekä ennen kaikkea maatalouden päästöinä. Yhdyskuntien jätevesien fosforikuorma on saatu kuriin tehokkaan vedenpuhdistuksen avulla, mutta vanha kuormitus näkyy edelleen järvien pohjissa. Lisäksi fosforia pääsee vesistöihin myös luonnosta kallioperän mineraalien rapautuessa. Kalkkipitoisten maalajien alueilla ja savisilla seuduilla sijaitsevat järvet ovat luonnostaan fosforipitoisia.

Pohjalla tapahtuu

Pohjan happiolosuhteet vaikuttavat siihen, miten hyvin fosforia liukenee. Kun eliöt kuolevat, erilaiset hajottajat siirtävät niiden ravinteet takaisin kiertoon. Hajotustoiminta vaatii happea. Jos pohjan happipitoisuus laskee, anaerobiset mikrobit pelkistävät rauta(III)-ionit (Fe3+) rauta(II)-ioneiksi (Fe2+). Tämän prosessin seurauksena fosfaatti-ioni pääsee liukenemaan alusveteen. Liuennut fosfori siirtyy tuottajien, erityesti levien käyttöön. Levät runsastuvat niin paljon, etteivät kuluttajatkaan pysty hillitsemään niiden kasvua.  Kun leväbiomassa hajoaa, se kuluttaa happea, ja itseään voimistava kehä on syntynyt.

Alusveden fosforipitoisuuteen vaikuttaa sekä ylemmistä vesikerroksista tuleva fosforikuorma että pohjan sedimentistä vapautuvan fosforin määrä. Myös sillä on merkitystä, miten suureen vesimäärään fosfaatti sekoittuu.

Syvissä järvissä vesi kerrostuu lämpötilan mukaan kesällä ja talvella. Koska kerrokset eivät kesien ja talvien aikana sekoitu keskenään, niin sedimentistä diffuusion ja kaasukupinnan avulla vapautuva fosfori rikastuu pohjan läheiseen veteen. Hapettomassa pohjassa syntyvät metaanikuplat siirtävät myös fosforia ylöspäin. Vasta kun vesikerrokset sekoittuvat kevät- ja syystäyskierron aikaan, sekoittuu fosfori kunnolla kaikkiin vesikerroksiin. Näin ravinteet ovat taas ylemmissä vesikerroksissa levien ja muiden eliöiden käytössä.

Matalissa vesistöissä fosfori kiertää nopeammin tuottajien käyttöön, sillä vesimassa sekoittuu syviä vesiä paremmin aallokon ja virtausten ansiosta. Myös pohjalla tonkivat eliöt pöllyttävät ravinteita liikkeelle.

Ravinteet sitoutuvat pinnalla

Liukoinen fosfori lisää järven pintaosissa tapahtuvaa tuotantoa.  Fosforin aikaansaama perustuotannon kasvu eli rehevöityminen vaikuttaa järven lajistoon. Useimmiten tuotetun leväbiomassan määrä kasvaa, mutta lajimäärät vähenevät.

Järvistä poistuu fosforia pois virtaavan veden mukana. Osa fosforista sitoutuu pysyvästi sedimenttiin ja hautautuu syvälle järven pohjaan. Jos ulkoinen fosforikuormitus vähenee, alkaa kuormittunut pohjasedimentti hiljalleen puhdistua. Prosessissa saattaa kestää kauan, mutta joskus sitä on mahdollista nopeuttaa erilaisilla kunnostustoimilla.


Fosforin vapautumiseen vaikuttavia tekijöitä


Ympäristötekijät

Redox-potentiaali eli hapetus-pelkistyspotentiaali
Redox-potentiaali tarkoittaa sähköistä potentiaalia, joka tarvitaan elektronien siirtämiseksi aineesta toiseen (hapettimesta pelkistimeen). Happitilanne vaikuttaa järven pohjan redox-potentiaaliin. Kun pohjan redoxpotentiaali on alle 200 mV, rauta(III)-ioni pelkistyy rauta(II)-ioniksi. Silloin rautafosfaatti liukenee, ja fosfaatti-ioni liukenee veteen.

pH
Kun pH nousee, pohjan sedimentin rauta- ja alumiinioksidien pinnoilla oleva fosfaatti voi vaihtua vaihtuu hydroksidi-ionin kanssa. Tällöin fosfaattia vapautuu veteen.

Lämpötila
Kun lämpötila nousee, bakteerien aktiivisuus lisääntyy ja hapen kulutus kasvaa. Tämä puolestaan laskee aiemmin mainittua redox-potentiaalia.

Kelaatit
Kelaatit ovat ioneja tai yhdisteitä, jotka sitoutuvat erilaisiin metalli-ioneihin, esimerkiksi järvien pohjassa olevaan rauta(III)-ioniin. Kelaatit voivat toimia ligandina, eli rauta(III)-ioni voi sitoutua fosfaatti-ionin sijasta kelaattiin, jolloin fosfaatti vapautuu.  Kelaatteja muodostuu bakteerien ja levien aineenvaihdunnassa tai niitä voi joutua vesistöön ihmistoiminnan seurauksena.

Luonnon prosessit

Diffuusio
Fosfaattia siirtyy sedimentin huokosvedestä vesipatsaaseen, koska niiden välinen pitoisuusero on suuri.

Turbulenssi
Vesimassa sekoittuu mekaanisesti tuulen ja virtausten voimasta. Samalla pohjasedimenttiä ja sen huokosveden ravinteita sekoittuu veteen. Turbulenssi nopeuttaa myös aineiden siirtymistä diffuusion avulla.

Bioturbaatio
Bioturbaatiolla tarkoitetaan sitä, että eliöt sekoittavat pohjaa sitä tonkiessaan. Esimerkiksi särkikalat etsivät pohjasta ruokaa ja aiheuttavat bioturbaatiota. Samalla sedimentteihin sitoutunut fosfori pääsee vapautumaan alusveteen. 

Kaasukonvektio
Pohjasta nousevat kaasukuplat sekoittavat pohjasedimenttiä  ja huokosveden ravinteita alusveteen. Hapettomissa pohjissa syntyy erityisesti metaania.


Yhteenvedon pohjana on käytetty taulukkoa 9.2 teoksessa ”Principles of Lake Sedimentology” (Håkanson & Jansson 1983).

Kun särkikalat tonkivat järvien pohjia, sedimenteistä vapautuu ravinteita. Yksi menetelmä rehevän vesistön kunnostukseen on erityisesti särkikaloihin keskittyvä hoitokalastus.

Järvien kunnostaminen on hidasta


Teollisuuden ja yhdyskuntien jäteveden puhdistamoiden ravinnepäästöjä vesistöihin on pystytty vähentämään merkittävästi 1980-luvulta alkaen. Kuormitus väheni erityisen nopeasti 1990-luvulla, jonka aikana esimerkiksi teollisuuden fosforipäästöt alenivat Suomen ympäristökeskuksen mukaan noin kahdella kolmasosalla. Vuoden 2000 jälkeen vähennykset ovat olleet maltillisempia, mutta fosforimäärät ovat pienentynee edelleen.Tällä hetkellä suurin osa päästöistä tulee hajakuormituksena, ja erityisesti maatalouden päästöillä on merkitystä järvien tilan kannalta. Metsätalouden fosforikuormitusta on pystytty pienentämään 1990-luvun huippuvuosista noin kolmanneksella.

Vaikka kehitystä on tapahtunut, niin rehevöityminen vaivaa noin viidesosaa maamme järvien pinta-alasta. Suomessa on arvioitu olevan noin 1 500 kunnostustoimia vaativaa järveä.

Järvien tila kiinnostaa

Monille Suomalaisille kesämökin vesistö on rakas ympäristö, jonka tilasta ollaan kiinnostuneita.

”Teen paljon yhteistyötä vesiensuojeluyhdistysten kanssa ja niitä on Suomessa paljon. On hienoa huomata, että vesistöjen tila on monille tärkeä asia ja intoa toimenpiteisiin riittää”, vesistötutkija Juha Niemistö Helsingin yliopistosta sanoo.

”Onnistunut kunnostus edellyttää huolellista taustatyötä, jossa selvitetään kuormitustilannetta ja järven yksilöllisiä ominaisuuksia. Työ vie aina vuosia ja se saattaa joskus yllättääkin. Valitettavasti oikoteitä ei ole, sillä jos vesistöä on kuormitettu vuosikymmenien ajan, niin myös korjaustoimet ovat hitaita”, Niemistö sanoo.

Kunnostuksen suunnittelussa kannattaakin hyödyntää asiantuntijoiden apua. Taustatyönä selvitetään kuormitustilannetta ja järven yksilöllisiä ominaisuuksia. Tämän perusteella voidaan valita sopivat kunnostusmenetelmät  ja arvioida toimien riittävyyttä.

Konstit on monet

Ravinteiden poistoon on monia tapoja. Esimerkiksi järven alusvedestä voidaan suodattaa pois fosforia tai fosforipitoista sedimenttiä voidaan poistaa ruoppaamalla. Ruoppausjäte tosin saattaa osoittautua ongelmalliseksi, koska pohjiin on vuosien saatossa voinut kertyä paljon myös haitallisia aineita. Isommissa järvissä kunnostaminen voi olla kallista, sillä puhdistettavaakin on paljon.

Fosforin kemialliseen saostamiseen Niemistö suhtautuu varovaisesti.”Suosittelen ennemmin menetelmiä, joilla pyritään poistamaan ravinteita järvestä kuin sitomaan niitä sedimenttiin, sillä näin veden laatu paranee pysyvämmin.”, Niemistö sanoo.

Kunnostustöissä on aina muistettava mittakaava: järven pohjaan voi olla varastoituneena valtavia määriä fosforia.

”Jos mökkiläinen kalastaa pois särkikaloja, se on oikean suuntainen toimenpide. Yksinään se ei kuitenkaan riitä. Monissa tapauksissa pitäisi pystyä hillitsemään rehevöittäviä päästöjä valuma-alueella, mikä saattaa osoittautua vaativaksi”, Niemistö sanoo. 

Kaikista tärkeintä olisi aina saada ulkoinen kuormitus aisoihin, sillä muuten kunnostustoimistakaan ei ole suurta hyötyä. Tämän vuoksi valuma-alueilla on suuri merkitys järvien tilan kannalta.

Teksti: Hanna Kaisa Hellsten, kuvat: Heikki Toivonen.
Artikkeli on julkaistu Naturan nrossa 2/20.