Controlled drainage and climate change in Finnish agriculture

Maatalouden vesienhallinnalla on oleellinen rooli kestävässä viljelyssä. Säätösalaojitusta pidetään mahdollisena menetelmänä maatalouden ympäristökuorman vähentämiseksi sekä vaihteleviin sääoloihin ja ilmastonmuutokseen sopeutumisessa. Kvantitatiivinen tieto säätösalaojituksen vaikutuksista peltohydrologiaan erityyppisillä pelloilla ja erilaisissa ilmasto-oloissa on kuitenkin vähäistä. Tässä tutkimuksessa säätösalaojituksen hydrologisia vaikutuksia suhteessa tavanomaiseen ojitukseen Suomessa simuloitiin prosessipohjaisella hydrologisella mallilla. Päätavoite oli kvantifioida vaikutuksia pohjaveden pintoihin ja pellon vesitaseeseen ja vaikutusten muutoksia muuttuvassa ilmastossa. Simulaatioissa käytettiin sekä mineraalimaan että turvemaan parametrisointeja. Tutkimuksella oli kolme lisätavoitetta: 1) hydrologian ja säätösalaojituksen toiminnan analysointi turvepellolla, jossa oli voimakas pohjavesiyhteys viereiseen metsäalueeseen, 2) turvekerroksen ohentumisen yhdistäminen hydrologisiin simulaatioihin säätösalaojitetulla pellolla ja 3) säätösalaojituksen ja valtaojan padotuksen yhteisvaikutusten simulointi sekä vaikutustenarviointi eri etäisyyksillä valtaojasta. Tulokset osoittivat säätösalaojituksen olevan toimiva menetelmä pohjaveden pinnan nostamiseksi. Kasvukaudenkin aikana pohjaveden pinta nousi 0,06–0,26 m. Erityisesti varastoimalla vettä peltoon aikaisempina kuukausina säätösalaojituksella on mahdollista vähentää alkukesien kuivuusriskiä ja ympäristölle haitallisia syviä pohjaveden pintoja. Salaojavalunta väheni 7–23 %. Tämä näkyi myös lisääntyneenä pohjavesivaluntana valtaojaan, mikä voi olla parempi vaihtoehto ainekuormituksen suhteen, mutta turvepeltosimulaatioissa syntyi myös huomattavasti pintakerrosvaluntaa. Ilmastonmuutos ei aiheuttanut suuria muutoksia säätösalaojituksen vaikutuksiin, mikä viittaa säätösalaojituksen pysyvän hyödyllisenä vesienhallintamenetelmänä tulevaisuudessa ja auttavan ilmastonmuutokseen sopeutumisessa. Merkittävä simulaatioissa esiintynyt uhka ympäristön kannalta oli ilmastonmuutoksesta johtuva salaojavalunnan kasvu, jota ei säätösalaojituksella voitu estää. Hydrologisten virtausyhteyksien simuloinnissa pohjavesivirtaus metsäalueelta nosti pohjavedenpintoja vain metsän läheisyydessä mutta selitti suuren mitatun salaojavalunnan. Pohjavesivirtaus vaikutti säätösalaojituksen toimintaan pääasiassa kasvattamalla vähennetyn salaojavalunnan määrää. Turvekerroksen ohentumisen sisältäneissä simulaatioissa säätösalaojitus vähensi ohentumisnopeutta 14–22 %. Turvekerroksen ohentuminen heikensi säätösalaojituksen vaikutuksia pohjavedenpintoihin mutta vahvisti vaikutuksia salaojavalunnan määrään lisäten pintakerrosvaluntaa. Säätösalaojituksen ja valtaojan padotuksen yhdistäminen demonstroi menetelmien vaikutusten spatiaalisen jakautumisen suhteessa valtaojaan, mutta osoitti myös valuntojen hallinnan riittämättömyyden optimaalisten pohjavedenpinnan syvyyksien ylläpitämisessä kasvukaudella. Kokonaisuudessaan simulaatiot osoittivat, että säätösalaojituksella voidaan käytännön kannalta merkittävästi vaikuttaa peltohydrologiaan erilaisilla maalajeilla ja Suomeen tälle vuosisadalle ennakoiduissa ilmasto-oloissa.

——————————————–

Agricultural water management plays a key role in sustainable crop production. Controlled drainage has been proposed as a method for mitigating the environmental impacts of drained agricultural lands and adapting to meteorological variability and climate change. However, there remains a lack of quantitative understanding of how controlled drainage influences field-scale hydrology across different soil types and climatic conditions. A process-based hydrological model was used to simulate the field-scale hydrological effects of controlled drainage in comparison to conventional free drainage in Finland. The main objective was to quantify the effects on groundwater table depths and field water balance and analyze how the effects change during the 21st century due to climate change. The simulations applied both mineral soil and peatland parameterizations. Furthermore, the dissertation addressed the following objectives: 1) to analyze the hydrology and performance of controlled drainage on a peatland field with a strong groundwater connection to an upslope forest area, 2) to couple hydrological simulations with peat subsidence under controlled drainage, and 3) to simulate the combination of controlled drainage and open ditch damming and assess the spatial distribution of the effects on groundwater table depths. The simulation results showed controlled drainage to be a viable method to reduce groundwater table depth, with even growing season groundwater table depths being reduced by 0.06–0.26 m. Especially when storing water in the field during earlier months, controlled drainage has potential to reduce growing season drought risk and the environmental impacts of deep groundwater levels. Drain discharge was reduced by 7–23%. This was reflected in increased lateral groundwater outflow, which may be beneficial in reducing substance load, but the peatland simulations showed also a strong increase in surface layer runoff. Under the future climate scenarios, the changes in the effects of controlled drainage were small. This suggests that controlled drainage will remain a useful tool in water management and has potential to support adaptation to climate change. Still, an environmental concern shown in the simulations was a future increase in drain discharge which could not be offset with controlled drainage. In the simulations of hydrological connections, groundwater inflow from the forest area affected groundwater levels only in the vicinity of the forest but explained the large observed drain discharge. Consequently, the main impact of the inflow on the performance of controlled drainage was increased drain discharge reduction. The peat subsidence simulations showed 14–22% reduction in subsidence rate caused by controlled drainage. Peat subsidence reduced controlled drainage effects on groundwater table depth but increased the effect on drain discharge due to increased surface layer runoff. The simulations combining controlled drainage with open ditch damming demonstrated how the impacts of the ditch were spatially distributed in the field area but also showed how managing the outflow paths alone is likely not sufficient for maintaining optimal groundwater table depth during growing seasons. Overall, the simulation studies showed that controlled drainage has practically relevant potential to alter field hydrology in varying soil types and climate conditions projected for the 21st century in Finland.