Field balances of trace elements at the farm level on crop and dairy farms in Finland in 2004

Abstract

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää hivenalkuaineiden tilakohtaisia peltotaseita kasvin- ja maidontuotantotiloilla vuonna 2004. Tutkittavat hivenalkuaineet olivat arseeni, kadmium, kromi, kupari, lyijy, elohopea, nikkeli, seleeni, vanadiini ja sinkki. Tutkimukseen valitut viisi kasvinviljelytilaa sijaitsivat lounaisessa Suomessa tyypillisellä viljanviljelyalueella ja viisi maidontuotantotilaa Pohjois- Pohjanmaalla tyypillisellä karjatalousalueella. Taselaskelmia varten viljelijöiltä saatiin tiedot tilojen tuotantopanosten hankintamääristä ja tuotteiden myyntimääristä. Tiloilta kerättiin näytteitä lannoitevalmisteista, kaupallisista rehuista, lannasta, kasvisadoista, maidosta ja lihasta sekä peltomailta muokkauskerroksesta ja jankosta. Näytteistä analysoitiin kaikki edellä mainitut kymmenen hivenalkuainetta. Kasvintuotantotiloilla peltomaiden vallitseva maalaji oli savi ja maidontuotantotiloilla hienohiekka. Maatilakohtaiset peltotaseet selvitettiin kahdella tavalla. Tavanomaisella peltotasemallilla eli RAKAS-mallilla taseet voitiin laskea kaikille kymmenelle hivenalkuaineelle. Eurooppalaisella AROMIS-mallilla taseiden laskeminen onnistui vain kadmiumille, kromille, kuparille, lyijylle, nikkelille ja sinkille. Mallit erosivat toisistaan siinä, että RAKAS-malli huomioi eroosion yhtenä hivenalkuaineiden poistumisreittinä maasta ja AROMIS-malli taas ei huomioinut eroosiota lainkaan. Toiseksi RAKAS-mallissa käytettiin pääasiassa pohjoismaisia hivenalkuaineiden huuhtoutumistietoja, kun AROMIS-malli perustui eurooppalaisiin huuhtoutumismääriin, jotka vaikuttivat Suomen olosuhteisiin suurilta. RAKAS- ja AROMIS-malleilla saadut tilakohtaiset peltotaseet erosivat jossain määrin toisistaan. Taselaskelmat osoittivat, että maidontuotantotiloilla hivenalkuaineiden lisäykset maahan olivat keskimäärin suuremmat ja taas poistumat maasta pienemmät kuin kasvinviljelytiloilla. Siten alkuaineiden kertyminen maahan on todennäköisempää maidontuotannossa kuin kasvinviljelyssä. Euroopassa maatiloille tulevien ja tiloilta poistuvien hivenalkuaineiden kokonaismäärät ovat keskimäärin suurempia kuin Suomessa. Lisäksi taselaskelmien vertailu osoitti, että peltojen raskasmetallipitoisuuksien kasvu on muualla Euroopassa selvästi nopeampaa kuin Suomessa. Suomen tiukoista päästörajoituksista huolimatta haitallisimpien raskasmetallien, kadmiumin ja elohopean, lisäykset viljelymaahan olivat vuonna 2004 edelleen lievästi suurempia kuin niiden poistumat. Näiden metallien pääasiallinen lähde oli ilmasta tuleva laskeuma. Arseenin, kromin, lyijyn, nikkelin ja vanadiinin kokonaispoistumat saattoivat olla jopa hiukan suuremmat kuin niiden kokonaislisäykset. Kuitenkin silloin kun peltojen kalkitukseen käytettiin teräskuonaa, vanadiinilisäykset olivat jopa 400-kertaiset poistumiin verrattuna. Jo yhdestä teräskuonan kerta-annoksesta tuleva vanadiinimäärä saattaa kaksinkertaistaa viljelymaan vanadiinipitoisuuden. Myös suurimmat kromilisäykset tulivat teräskuonasta. Kuparin ja sinkin lisäykset maahan olivat maidontuotantotiloilla suuremmat ja kasvinviljelytiloilla pienemmät kuin näiden hivenravinteiden poistumat maasta. Taseiden perusteella kuparin ja sinkin pitoisuudet tulevaisuudessa pienevät kasvinviljelytiloilla ja kasvavat maidontuotantotiloilla. Kasvinviljelytiloilla kuparia poistui maasta keskimäärin hiukan enemmän kuin maahan eri lähteistä tuli. Kasvinviljelytiloilla suurimmat kuparilisäykset tulivat ilmasta laskeumana ja maidontuotantotiloilla kaupallisista rehuista. Sinkki kulkeutui maatilalle molemmissa tuotantosuunnissa ennen kaikkea lannoitevalmisteissa. Seleenilisäykset maahan olivat kasvintuotantotiloilla noin viisinkertaisia ja maidontuotantotiloilla noin kymmenkertaisia seleenipoistumiin verrattuna. Mikäli tilanne jatkuu samanlaisena, viljelymaiden seleenipitoisuudet keskimäärin kaksinkertaistuvat seuraavan sadan vuoden aikana. Tuotantosuunnasta riippumatta tärkein seleenilähde olivat kivennäislannoitteet. Tutkimus oli osa vuosina 2004 2007 toteutetusta, Maa- ja metsätalousministeriön rahoittamasta yhteistutkimushankkeesta Raskasmetallikuormitusten selvittäminen ja vähentäminen Suomen maatalousekosysteemeissä . Hankkeen tavoitteena oli selvittää hivenalkuaineiden kokonaispitoisuudet viljelymaassa valtakunnallisesti käyttäen kuningasvesiuuttoa. Toiseksi mitattiin kasvin- ja maidontuotantotilojen hivenalkuaineiden kokonaispitoisuuksia peltojen muokkauskerroksesta ja jankosta. Muokkauskerroksesta tutkittiin lisäksi alkuaineiden liukoiset osuudet käyttäen hapan (pH 4,65) ammoniumasetaatti-EDTA -uuttoa. Kolmanneksi samoille maatiloille laskettiin hivenalkuaineiden tilakohtaiset peltotaseet.

This study was part of a three-year (2004-2007) project entitled Assessment and reduction of heavy metal inputs into Finnish agro-ecosystems that was funded by the Ministry of Agriculture and Forestry in Finland. The aims of the project were to clarify: 1) aqua regia extractable trace elements in Finnish cultivated soils with the international standard method at a national level; 2) aqua regia and AAAc-EDTA extractable trace elements in the top- and subsoil of Finnish arable land at selected crop and dairy farms; and 3) field mass balances of trace elements on the same selected crop and dairy farms at the farm level. The main aim of this study was to estimate field balances of trace elements at the farm level on typical crop and dairy farms in Finland in 2004. The trace elements studied were arsenic (As), cadmium (Cd), chromium (Cr), copper (Cu), lead (Pb), mercury (Hg), nickel (Ni), selenium (Se), vanadium (V) and zinc (Zn). Five crop farms were selected from southwestern Finland that is typical of arable farming and five dairy farms from Ostobothnia that is typical of milk production. For balance estimations data on the amounts of agricultural production resources imported to the farm and products exported from the farms were collected. Samples from fertiliser products, commercial feeds, crop plants, milk, meat and manure and also from top- and subsoil were collected and analysed for the ten trace elements. The soil type on the crop farms was clay and dairy farms finesand. Balance calculations were made with two models. The conventional field balance model called RAKAS-model was used for all the elements studied here and the European AROMIS-model for Cd, Pb, Cu, Cr, Ni and Zn. The main RAKAS-model used the leaching figures measured in Nordic countries and the AROMIS-model used the leaching figures measured in other parts of Europe. Erosion was taken into account in the RAKAS-model, but not in the AROMISmodel. The AROMIS-model was able to estimate internal flows of the trace elements in homegrown feeds and manure as well as the inputs of the trace elements from unidentified sources on the dairy farms. Field balances estimated at the farm level showed that the balances of the harmful heavy metals, Cd and Hg, were often slightly positive leading in accumulation of these metals into the soil on the crop and dairy farms. Selenium indicated a highly positive balance resulting in enrichment of this element in the soil in both farming systems. Also, the Cu and Zn balances were positive on the dairy farms but on the crop farms, clearly negative showing a depletion trend in the soil. In general, inputs and outputs of As, Cr, Ni, Pb and V were rather well balanced. However, if steel slag was used on the farm, accumualtion of V into the soil was even 400 times that on the farm not used steel slag.