Substance flow analysis in Finland : Four case studies on N and P flows

Nitrogen (N) and phosphorus (P) are essential elements for all living organisms. However, in excess, they contribute to several environmental problems such as aquatic and terrestrial eutrophication. Globally, human action has multiplied the volume of N and P cycling since the onset of industrialization. The multiplication is a result of intensified agriculture, increased energy consumption and population growth. Industrial ecology (IE) is a discipline, in which human interaction with the ecosystems is investigated using a systems analytical approach. The main idea behind IE is that industrial systems resemble ecosystems, and, like them, industrial systems can then be described using material, energy and information flows and stocks. Industrial systems are dependent on the resources provided by the biosphere, and these two cannot be separated from each other. When studying substance flows, the aims of the research from the viewpoint of IE can be, for instance, to elucidate the ways how the cycles of a certain substance could be more closed and how the flows of a certain substance could be decreased per unit of production (= dematerialization). In Finland, N and P are studied widely in different ecosystems and environmental emissions. A holistic picture comparing different societal systems is, however, lacking. In this thesis, flows of N and P were examined in Finland using substance flow analysis (SFA) in the following four subsystems: I) forest industry and use of wood fuels, II) food production and consumption, III) energy, and IV) municipal waste. A detailed analysis at the end of the 1990s was performed. Furthermore, historical development of the N and P flows was investigated in the energy system (III) and the municipal waste system (IV). The main research sources were official statistics, literature, monitoring data, and expert knowledge. The aim was to identify and quantify the main flows of N and P in Finland in the four subsystems studied. Furthermore, the aim was to elucidate whether the nutrient systems are cyclic or linear, and to identify how these systems could be more efficient in the use and cycling of N and P. A final aim was to discuss how this type of an analysis can be used to support decision-making on environmental problems and solutions. Of the four subsystems, the food production and consumption system and the energy system created the largest N flows in Finland. For the creation of P flows, the food production and consumption system (Paper II) was clearly the largest, followed by the forest industry and use of wood fuels and the energy system. The contribution of Finland to N and P flows on a global scale is low, but when compared on a per capita basis, we are one of the largest producers of these flows, with relatively high energy and meat consumption being the main reasons. Analysis revealed the openness of all four systems. The openness is due to the high degree of internationality of the Finnish markets, the large-scale use of synthetic fertilizers and energy resources and the low recycling rate of many waste fractions. Reduction in the use of fuels and synthetic fertilizers, reorganization of the structure of energy production, reduced human intake of nutrients and technological development are crucial in diminishing the N and P flows. To enhance nutrient recycling and replace inorganic fertilizers, recycling of such wastes as wood ash and sludge could be promoted. SFA is not usually sufficiently detailed to allow specific recommendations for decision-making to be made, but it does yield useful information about the relative magnitude of the flows and may reveal unexpected losses. Sustainable development is a widely accepted target for all human action. SFA is one method that can help to analyse how effective different efforts are in leading to a more sustainable society. SFA's strength is that it allows a holistic picture of different natural and societal systems to be drawn. Furthermore, when the environmental impact of a certain flow is known, the method can be used to prioritize environmental policy efforts.

Typpi (N) ja fosfori (P) ovat elintärkeitä alkuaineita kaikille olioille. Liiallisissa määrin ympäristössä ne kuitenkin aiheuttavat monia ongelmia kuten vesistöjen ja maaperän rehevöitymistä. On arvioitu, että maailmanlaajuisessa mittakaavassa ihmistoiminta on moninkertaistanut typen ja fosforin kiertomäärän ja -nopeuden teollistumisesta alkaen. Pääasiallisina syinä ovat maatalouden tehostuminen, energiankäytön lisääntyminen ja väestömäärän kasvu. Teollisessa ekologiassa ihmisten vuorovaikutusta ekosysteemien kanssa tarkastellaan systeemianalyyttisen lähestymistavan avulla. Teollisen ekologian perusajatus on, että teolliset järjestelmät muistuttavat ekosysteemeitä, ja niitä voidaan näin ollen kuvata materiaali-, energia- ja tietovirtojen ja varantojen avulla. Teolliset järjestelmät ovat riippuvaisia biosfäärin tarjoamista resursseista, eikä näitä kahta voida erottaa toistaan. Kun tutkitaan ainevirtoja, on teollisen ekologian näkökulmasta tavoitteena muun muassa etsiä ja havainnollistaa tapoja, kuinka tietyn aineen kierto voisi olla entistä suljetumpi. Lisäksi voidaan tutkia esimerkiksi dematerialisaatiota eli sitä, miten tietyn yhdisteen virtoja voitaisiin pienentää tuotettuun määrään verrattuna. Suomessa typpeä ja fosforia sekä niiden käyttäytymistä, kiertoa ja vaikutuksia on tutkittu kattavasti eri ekosysteemeissä. Lisäksi päästöjä ympäristöön on selvitetty paljon. Kattava kokonaiskuva, joka vertailee typpeä ja fosforia eri yhteiskunnallisissa järjestelmissä, on kuitenkin puuttunut. Tässä tutkimuksessa typen ja fosforin virtoja tarkasteltiin ainevirta-analyysilla neljässä järjestelmässä: I) metsäteollisuus ja puupolttoaineiden käyttö, II) ruoan tuotanto ja kulutus, III) energia ja IV) yhdyskuntajätteet. Näistä tehtiin yksityiskohtainen 1990-luvun loppua koskeva analyysi. Lisäksi typen ja fosforin virtojen historiallista kehitystä tutkittiin energiajärjestelmässä (III) ja yhdyskuntajätejärjestelmässä (IV). Pääasialliset tietolähteet olivat viralliset tilastot, kirjallisuus, päästöjen tarkkailuaineisto ja asiantuntija-arviot. Tutkimuksen tarkoituksena oli tunnistaa tärkeimmät typen ja fosforin virrat neljässä järjestelmässä Suomessa sekä laskea virtojen suuruus. Lisäksi tarkoituksena oli tarkastella, ovatko kyseisten järjestelmien typpi- ja fosforivirrat suljettuja vai avoimia sekä löytää tapoja, kuinka typen ja fosforin käyttöä ja kiertoa voitaisiin tehostaa. Tavoitteena oli myös pohtia, kuinka hyvin ainevirta-analyysi soveltuu ympäristöongelmia ja niiden ratkaisuja koskevan päätöksenteon tueksi. Tarkastelluista neljästä järjestelmästä ruoan tuotanto ja kulutus ja energiajärjestelmä tuottivat suurimmat typen virrat. Fosforin virtojen aiheuttajana ruoan tuotanto ja kulutus oli merkittävin. Suomen merkitys maailmanlaajuiseen ravinnekiertoon on vähäinen, mutta asukasmäärään suhteutettuna Suomi on yksi merkittävämpiä typpi- ja fosforivirtojen aiheuttajia. Syitä ovat suhteellisen korkea energian- ja lihankulutus. Tutkimus osoitti kaikkien neljän systeemin avoimuuden, mikä johtuu suomalaisen kaupan kansainvälisyydestä, keinolannoitteiden mittavasta käytöstä, suhteellisen suuresta energiankulutuksesta ja monien jätejakeiden alhaisesta kierrätysasteesta. Polttoaineiden ja keinolannoitteiden käytön vähentäminen, energiantuotantorakenteen uudistaminen, ihmisten ravinteiden kulutuksen (ruoassa) vähentäminen ja teknologinen kehitys ovat olennaisia keinoja pienentää typpi- ja fosforivirtoja. Puutuhkan ja lietteen kierrätyksen avulla voitaisiin edistää ravinnekiertojen sulkeutumista ja korvata keinolannoitteita. Ainevirta-analyysi ei ole yleensä riittävän tarkka menetelmä tuottaakseen yksityiskohtaisia johtopäätöksiä päätöksentekijöille. Sen avulla voidaan tuottaa käyttökelpoista tietoa eri virtojen suhteellisista osuuksista ja se voi myös paljastaa odottamattomia aineiden hävikkejä. Kestävyys on yleisesti hyväksytty tavoite kaikessa ihmistoiminnassa. Ainevirta-analyysi on yksi menetelmä, jonka avulla voidaan tarkastella tapoja, miten kohti kestävämpää yhteiskuntaa päästään. Ainevirta-analyysin vahvuutena on, että sen avulla voidaan tuottaa kokonaiskuva eri luonnon- ja yhteiskunnan järjestelmistä. Kun lisäksi kunkin virran ympäristövaikutus tiedetään, menetelmää voidaan käyttää ympäristöpoliittisten toimenpiteiden priorisointiin