Kasvien ravinteiden saanti on monen tekijän summa. Helinä Hartikainen Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos Helsingin yliopisto

Transkriptio

1 Kasvien ravinteiden saanti on monen tekijän summa Helinä Hartikainen Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos Helsingin yliopisto

2 Kallioperä maaperä kasvit eläimet/ihmiset = geolääketiede (esim. endeemiset sairaudet) Kasvit Maaperä Kallioperä Elintarvikeketjun laatu alkaa maaperästä ketjun pitäisi päätyä takaisin maahan.

3 Bio- ja kiertotalouden teesit Maaperän tuottokyvyn ylläpito keskeistä biotaloudessa Tehokas ravinnekierto vähentää ympäristökuormitusta ja estää maaperän köyhtymistä Sademetsä: tehotuotannon malliekosysteemi - maaperä ei ole luontaisesti ravinteikas (pitkälle rapautunutta) - mutta ravinnekierto on suljettu ja tehokas - ilmakehän ilmaisen typen biologinen sidonta Kuva: Juha Honkala Meillä sääolot vaikuttavat ravinteiden kohtaloon myös kasvukauden ulkopuolella

4 Kiinteä faasi: Maaperän koneiston komponentit - kivennäis- ja/tai orgaanisen aineksen seos - kemiallisen rapautumisen tuottamat reaktiokomponentit Kaasufaasi: maa hengittää ja tuottaa CO 2 (kasvillisuus sieppaa osan), huonon happitilan vallitessa esim. N 2 O-kaasua Vesi ja siihen liuenneet (ravinne)suolat Eliöstö: maafauna ja floora, erilaiset symbioosit esim. mykorritsasienet Aktinobakteereita sädesieniä Änkyrimato Mykoritsasienirihmastoa

5 Maaperä biologis-kemiallisena reaktorina Maassa orgaaninen jäteaines hajoaa mikrobiologisten reaktioreittien kautta lähtöaineikseen H 2 O sekä CO 2 ja muut kasvinravinteet - vain pieni murto-osa jätteestä päätyy humuksen raaka-aineeksi Lukuisat prosessit vaikuttavat ravinteiden käyttäytymiseen, liikkumiseen maaperässä sekä niiden ympäristökohtaloon - pidättyminen kiintoaineksen pinnalle (eri mekanismeja) - haihtuminen ilmakehään (esim. NH 3, N 2 O ) - huuhtoutuminen pohjaveteen (jos ei sitoudu esim. NO 3- ) - ravinteiden kulkeutuminen pintavalunnan mukana vesistöihin liuenneessa muodossa (huonosti sitoutuvat ravinteet) eroosioaineksen mukana (tehokkaasti sitoutuvat esim.p, Mo) Maan rakenteen merkitys!

6 Miten maaperä toimii? Kemiallisten, fysikaalisten ja biologisten tekijöiden välinen vuorovaikutus kiinteä (syy-seuraus suhde monisyinen) Kemialliset ominaisuudet Häiriö/muutos yhdessä osassa heijastuu koko systeemin toimintaan Biologiset ominaisuudet Fysikaaliset ominaisuudet kemialliset reaktiot usein mikrobiologisesti ohjattuja kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet säätelevät biologisia prosesseja kemialliset ja mineralogiset tekijät ja mikrobiaktiivisuus vaikuttavat fysikaalisiin ominaisuuksiin maan ravinne-, vesi- ja kaasutalous

7 Ravinnetalouden pullonkaulat (1) Maan ravinnevarojen niukkuus tai niiden huono käyttökelpoisuus lisäävät lannoitustarvetta Kasvit kilpailevat ravinteista kemiallisten reaktioiden kanssa rapautumisen tuottamien Al- ja Fe-oksidien pinnoille (paljon savimaissa, puuttuvat turvemaista) - ovat kemiallisia serkuksia, käyttäytyvät samalla tavalla - Mo on välttämätön ravinne biologisessa typensidonnassa - sitoutuvat tehokkaimmin hienojakoisilla mailla (paljon oksidipintaa) - P:n ja Mo:n pidättyminen tehostuu happamuuden lisääntyessä, mikä vähentää niiden käyttökelpoisuutta kasveille

8 Kasvit kilpailevat P:stä ja Mo:stä kemiallisten pidättymisreaktioiden kanssa Hyvä kalkitustila heikentää sitoutumislujuutta ja siten parantaa P:n ja Mo:n biosaatavuutta Kiviaineksen rapautumisen tuottamat Al:n ja Fe:n oksidit puuttuvat turv ta, joten P:n ja Mo:n huuhtoutumisriski on suurempi kuin kivennäismailla - maatuneen turpeen hyvä vedenpidätyskyky lieventää ongelmaa P:n liikkuminen veden mukana hidastuu - hidasliukoiset lannoitusaineet vähentävät huuhtoutumisriskiä

9 Ravinnetalouden pullonkaulat (2) Jotkut ravinteet eivät sitoudu lainkaan maahan esim. nitraatti-typpi (NO 3- ) ja Cl - huuhtoutuvat helposti - kaikki typpi (myös orgaaninen) pyrkii muuttumaan NO 3- :ksi - orgaaninen N muutetaan biologisesti käyttökelpoiseksi jos kasvit eivät ehdi sitoa maassa muodostuvaa nitraattia, huuhtoutumisriski kasvaa Sitoutuminen biomassaan vähentää ravinnetappioita kasvukaudella kasvipeitteisyys säästää ravinteita ja vähentää eroosioriskiä elintarvikkeiden mukana poistuneista ravinteista vain osa palautuu pelloille kuluttajalla ja jätehuollolla tärkeä rooli ravinteiden kierrätyksessä (biojätteen keräys, kompostointi) = lokaali biotalous

10 Maaperä biogeokemiallisena systeeminä Humus ja turve - varastoitunutta auringon energiaa - syntyvät erittäin hitaasti - varsinainen humus myös hajoaa erittäin hitaasti (t ½ jopa 1000 v) - eivät toimi ravinteiden lähteenä, mutta osallistuvat monella tavalla vesi- ja ravinnetalouden hallintaan Eliöyhteisö - tarvitsee hajotettavaa orgaanista ainesta elääkseen! - eliöiden määrä ja lajidiversiteetti valtava: - aineiden muokkaus ja hajotus hyvinkin erilaisissa oloissa (sienet vs. bakteerit) - vaikuttaa maan kemiallisiin ja fysikaalisiin ja biologisiin ominaisuuksiin - mikrobit (esim. aktinobakteerit) voivat tuottaa antibioottisia aineita - geenivarasto (mm. lääkkeiden kehittäminen)

11 Maan kemialliset ominaisuudet (ph, humus, savimineraalit ja oksidit jne.) vaikuttavat maassa - aineiden liikkumistaipumukseen ja biologiseen saatavuuteen - prosesseja mm. - ioninvaihto - kompleksinmuodostus - liuotus-, saostumis-, ja pidättymisreaktiot Maan fysikaaliset ominaisuudet (vedenläpäisy, eroosioalttius, kaasunvaihto jne.) säätelevät aineiden - kulkeutumista pohja- ja pintavesiin sekä ilmakehään Maa toimii siis myös puskuri- ja suodatinjärjestelmänä

12 MAAN KASVUKUNNON PERUSTEKIJÄT Kivennäismaiden lajitekoostumus kallioperän laatu vaikuttaa maan luontaiseen ravinteisuuteen ( emäksiset vs. happamat kivet) sanelee kemiallisesti aktiivisten komponenttien määrän (vrt. savi-, hiesu-, hieta-, hiekkamaa) hienojakoisissa maissa runsaasti - savimineraaleja, joiden pinnoilla pysyviä varastopaikkoja ravinnekationeille (Ca 2+, Mg 2+, K +, Na +, ) - Fe:n ja Al:n oksideja, jotka sitovat anionimuotoisia ravinteita (mm. HPO 4 2-, HMo 4- ) - sitoutuminen tehostuu ph:n laskiessa huuhtoutumistappiot pienevät, mutta biosaatavuus heikkenee Turvemaissa ei ole oksidiainesta esim. P ja Mo huuhtoutuvat helposti saveaminen parantaa tilannetta

13 Orgaaninen aines elämästä syntynyt maan ainesosa Kaksi pääluokkaa (eri tehtävät maassa, raja liukuva) 1) hajoava orgaaninen aines 2) (varsinainen) humus (ei hajoa eikä toimi ravinnelähteenä) Ristiriitaisia käsityksiä voi syntyä, jos ilmiöitä kuvattaessa kaikesta orgaanisesta aineksesta käytetään termiä humus Hajoava orgaaninen aines (= humuksen raaka-aine) ylläpitää ravinnekiertoa (hajottajaorganismit vapauttavat ravinteita) ja ns. hiilen pientä kiertoa (vapautuva CO 2 :a sidotaan kasveihin) oheistuotteena syntyy muruja stabiloivia liima-aineita polysakkaridin pätkä Maa tarvitsee jatkuvaa karike/- jätemateriaalin lisäystä pysyäkseen aktiivisena

14 Maan eliöstö = ravinteiden kierrättäjä pääosa maahan joutuvasta karikeaineksesta hajoaa suhteellisen helposti maaeläimet syövät ja pilkkovat karikeainesta ja edesauttavat näin mikrobeja eloperäisen aineksen mineralisaatiossa ja samalla osallistuvat ns. hiilen pienen kierron ylläpitoon maassa maaeläinten, sienten, bakteerien ja arkkien lajidiversiteetti on valtava sädesienet ovat ilmarihmastoa tuottavia aktinobakteereja, maan tuoksu - tuottavat antibioottisia aineita (Penicillium, Streptomyces) Biologisesti aktiivinen maa on terve Änkyrimato Suomen tärkein eläin Karhukainen - maailman sitkein otus

15 Lierot - ahkeria ja tehokkaita maanmuokkaajia syövät maa-ainesta ja sekoittavat siihen suolessaan karikeainesta ulosteet ovat ihanteellisia biologisesti aktiivisia ja kestäviä muruja mikrobit jatkavat hajotustyötä Maan aktiivinen eliöstö - ylläpitää ravinnekiertoa ja tuottaa samalla pieniä määriä raaka-ainetta humussynteesiin - kastelierot eivät viihdy happamassa maassa Kasteliero työssä Kastelieron ulosteita

16 Maaperä = olennainen kiertotalouden ratas Kaikki eloperäinen jäte sopii kompostoitavaksi - pienkiinteistöjen ja yhdyskuntien - maatilojen ja puutarhojen - jätevesipuhdistamojen - puunjalostus- ja elintarviketeollisuuden - panimoiden ja suurkeittiöiden - jne. Haitta-ainejäämiä sisältänyt kompostoitu jäte käy esim. maisemointiin Tehokas ravinnekierto vähentää: ympäristökuormitusta maaperän köyhtymistä uusiutumattomien luonnonvarojen käyttöönoton tarvetta

17 Mikrobiologinen aktiivisuus ylläpitää maan kasvukuntoa liima-aineet stabiloivat maan mururakennetta pitkiä taipuisia molekyylejä (luonnon polymeerejä), jotka pystyvät takertumaan maahiukkasten pinnoille useista kohdista murut tulevat joustaviksi, huokoisiksi ja kestäviksi Hyväkuntoisen maan muheus säilyy vain, jos hajottajamikrobit pysyvät työllistettyinä edellytyksenä jatkuva karike- ym. kuolleen materian lisääminen

18 Orgaanisen aineksen hajotukseen vaikuttavat tekijät Juurten välittömässä läheisyydessä (ritsosfäärissä) maamikrobisto on runsainta ja erilaista kuin muualla maassa kasvit ruokkivat ritsosfäärieliöstöä yhteyttämistuotteilla monivuotisilla kasveilla tiheä huovaston tapainen juuristo (murustaa ja kuohkeuttaa) Jätemateriaalin laatu ratkaisee ravinteiden vapautumisen alhainen C/N-suhde edistää ravinteiden vapautumista korkea C/N-suhde: hajottajamikrobit sitovat typen itseensä (esim. olki) Maan ph ja mikrobiologinen aktiivisuus hyvä kalkitustila suosii bakteereja, jotka ovat tehokkaita hajottajia - ravinteita kasvien käyttöön happamuus suosii sieniä, jotka käyttävät paljon ravinteita omien rihmastojensa kasvattamiseen (kasvien käyttöön paljon vähemmän) Maan rakenne ja vesitalous huono happitilanne hidastaa hajotusta (mikrobiyhteisö muuttuu) - johtaa helposti esim. typen karkaamiseen N 2 O-kaasuna

19 Humus mitä se on? Humuksen merkitys maan tuottokyvyn kannalta tunnettu maanviljelyksen alkuajoista lähtien maan tumma väri oli merkki hyvästä tuottokyvystä, elämän eliksiiri ymmärrettiin syntyneen kuolleista kasveista, mutta nimeä ei osattu antaa Maan orgaaniseen ainekseen liittyvä terminologia vakiintunut vasta muutaman viime vuosikymmenen aikana ajanlaskumme alussa humus, solumn ja terra tarkoittivat kaikki maata Thaer (1809) erotti oppikirjassaan Järkiperäisen maanviljelyksen periaatteet humus-termin tarkoittamaan vain tiettyä maan komponenttia - kuvasi paikkansa pitävästi humuksen koostumusta, reaktiivisuutta ja uuttuvuutta, mutta - ruokki väärää hypoteesia, että humus on kasvien hiilen lähde Entisinä aikoina Suomessa ajettiin pelloille mutaa maanparannusaineeksi

20 Maan kasvukunnon perustekijät (3) Varsinainen humus on humifioitumisprosessissa syntetisoitunutta ainesta (synteesi on erittäin hidas, mutta tuote on kestävä!) raaka-aineena orgaanisen jätteen hajotuksen välituotteet, joista rakennetaan erittäin monimutkaista ja pitkäikäistä ainesta puoliintumisaika jopa 1000 vuotta pinnan sähkövaraus (0 tai -) riippuu ph:sta (voidaan siis vaikuttaa!) negatiivinen pinta sitoo kationeja (+) kasveille käyttökelpoiseen muotoon toimii puskurina sitomalla H + -ioneja (ph ei laske, mutta hintana on kationien sitomispaikkojen väheneminen) stabiloi maamuruja (eivät hajoa helposti ulkoisten voimien vaikutuksesta)

21 Humuksen tehtävät Humushapot - vaikealiukoinen humuksen fraktio kestävä hiilinielu ja varasto vaikuttaa joko suoraan tai epäsuorasti maan fysikaalisiin, kemiallisiin sekä niiden kautta biologisiin ominaisuuksiin muuttaa maan kolloidiominaisuuksia edistämällä maa-aggregaattien syntyä (voi sitoutua esim. saveshiukkasten pinnoille) sitoo vettä (3-5 x oma paino) ja vähentää siten maan eroosioriskiä, poudanarkuutta ja nitraatin huuhtoutumista - täysin maatunut märkä turve (H 10) poistuu puristettaessa tummana massana sormien välistä tumma väri lämmittää maata (mutta veden sitominen pienentää vaikutusta!) parantaa maan muokkautuvuutta vähentämällä tahtautumista

22 Humuksen pintavaraus on ph:sta riippuva kun ph riittävän korkea, humuksen reaktioaktiivisista ryhmistä irtoaa vety-ioni (H + ) : R-COOH <==> R-COO - + H + syntyy negatiivinen varaus matala ph korkea ph: kationinvaihtokapasitetti (KVK) kasvaa Ravinnekationien sitoutuminen humuksen pinnoille vaihtuvaan muotoon (sähköisin vetovoimin) vähenee maan happamoituessa huuhtoutumisriski kasvaa

23 Humuksen tehtävät humus on ravinnekationien (Ca 2+, Mg 2+, K + jne.) sitoutumispintaa ph:n nosto lisää pidättymispaikkoja, kun humuksen pinnan H + neutraloituu vedeksi jäljelle jää negatiivinen varaus edistää mm. P:n ja Mo:n biosaatavuutta kilpailemalla samasta pidätyspinnasta (oksidit!) - mitä enemmän humusta, sitä helpommin kasvit saavat P:a ja Mo:a toimii puskuroivana aineena ph-muutoksia vastaan Huom! ph kuvaa vain aktiivista happamuutta, mutta ei kerro piilevästä happamuudesta (tarvitaan erillinen testi) toisaalta esim. torjunta-aineiden sitoutuminen humukseen heikentää niiden tehoa ja hidastaa niiden biologista hajotusta

24 Mitä enemmän maassa on humusta, sitä heikommin fosfori sitoutuu (saatavuus paranee) P kiinni kahdella sidoksella - luja sidos P kiinni yhdellä sidoksella - sidos heikompi Humusta Kun humusmolekyyli sitoutuu oksidipinnalle, se muuttuu erittäin kestäväksi ja vaikeasti hajoavaksi (humiini-fraktio)

25 Maan kasvukunnon perustekijät (3) Kalkitus edistää orgaanisen jäteaineksen hajotusta = ravinteita vapautuu kasveille parantaa varsinaisen humuksen kykyä pidättää kationeja eli lisää kationinvaihtokapasiteettia (KVK) varastoidut kationit (Ca 2+, Mg 2+, K +, Na +, jne) ovat käyttökelpoisia kasvien saatavilla, mutta eivät alttiina huuhtoutumiselle oksidien pinnoille pidättyneen P:n ja Mo:n biologista saatavuutta happamissa maissa sitoutuvat lujasti kasvien ulottumattomiin typensitojakasvien teho alenee happamassa maassa (Mo!!) hajottajayhteisössä bakteerien toimintaa, joka vapauttaa tehokkaasti ravinteita jäteaineksista kasvillisuuden käyttöön murujen biologista stabilointia (liima-aineiden tuotanto) sienet viihtyvät happamassa ja sitovat ravinteita rihmastoihinsa

26 Orgaaninen aines ja kasvien hivenravinteiden saanti Liukoinen humuksen fraktio (fulvohapot) ja yksinkertaiset hajotuksen välituotteet lisäävät hivenmetallien (Cu, Zn, Fe, Mn jne.) liukoisuutta ja saatavuutta kasveille ilman liukoista humusta hivenmetallit pyrkivät saostumaan tai sitoutumaan kasveille käyttökelvottomaan muotoon ph:n noustessa humuksen liukoisuus ja samalla sen sitomien metallien liukoisuus paranee - liikkuvat maassa veden mukana kasvien saataville

27 Eloperäisen aineksen mineralisaation tuloksena kasvit saavat käyttöönsä epäorgaaniseen muotoon saatettuja kierrätysravinteita Mikrobien aineenvaihdunnan sivutuotteina monenlaisia aktiiviaineita, jotka vaikuttavat muiden maaeliöiden elämään antibiootteja, vitamiineja, aminohappoja, entsyymejä jne joillakin aineilla on havaittu jopa kasvihormonien (esim. gibberelliinin ja indolietikkahapon) tapaisia vaikutuksia Mikrobiologinen työttömyys rappeuttaa maan ja pysäyttää humustehtaan Hajottajayhteisöt ovat sopeutuneet hyvin erilaisiin olosuhteisiin Eliöyhteisön merkitys

28 Maan mikrobiologinen aktiivisuus suurinta juuristovyöhykkeessä bakteerit käyttävät nopeasti kasviaineksen herkullisimmat aineosat - sokerit, proteiinit, lipidit Keskinkertaisessa viljelymaassa elävän biomassan osuus on n. 1% Multamaan mikrobibiomassasta n. 60% on kantasieniä esim. herkkusieni on karikkeen lahottaja Kasviaineksen soluseinien hajotuksessa mukana iso joukko toimijoita sadat sieni- ja bakteerilajit hajottavat selluloosaa ja hemiselluloosaa Puun ligniinin mikrobiologisesta hajotuksesta vastaavat lahosienet Kaikki eloperäinen jäte sopii kompostoitavaksi pienkiinteistöjen ja yhdyskuntien, maatilojen puutarhojen, jätevesipuhdistamojen, puunjalostus- ja elintarviketeollisuuden, panimoiden ja suurkeittiöiden jäte, jne. tavaksi Tunkiolieron työmaa

29 YHTEENVETO (Mikro)biologinen aktiivisuus ja maan kasvukunto Mikrobiologisessa hajotuksessa oheistuotteina syntyy limaaineita, jotka stabiloivat maan mururakennetta murut tulevat joustaviksi, huokoisiksi ja kestäviksi hyvä rakenne turvaa juurten kasvuedellytyksiä ja tehostaa siten ravinteiden saantia erityisen tärkeä mekanismi helposti tiivistyvillä hienojakoisilla mailla Hyväkuntoisen maan muheus säilyy vain, jos hajottajamikrobit pysyvät työllistettyinä jatkuva karike- ym. kuolleen materian tuotanto

30 Humus - vertaansa vailla oleva reaktiokomponentti pidättää (ravinne)kationeja kasveille käyttökelpoiseen muotoon ja toimii ravinnekationien käteisvarastona edistää esim. P:n ja Mo:n käyttökelpoisuutta täyttämällä pidätyspintoja (oksidipintoja) ja hankaloittamalla siten sitoutumista toimii puskuriaineena ph:n alenemista vastaan (sitoo H + -ioneja) - ei ole kuitenkaan ilmainen palvelu - maksuna kationien pidättymispaikkojen menetys - menetys voidaan palauttaa kalkituksella - tärkeä puskurisysteemi suomalaisissa kalkkiköyhissä maissa happamoituneissa kivennäismaissa Al 3+ :a liukenee oksideista - humus sitoo sen haitattomaan muotoon kilpailee maassa olevien aineiden kanssa reaktiopinnoista vaikealiukoinen humus vähentää haitallisista raskasmetalleista (esim. Pb) aiheutuvia riskejä

31 Varsinaisen humuksen tehtävät Liukoinen humus eli humuksen ns. fulvohapot humuksen fraktio, joka voi kulkeutua vesistöön edistävät kiviaineksen rapautumista ja ravinteiden vapautumista (hidas prosessi), esim. happamissa metsämaissa - sitovat vapautuvia metalleja itseensä ja kuljettavat pois - rapautumiselle paljastuu uutta pintaa edistävät metallisten hivenravinteiden saatavuutta (Zn, Cu, Mn, Fe) - muodostuu liukoisia kompleksiyhdisteitä, jotka liikkuvat juurten pinnoille Humiini (ei liukene happoon eikä emäkseen) tiukasti maahiukkasten pinnoille sitoutunutta ainesta todella kestävää stabiloi hiukkaspintoja, tukkii fosforin pidättymispintoja ja edistää siten fosforin hyväksikäyttöastetta

32 Kalkitus maan kasvukunnon ja ravinnekierron ylläpitäjänä - kalkitusaineiden anioni tekee neutralointityön, ei esim. Ca 2+ CaCO 3, Ca,Mg(CO 3 ) 2, CaO, Ca(OH) 2, Ca 2 SiO4, jne kipsi eli CaSO 4 ei neutraloi happamuutta! - edistää mikrobiologista aktiivisuutta ja ravinteiden vapautumista orgaanisesta jäteaineksesta sienten kilpailukyky heikkenee (kasvitaudit!) murujen stabiilisuus paranee (vesi- ja kaasu- sekä N-talous!) - parantaa ravinteiden hyväksikäyttöä P:n ja Mo:n biosaatavuus paranee (biologinen typensidonta) KVK eli kationimuotoisten ravinteiden pidättyminen biosaatavaan muotoon humukseen lisääntyy

33 Maaperä ja bio- ja kiertotalouden teesit Maaperä on olennainen kiertotalouden ratas - tuottokyvyn ylläpito keskeistä biotaloudessa Tehokas ravinnekierto vähentää: ympäristökuormitusta maaperän köyhtymistä uusiutumattomien luonnonvarojen käyttöön ottoa Kaikki eloperäinen jäte sopii kompostoitavaksi pienkiinteistöjen ja yhdyskuntien, maatilojen ja puutarhojen jätevesipuhdistamojen puunjalostus- ja elintarviketeollisuuden panimoiden ja suurkeittiöiden - jne.

34 Kallista vai halpaa ruokaa? Suomalaiset kotitaloudet heittävät ruokaa roskiin miljoonaa kiloa vuodessa (23 kg asukasta kohti) 0,5 miljardin euron arvosta Kauppojen ruokahävikki 10 kg/asukas Elintarviketeollisuudessa hukkaantuu syömäkelpoista raaka-ainetta miljoonaa kiloa vuodessa Länsimaissa haaskatun ruoan määrä on yleisesti kaksi kertaa suurempi kuin Suomessa Ydinkysymys: Minne päätyvät haaskatun ruoan ravinteet?

35 Kiitos!