Maaperän ilokaasupäästöt talvella - syitä ja seurauksia

Transkriptio

1 Maaperän ilokaasupäästöt talvella - syitä ja seurauksia FT Dos. Marja Maljanen Kuopion yliopisto ( Itä-Suomen yliopisto) Ympäristötieteen laitos

2 Taustaa Ilokaasu l. dityppioksidi l. typpioksiduuli (N 2 O) on kasvihuonekaasu, joka on lämmitysvaikutukseltaan n. 3-kertainen hiilidioksidiin verrattuna Pitoisuus kasvanut ilmakehässä kasvanut 18-luvulta (n. 27 ppb) nykyiseen n. 32 ppb (= miljardisosaa) Pääasiallisia lähteitä: maaperä, teollisuus, energiantuotanto, liikenne

3 Ilokaasun muodostuminen maaperässä Mikrobiologiset prosessit Denitrifikaatio NO 3 NO 2 NO + N 2 O N 2 Nitrifikaatio NH 4+ + Nitrosomonas NO 2 - NO 2- + Nitrobacter NO 3 - Kemiallinen denitrifikaatio? NO - 2 reagoi amiinien tai rautayhdisteiden kanssa

4 Ilokaasua muodostuu maaperässä myös talvella! Useissa laboratorio- ja kenttäkokeissa havaittu ilokaasun tuottoa maassä jopa -8 o C asti Erilaisilla maalajeilla ja maankäyttömuodoilla Ilokaasun tuotto alle o C lämpötiloissa voi olla jopa suurempaa kun kasvukauden aikaisilla lämpötiloilla

5 1 µg CO 2 -C g -1 h -1 1 CO 2 1 Poikkeama Lämpötilavasteesta -,5 o C:ssa! N 2 O 1 pelto metsä 1 ng N 2 O-N g -1 h Lämpötila ( o C),1,1 pelto metsä, Lämpötila ( o C)

6 Ilokaasudynamiikka ojitetulta turvemaalta WT Water table level J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A N 2 O emission abandoned organic agricultural soil ug N 2 O m -2 h J JASONDJFMAMJ JASONDJFMAMJ JASONDJFMA

7 Talven osuus ilokaasun vuosipäästöistä suomalaisissa kenttätutkimuksissa Tutkimusalue % vuosipäästöstä Viite Turvepelto 15-6 Maljanen ym. (23) Turvepelto 2-99 Maljanen ym. (24) Turvepelto 8 Maljanen ym. (29) Turvepelto Regina ym. (24) Mineraalimaapelto 6 Syväsalo ym. (24) Mineraalimaapelto Virkajärvi ym. (29) Viljelemättömät turvepellot 49 Maljanen ym. (2xx) Metsitetyt turvepellot 46 Maljanen ym. (2xx) Metsäojitettu suo 8 Maljanen ym. (2xx) Metsitetyt turvetuotantoalueet 28 Maljanen ym. (2xx)

8 Lisääkö vähenevä lumipeite N 2 O päästöjä? Oletuksena, että poistettaessa eristävä lumipeite maan lämpötila laskee ja siten voi lisätä ilokaasun päästöjä Lumimanipulaatiokokeita peltomailla (hieta, multa, turve) Metsämaa (podsoli) Posteri : Jukka Alm, tulokset julkaistu Maljanen ym. Boreal Environment Research 21

9 Lumimanipulaatiokokeet N 2 O, CO 2, CH 4 mittaukset (kammio- ja lumigradienttimenetelmät) Maaperän kaasupitoisuudet (N 2 O, CO 2, CH 4 ) Maan lämpötilat, routa Kosteus

10 Air temperature ( o C) Soil temperature ( o C) Snow cover (cm) Air T Soil under snow Bare soil Snow cover - Tasainen lämpötila lumipeitteen alla - Alhaisempi lämpötila ilman lumipeitettä -Syvempi routa ilman lumipeitettä Soil frost (cm) Soil frost (cm) Frost, under snow Frost, bare soil day 1 Oct 4 1 Dec4 1 Feb 5 1 Apr 5 1 Jun 5

11 Lumeton maa roudassa Lumipeitteen alla ollut maa sula

12 N 2 O flux (µg m -2 h -1 ) N 2 O soil concentration (µl l -1 ) N 2 O emissions from soil A N 2 O Concentration in soil (5 cm) 35 bare 3 snow 25 ambient conc bare snow -Ensimmäinen ilokaasun päästöhuippu maan jäätyessä syksyllä -Ilokaasun kertyminen maahan alkaa -Roudan sulaessa toinen päästöhuippu (kertyneen ilokaasun purkautumien) -Roudan sulamisen jälkeen kolmas päästöhuippu kasvit! (Maljanen ym. 27, Tellus B )

13 Lumimanipulaatiokokeet 25-27, Maaningalla ja Kannuksessa (maatalousmaita) Alue Maalaji OM N% C% ph (H 2 O) sade (mm) Ilma ( C) 1 Hieta 5% Multa 28% Turve 86%

14 Mineral soil 1 Bare, N 2 O 5 cm X Data Maan ilokaasupitoisuus muuttuu roudan syvyyden mukaan (Maljanen ym. Biogeosciences 29) N2 O in soil 1 1 Snow, N 2 O 5 cm Bare, N 2 O 2 cm Snow, N 2 O 2 cm (µl l -1 ), Bare, frost Snow, frost 1 Mull N2 O in soil (µl l -1 ), X Data Frost depth (cm) Peat X Data N2 O in soil (µl l -1 ) 1, X Data Ilokaasupitoisuus maassa Roudan syvyys Frost depth (cm) Frost depth (cm) Oct 5 Dec 6 Feb 6 Apr 6 Jun6 Aug 6 Oct 6 Dec 7 Feb 7 Apr 7 Jun 7 Aug 7 Oct 7 Dec 8 Feb 8 Apr 8 Jun 8 Aug 8 Oct 8

15 Ilokaasun kumulatiiviset vuosipäästöt (kg N 2 O-N ha -1 )

16 Selityksiä talviaikaisille ilokaasupäästöille / tuotolle Useita teorioita, monia syitä, kaikki vaikuttavat yhdessä tai erikseen olosuhteista riippuen Ristiriitaisia tutkimustuloksia

17 Jäätä Sulaa vettä Sulaa vettä ä Ilmaa Maapartikkeli NH + 4? NO 3 - Maapartikkeli N 2 O Orgaanisia substraatteja Ilmaa Jäätä Kun maan lämpötila laskee alle nollan maapartikkeleita ympäröi sula vesikalvo. Veden jäätyminen kerryttää orgaanisia ja epäorgaanisia ravinteita tähän sulaan veteen, joka edesauttaa nitrifikaatiota ja denitrifikaatiota. Alhainen happipitoisuus on myös suotuisaa denitrifikaatiolle ja ilokaasun tuotolle (Teepe et al. 21, Stadler 1996)

18 Muita mahdollisia syitä: Maan jäätyminen puristaa kaasut pihalle Maan jäätyessä hajonneet mikrobit + muu biomassa -> selviytyjille ravinnoksi? Muodostuminen tapahtuukin sulassa maassa routakerroksen alla? Alhaisessa lämpötilassa maassa muodostunut ilokaasu ei pelkisty typpikaasuksi (N 2 O X-->N 2 )? Mikrobipopulaation aktiivisuuden muutos lampötilan laskiessa? Kemodenitrifikaatio?

19 Yhteenveto Ilokaasupäästöt suuria myös talvella, erityisesti jäätymisen/sulamisen yhteydessä Talvipäästöt voivat olla jopa >9% koko vuoden kumulatiivisista päästöistä. Lumipeitteen väheneminen voi lisätä ilokaasupäästöjä, olettaen maan lämpötila laskee Päästöihin/muodostumiseen vaikuttavat hyvin monet tekijät -> mallittaminen vaikeaa -> tarve lisätutkimuksille

20 Kiitokset! Suomen Akatemia Maj ja Tor Nesslingin säätiö Niemi säätiö MTT Maaninka: Perttu Virkajärvi, Pekka Issakainen Metla Kannus: Jyrki Hytönen, Seppo Vihanta Avustajat kentällä ja labrassa: Anna-Riikka Kohonen, Heini Andersen, Ari Isopahkala, Anssi Jussila, Tero Hyytiäinen, Pauliina Ahtoniemi, Jenni Tirkkonen