Maan mururakenne ja orgaanisen aineksen kertyminen Asko Simojoki Maataloustieteiden osasto / maaperä- ja ympäristötiede Helsingin yliopisto Pellon kasvu kuntoon seminaari 14.3.2018 ProAgria, Hämeenlinna Sisältö Käsitteet ja motivointi Hiilisyöte, orgaanisen aineksen hajotus ja hiilen kertyminen maahan Orgaaninen aines maan rakenteen osana Maan rakenteen ja orgaanisen aineksen vaikutus maan kestävyyteen Pohjamaan rakenne ja hiilensidonnan lisäämisen mahdollisuudet Yhteenveto 1
Maan mururakenne vs. orgaanisen hiilen kertyminen? AS Maan mururakenne Aiemmin maan kasvukunnon mittana oli lähinnä kemiallinen viljavuus, mutta nykyään fysikaalinen ja biologinen kasvukunto saavat enenevästi huomiota Peltomaan laatutesti Ympäristökorvausjärjestelmässä kerran sitoumuskaudessa itsearviolomake (480) Kuoppatestit hyödyllisiä, mutta eivät osa ympäristökorvausjärjestelmää Sisältää maan rakennetta parantavia toimenpidesuosituksia Maan rakenteenmuodostus on maapartikkelien liittymistä toisiinsa ja niiden välisten huokostilojen erilaistumista Mururakenne/aggregaattirakenne on erityisen tärkeää savimailla RE RE MYH AS 2
Miksi maan orgaanista ainesta pitää ylläpitää ja lisätä? Maan kasvukunnon ja viljelyominaisuuksien parantaminen ravinteiden kierrätys ja mineralisaatio ravinteiden pidättyminen veden pidättyminen ja imeytyminen, kuivuminen huokoisuus, ilmavuus lujuus, kuormituksen kesto, liettymisenkesto, muokkautuvuus Hiilidioksidin sitominen ilmakehästä maahan maaperässä isot hiilivarastot pienilläkin muutoksilla iso vaikutus ilmakehään Luken tutkimusten mukaan Suomen peltojen hiilipitoisuus on laskussa 4p1000 aloite CO 2 Fotosynteesi Hiilisyöte (+) (karike, juuret) CO 2 päästöt Mikrobiologinen hajotus (-) CO 2 Maan orgaanisen aineksen pitoisuus asettuu hiilisyötteen ja hajotusnopeuden dynaamisen tasapainon määräämälle tasolle. 3
CO 2 Fotosynteesi Hiilisyöte (+) (karike, juuret) Mikrobiologinen hajotus (-) Maan hyvä kasvukunto + lisää hiilisyötettä + hajotusnopeutta + lisää hiilen kertymistä? Vesi, happi, lujuus, ravinteet Saves Orgaaninen aines Oksidit Pidättyminen Hajotuksen välituotteet Epäorgaaniset lopputuotteet Ravinneionit CO 2 CO 2 päästöt Maan orgaanisen aineksen pitoisuus asettuu hiilisyötteen ja hajotusnopeuden dynaamisen tasapainon määräämälle tasolle. Maan orgaanisen aineksen eri hajotusasteiden jatkumoa kuvaava malli Lehmann & Kleber (2015): Soil continuum model (SCM) of organic matter in soil Maan orgaanisen aineksen stabiloituminen perustuu erityisesti orgaanisen aineksen hajotustuotteiden sitoutumiseen muihin maa-aineksiin, mikä suojaa niitä hajotukselta. Aggregaatit Murun muodostus Kasvi- ja eläinaineksen jäänteet (hiilihydraatit, proteiinit, ligniini, musta hiili) Murun hajoaminen Kiertoaika Suuret biopolymeerit Pienet biopolymeerit (assimiloitavia, < 600 Da) Monomeerit CO 2 Adsorptio Desorptio Kiertoaika Kivennäisaineksen pidätyspinnat Lehmannia ja Kleberiä (2015) mukaillen 4
Maa-ainesten sitoutuminen toisiinsa aggregaateissa Saveskolloidi Esimerkkejä maa-ainesten välisistä sidoksista: A B D Orgaaninen kolloidi Kvartsipartikkeli A kvartsi org. aines kvartsi B kvartsi org. aines savi C savi org. aines savi D savi savi Esimerkkejä sitoutumismekanismeista D B Sähköstaattiset voimat (savi, org.aines, oksidit) Kationisillat (esim. Ca 2+ ) Anioninvaihto Vetysidokset Van der Waals voimat Hienojakoisen matriisin stabiloiva vaikutus ( laasti ) Hiilen sitoutumisessa maahan on itse asiassa kysymys maan rakenteesta ja rakenteenmuodostuksesta! Mukaillen Emerson 1959, Hillel 1998 Orgaanisella aineksella on keskeinen osa monissa maan rakennetta muodostavissa prosesseissa Flokkulaatio ja aggregoituminen Kuivumishalkeilu Routiminen Juurten toiminta Lierojen kaivutyö Maanmuokkaus Hajotuksen välituotteet, maa-ainesten väliset sidokset, kasvien veden- ja ravinteenotto Vedenpidättyminen, lujuus, kasvien vedenotto Veden pidättyminen, kapillaarisuus Hiilisyöte, kasvien vedenotto Orgaanisen aineksen sekoitus maahan Orgaanisen aineksen sekoitus maahan 5
Juurten kasvu tuo maahan hiiltä ja muuttaa ritsosfäärimaata - Pieni huokoskoko, iskostumat, kutaanit ym. rajoittavat juurten ja mikrobien kasvua maassa Viikki Patoniitty, 80-90 cm AS 31.8.2006 Fosfolipidirasvahappojen pitoisuus PINTA SISUS PLFA osoittaa elävien mikrobien kokonaismäärää Ravintoa runsaasti murun pinnalla ritsosfäärissä Osa orgaanisesta aineksesta suojassa hajotukselta pidättyneenä toisiin maa-aineksiin suojassa murun sisällä pienissä huokosissa Pieni huokoskoko, iskostumat, kutaanit ym. rajoittavat juurten ja mikrobien kasvua maassa Jasinska et al. 2006 (mukaillen). Pedosphere 16: 294-296. Heterogeneity of physico-chemical properties in structured soils and ist consequences. Maan orgaanisen aineksen hajotusta hidastavat prosessit Sorptio maan kivennäisaineksen pinnoille Aggregoituminen (org., epäorg.) Metallien adsorptio orgaaniseen ainekseen Maan rakenteenmuodostus suojaa hajotukselta (= maaainesten liittyminen toisiinsa) Okkludoituminen mikrohuokosiin Hajottajamikrobien kasvulle sopivan maahuokoston heterogeenisuus Maan huokosrakenne suojaa hajotukselta (= huokoston erilaistuminen) Strawn et al. 2015 Soil Chemistry, mukaillen 6
Aggregaattien synty halkeilemalla - syynä kuivumis-/kostumissyklien aiheuttama kutistuminen/paisuminen I II IV III HUOMAA: halkeilevan maan kokonaisirtotiheys voi pysyä lähes samana (esim. 1 kg dm -3 ) aggregaattien sisällä irtotiheys ja lujuus kasvaa sitä suuremmaksi, mitä pienemmästä aggregaatista on kyse ( esim. 1.8 kg dm -3 ) Neljän peräkkäisen halkeamasukupolven (I IV) muodostamat maa-aggregaatit savimaassa. orgaaninen aines lujittaa rakennetta pieni huokoskoko rajoittaa juurten ja mikrobien kasvua aggregaattien sisälle Asko Simojoki (HY) mukaillen kuvaa 5.3-5 teoksessa Scheffer/Schatschabel2002 (Lehrbuch der Bodenkunde. 15 ed. Spektrum. Heidelberg. 593 p.) Aggregoituminen lisää maan lujuutta RE MYH AS Leikkauslujuus (kpa) Pyöristynyt polyedrirakenne Kuormitus (kpa) Särmikäs polyedrirakenne Prismarakenne Koherentti rakenne Yksihiukkeinen rakenne Maan luonnollinen rakenteenmuodostus Maan rakenteenhoito on keskeistä hiilen sitomiseksi maahan Aggregoituminen suojaa maan hiilivarastoja hajotukselta Maan rakenteen rikkominen vähentää hiilivarastojen stabiloitumista ja lisää niiden hajotusta Matriisi-potentiaali Y m = - 6 kpa 7
Eroosiosta johtuva sameus osoittaa suoraan, että maan rakenne ei ole kestänyt veden liettävää vaikutusta 2018-04-08 25H Helena Soinne Maan eroosioherkkyys kerroin (K) Maan eroosioherkkyyttä voidaan kuvata seuraavalla yhtälöllä K = [(2.1 10-4 M 1.14 (12 OM) +3.25 (s -2) + 2.5 (p - 3) ) / 100 ] 0.1317 M on tekstuurista riippuvainen kerroin M = (m silt + m vfs ) (100 - m c ), jossa m c [%] savipitoisuus (clay; partikkelikoko <0.002 mm), m silt [%] silttipitoisuus (silt; 0.002 0.05 mm) ja m vfs [%] keskikarkean hienon hiedan pitoisuus (very fine sand; 0.05 0.1 mm) OM [%] orgaanisen aineksen pitoisuus s on mururakennetta (aggregaatin muoto ja koko) kuvaava luokka (s=1 hyvin pieni pyöreä; s=2 pieni pyöreä; s=3 keskisuuri tai suuri pyöreä; s=4 kokkareinen, levymäinen tai massiivinen rakenne) p on kylläistä vedenjohtavuutta kuvaava luokka (p=1 erittäin suuri,, p=6 erittäin pieni). http://esdac.jrc.ec.europa.eu/themes/soil-erodibility-europe 8
Mururakenne ja erilaiset maankäyttömuodot Savimaita Jokioisten ympäriltä 5 maankäyttöä: metsä, pitkäaikainen nurmi, suorakylvö, kyntö-nurmikierto, kyntö Saves OC Saves%/O C% ph EC n % range % range range range dsm -1 range Metsä 9 50 (28-71) 7.6 (3.4-11.6) 8 (2-16) 5.5 (4.5-6.7) 0.12 (0.08-0.16) Nurmi 8 58 (41-79) 4.3 (2.6-7.3) 15 (9-27) 5.8 (5.1-6.7) 0.11 (0.06-0.16) SK 6 57 (38-77) 3.7 (2.9-5.0) 16 (12-20) 5.8 (5.2-6.3) 0.10 (0.08-0.13) Kyntö, nurmikierto 6 53 (42-63) 3.5 (2.8-4.6) 15 (12-18) 6.0 (5.5-6.7) 0.09 (0.08-0.12) Kyntö 6 60 (40-74) 4.3 (2.3-8.3) 15 (9-20) 6.1 (5.7-6.6) 0.10 (0.07-0.14) Helena Soinne Menetelmät - Märkäseulonta Mururakenteen kestävyyttä testattiin märkäseulontamenetelmällä Maanäyte (0-10 cm) seulottiin ja testeihin otettiin 2-5 mm luonnolliset murut Märkäseulonta Murut laitettiin seulalle Ø 250 μm 3 min, 4 g maata, 100 ml vettä Vesi sekä muruista irronnut maa siirrettiin centrifugiputkeen. Annettiin laskeutua 21 tuntia - sameusmittaus Kuivattiin putkeen jäänyt maa sekä punnittiin. Vedenkestävät murut = alkuperäinen murujen massa seulonnassa irronneen maan massa Helena Soinne 9
Seulottuja muruja vedellä kyllästettyinä Pitkäaikainen nurmi Säännöllisesti muokattu viljapelto 1 cm Kestävä rakenne Heikko rakenne Helena Soinne Orgaaninen aines ja savimaiden eroosio Orgaaninen hiili lisää murujen vedenkestävyyttä Mitä savisempi maa on, sitä enemmän orgaanista hiiltä tarvitaan kestävän rakenteen ylläpitoon Maan rakennetta rikkovat maankäyttömuodot lisäävät murujen liettymistä Kestävät murut % Sameus NTU/g Vedenkestävien murujen osuus eri maankäytöissä Metsä Nurmi/niitty Suorakylvö Kyntö Orgaaninen hiili % Kestävät murut % Muruanalyysissä veteen irronnut sameus eri maankäytöissä Kyntö Kyntö/nurmikierto Kyntö/nurmikierto Suorakylvö Nurmi/niitty Metsä Helena Soinne, HY Saves/OC% Sameus, NTU/g 10
Eräitä suomalaisia viljelymaannoksia Planosol Cambisol Podzol Muokkauskerroksen alla on usein vähämultainen ja tiivistynyt pohjamaa, jonka hiilivarastoa on mahdollista lisätä maan rakenteen hoidolla Kuvat: Markku Yli-Halla Maan mururakenteen vaikutus orgaanisen aineksen kertymiseen/kulutukseen Viljelymaan hyvä rakenne lisää kasvien kasvua ja hiilisyötettä maahan Kasvien juurten kasvu riippuu maan rakenteesta ja fysikaalisesta kasvukunnosta (vesi, happi, lujuus, lämpö) Suuret huokoset, lujuus => kuivatus ja ilmavuus (hapensaanti), juurten kasvu, hiilisyötteen jakautuminen maassa Keskikokoiset huokoset => veden saatavuus (=> lämpötalous) Maan rakenteenmuodostus suojaa orgaanista ainesta hajotusta vastaan Mikrobien aktiivisuus riippuu sekä substraattien että maan ominaisuuksista (vesi, happi, lämpö, huokoskoko, lujuus) Maan rakenteenmuodostus on eri maa-ainesten sitoutumista toisiinsa ja maahuokosten erilaistumista Maan rakenteenmuodostus suojaa orgaanista ainesta hajotukselta Maan rakenteenmuodostuksen edetessä maan lujuus lisääntyy, mikä suojaa orgaanista ainesta hajotukselta Maahan kertyvä orgaaninen aines muuttaa maan ominaisuuksia ja rakennetta Maan orgaanisen aineksen pitoisuus asettuu hiilisyötteen ja hajotusnopeuden määräämälle tasolle Hiilisyöte ja orgaanisen aineksen kertyminen maahan luo edellytykset maan rakenteenmuodostukselle Maatunut orgaaninen aines sitoutuu helposti maan muihin hienojakoisiin komponentteihin (saves, humus, oksidit) ja aiheuttaa näin maan rakenteen muodostusta/stabiloitumista => halkeilu, murunmuodostus, hierarkkinen mururakenne => vedenpidätys, ilmavuus, elastisuus, hydrofobisuus => maan kasvukunto paranee Þ positiivinen kierre, jos maan orgaanisen aineksen kertyminen tapahtuu rakenteenmuodostuksen kautta? Þ negatiivinen kierre, jos maan rakenne heikkenee? 11
Kiitos 12