BIOHIILI; Biohiilen vaikutus metsämaan hiilen ja typen virtoihin Marjo Palviainen 1, Peng Zhao 2 ja Jukka Pumpanen 3 1 Helsingin yliopisto, Metsätieteiden laitos 2 China Agricultural University, Beijing 3 Itä-Suomen yliopisto, Ympäristö- ja biotieteiden laitos, Kuopio Biohiili / Jukka Pumpanen 5.3.2018
Maaperän rooli hiilen kierrossa Boreal forest soils contain approximately 15% of carbon bound in forest ecosystems (Post et al. 1982, Batjes N.H. 1996) The soil carbon stock in Finland is about 1200 x 10 12 g (Liski and Westman 1997) Maaperän hiilivarasto 1 m syvyyteen asti (Batjes 1996) Biohiili / Jukka Pumpanen 5.3.2018
Hiilivarastot ekosysteemeissä Maaperän hiilivarasto 1 m syvyyteen asti Kuva: Batjes N.H. 1996. Total carbon and nitrogen in the soils of the world. European Journal of Soil Science. 47: 151-163. Biohiili / Jukka Pumpanen 5.3.2018
Hiilivarastot ekosysteemeissä Hiilen määrä eri biomeissa Suurin hiilimäärä trooppisissa ja boreaalisissa metsäekosysteemeissä. Maaperän suurimmat hiilivarastot tundralla ja boreaalisissa metsissä. Hiilenkiertonopeus eri ekosysteemeissä Hitain kiertonopeus tundralla ja boreaalisissa metsissä. KKKKKKKKKKKKKKKKKKKK oooooooooooooooo, eeeeeee vvvvvvvvvvvvvvvv mmmmmmmmmmmm = 0 VVVVVVVVVVVVVV gg CC mm 2 = HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH gg CC mm 2 vv 1 Kuva: Global covariation of carbon turnover times with climate in terrestrial ecosystems Carvalhais et al. Nature doi: 10.1038/nature13731 Biohiili / Jukka Pumpanen 5.3.2018
Hiilivaraston koko, hengitys (=hajotus)nopeus ja kiertoaika eri ekosysteemeissä Suuri vaihtelu hiilen kiertonopeudessa johtuu lämpötilasta ja hydrologiasta (vedenvaivaamilla mailla hajotus hidasta). Hengitysnopeus vaikuttaa hiilenkiertonopeuteen ja kykyyn varastoida hiiltä. Soil Microbiology and Biochemistry, Tellus (1992), 44B, 81-99. Biohiili / Jukka Pumpanen 5.3.2018
Mitä on biohiili Biohiiltä syntyy energiantuotannossa, kun eloperäistä ainetta kuumennetaan pyrolyysiprosessilla vähän happea sisältävissä olosuhteissa. Photo J. Pumpanen http://www.biochar-international.org/technology Biohiili / Jukka Pumpanen 6
Biohiili maanparannusaineena Parantaa maan vedenpidätyskykyä Parantaa kationinvaihtokapasiteettia Hiilisieppari Lisää maan hiilivarastoa http://www.biochar.info http://seachar.org/ Biohiili / Jukka Pumpanen 28.3.2018 7
BIOCHAR-projekti Biohiilen käyttö maaperän laadun parantamisessa; voidaanko biohiilellä lisätä puuston kasvua ja maaperän hiilivarastoja Jukka Pumpanen, Frank Berninger, Marjo Palviainen, Kajar Köster, Viktor Bruckman Suomen Luonnonvarain tutkimussäätiön rahoitus 2015-2017 1 yliopistotutkija (Marjo Palviainen) 1 jatko-opiskelija (Zhao Peng) 4 pro gradu-työntekijää Tutkimuskysymykset: 1. Miten eri lämpötiloissa tuotettu biohiili vaikuttaa maan orgaanisen aineksen hajoamiseen metsämaassa? 2. Kuinka hiilen lisääminen vaikuttaa maan ravinnetalouteen ja puuston kasvuun sekä tuottokykyyn? 3. Tuottaa mahdollisimman pysyvää hiiltä, jota voitaisiin käyttää hiilen pitkäaikaisessa varastoimisessa maaperään. http://www.sonnenerde.at/index.php?route=c ommon/page&id=1254 https://www.youtube.com/watch?v=qngbj3mrva0 Jukka Pumpanen 5.3.2018
BIOCHAR-projekti Biohiilen käyttö maaperän laadun parantamisessa; voidaanko biohiilellä lisätä puuston kasvua ja maaperän hiilivarastoja Jukka Pumpanen, Frank Berninger, Marjo Palviainen, Kajar Köster, Viktor Bruckman Vuonna 2015 perustettiin Hyytiälän metsäasemalle Juupajoelle kenttäkoe. T1 T4 T2 C T3 T1 T2 T4 C T3 Kahdessa eri lämpötilassa (500 C ja 650 C ) tuotettua biohiiltä. 20 kpl koealoja (5 käsittelyä x 4 toistoa) T4 T1 T2 C T2 T3 T3 C T2 T4 T1 = 500 C 0.5 kg m -2 T2 = 500 C 1.0 kg m -2 T3 = 650 C 0.5 kg m -2 T4 = 650 C 1.0 kg m -2 Jukka Pumpanen 5.3.2018 9
BIOCHAR-projekti Biohiilen käyttö maaperän laadun parantamisessa; voidaanko biohiilellä lisätä puuston kasvua ja maaperän hiilivarastoja Jukka Pumpanen, Frank Berninger, Marjo Palviainen, Kajar Köster, Viktor Bruckman Photo J. Pumpanen Jukka Pumpanen 5.3.2018
BIOCHAR-projekti Biohiilen käyttö maaperän laadun parantamisessa; voidaanko biohiilellä lisätä puuston kasvua ja maaperän hiilivarastoja Jukka Pumpanen, Frank Berninger, Marjo Palviainen, Kajar Köster, Viktor Bruckman Photo J. Pumpanen Jukka Pumpanen 5.3.2018
BIOCHAR-projekti Biohiilen käyttö maaperän laadun parantamisessa; voidaanko biohiilellä lisätä puuston kasvua ja maaperän hiilivarastoja Jukka Pumpanen, Frank Berninger, Marjo Palviainen, Kajar Köster, Viktor Bruckman Photo J. Pumpanen Jukka Pumpanen 5.3.2018
Biohiilen vaikutus hiilen kiertoaikaan maaperässä 3 käsittelyä (kontrolli, 0.5 kg m -2 ja 1.5 kg m -2 ) Koealoilta kerättiin maan pintakerroksesta (10 cm) näytteet käyttäen kairaa. Photo K. Köster Photo J. Pumpanen Photo K. Köster Biohiili / Jukka Pumpanen 28.3.2018 13
Biohiilen vaikutus hiilen kiertoaikaan maaperässä 4 koealaa jokaisessa käsittelyssä 9 näytettä jokaiselta koealalta Yhteensä 108 näytettä Biohiili / Jukka Pumpanen 28.3.2018 14
Biohiilen vaikutus hiilen kiertoaikaan maaperässä Jokaisesta näytteestä mitattiin hengitys (hiilidioksidin (CO 2 ) tuotto) 5 C, 15 C ja 25 C asteen lämpötilassa Mittausaika 8 tuntia jokaisessa lämpötilassa. Photo P. Zhao CO 2 -pitoisuuksien muutokset mitattiin kerätyistä ilmanäytteistä kaasukromatografilla. Biohiili / Jukka Pumpanen 28.3.2018 Photo P. Zhao 15
Hengitys Kuva: Pumpanen et al. 2015 Hengitysprosessin nopeus riippuu lämpötilasta ja happipitoisuudesta: Hengityksen lämpötilariippuvuus. Hapettomat olosuhteet rajoittavat hengitystä. Source: Pumpanen et al. 2003
Biohiilen vaikutus hiilen kiertoaikaan maaperässä Kiertoaika laskettiin seuraavasti: Lämpötilana käytettiin koealoilta mitattuja päiväkeskiarvoja (3 tunnin välein mitatuista lämpötiloista). Jokaiselle päivälle laskettiin tuotetun CO 2 :n määrä käyttäen hengityksen lämpötilavastetta. Päivittäiset CO 2 -tuotot laskettiin yhteen vuoden yli, ja saatiin vuoden aikana tuotetun CO 2 :n määrä. Temp. ( C) 25 20 15 10 5 0-5 3.12. 23.12. 12.1. T_H T_A T_B1 T_B2 1.2. 21.2. 12.3. Maan lämpötila 1.4. 21.4. 11.5. 31.5. 20.6. 10.7. 30.7. 19.8. 8.9. 28.9. 18.10. 7.11. 27.11. 17.12. 6.1. Biohiili / Jukka Pumpanen 28.3.2018 17 26.1.
Hengityksen lämpötilavaste 20 CHAMBER 1_NIGHT Temp. ( C) 25 20 15 10 T_H Maan lämpötila T_A CO 2 (µmol m -2 s -1 ) 16 12 8 CHAMBER 3_NIGHT CHAMBER 2 FULL DAY 5 4 0-5 26.1. 6.1. 17.12. 27.11. 7.11. 18.10. 28.9. 8.9. 19.8. 30.7. 10.7. 20.6. 31.5. 11.5. 21.4. 1.4. 12.3. 21.2. 1.2. 12.1. 23.12. 3.12. 0 0 5 10 15 20 Temperature ( C) Biohiili / Jukka Pumpanen 28.3.2018
Biohiilen vaikutus hiilen kiertoaikaan maaperässä Hiilen kiertonopeus laskettiin lopulta seuraavasti: Hiilen kiertonopeus (vuosia) = NNNNNNNNNNNNNNN hiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii (gg) HHHHHHHHHHHHHHHHHHHH hiiiiiiiiiimmmmmmm (gg/vvvvvvvvvv) Biohiili / Jukka Pumpanen 28.3.2018 19
Johtopäätökset Biohiili ei lisännyt maassa olevan orgaanisen aineksen hajotusta Biohiili ei lisännyt maaperästä tulevia hiilidioksidipäästöjä. Biohiili näyttäisi siis sopivan hiilen varastoimiskeinoksi maaperään. Photo J. Pumpanen Biohiili / Jukka Pumpanen 28.3.2018 20
Kiitos! Tutkimusta ovat tukeneet Suomen Luonnonvarain tutkimussäätiö ja Suomen Akatemia: Academy of Finland Centre of Excellence Program uef.fi