Orgaanisten lannoitevalmisteiden käyttö, hiilen määrä maaperässä ja sen vaikutus Tapio Salo Luonnonvarat Luke 31600 Jokioinen
Sisältö Maan orgaaninen aines ja hiili Määrä ja ainesosat Vaikutus Maanparannusaineiden ja kasvintähteiden sisältämä hiili Määrä ja hajoamisnopeus Hiilen hajoamistestit Hiilen määrän muutokset peltomaassa Pitkäaikaiset kenttäkokeet Ruotsissa ja Tanskassa karjanlannasta tai lannoitevalmisteista Mahtava-hanke (Regina ja Heikkinen) Kemialliset ominaisuudet hiilen hajoamisen/säilymisen selittäjänä 2 11.12.2018
Maan orgaaninen aines ja hiili Maaperässä on kiintoainesta, vettä ja kaasuja Kiintoaineksessa on mineraalimaata ja orgaanista ainetta Maan orgaaninen aines Hajaantumaton kasvien, eläinten ja mikro-organismien jäte Eri hajaantumisasteella oleva aines Uudelleen syntetisoitu kestävä aines, humus 3 11.12.2018
Kuollut ja elävä orgaaninen aines Elävä orgaaninen aines Kasvintähteet Mikrobit, sienet yms. Humus Kestävä orgaaninen aines Kuollut ja hajoava orgaaninen aines https://www.agric.wa.gov.au/measuring-and-assessing-soils/what-soil-organic-carbon 11.12.2018 4
Maan orgaaninen aines ja hiili Orgaaninen aines on etenkin typen, mutta myös fosforin ja rikin varasto Orgaanisen aineksen (humushappojen) karboksyyli- ja fenoliryhmät sisältävät kationien sitoutumispaikkoja Orgaaninen aines yhdessä saveksen ja kalsiumin kanssa muodostaa kestäviä muruja Mikrobeilla, sienillä ja maaperäeläimillä on tärkeä osuus orgaanisen aineksen hajottamisessa hiilidioksidiksi ja kestäviksi humusyhdisteiksi Humus = mikrobien tuottamaa kestävää ainesta Muu orgaaninen aines = hajoaa melko helposti 5 11.12.2018
Hiilen määritys Aistinvarainen menetelmä viljavuusanalyysissä Vähämultainen 0-3% Multava 3-6 % Runsasmultainen 6-12% Erittäin runsasmultainen 12-20% Multa- (20-40%) ja turvemaat >40% Orgaanisen aineksen poltto (hehkutushäviö) C= 0.58 x orgaaninen aines Dumas n menetelmä Poltto ja kaasun hiilipitoisuuden määritys (mm. Leco) Märkäkemian menetelmiä mm. dikromaattihapetus 6 11.12.2018
Syvyys cm Kivennäismaiden hiilipitoisuuksia 0-60 cm kerroksessa, 46 kivennäismaata (ORANKI-hanke) % hiiltä 0 1 2 3 4 5 6 7 0-10 10-20 20-30 30-40 Heikot Hyvät 40-50 50-60 7 11.12.2018
Syvyys cm Hiilen määrä kerroksittain ; heikosti tuottaneilla lohkoilla yhteensä 122 tn/ha ja hyvin tuottaneilla 155 tn/ha 0-60 cm, C:N yleensä 10 0-10 kg hiiltä 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 10-20 20-30 30-40 Heikot Hyvät 40-50 50-60 8 11.12.2018
C % muokkauskerroksessa Peltomaiden valtakunnallisessa seurantatutkimuksessa (VALSE) kivennäismaiden hiilipitoisuudet ovat pienentyneet 1987-2009 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Etelä Länsi 9 11.12.2018
Hiilen lähteet maaperään Satokasvien tähteet Oljet, naatit jne. Juuristo Juuret, juurten erittämät orgaaniset hapot ym, Lanta ja orgaaniset lannoitevalmisteet Sonta, kuivikkeet Kompostien raaka-aine ja tukiaineet Ravinnepitoiset lannoitevalmisteet, orgaaniset lannoitteet Esim. soluneste Maanparannusaineet Esim. puunjalostusteollisuuden kuidut 10 11.12.2018
Hiilen lisäys, esimerkkinä vihanneskuorimon komposti, ka. = 20%, hiilipitoisuus 66 kg/tuoretonni Levitysperuste tn/ha vettä kg/ha sateena mm Kuiva-ainetta kg/ha P 10 kg/ha 19,4 15500 1,5 3871 P 50 kg/ha 96,8 77500 7,7 19355 Levitysperuste Kok-N kg/ha Liuk-N kg/ha Kok-K kg/ha C kg/ha P 10 kg/ha 55 11 80 1270 P 50 kg/ha 273 55 402 6349 Mitä 6400 kg/ha hiiltä merkitsee? Jos multava kivennäismaa, jossa 5% orgaanista ainesta, niin hiiltä on 2,6%, ja 20 cm kerroksessa hiiltä 63100 kg/ha. 11 Tapio Salo 11.12.2018
Orgaanisen materiaalin hajoaminen Kasvintähteet Lanta osa hiilestä poistuu hiilidioksidina, osa siirtyy humukseen ja osa jatkaa kierrossa Jansson: CoupModel
Orgaanisen aineksen hajotus Maahan tulevan ja maassa hajoavan aineksen välille muodostuu tasapaino -> paikalle ja viljelymenetelmille luontainen orgaanisen aineksen pitoisuus Mikrobit ja maaeläimet käyttävät tuoretta orgaanista ainetta ravinnokseen Orgaaniset yhdisteet mineralisoituvat Hiilidioksidia ja ravinteita vapautuu Muodostuu kestäviä orgaanisia yhdisteitä (humifioituminen) 13 11.12.2018
Hiilen pysyvyys maassa, kompostin kypsyys Hengitysnopeuden vaikutus; alussa 19 tai 2 g CO2-C / kg ka /vrk 14 Tapio Salo 11.12.2018
Inkubaatiokokeet (N ja C) Sekoitetaan 1-3 g tutkittavaa materiaalia 50 g maata Säilytys 15 C vakiolämpötilassa Mitataan suljetussa astiassa vapautuva hiilidioksidi sitomalla se natriumhydroksidiin Maanäytteitä kierrätetään mittauksissa Mittausajat 0,1, 3, 6, 10, 14, 21, 31, 41, 55, 80, 104, 132, 167, 216 vrk Vähennetään pelkän maanäytteen hiilidioksidituotto materiaalin + maan tuotosta Liukoisen typen mittaukseen otetaan näytteitä 0, 4, 11, 22, 42, 81, 168 ja 217 vrk Määritetään ammonium- ja nitraattityppi 2M KCl-uutosta Vähennetään pelkän maanäytteen epäorgaanisen typen määrä materiaalin + maan tuotosta
CO2-C % lisätystä Lisätyn orgaanisen aineksen hajoaminen Lisätyn hiilen vapautuminen hiilidioksidina 60 50 Raiheinä 40 Sian lietelanta Naudan lietelanta Biojätekomposti 30 20 Mädätetty puhdistamoliete Madätetty sian liete Kuivattu puhdistamoliete Kompostoitu liete 1 Kompostoitu liete 2 10 0 6.6.2009 26.6.2009 16.7.2009 5.8.2009 25.8.2009 14.9.2009 4.10.200924.10.200913.11.20093.12.2009
Inkubointikoe, hengitys 15 pintamaanäytettä (0-20 cm): 6 lannoitettua ja 9 lannoittamatonta 30 vrk inkubointi huoneenlämmössä vakiokosteudessa Mitattiin Hengitys (CO 2 -tuotto) Näytteenotot Hengitys: 1, 3, 5, 10, 14, 21, 30 vrk Hiilidioksidintuotto 14 vuorokauden aikana CO2 µl g -1 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 5 10 15 C% 17 11.12.2018
Hajotusta säätelevät tekijät Maaperän olosuhteet vaikuttavat Hajottajien koostumukseen Hajottajien aktiivisuuteen Lämpötila Kosteus Happamuus Happitila Ravinteiden riittävyys Esimerkkejä hajottajalajeihin vaikuttavista tekijöistä: Märkyys vähentää happea tarvitsevia sieniä Alhainen ph suosii sieniä ja haittaa monia bakteereja 18 11.12.2018
N kg/ha Kasvinjätteen hiili/typpisuhteen vaikutus maan mineraalitypen määrään 100 80 60 CN=13 40 20 0-20 -40-60 0 20 40 60 80 100 120 aika, vuorokausia CN=80 C/N=13 C/N=80 Korkea C/N, maan mineraalityppeä sitoutuu maan mikrobeihin.
Orgaanisen aineksen merkitys Ravinnevarasto Kationien sitominen vaihtuvaan muotoon (korkea ph) Puskuroi happamuutta sitomalla vetyioneja, alumiinia ja muita haitallisia metalleja Murujen kestävyys paranee sienirihmastojen ja mikrobien aineenvaihduntatuotteiden seurauksena Huokosten määrä kasvaa, ja maan vedenpidätyskyky lisääntyy 20 11.12.2018
Tilavuuspaino kg/dm3 Tilavuuspaino kg/dm3 Tilavuuspaino kg/dm3 Tilavuuspaino kg/dm3 Hiilen ja tilavuuspainon suhde (Oranki-hanke) 2 1.8 0-10 cm 2 1.8 10-20 cm 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 2 4 6 8 10 12 Hiilipitoisuus, % 0 0 2 4 6 8 10 12 Hiilipitoisuus, % 2 1.8 20-30 cm 2 1.8 30-40 cm 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 2 4 6 8 10 12 Hiilipitoisuus, % 0 0 2 4 6 8 10 12 Hiilipitoisuus, % 21 11.12.2018
Mururakenteen kestävyys (eroosioriski) 32 lohkoa (n=4) Maat joissa savesta >15% WSA eli vedenkestävät murut (WSA%) Sameus (NTU) WSA% 100% 90% 80% 70% 60% NTU g -1 25 20 15 50% 40% 10 30% 20% 5 10% 0% 0 2 4 6 8 10 C% 0 0 5 10 15 20 25 Saves% / C% HHs >10% 22 11.12.2018
10-20 cm, ohra, C 3,9 %, 1,3 kg/dm3, saves 28%, hiesu 43%, HHt ja karkeampi 28% 23 11.12.2018
40-47 cm, kevätvehnä, C 0,48% (0-20 cm 2,3 %), tilavuuspaino 1,6 kg/dm3, saves 25%, hiesu 18% ja HHt 57% 24 11.12.2018
30-40 cm, kaura, orgaaninen hiili 0,31 % (pintamaassa 1,8%), tilavuuspaino 2,3 kg/dm3, saves 10%, hiesu 17%, hieta 33% ja hiekka 40% 25 11.12.2018
Esimerkki kenttäkokeesta Lietepohjaiset materiaalit Ruotsi, 4 koepaikkaa Aloitettu 1956, 2 x 1981 ja 1997 Lisäysmääriä Hiiltä 4 tn /ha joka toinen vuosi Kuiva-ainetta 4-12 tn/ha joka neljäs vuosi Kuiva-ainetta 8 tn joka toinen vuosi Kevätviljoja, kyntö Savesta 14-42% 26 11.12.2018
Hiili % Viljelyn vaikutus hiilen pitoisuuteen 0-20 cm 3 2,5 2 1,5 1 Alussa Ei lannoitettu Mineraali Liete 0,5 0 Ultuna Lanna Petersborg Igelösä 27 11.12.2018
Saves-% 36.5 42 14 26 Aloitusvuosi 1956 1997 1981 1981 C-lisätty kg/ha 106000 20800 48000 48000 Maan muutos C kg/ha 23200 5000 2000 6200 Poistunut 82800 15800 46000 41800 % lisätystä maassa 21.9 24.0 4.2 12.9 Lisäys kg/vuosi 438 385 67 207 28 11.12.2018
Tanskalainen lannoitevalmistekoe (CRUCIAL) Kööpenhaminan lähellä, hietamaa 2003 aloitettu, kevätviljoja pääasiassa Lähtötila, 1,5 % C Käsittelyjä: Biojätekomposti Lietekomposti Karjanlanta NPK-lannoitus 100 kg/ha liukoista typpeä Biojätekomposti: hiiltä 5000 kg/ha vuodessa Liete: 3200 kg/ha Karjanlanta: 7100 kg/ha 29 11.12.2018
Vaikutuksia 10 vuoden kuluttua Maan hiili % Hiili t/ha 0-20 cm NPK 1.54 44 Lietekomposti 2.04 59 38 Biojätekomposti 2.48 71 45 Karjanlanta 2.18 63 21 % hiilestä jäljellä 30 11.12.2018
Suomessa lannoitevalmisteiden käytön pitkäaikaiskokeita? Karjanlannan käytön vaikutus Toholammin huuhtoutumiskentällä osana viljelymenetelmää Luonnonmukaiset ja tavanomaiset viljelykierrot Yönin huuhtoutumiskentällä Jokioisissa Maanparannekoe Loimaan koulutilalla Esittely Koneviesti 16/2018 Qvidjan tilan koe Paraisilla Humuspehtoorin koe Lepaalla, 2014- Laihosola 2017, AMK-opinnäyte Maanparannusaineita 80-240 tn/ha Maan hengitys suurempi maanparannusaineiden myötä Puukuitulisäys immobilisoi typpeä ja heikensi satoa 31 11.12.2018
Esimerkki kasvimateriaalin tai lannoitevalmisteiden hajoamisen arvioinnista, rehun sulavuusuuton avulla Kuumavesiuutto (WS) WNS-WS = NDS Liukoinen (WNS) materiaali + kuuma uutto neutraalilla uuttoliuoksella Liukenematon osuus (NDS) + kuuma uutto hapolla hemiselluloosa + 72% rikkihappo = holoselluloosa selluloosa ligniini + oxidation in oven
C mineralisation (% of added C) Kasvijätteiden selluloosapitoisuuden vaikutus hiilen vapautumiseen kasvijätteestä 100 90 Holocellulose C < 150 mg C g -1 100 90 Holocellulose C = 150-250 mg C g -1 100 90 Holocellulose C >250 mg C g -1 80 Sugar beet, green leaves, C/N 22 80 80 70 70 70 60 60 Wheat, pods, C/N 32 60 Swede, whole plant, C/N 38 50 Barley, pods, C/N 32 50 50 40 30 20 Egyptian Clover, whole plant, C/N 16 40 30 20 Alfalfa, stem, C/N 20 40 30 20 Wheat, leaves, C/N 123 Meadow foxtail, mature straw, C/N 51 10 10 10 0 0 50 100 150 200 0 0 50 100 150 200 Days after start of incubation 0 0 50 100 150 200 Kun selluloosan määrä on korkea, helppoliukoisia hiiliyhdisteitä on vähemmän ja hiilen vapautuminen hitaampaa.
Analysoitavat materiaalit (MAHTAVA) Tyyppi Materiaali Komposti Metsäteollisuuden sivutuotteet Alus- ja kerääjäkasvit Lannat Jätevesiliete-pohjaiset lannoitevalmisteet Mädätetty kasvimassa Biohiili 1 Järviruokokomposti 2 Kasvintähdekomposti 3 Nollakuitu 4 Kalkkistabiloitu liete 5 Liete 6 Raiheinä + juuret 7 Puna-apila + juuret 8 Lietelanta, sika (raaka) 9 Lietelanta, sika (mädätettu ja separoitu) 10 Lietelanta, nauta (raaka) 11 Lietelanta, nauta (mädätetty) 12 Lietelanta, nauta (separoitu) 13 Kuivalanta, siipikarja (kompostoitu) 14 Kuivalanta, hevonen (palanut) 15 Kuivalanta, hevonen 16 Puhdistamoliete 17 Mädätetty liete, kuivajae (sianliete 25%+teollisuuden massat) 18 Kompostoitu jätevesiliete + turve (1:1) 19 Nurmi 20 Nurmi + biojäte 21 HTC (Paju) 22 Hidas pyrolyysi (Mänty, kuori) 23 Torrefikaatio (Kuusi) 34 11.12.2018
Materiaalien mallinnettu hajoaminen maassa Mitä enemmän liukenematonta hiiltä, sitä enemmän hiiltä jää maahan 35 11.12.2018 Happo, vesi. Etanoli, liukenematon, humus
Orgaanisen aineksen ylläpito Kasvintähteet (oljet, naatit) Yleensä prosentuaalinen osuus satotasosta Juuristo Satotaso Kasvilajit Syvyys Alus- ja kerääjäkasvit Lanta Sonta ja kuivike Orgaaniset lannoitevalmisteet Alkuperä ja käsittelytapa 36 11.12.2018
Kiitos! 37 11.12.2018