Suopeltojen kasvihuonekaasujen taseet

Suopeltojen kasvihuonekaasujen taseet Veli-Matti Komulainen, Jyrki Hytönen ja Jukka Laine KANNUKSEN TUTKIMUSASEMA 21 1

Kirjoittajat:Veli-Matti Komulainen 1, Jyrki Hytönen 1 ja Jukka Laine 2. Kirjoittajien yhteystiedot: 1 Metsäntutkimuslaitos, Kannuksen tutkimusasema, PL 44 6911 KANNUS. 2 Helsingin yliopisto, Metsäekologian laitos, PL 24, 14 Helsingin yliopisto Taitto: Ari Kokko Metsäntutkimuslaitos Kannuksen tutkimusasema, puh. 6-8743211, faksi 6-874321, e-mail: ari.kokko@metla.fi Julkaisija: METLA, Kannuksen tutkimusasema 21. Copyright : Metsäntutkimuslaitos 2

Sisällys 1. Johdanto 4 2. Tutkimuksen tarkoitus ja hypoteesit 4 3. Tutkimusmenetelmät 4 4. Alustavat tulokset 6 4.1 Maahengitys (RS) / totaalirespiraatio (RTOT); vuoden 1999 aineisto 6 4.2 Maahengitys (RS) / totaalirespiraatio (RTOT); vuoden 2 aineisto 7 4.3 Turpeen tiheyden vaikutus; vuoden 1999 aineisto 8 4.4 Turpeen tiheyden vaikutus; vuoden 2 aineisto 8 4.5 Bruttofotosynteesi (PG); vuoden 1999 aineisto 8 4.6 Bruttofotosynteesi (PG); vuoden 2 aineisto 9 4.7 Nettovaihto (PN); vuoden 1999 aineisto 1 4.8 Nettovaihto (PN); vuoden 2 aineisto 1 4.9 Hiilidioksiditase (CO2 BAL), vuoden 1999 aineisto 11 4.1 Hiilidioksiditase (CO2 BAL), vuoden 2 aineisto 12 4.11 Metaaniemissio (CH4); vuosien 1999 ja 2 aineistot 13 4.12 Typpiemissiot (typpioksiduuli, N2O); vuosien 1999 ja 2 aineistot 14 5. Tutkimuksen johtopäätökset 16 6. Tutkimuksen jatkaminen 16 3

1. Johdanto Ilmakehän kasvihuonekaasujen pitoisuudet ovat nousseet jyrkästi viimeisten vuosikymmenien aikana. Suurin osa tärkeimpien kasvihuonekaasujen kuten hiilidioksidin (CO 2 ), metaanin (NH 4 ) ja dityppioksidin (N 2 O) lisäyksestä ilmakehässä on peräisin energian tuotannon ja liikenteen päästöistä, mutta myös ekosysteemeillä on merkittävä vaikutus em. kaasujen virtoihin ilmakehän ja biosfäärin varastojen välillä. Metsillä on merkittävä rooli hiilidioksidin sitojina ja hiilen varastoina. Suomessa kuitenkin suot muodostavat huomattavimman orgaanisen hiilen varaston. Suomen metsien puustossa on hiiltä n. 68 milj. tn, kangasmaissa n. 12 milj. tn ja turvemaissa n. 48 milj. tn (Kauppi ym. 1995, Liski 1997, Mäkipää ja Tomppo 1998). Suot ovat suokasvien kolonisoimia kosteikkoekosysteemejä, joissa korkean pohjavesipinnan ja vaillinaisen hajotustoiminnan seurauksena kasvinjäänteistä eli karikkeesta muodostuu turvetta. Turvetta voidaan pitää hiilivarastona, joka on syntynyt kasvien fotosynteesissä sidotun ja eri tavoin hitaasti poistuneen (tuottajien ja kuluttajien respiraatio, aerobinen ja anaerobinen hajotus, huuhtoutuminen) hiilen erotuksena. Samalla kasvijäänteiden mukana turpeeseen on varastoitunut runsaasti typpeä. Luonnontilaiset suot toimivat hiilidioksidin (CO 2 ) nieluna, mutta samalla ne muodostavat merkittävän metaanin (CH 4 ) lähteen. Korkea vedenpinnan taso vähentää aerobista hajotustoimintaa ja hidas anaerobinen hajotus muodostaa merkittävän osan hajotuksesta. Turpeen runsaasta typpipitoisuudesta huolimatta luonnontilaiset suot eivät vapauta typen oksideja. Soiden maa- ja metsätaloudellinen ja hyväksikäyttö on ollut merkittävin soiden käyttömuoto Suomessa ja reilusti yli puolet luonnontilaisesta suoalasta (1,4 milj. ha) on ojitettu näihin tarkoituksiin. Valtakunnan metsien kahdeksannen inventoinnin mukaan Suomessa on ojittamattomia soita 4,25 milj. ha ja metsäojitettuja soita 4,69 milj. ha. Lisäksi arvioidaan olevan 25 ha suopeltoja ja noin 8 ha metsitettyjä suopeltoja. Ojituksen tarkoituksena on muuttaa suon hydrologiaa maa- ja metsätalouden harjoittamista varten laskemalla vedenpinnan tasoa, jolloin aerobisen pintaturpeen osuus kasvaa. Samalla aerobisen ja anaerobisen hajotustoiminnan suhteet muuttuvat päinvastaisiksi ja hajotustoiminta nopeutuu, mikä johtaa turpeen lisääntyvään mineralisaatioon. Ojituksen seurauksena suoekosysteemin kokonaistuotos kasvaa ja metsäojitetuilla osilla valtaosa biomassasta allokoituu puustoon (esim. Laiho 1997). Myös hiilidioksidin sidonta sekä puustoon että yleensä myös turpeeseen lisääntyy, jopa enemmän kuin mitä hiilidioksidin vapautuminen turpeesta kasvaa aerobisen hajotuksen kiihtyessä (Minkkinen 1999). Ojitetuilla soilla metaanin tuotto vähenee, jopa siinä määrin, että kuivatetusta suosta voi tulla metaanin vähäinen nielu, mutta kiihtyvä turpeen hajoaminen alkaa vapauttaa ilmaan hiilidioksidin lisäksi mahdollisesti myös typen oksideja. Metsäojitettujen soiden sisältämät hiilen varastot tunnetaan Suomessa varsin hyvin (esim. Minkkinen 1999). Sen sijaan turvepeltojen hiilivarastot ja kasvihuonekaasujen taseet tunnetaan huonosti. On arveltu, että suopeltojen kasvihuonekaasujen säteilypakote, etenkin hiilidioksidin ja dityppioksidin osalta on varsin suuri suopeltojen pinta-alaan nähden, vaikkakin varsinaisia tutkimustuloksia on niukasti (ks. Crill ym. 2). Orgaanisten maatalousmaiden kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisessä tärkeimpänä toimenpiteenä pidetään jo nyt turvepeltojen poistamista viljelystä ja niiden metsittämistä (Ilmastosopimuksen... 2). 2. Tutkimuksen tarkoitus ja hypoteesit Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää viljelyssä olevan suopellon keskeisten kasvihuonekaasujen; hiilidioksidin (CO 2 ), metaanin (CH 4 ) ja dityppioksidin (N 2 O) virrat ilmakehän ja maaperän varastojen välillä. Tutkimukselle muodostettiin kaksi keskeistä hypoteesia: (1) Entisen luonnontilaisen suon hiili- ja typpitase muuttuu, kun suo ojitetaan viljelykäyttöön niin, että hiiltä ja typpeä akkumuloivasta ekosysteemistä tulee niiden merkittävä lähde. (2) Viljelytavalla (nurmi/vilja/ kesannointi), viljelytoimilla (muokkaus/lannoitus) turpeen paksuudella ja kosteuden vaihtelulla sekä mahdollisella kivennäismaalisäyksellä (painomaa) on vaikutusta em. kaasujen taseisiin. Tässä raportissa esitetään alustavia tuloksia tutkimuksesta. Aineistojen käsittely ja keräyskin on vielä osin kesken, joten tuloksia tullaan vielä tarkentamaan. Tulokset julkaistaan kansainvälisissä tieteellisesti tarkastetuissa julkaisusarjoissa. 3. Tutkimusmenetelmät Tutkimuskohteeksi valittiin Kannuksessa sijaitseva turvepelto, joka ojitettiin ensin metsätalouden käyttöön 196-luvun alussa. Pelto otettiin aktiiviseen maatalouden käyttöön 198-luvun alkupuolella, jolloin paikoin runsaskin puusto poistettiin. Pellon paksuturpeisessa osassa runsaana esiintyvän kivennäismaan perusteella voidaan arvioida, että alue on luultavasti ollut niittynä tai viljelykäytössä joskus aiemminkin. Elokuussa 1999 pellon kahdelle saralle muodostettiin tutkimuksen koekentät (4 kpl), joilla mittauksia jatkettiin myös vuonna 2. Kysymyksenasetteluun perustuen koekentät ovat: 1. ohut turvekerros ja nurmen viljely, 2. viljan viljely 3. paksu turve kerros ja nurmen viljely 4. viljan viljely. 4

Kuva Ari Kokko Kuva 3.1. Mittauskammio. Mittauskohtia ympäröiviä kiinteitä alumiinisia kauluksia alueella on 2 kappaletta. Kuva Ari Kokko Kuva 3.2. Säähavaintoasema koealueella. Jokaisella koekentällä on viisi kaasujenvaihtomittausruutua (kaulusta), joista kaksi on pidetty kasvipeitteettöminä (kesannointi). Koekenttien kasvihuonekaasujen vaihtodynamiikkaa tutkittiin mittaamalla erilaisten kasvillisuuspintojen hiilidioksidin (CO 2 ), metaanin (CH 4 ) ja dityppioksidin (N 2 O) vaihtoa ilmakehän ja maaperän varastojen välillä. Kaasunvaihtomittaukset tehtiin kammiomenetelmällä käyttäen ruutuja ympäröiviä kiinteitä kauluksia (55x55 cm), joiden n. 3 cm korkea seinämä osittain tai kokonaan upotettiin peltoon. Kammiomenetelmässä käytettiin kahta erilaista kaulusten päälle asetettavaa kammiota; fotosynteesin mahdollistavaa läpinäkyvää pleksikammiota ja valoa läpäisemätöntä alumiinikammiota. Hiilidioksidin vaihdossa mitattiin pleksikammiota käyttäen kasvipeitteisiltä ruuduilta pintakasvillisuuteen fotosynteesissä sitoutuvaa ja respiraatiossa vapautuvaa hetkellistä hiilidioksidin määrää. Mittaukset tehtiin kahdesti peräkkäin; ensin fotosynteesimittaus auringonvalossa ja sitten respiraatiomittaus kammio pimennettynä. Kasvipeitteisiltä ruuduilta pimeämittauksessa mitattava respiraatio on ns. totaalirespiraatio, jossa on mukana aerobisten hajottajien ja maaperäeläinten respiraatio sekä pintakasvillisuuden eri osien (maanpäälliset osat + juuret) respiraatio. Valossa tapahtuvassa mittauksessa on mukana samat tekijät ja niiden lisäksi pintakasvillisuuden yhteytys. Näin valomittauksesta saatu tulos indikoi suonpinnan hetkellistä hiilidioksidin nettovaihtoa. Nettovaihto on positiivinen, mikäli hiilidioksidin sitoutuminen kasvillisuuden fotosynteesissä on suurempaa kuin ulosvirtaus respiraation ja hajoamisprosessien kautta. Valo- ja pimeämittauksen summana saatiin laskennallinen estimaatti bruttofotosynteesistä, kun oletettiin kasvillisuuden respiroivan yhtä voimakkaasti sekä pimeässä että auringonvalossa Kasvipeitteettömiltä ruuduilta mitattiin vain maahengitystä. Mittalaitteena toimi kannettava infrapunakaasuanalysaattori. Metaanin ja typpioksiduulin hetkellistä vaihtoa ilmakehän ja turpeen varastojen välillä mitattiin samoilta ruuduilta kuin hiilidioksidin vaihtoakin. Mittauksissa käytettiin läpinäkymätöntä alumiinikammiota. Kammiosta otettiin kaasunäytteet 6 ml:n injektioruiskuihin 5, 15, 25 ja 35 (talvella 5, 15, 3 ja 45) minuutin kuluttua mittauksen alusta (kammion sulkemisesta) lähtien. Kammiosta kerättyjen kaasunäytteiden metaani- ja dityppioksidipitoisuudet (myös hiilidioksidi) analysoitiin laboratoriossa kaasukromatografilla. Metaaninvaihtomittaus on hiilidioksidin valomittauksen kaltaista tasemittausta. Hapettomassa turveprofiilissa toimivat metanogeeniset bakteerit tuottavat metaania, jonka hapellisessa pintaturpeessa olevat bakteerit osaksi tai kokonaan hapettavat hiilidioksidiksi. Pohjaveden ollessa syvällä metaanin nettovirta voi olla myös ilmasta suohon. Dityppioksidia vapautuu sekä nitrifikaatiossa että denitrifikaatiossa, mutta teoreettisesti kuivattu suo ei toimi dityppioksidin nieluna. Kaasumittausten yhteydessä mitataan samanaikaisesti kammioilman, ympäröivän ilman sekä turpeen 5

eri syvyyksien (pintaturve, 5, 1, 2, 3 cm) lämpötilat sekä vedenpinnan taso kammion välittömästä läheisyydestä. Hiilidioksidin vaihtomittausten yhteydessä mitataan myös fotosynteettisesti aktiivisen säteilyn määrää (PAR). Mittauksin selvitettiin kaasuvirtojen ympäristöriippuvuus, jolloin mahdollistuu koekenttien vertailu sekä kasvukautiset kaasujen taselaskelmat. Lisätietoa ympärivuorokautisista ja koko kasvukautta koskevista säätiedoista (sademäärä, ilman ja turpeen lämpötilat, säteilyolosuhteet, turpeen kosteus) saadaan pellolle rakennetulta sääasemalta. 4. Alustavat tulokset 4.1 Maahengitys (R S ) / totaalirespiraatio (R TOT ); vuoden 1999 aineisto Nurmi / vilja: Maahengitystä mitattiin kasvipeitteettömiltä ruuduilta sekä nurmi- että viljanviljelyssä olleilta saroilta. Molemmilla saroilla maahengityksen määrä oli samantasoinen (nurmenviljely keskimäärin 476 mg CO 2, viljanviljely 43 mg CO 2 ). Kasvipeitteisten (nurmi/vilja) ruutujen totaalirespiraatio (624 ja 585 mg CO 2 ) oli keskimäärin 33.7 % suurempi kuin maahengitys kasvipeitteettömiltä ruuduilta. Tämä johtuu kasvillisuuden eri osien (versot, juuristo) pimeärespiraatiosta. Sekä maahengitys että totaalirespiraatio olivat hieman korkeampia nurmiviljelyssä kuin viljanviljelyssä (kuvat 4.1 ja 4.2), mutta 14 12 2 1999 Nurmi, kasvipeitteetön Vilja, kasvipeitteetön Maahengitys mg CO 2 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 4 Totaalirespiraatio mg CO 2 35 3 25 2 15 1 5 Nurmi, kasvipeitteinen Vilja, kasvipeitteinen 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 Kuvat 4.1 ja 4.2. Maahengityksen (ylempi) ja totaalirespiraation (alempi) vaihtelu vuosien 1999 ja 2 aikana nurmen- ja viljanviljelyssä olleilla saroilla (huomaa erilaiset asteikot). 6

kummassakaan tapauksessa ero ei ollut tilastollisesti merkitsevä (p (RS) =.196 ja p (RTOT) =.218). Tulos on mielenkiintoinen, mutta helposti ymmärrettävissä, koska saroilla ei todennäköisesti ole eroa viljavuudessa, joka aiheuttaisi eroa mikrobiaalisessa aktiivisuudessa. Tulos tarkentunee, kun turveanalyysit valmistuvat. Ohutturpeinen / paksuturpeinen Turpeen paksuus sarkojen ohutturpeisessa osassa oli keskimäärin 31 cm (vaihtelu 27 cm:stä ja 37 cm:n) ja paksuturpeisessa osassa 72 cm (vaihtelu 47 cm:stä 9 cm:iin). Sekä maahengitys (361 vs. 541 mg CO 2 ) että totaalirespiraatio (536 vs. 671 mg CO 2 ) kasvoivat merkitsevästi turpeen paksuuden lisääntyessä (p (RS) <.1 ja p (RTOT) <.1) (kuvat 4.3 ja 4.4). Tulos on uusi ja mielenkiintoinen ja osoittaa, että tehokkaasti kuivatetulla sekä lannoitetulla entisellä suolla aktiivinen aerobinen hajotustoiminta ulottuu syvemmälle kuin pelkästään turpeen pintakerrokseen. 4.2 Maahengitys (R S ) / totaalirespiraatio (R TOT ); vuoden 2 aineisto Vuoden 2 aineistossa suhteet nurmi/vilja ja ohutturpeinen/paksuturpeinen olivat samankaltaisia kuin vuoden 1999 aineistossa. Sekä totaalirespiraatio että maahengitys olivat korkeampia viljan viljelyssä olleissa ruuduissa ja molemmat lisääntyvät turvekerroksen paksuuntuessa. Merkillepantavaa on myös keskikesän 2 huomattavan suuret emissiot, jotka ovat keskimäärin totaalirespiraation osalta nelinkertaisia ja maahengityksen osalta kaksinkertaisia syksyn 1999 arvoihin verrattuna. Myöskin pitkän talven merkitys emissiossa on huomattava (kuvat 4.1 4.4). 16 14 2 1999 Paksut. kasvipeitteetön Ohutt. kasvipeitteetön Maahengitys mg CO 2 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 Totaalirespiraatio mg CO 2 4 35 3 25 2 15 1 5 Paksut. kasvipeitteinen Ohutt. kasvipeitteinen 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 Kuvat 4.3 ja 4.4. Maahengityksen (ylempi) ja totaalirespiraation (alempi) vaihtelu vuosien 1999 ja 2 aikana ohutturpeisessa ja paksuturpeisessa osassa sarkoja (huomaa erilaiset asteikot). 7

4.3 Turpeen tiheyden vaikutus; vuoden 1999 aineisto Pintaturpeen ( 2 cm) tiheyden osalta aineisto jaettiin neljään luokkaan. Ensimmäinen luokka (tiheysluokka 1) sisältää ruudut, joiden turpeen tiheys oli alle 3 g dm -3 (pieni kivennäismaapitoisuus) ja suurimmassa tiheysluokassa (tiheysluokka 4, suuri kivennäismaapitoisuus) turpeen tiheys oli suurempi kuin 5 g dm -3 (kuva 4.5). Jokaisessa tiheysluokassa on sekä kasvipeitteisiä että kasvipeitteettömiä ruutuja. Toistettujen mittausten varianssianalyysi osoittaa, että kivennäismaaosuuden kasvu, joka heijastuu korkeampana turpeen tiheytenä lisää merkitsevästi (p RESP <.1) turpeen hajoamista ja siten pimeärespiraation määrää (kuva 4.6). Tulos on varsin mielenkiintoinen, koska suurimmalle osalle turvepelloista on lisätty maanparannusaineeksi kivennäismaata (ns. painomaata). 4.4 Turpeen tiheyden vaikutus; vuoden 2 aineisto Aineiston käsittely on tältä osin kesken. 4.5 Bruttofotosynteesi (P G ); vuoden 1999 aineisto Nurmi / vilja: Bruttofotosynteesissä kasvillisuuteen sitoutuneen hiilidioksidin määrä oli selvästi suurempi nurmiviljelyssä kuin viljaviljelyssä (kuvat 4.7 ja 4.8). Testi tehtiin potentiaalisilla (hajasäteily > 5 µmol m -2 s -1 ) bruttofotosynteesin arvoilla. Tulokset osoittavat, että nurmiviljelyssä olleiden ruutujen potentiaalinen bruttofotosynteesi (966 mg CO 2 ) oli lähes kaksinkertainen verrattuna viljanviljelyssä (529 mg CO 2 ) olleisiin ruutuihin (p PGpot <.1). 6 5 Tiheys g dm -3 4 3 2 1 1 2 3 4 Tiheysluokka 14 Pimeärespiraatio mg CO 2 12 1 8 6 4 2 Tiheysluokka 1 Tiheysluokka 2 Tiheysluokka 3 Tiheysluokka 4 22 24 26 28 3 Kuvat 4.5 ja 4.6. Turpeen tiheyden vaihtelu tiheysluokkien mukaan (ylempi) sekä pimeärespiraation vaihtelu eri tiheysluokissa syksyn 1999 aineistossa (alempi). 8

Ohutturpeinen / paksuturpeinen: Turpeen paksuudella ei ollut vaikutusta bruttofotosynteesin määrään (p PGpot =.498). Bruttofotosynteesin määriä vertailtaessa on kuitenkin huomioitava, että mittaukset aloitettiin vuonna 1999 vasta kun vilja oli jo puitu. Näin ollen yhteyttävä lehtipinta-ala oli selvästi alhaisempi viljanviljely ruuduilla kuin nurmiviljely ruuduilla. Lehtipinta-alaindeksi oli viljanviljely ruuduilla keskimäärin.5 (.2.7) kun vastaavasti nurmiviljelyssä olleiden ruutujen indeksi oli 2.3 eli siis lähes viisinkertainen (.7 3.8). Näin ollen sekä keskimääräinen että potentiaalinen bruttofotosynteesin määrä kasvaa lehtipinta-alaindeksin kasvaessa (kuva 4.9). 4.6 Bruttofotosynteesi (P G ); vuoden 2 aineisto Vuoden 2 aineistossa on havaittavissa fotosynteesitason selvä nousu syksyyn 1999 verrattuna (nurmiviljelyssä nelinkertainen ja viljanviljelyssä seitsemänkertainen), kun kasvukautinen vaihtelu on saatu mitattua kokonaisuudessaan. Merkillepantavaa on se, että optimaalisissa olosuhteissa (lehtipinta-ala, kosteus, säteily) vilja ja nurmi sitovat fotosynteesissään kutakuinkin yhtä paljon hiilidioksidia. Tuloksissa edelleenkin korostuu lehtipinta-alan merkitys, joka näkyy fotosynteesitason jyrkkänä laskuna sadonkorjuun (nurmi) ja viljan osittaisen lakoontumisen jälkeen (kuvat 4.7 ja 4.8, juliaaninen päivä 18). Keskim. bruttofotos. mg CO 2 8 7 6 5 4 3 2 1 2 1999 Nurmi Vilja 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 Pot. bruttofotos. mg CO 2 8 7 6 5 4 3 2 1 Nurmi Vilja 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 Kuvat 4.7 ja 4.8. Keskimääräisen (ylempi) ja potentiaalisen bruttofotosynteesin (alempi) vaihtelu vuosien 1999 ja 2 aikana nurmen- ja viljanviljelyssä olleilla saroilla. 9

16 14 12 Pot. bruttofotosynteesi Keskim. bruttofot. Pot. nettovaihto Keskim. nettovaihto 1 mg CO 2 8 6 4 2-2 -4-6 1 2 3 4 Lehtipinta-alaindeksi Kuva 4.9. Keskimääräisen ja potentiaalisen nettovaihdon sekä bruttofotosynteesin vaihtelu lehtipintaalaindeksin mukaan. 4.7 Nettovaihto (P N ); vuoden 1999 aineisto Nurmi/Vilja: Hiilidioksidin keskimääräinen nettovaihto oli sekä nurmi- että viljanviljelyssä olleilla kasvipeitteisillä ruuduilla negatiivinen osoittaen hiilidioksidin ulosvirtausta systeemistä. Ulosvirtaus oli merkitsevästi (p <.1) suurempaa viljanviljelyruuduilta (-257 mg CO 2 ) kuin nurmiviljely ruuduilta (-67 mg CO 2 ) (kuva 4.1). Vertailtaessa potentiaalisia (hajasäteily > 5 µmol m -2 s -1 ) nettovaihtoarvoja, ero nurmi- ja viljanviljelyruuduilla oli samankaltainen. Merkittävin ero oli se, että myös potentiaalinen nettovaihto oli viljanviljelyruuduilla negatiivinen (-197 mg CO 2 ) kun nurmiruuduilla se oli jonkin verran positiivinen (148 mg CO 2 ). Ero selittyy hyvin pitkälti lehtipinta-alojen eroilla eli myös hiilidioksidin nettovaihto kasvaa lehtipinta-alaindeksin kasvaessa (kuva 4.9). Ohutturpeinen / paksuturpeinen: Turpeen paksuus ja siitä aiheutuva totaalirespiraation vaihtelu vaikuttivat myös sekä keskimääräiseen että potentiaaliseen nettovaihtoon. Sekä keskimääräinen (p <.1) että potentiaalinen nettovaihto (p <.1) olivat vähemmän negatiivisia ohutturpeisessa koekentillä (kuva 4.1). Tulos on mielenkiintoinen ja osoittaa, että luonnontilaisten, metsäojitettujen ja ennallistettujen soiden lisäksi myös turvepelloilla hajotus säätelee voimakkaasti hiilidioksidin nettovaihtoa. 4.8 Nettovaihto (P N ); vuoden 2 aineisto Vuonna 1999 mittaukset alkoivat vasta kun vilja oli puitu. Vuonaan 2 saatiin sen sijaan koko kasvukausi mitattua kokonaisuudessaan. Vuonna 2 havaittiin, että bruttofotosynteesin lisäksi myös nettovaihto oli selvästi korkeampi kuin vuonna 1999, jolloin mitattiin vain kasvukauden loppuosa. Tuloksissa korostuu edelleenkin lehtipinta-alan merkitys, sillä nettovaihto laski jyrkästi lehtipinta-alan pienennettyä sadonkorjuun (nurmi) ja viljan osittaisen lakoontumisen jälkeen. Vaikka turvekerroksen paksuuden vaikutus hiilidioksidin nettovaihtoon on pieni vuoden 2 aineistossa, voidaan kuitenkin todeta hajotuksella olevan erittäin suuri merkitys hiilidioksidin nettovaihtoon (kuvat 4.1 ja 4.11). 1

2 1999 Keskim. nettovaihto mg CO 2 4 35 3 25 2 15 1 5-5 -1 Nurmi Vilja Keskim. nettovaihto mg CO 2-15 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 4 35 3 25 2 15 1 5-5 -1 Paksuturpeinen Ohutturpeinen -15 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 Kuvat 4.1 ja 4.11. Keskimääräisen nettovaihdon vaihtelu vuosien 1999 ja 2 aikana nurmen- ja viljanviljelyssä olleilla saroilla (ylempi) ja ohutturpeisessa ja paksuturpeisessa osassa sarkoja (alempi). 4.9 Hiilidioksiditase (CO 2 BAL ), vuoden 1999 aineisto Koekenttien kasvipeitteisille ruuduille laskettiin vuoden 1999 aineistoa käyttäen keskimääräiset vuorokautiset hiilidioksiditaseet (CO 2 BAL = P G - R TOT ), mallittamalla erikseen totaalirespiraation (R TOT ) ja bruttofotosynteesin (P G ) riippuvuus abioottisista ja bioottisista ympäristötekijöistä. Mallit: logr TOT = b + b 1 T 5 + b 2 logi LA + b 3 log P D + b 4 logp BD I LA = Lehtipinta-alaindeksi P D = Turvekerroksen paksuus P BD = Turpeen tiheys P G = IRR *P max *I LA /(IRR+b*I LA ) missä IRR = hajasäteily I LA = lehtipinta-alaindeksi missä T 5 = Turpeen 5 cm lämpötila 11

Kokonaisrespiraation ja bruttofotosynteesin rekonstruointimallit pystyivät kohtuullisen hyvin selittämään em. vastemuuttujien vuorokautista vaihtelua, eikä mallien residuaaleissa havaittu merkittävää systemaattisuutta (kuvat 4.12 4.15). Tulokset osoittavat huomattavaa (1.4 2.6 g CO 2 - C m -2 d -1 ) hiilidioksidin vuorokautista ulosvirtausta pois peltoekosysteemistä. Ulosvirtaus oli suurempaa viljanviljelykentiltä kuin nurmenviljelystä sekä kasvoi turpeen paksuuden kasvaessa. Mikäli saatuja arvoja pidetään keskimääräisinä kasvukautisina arvoina päädytään kasvukauden aikana 252 477 g CO 2 -C hiilen nettomenetykseen sekä mikäli talviaikaiset emissiot huomioidaan 371 595 g CO 2 -C hiilen nettomenetykseen. 4.1 Hiilidioksiditase (CO 2 BAL ), vuoden 2 aineisto Vuoden 2 aineistoa mallitettaessa pyritään hyödyntämään yllä olevia malleja. Mukaan pyritään saamaan myös kosteuden aiheuttama vaihtelu kaasujen virtauksiin. Lisäksi aineiston analysoinnissa päästään hyödyntämään pellolle asennetun sääaseman mittausaineistoa. 16 Totaalirespiraatio mg CO 2 14 12 1 8 6 4 2 Mitattu R TOT Estimoitu R TOT R 2 =.84-5 5 1 15 2 Turpeen (5 cm) lämpötila 16 Ennustettu R TOT mg CO 2 14 12 1 8 6 4 2 r =.92 2 4 6 8 1 12 14 16 Mitattu R TOT mg CO 2 Kuvat 4.12 ja 4.13. Mitattujen ja mallin avulla estimoitujen totaalirespiraatioarvojen riippuvuus turpeen (5 cm) lämpötilasta (ylempi) sekä mitatun ja ennustetun (estimoitu) arvon korrelaatio (alempi). 12

2 Mitattu P G Bruttofotosynteesi mg CO 2 15 1 5 Estimoitu P G R 2 =.68-5 5 1 15 2 Hajasäteily mmol m -2 s -1 2 Ennustettu P G mg CO 2 15 1 5-5 5 1 15 2 Mitattu P G mg CO 2 Kuvat 4.14 ja 4.15. Mitattujen ja mallin avulla estimoitujen bruttofotosynteesiarvojen riippuvuus hajasäteilystä (ylempi) sekä mitatun ja ennustetun (estimoitu) arvon korrelaatio (alempi). 4.11 Metaaniemissio (CH 4 ); vuosien 1999 ja 2 aineistot Metaaniemissioiden osalta tutkimuksen selkeä päätulos on se, että riittävän hyvin kuivatetulta pellolta metaaniemissiot ovat harvinaisia ja keskimäärin pelto toimii metaanin nieluna (kuvat 4.16 4.18). Todennäköisesti syvimmissä turvekerroksissa muodostuu metaania, mutta aerobisen pintaturvekerroksen metanotrofit bakteerit hapettavat syvemmältä anaerobisesta kerroksesta tulevan metaanin sekä sen lisäksi ilmakehän metaania. Kertomalla keskimääräiset mittauskertojen metaanin sidonnat vuodessa olevien päivien määrällä, päädytään pellon kasvipeitteisillä ruuduilla,16 g CH 4 m -2 ja kas- vipeitteettömillä ruuduilla,8 g CH 4 m -2 metaanin nieluun vuodessa. Kasvipeitteinen/Kasvipeitteetön: Metaanin hapetus oli voimakkaampaa kasvipeitteisillä ruuduilla kuin kasvipeitteettömillä ruuduilla. Keskimääräinen metaanin hapetus oli kasvipeitteisillä ruuduilla.45 mg CH 4 m -2 d -1 ja peitteettömillä ruuduilla.23 mg CH 4 m -2 d -1 (kuva 4.16). Tämä merkitsee sitä, että metanotrofien bakteerien toiminta on sidoksissa myös substraattien määrään ja laatuun. Nurmi/Vilja: Metaanin hapetus näyttää tulosten valossa riippuvan myös viljeltävästä lajista tai lajiin liittyvästä viljelytekniikasta ja muokkauksista. Metaanin hapetus oli jonkin verran suurempaa nurmea kas- 13

vavilla ruuduilla kuin viljaruuduilla (.41 vs..33 mgch 4 m -2 d -1, kuva 4.17). Ohutturpeinen/Paksuturpeinen: Turpeen paksuus vaikuttaa tulosten mukaan metaanin hapetukseen siten, että hapetus oli jonkin verran suurempaa ohutturpeisilla ruuduilla kuin paksuturpeisilla (.42 vs..32 mgch 4 m -2 d -1, kuva 4.18). Tämä tulos indikoi metaanin muodostumista juuri paksussa turvekerroksessa ja näin metaanin otto ilmakehästä olisi näillä ruuduilla alhaisempaa. 4.12 Typpiemissiot (typpioksiduuli, N 2 O); vuosien 1999 ja 2 aineistot Typpioksiduulin emissiot olivat alhaisia syksyllä 1999, joskin niissä havaittiin selvästi myöhäissyksyä ja talvea kohti kasvava trendi. Erittäin korkeita emissioita mitattiin alkukeväästä lumien sulamisen aikoihin sekä kesällä lannoitusten jälkeisinä mittauskertoina etenkin kasvipeitteettömiltä ruuduilta. Emissiot ovat siten erittäin riippuvaisia typpioksiduulin muodostumisproses- Metaaniemissio mg CH 4 m -2 d -1.4.2. -.2 -.4 -.6 -.8 Kasvipeitteetön Kasvipeitteinen 2 1999-1. 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 Metaaniemissio mg CH 4 m -2 d -1.4.2. -.2 -.4 -.6 -.8 Vilja Nurmi -1. 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 Metaaniemissio mg CH 4 m -2 d -1.4.2. -.2 -.4 -.6 -.8-1. Paksuturpeinen Ohutturpeinen -1.2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 Kuvat 4.16 4.18. Metaaniemissioiden (1999 2) vaihtelu kasvipeitteisillä / kasvipeitteettömillä ruuduilla (ylin), nurmi / vilja saroilla (keskellä) sekä turpeen paksuuden mukaan jaoteltuna (alin). 14

sin kannalta käytettävissä olevan typen määrästä ja laadusta. Yleisesti voidaan myös todeta, että spatiaalinen ja temporaalinen vaihtelu typpioksiduulin emissioissa oli erittäin suurta (kuvat 4.19 4.21). Kertomalla keskimääräiset mittauskertojen typpioksiduuliemissiot vuodessa olevien päivien määrällä, päädytään pellon kasvipeitteisillä ruuduilla,86 g N 2 O m -2 ja kasvipeitteettömillä ruuduilla 3,7 g N 2 O m -2 emissioihin vuodessa. Kasvipeitteinen/Kasvipeitteetön: Typpioksiduuliemissiot kasvipeitteettömiltä ruuduilta olivat yli kolminkertaisia verrattuna kasvipeitteisiin ruutuihin ( 8,4 vs. 2,4 mg N 2 O m -2 d -1 ). Eli kasvillisuus sitoo suurimman osan lannoitustypestä (kuva 4.19). Nurmi/Vilja: Typpioksiduuliemissiot näyttäisivät riippuvan myös kasvipeitteen laadusta. Emissiot olivat erityisesti keväällä jonkin verran suurempia viljapeitteisillä ruuduilla kuin nurmiruuduilla eteenkin keväällä (5,4 vs. 3,7 mg N 2 O m -2 d -1, kuva 4.2). Suomessa kasvatettavat viljat ovat pääsääntöisesti yksivuotisia lajikkeita ja nurmi monivuotista, joten viljapellolle voi eri kasvinosista (pääosin juurista) vapautua talvella typpeä, joka sitten näkyy kohonneina emissioina. Ohutturpeinen/Paksuturpeinen: Turpeen paksuus näyttäisi vaikuttavan typpioksiduulin päästöihin siten, että turvekerroksen vahventuessa emissiot myös hieman kasvavat etenkin lannoitusten jälkeen (3,3 vs. 5,6 mg N 2 O m -2 d -1, kuva 4.21). Tämä tulos indikoi liukoisen typen viipymää turvekerroksessa eli paksu turvekerros hidastaa veden kulkua ja samanaikaisesti liukoisen typen kulkua systeemistä ulos pohjaveteen. Typpiemissio µg N 2 O m -2 d -1 6 5 4 3 2 1 Kasvipeitteetön Kasvipeitteinen 2 1999 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 3 Vilja Nurmi Typpiemissio µg N 2 O m -2 d -1 2 1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 Typpiemissio µg N 2 O m -2 d -1 4 3 2 1 Paksuturpeinen Ohutturpeinen 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 Kuvat 4.19 4.21. Typpiemissioiden vaihtelu (1999 2) kasvipeitteisillä / kasvipeitteettömillä ruuduilla (ylin), nurmi / vilja saroilla (keskellä) sekä turpeen paksuuden mukaan jaoteltuna (alin). 15

5. Tutkimuksen johtopäätökset Tämä tutkimus antaa uutta tietoa kasvihuonekaasuvirroista turvepeltoekosysteemin ja ympäröivän ilmakehän välillä. Tutkimuksen mukaan turvepellot toimivat hiilidioksidin (CO 2 ) ja typpioksiduulin (N 2 O) merkittävinä lähteinä sekä metaanin (CH 4 ) vähäisinä nieluina. Maamme pohjoisesta sijainnista huolimatta kasvihuonekaasupäästöt pelloiltamme ovat lähes yhtä suuria kuin huomattavasti eteläisimmillä leveysasteilla (esim. Keski-Eurooppa) mitatut päästöt (esim. Crill ym. 2, Kasimir-Klemedtsson ym. 1997). Alustavien tulosten mukaan viljelytavalla, viljelytoimilla, turpeen paksuudella sekä kivennäismaalisäyksellä on merkittävä vaikutus turvepeltojen kasvihuonekaasutaseisiin. Koska aineiston käsittely on vielä kesken, tässä yhteenvetoraportissa esitettyjä tuloksia on pidettävä vielä alustavina. Tulosten tarkentamiseksi tarvitaan vielä lisämittauksia ainakin kesän 21 ajan. Lisämittausten ja aineiston jatkotyöstön myötä tällä tutkimuksella voidaan osoittaa, mikä on viljelytavan (nurmi/vilja/kesannointi), viljelytoimien (muokkaus/lannoitus), turpeen paksuuden ja kosteuden vaihtelun sekä mahdollisen kivennäismaalisäyksen vaikutus turvepeltojen kasvihuonekaasutaseisiin. Kauppi, P., Tomppo, E. & Ferm, A. 1995. C and N storage in living trees within Finland since 195s. Plant and Soil. 168 169:633 638. Laiho, R. 1997. Plant biomass dynamics in drained pine mires in southern Finland. Implications for carbon and nutrient balance. Finnish Forest Research Institute, Research Papers, 631:1 54. Liski, J. 1997. Carbon storage of forest soils in Finland. University of Helsinki, Department of Forest Ecology Publications 16:1 46. Minkkinen, K. 1999. Effect of forestry drainage on the carbon balance and radiative forcing of peatlands in Finland. PhD thesis. Department of Forest Ecology, University of Helsinki. 42 s. Mäkipää, R. ja Tomppo, E. 1998. Suomen metsät ovat hiilinielu vaikka Kioton ilmastosopimuksen mukaan muulta näyttää. Metsätieteen aikakauskirja, Folia Forestalia 1998/ 2:268 274. 6. Tutkimuksen jatkaminen Tutkimuksen alustavat tulokset osoittavat työn jatkamisen tärkeäksi. Tulosten merkittävyyden arvioinnin kannalta on erityisen tärkeä selvittää myös vuosien välistä vaihtelua. VAPO Oy:n säätiön myöntämän apurahan turvin mittauksia on voitu tehdä vuoden 2 ajan. Talven 2 21 mittauksista vastaa Metsäntutkimuslaitoksen Kannuksen tutkimusasema. Tutkimuksen vastuututkijana (mittaukset, aineistojen käsittely ja tulosten laskenta sekä raportointi) toiminut Veli-Matti Komulainen on siirtynyt Kaustisen Ravikoulun vs. toimipaikan johtajaksi ajalle 3.1.2-15.8.21. Tulosten laskenta ja analysointi jatkuu vastuututkijan palattua tutkimuksen pariin, jolloin myös aletaan valmistella tuloksista käsikirjoituksia kansainvälisiin sarjoihin. Kipeästi kaivattua lisärahoitusta tutkimuksen loppuunsaattamiseksi haetaan eri tahoilta. Kirjallisuus Crill,P., Hargreaves, K. & Korhola, A. 2. The role of peat in Finnish greenhouse gas balances. Ministry of Trade and Industry Finland. Studies and Reports 1/2. 71 s. Ilmastosopimuksen ja Kioton pöytäkirjan metsien hiilivarastoja ja nieluja käsittelevän työryhmän muistio. Maa- ja metsätalousministeriö. Työryhmämuistio 2:5. 8 s. Kasimir-Klemedtsson, Å., Klemedtsson L., Berglund, K., Martikainen, P.J., Silvola, J. & Oenema O. 1997: Greenhouse gas emissions from farmed organic soils: a review. Soil Use and Management 13:245 25 16