Humuspehtoori 17.3.2015 PELTMAAN RAKENNE JA FSFRIN KÄYTTÖKELPISUUS Helena Soinne
ptimaalinen kivennäismaan koostumus Huokostilavuus Maan rakenteella tarkoitetaan maahiukkasten keskinäistä järjestäytymistä ja kiinteän aineksen väliin jäävää tilaa eli huokostoa.
Maan rakenne Kahdenlaista huokoisuutta: Lajitekoostumuksen määräämää huokoisuutta - Huokoskoko: karkeat maat vs. hienojakoiset maat - pienten partikkelien väleihin jää pieni huokostila - suurten partikkelin väleihin jää isompi tila Maan rakenteen määräämää huokoisuutta - mururakenne - maapartikkelien muodostamat aggregaatit eli murut - pienet huokoset murujen sisällä - suuret huokoset murujen välissä - Karkeissa maissa mururakenne löyhä, maapartikkeleja pitää yhdessä orgaaninen aines, juuret - Savimaissa mururakenteen syntyminen on edellytys pintamaan hyvälle vedenläpäisykyvylle ja siten myös juurten hapensaannille
Huokoskokojakauma Suuret huokoset (>30 μm) Veden imeytyminen maahan (pinta ei liety) Tyhjentyvät nopeasti painovoiman vaikutuksesta Juurten/mikrobien hapen saanti turvattu - juurilla hyvät kasvuolosuhteet laaja juuristo ravinteiden saanti turvattu! Maan on myös pystyttävä varastoimaan vettä, että kaikki vesi ei poistu painovoiman vaikutuksesta. Tarvitaan pieniä huokosia! Keskikokoiset eli vesihuokoset (Ø 30-0.2 μm) kasvien veden saanti maan muokkautuvuus Mikrohuokoset (Ø < 0.2 μm) vesi ei kasvien käytettävissä
Vapaa vesi Makrohuokoset ovat suuria huokosia: halkaisija yli 0,03 mm - vesi ja ilma liikkuu märässä maassa - juurten kasvuväyliä - hetkellinen veden varastointikyky - vähentää pintavalunnan riskiä - ravinteiden huuhtoutuminen? Kuva: Risto T. Seppälä, MTT
Maahan sitoutunut vesi kapillaarivesi pintajännitys nostaa vettä tasolle, jossa vesipatsaan paino tasapainossa kapillaarivoimien kanssa ei poistu painovoiman vaikutuksesta kapillaarinen nousukorkeus kasvaa hiukkaskoon pienetessä, samalla nousunopeus hidastuu (kitka!) adsorptiovesi fysikaalisesti sitoutunutta hiukkaspinnoille adsorptio- ja kapillaariveden erottaminen täysin toisistaan hyvin vaikeaa ei kasveille käyttökelpoista http://www.tutorvista.com/content/physics/physics-iii/solids-and-fluids/capillarity.php Salonen et al. 2002
Maan rakenne eli struktuuri Savimaa vailla mururakennetta Ei erikokoisia huokosia Tiivis, märkä, ei läpäise vettä juurten kasvu estynyt (happitilanne) Savimaan hyvä mururakenne Ilmava, kuohkea, erikokoisia huokosia vedenpidätys ja veden läpäisy Helena Soinne
Maan rakenteen ja siten myös huokosrakenteen syntyyn vaikuttavat: Maan kuivuminen haihtuminen, jäätyminen, juuristo Juuriston toiminta huokosen laajentuminen, jatkuvuuden lisääntyminen, reiät Maan muokkaus kokkareet muruiksi Kaivavien eläinten toiminta huokosia Pieniä muruja ja kokkareita isoja kokkareita ja prismoja Rowell 1994 Maaprofiilin makrorakenne
Kestävän mururakenteen ainekset Hyvä mururakenne kestää veden ja paineen vaikutusta Muodostuminen vaatii Maan kuivahtamista Eloperäistä ainesta ja biologista aktiivisuutta (humus murujen rakenneosana, mikrobien lima-aineet, juuret ja sienirihmat) Aikaa - Sidokset murun sisällä vahvistuvat ajan myötä - Säännöllisesti muokatuissa maissa rakennetta häiritään jatkuvasti ja murut ovat usein heikompia kuin muokkaamattomissa maissa - muokkaus orgaanisen aineksen väheneminen häirintä
Miten kuivuminen edistää rakenteen kehittymistä? Märässä maassa savespartikkelien ympärillä on vesikehä (adsorptiovesi) partikkelit eivät osu toisiinsa Maan kuivuessa vesikehä ohenee Partikkelit pääsevät lähekkäin ja liittyvät löyhästi yhteen Jos maa kuivuu täysin kuivaksi voi syntyä pysyviä sidoksia, eikä partikkeleita saa enää irti toisistaan edes uudelleen kostuttamalla - ei sameutta mikromuru
Maan eloperäinen eli orgaaninen aines Luokittelu 1) Vielä hajoamattomana oleva aines 2) Eri hajaantumisasteilla oleva aines 3) Uudelleen syntetisoitunut aines eli humus Humus Kestävää mikrobiologista hajotusta vastaan Vedenpidätyskyky (eroosio, huuhtoutuminen) minaispinta-ala (pidätysominaisuudet) Hajoava orgaaninen aines Ravinteiden kierto, humuksen raaka-aine Biologinen aktiivisuus (maan rakenne) Maan orgaanisen aineksen häviöt globaali ongelma Kun luonnontilainen maa otetaan viljelyyn orgaanisen aineksen pitoisuus alenee - hajotuksen tehostuminen rgaanisen aineksen tappiot: avoviljely > nurmiviljely
Mururakenne ja erilaiset maankäyttömuodot Vedenkestävien murujen osuus eri maankäytöissä Kestävät murut % Metsä Nurmi/niitty Suorakylvö Kyntö/nurmikierto Kyntö rgaaninen hiili % Kestävät murut % Mururakenteen kestävyyteen vaikuttavia tekijöitä ovat orgaanisen aineksen määrä muokkausintensiteetti
Mururakenteen kestävyys märissä olosuhteissa - 4 viikkoa vedellä kyllästyneinä Pitkäaikainen nurmi Kestävä mururakenne vähentää Liettymistä ja kuorettumista eroosiota, veden savisameutta varmistaa veden imeytymistä pinnasta syvempiin kerroksiin Mururakenteen ollessa heikko sade rikkoo Säännöllisesti muokattu viljapelto maa liettyy ja kuorettuu pintavirtailua eroosiota veden imeytyminen hidastuu maa pysyy märkänä
Hyvärakenteinen maa Hyvärakenteisen maan tunnusmerkkejä Nopea veden imeytyminen Maan kuivuminen Ilmava Hyvä vedenpidätyskyky Kestävät murut, jatkuvat huokoset Juuret kasvavat hyvin Suotuisa lieroille ja muille eliöille
Fosfori maassa 100 % 90 % Muokkauskerroksessa fosforia n. 1200 mg/kg 800 1900 mg/kg (Saarela et al. 2003) Pitoisuus riippuu lähtöaineksesta ja viljelyhistoriasta rgaaninen P 80 % 70 % 60 % 50 % Helppoliukoinen rgaaninen P Epäorgaanista (P4-P) ja orgaanista fosforia (kasvitai eläinperäistä) rgaanisen fosforin osuus vaihtelee riippuen maalajista ja viljelyhistoriasta. Voi olla yli 50%. Epäorgaaninen P 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Savimaa Helppoliukoinen Epäorg. P
Ravinteiden pidättyminen Pidätyspintoja maassa ovat mm. Savimineraalit, raudan ja alumiinin heikostikiteytyneet oksidit, humus Mitä pienemmistä hiukkasista maaaines koostuu, sitä suurempi pinta-ala maa-aineksessa on painoyksikköä kohti Pysyvä varaus Negatiivinen Savimineraaleissa, pysyvästi kiderakenteessa Ei voida vaikuttaa olosuhteita muuttamalla Pidätysmekanismeja Sähköiset vetovoimat - Ravinteet ioneina: esim. K +, Ca 2+, N 3- (varaus!) - Maapartikkelien sähköiset ominaisuudet : Pysyvä negatiivinen (-) varaus tai ph:sta riippuva varaus (+ tai -) Ligandinvaihto (kemiallinen sidos) ph:sta riippuva varaus Negatiivinen tai positiivinen Humus Savimineraalien murtopinnat Hydratoituneet oxidit -C
Pidättymismekanismeja ksidin pintaa Neg. pinta Pos. pinta pidättynyt anioni Vaihtuva kationi Maanesteen ioneja Brady & Weil 2002
Fosforin pidättyminen Fosfaatti (P 4 2- ) Pidättyy ligandinvaihdolla ei perustu sänköisiin varauksiin pidättyminen Al:n ja Fe:n Al H H 2 P hydratoituneiden oksidien Al pinnoille syrjäyttämällä oksidipinnoilta H tai H 2 -ryhmiä l. ligandeja (reaktio keskuskationin kanssa) Al H
Fosforin pidättyminen P Yksikätinen tai kaksikätinen pidättyminen Kaksikätinen fosfaatti on tiukemmin Al P kiinni Al P Al H P
Fosforin pidättyminen P P Yksikätinen tai kaksikätinen pidättyminen Kaksikätinen fosfaatti on tiukemmin kiinni Pidättynyt fosfori on tasapainossa maaveden fosforipitoisuuden kanssa Kun fosfaattia on maassa paljon pidättyminen on heikompaa Kun kasvit ottavat fosforia, sitä vapautuu pidätyspinnoilta maaveteen Al Al Al P P
Fosforin käyttökelpoisuuteen vaikuttavia tekijöitä Mitä enemmän fosforia on pidätyspinnoilla Sitä enemmän sitä on myös maavedessä Sitä helpommin fosforia irtoaa pidätyspaikoilta Mutta Korkea fosforipitoisuus ja P-luku à Liuenneen fosforin pitoisuus pintavaluntavedessä kasvaa Päätyessään vesistöön runsaasti fosforia sisältävä maa-aines vapauttaa fosforia tehokkaasti Korkea P-luku vs alhainen P-luku P P P P PP P P P P P P Kuva: Kimmo Rasa
Fosforin käyttökelpoisuuteen vaikuttavia tekijöitä Mitä enemmän fosforia on pidätyspinnoilla Sitä enemmän sitä on myös maavedessä Sitä helpommin fosforia irtoaa pidätyspaikoilta. ph Fosforin pidättyminen on tehokkaampaa alhaisessa ph:ssa ph:n noustessa helppoliukoisen fosforin määrä lisääntyy rgaaninen aines Ylläpitää biologista aktiivisuutta, orgaanisen fosforin käyttökelpoisuus Pidättyminen samoille pidätyspinnoille fosforin kanssa täyttöaste? Maan rakenne!
Maan rakenne ja ravinteet Tiivistynyt ja huonorakenteinen maa pintavirtailut ja eroosio, ravinteita kulkeutuu pois pelloilta vesistöön. Huonorakenteisessa maassa juuriston kasvu estyy Ravinteiden hyväksikäyttö huonompaa ravinteita jää yli http://www.ipm.iastate.edu/ipm/icm/2005/5-9-2005/soilmoist.html http://www.dpi.vic.gov.au/agriculture/about-agriculture/newsletters-andupdates/dairy-newsletters/the-dairy-bulletin/soils-lets-get-physical
Miten parantaa fosforin käyttökelpoisuutta? Hyvä maan rakenne Hyvät kasvuolosuhteet ja tehokas ravinteiden otto Laaja juuristo Ehkäisee fosforin huuhtoutumista pois pelloilta ph:n nostaminen ph:n noustessa helppoliukoisen fosforin määrä lisääntyy Kiihdyttää biologista aktiivisuutta maan rakenne rgaaninen aines Biologinen aktiivisuus ravinteiden kierto Maan rakenne
KIITS!