orgaaninen aines maan kasvukunnon ylläpitäjänä -hartikainen... · pdf...

Helinä Hartikainen Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos Helsingin yliopisto

Orgaaninen aines maan

kasvukunnon ylläpitäjänä

Sisältö

Johdanto

- Maaperän tuottokyky

1. Maaperän toiminnot ja eri tekijöiden väliset

vuorovaikutukset

2. Maan orgaanisen aineksen luokittelu

3. Varsinaisen humuksen tehtävät maassa

4. Mikrobiologinen aktiivisuus ja maan kasvukunto

Maaperän tuottokyvyn ylläpito keskeistä ruoan ja muun biomassan tuotannossa

Maaperän köyhtymisen perussyy:

satojen mukana maasta otetut ravinteet eivät palaudu pellolle

Tehokas ravinnekierto vähentää ympäristökuormitusta

Sademetsä - tehotuotannon”malliekosysteemi” - tehokas,suljettu ravinnekierto

- ilmakehän ilmaisen typen biolo-

ginen sidonta

Suomen ilmasto-olot

- asettavat erityisvaatimuksia

maan ravinnetaloudelle ravinteita on myös varastoitava

Mikään teollinen prosessi ei korvaa yhteyttämistä biomassan

tuottajana ja hiilen sitojana

Kasvien sitoma hiilidioksidi

suuri osa päätyy maahan, josta se palautuu ilmakehään

maan hiilivarannon ylläpito/lisääminen palvelee ilmastonmuutoksen

hillintää

Uusi käsite “biotalous” sisältää vanhoja aineksia

maatalous ja biomassojen tuotanto eri tarkoituksiin on aina hyödyntänyt

biotalouden prosesseja

maatalous kierrättää omia ja muualta tulevia jäteaineksia

Tavallisen kuluttajan näkökulma

ruoka- ja energiahuolto perustuvat uusiutuviin luonnonvaroihin

maaperä keskiössä

1. Miten maaperä toimii?

Kemialliset

ominaisuudet

Fysikaaliset

ominaisuudet

Biologiset

ominaisuudet

Kemiallisten, fysikaalisten ja biologisten tekijöiden välinen

vuorovaikutus kiinteä (syy-seuraus –suhde monisyinen)

Häiriö/muutos yhdessä

osassa heijastuu koko

systeemin toimintaan

• kemialliset reaktiot usein mikrobiologisesti ohjattuja

• kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet säätelevät biologisia prosesseja

• kemialliset ja mineralogiset tekijät ja mikrobiaktiivisuus vaikuttavat

fysikaalisiin ominaisuuksiin

Maan reaktiokomponentit

Kiviaineksen rapautumisessa syntynyt maan

mineraaliaines

Kiviaineksen laatu vaikuttaa

- maan luontaiseen ravinteisuuteen

- kemiallisesti aktiivisten reaktiokomponenttien määrään

- savimineraalit (eri tyyppejä)

- Al:n ja Fe:n oksidit

puuttuvat turvemailta

Orgaaninen aines

Vaikuttaa maan fysikaalisiin, kemiallisiin ja biologisiin prosesseihin

- erittäin monipuolinen kemialliselta koostumukseltaan

- maaeliöstön toiminnan tulos ja sekä olennainen ravinnekierron osa

Entisaikaan ajettiin mutaa talvella pelloille maanparannusmielessä

Humus – mitä se on?

Humuksen merkitys maan tuottokyvyn kannalta tunnettu maanvilje-

lyksen alkuajoista lähtien

maan tumma väri merkki hyvästä tuottokyvystä, ”elämän eliksiiri”

ymmärrettiin syntyneen kuolleista kasveista, mutta nimeä ei osattu antaa

Maan orgaaniseen ainekseen liittyvä terminologia vakiintunut vasta

muutaman viime vuosikymmenen aikana

ajanlaskumme alun aikoihin ”humus”, ”solumn” ja ”terra” tarkoittivat

kaikki maata

Thaer (1809) erotti oppikirjassaan ”Järkiperäisen maanviljelyksen

periaatteet” humus-termin tarkoittamaan vain tiettyä maan komponenttia

- kuvasi paikkansa pitävästi humuksen koostumusta, reaktiivisuutta ja

uuttuvuutta, mutta

- ruokki väärää hypoteesia, että humus on kasvien hiilen lähde

2. Maan orgaanisen aineksen luokittelu

Ristiriitaisia käsityksiä syntyy, jos ilmiöitä kuvattaessa kaikesta

maan orgaanisesta aineksesta käytetään epätarkasti termiä humus

Orgaaninen aines jaetaan yleensä kahteen luokkaan, joilla

kummallakin on maan toimintojen kannalta omat tärkeät tehtävänsä

Varsinainen humus on humifioitumisprosessissa syntetisoitunutta

ainesta

mikrobien tuottamaa ja niiden hajotusta vastaan kestävää,

rakenteeltaan erittäin monimutkaista ja pitkäikäistä ainesta

Muu orgaaninen aines on suhteellisen helposti hajoavaa

tehtävänä pitää biologista aktiivisuutta yllä ja maa elävänä

Raja luokkien välillä liukuva

Mitä kuolleelle orgaaniselle ainekselle tapahtuu maassa?

Pääosa suhteellisen helposti hajoavaa

Maan eliöstö

maaeläimet syövät ja pilkkovat karike-

ainesta ja edesauttavat mikrobien työtä

mineralisaatiossa eli eloperäisen aineksen

hajottamisessa lähtötuotteiksi

- CO2:ksi, josta osa sitoutuu takaisin

kasveihin ns. hiilen pienessä kierrossa

- hajotuksessa vapautuu myös ravinteita

uuden kasvillisuuden käyttöön maaeläinten ja sienten, bakteerien ja arkkien

lajidiversiteetti on valtava

(”sädesienet” ovat ilmarihmastoa tuottavia

aktinobakteereja, maan tuoksu)

Änkyrimato – Suomen tärkein eläin

Karhukainen - maailman sitkein

otus

Lierot syövät maa-ainesta ja sekoittavat

siihen suolessaan karikeainesta ulosteet ovat ihanteellisia biologisesti

aktiivisia muruja

mikrobit jatkavat hajotusta

Maan aktiivinen eliöstö

- ylläpitää ravinnekiertoa

- tuottaa samalla myös pieniä määriä raaka-ainetta humussynteesiin

- kastelierot eivät viihdy happamassa maassa

Karike, eri hajoamisasteilla oleva aines

ja tunnistettavat yhdisteet edustavat

helposti hajoavaa orgaanista ainesta

Kasteliero työssä

Kastelieron ulosteita

Mineralisaation tuloksena

- kasvit saavat epäorgaaniseen muotoon saatettuja kierrätysravinteita

käyttöönsä

Mikrobien aineenvaihdunnan sivutuotteina monenlaisia

aktiiviaineita, jotka vaikuttavat muiden maaeliöiden elämään

antibiootteja, vitamiineja, aminohappoja, entsyymejä jne

joillakin aineilla on havaittu jopa kasvihormonien (esim. gibberelliinin

ja indolietikkahapon) tapaisia vaikutuksia

Mikrobiologinen työttömyys rappeuttaa maan ja pysäyttää humustehtaan

Hajottajayhteisöt ovat sopeutuneet hyvin erilaisiin olosuhteisiin

- bakteerit ovat nopeita ja tehokkaita ravinteiden vapauttamisessa

viihtyvät parhaiten hyväkuntoisessa (ei happamassa) maassa

- sienet vapauttavat ravinteita hitaammin, koska käyttävät suuren osan

hajottamastaan aineksesta oman rihmastonsa kasvattamiseen

pärjäävät happamissa oloissa

Eliöyhteisön merkitys

Maan mikrobiologinen aktiivisuus suurinta juuristovyöhykkeessä

bakteerit käyttävät nopeasti kasviaineksen ”herkullisimmat” aineosat

- sokerit, proteiinit, lipidit

”Keskinkertaisessa” viljelymaassa elävän biomassan osuus on n. 1%

Multamaan mikrobibiomassasta n. 60% on kantasieniä herkkusieni on karikkeen lahottaja

Kasviaineksen soluseinien hajotuksessa mukana iso joukko toimijoita

sadat sieni- ja bakteerilajit hajottavat selluloosaa ja hemiselluloosaa

Puun ligniinin mikrobiologisesta hajotuksesta vastaavat lahosienet

Kaikki eloperäinen jäte sopii kompostoi-

tavaksi

pienkiinteistöjen ja yhdyskuntien, maatilojen

puutarhojen, jätevesipuhdistamojen,

puunjalostus- ja elintarviketeollisuuden,

panimoiden ja suurkeittiöiden jäte

Tunkiolieron työmaa

Mikrobiologinen aktiivisuus ja maan kasvukunto

Mikrobiologisessa hajotuksessa oheistuotteina syntyy lima-

aineita, jotka stabiloivat maan mururakennetta

pitkiä taipuisia molekyylejä (luonnon polymeerejä), jotka pystyvät

takertumaan maahiukkasten pinnoille useista kohdista

- polysakkaridin ”pätkä”

murut tulevat joustaviksi, huokoisiksi ja kestäviksi

hyvä rakenne turvaa juurten kasvuedellytyksiä ja tehostaa ravinteiden

saantia

erityisen tärkeä mekanismi helposti tiivistyvillä hienojakoisilla mailla

Hyväkuntoisen maan muheus säilyy vain, jos hajottaja-

mikrobit pysyvät työllistettyinä

jatkuva karike- ym. kuolleen materian tuotanto

2. Maan orgaanisen aineksen luokittelu

Humus (ja turve) (varastoitunutta auringon energiaa) yhteyttämisessä sidotun hiilen varasto maassa

kaikki maassa oleva orgaaninen aines ei ole humusta

humus = mikrobiologisen hajotuksen lopputuotteista maassa

uudelleen syntetisoitunutta, erittäin vaikeasti hajoavaa ainesta.

- ei toimi ravinteiden lähteenä vaan reaktiokomponenttina

eloperäisestä aineksesta valtaosa hajoaa takaisin CO2:ksi,

H2O:ksi ja ravinteiksi

- humussynteesiin jää hyvin vähän raaka-ainetta

- prosessi on hidas mutta tuote erittäin kestävä

- puoliintumisaika satoja vuosia, jopa tuhat vuotta

- humus osallistuu maassa fysikaalis-kemiallisiin prosesseihin

- ei pidä sellaisenaan yllä mikrobiologista aktiivisuutta

Varsinaisen humuksen tehtävät

Vaikealiukoinen humus (ns. humushapot)

tärkeä ja kestävä hiilinielu (ei hajoa helposti) muuttaa maan kolloidiominaisuuksia ja edistää maa-aggregaattien

syntyä (voi sitoutua esim. saveshiukkasten pinnoille) sitoo vettä (3-5 x oma paino) ja vähentää siten maan eroosioriskiä, poudanarkuutta ja nitraatin huuhtoutumista - täysin maatunut märkä turve (H 10) poistuu puristettaessa sormien välistä)

tumma väri lämmittää maata

(veden sitominen pienentää vaikutusta!) parantaa maan muokkautu- vuutta vähentämällä tahtautumista

Vertaansa vailla oleva reaktiokomponentti

pidättää (ravinne)kationeja kasveille käyttökelpoiseen muotoon ja

toimii ravinnekationien käteisvarastona edistää esim. fosforin ja molybdaatin käyttökelpoisuutta kilpailemalla

niiden kanssa samoista pidätyspaikoista (täyttää oksidipintoja ja hankaloittaa esim. P:n voimakasta sitoutumista)

toimii puskuriaineena pH:n alenemista vastaan (sitoo H+-ioneja)

- ei ole kuitenkaan ilmainen palvelu - maksuna kationien pidättymispaikkojen menetys

- menetys voidaan palauttaa kalkituksella

- tärkeä puskurisysteemi suomalaisissa kalkkiköyhissä maissa

happamoituneissa kivennäismaissa sitoo haitallista Al3+:a

haitattomaan muotoon kilpailee maassa olevien aineiden kanssa reaktiopinnoista

vaikealiukoinen humus vähentää haitallisista raskasmetalleista

(esim. Pb) aiheutuvia riskejä

Lähde: Essington: Soil and water chemistry, An integrative approach. 2004. CRC Press.

Humushapon rakenteen osamalli (hyvin monimutkainen rakenne)

- rakennetta ei tunneta, “molekyylit” valtavia ja monimutkaisia

- liukenee emäkseen, josta se saostuu hapolla

- mikrobit eivät osaa hajottaa

Lähde: Essington: Soil and water chemistry, An

inte´grative approach. 2004. CRC Press.

Fulvohappojen rakenteiden malleja

Molekyylit todellisuudessa

huomattavasti suurempia

Fulvohapot ovat aina liukoisia

- happamat olot suosivat niiden

syntyä

Humushappojen liukoisuuden ja

“saostumisen“ riippuvuus

pH:sta

Lähde: McBride: Environmental

chemistry of soils . 1994. Oxford

University Press.

ahdas

avoin

- kalkitus “avaa” humuksen,

jolloin paljastuu ravinnekatio-

neille (Ca2+, Mg2+ jne.

turvapaikkoja)

- huuhtoutumisriski pienenee

Monimutkaisen ja joustavan

“humushappomolekyylin” olemus

muuttuu, kun pH ja maaveden

suolapitoisuus muuttuu

Lähde: Essington: Soil and water chemistry, An integrative

approach. 2004. CRC Press.

- pH:n lasku sulkee rakenteen

- myös maaveden korkea

suolapitoisuus aiheuttaa

humuksen “sykkyröitymisen”

Varsinaisen humuksen tehtävät

Liukoinen humus eli humuksen ns. fulvohapot

edistävät kiviaineksen rapautumista ja ravinteiden vapautumista

(hidas prosessi), esim. happamissa metsämaissa

- sitovat vapautuvia metalleja itseensä ja kuljettavat pois

- rapautumiselle paljastuu uutta pintaa

edistävät metallisten hivenravinteiden saatavuutta (Zn, Cu, Mn, Fe)

- muodostuu liukoisia kompleksiyhdisteitä, jotka liikkuvat juurten

pinnoille

Humiini (ei liukene happoon eikä emäkseen)

tiukasti maahiukkasten pinnoille sitoutunutta ainesta

todella kestävää

stabiloi hiukkaspintoja, tukkii fosforin pidättymispintoja ja edistää

siten fosforin hyväksikäyttöastetta

Humuksen reaktioaktiivisuus riippuu maan kalkitustilasta

kalkitus lisää humuksen kykyä sitoa ravinnekationeja (Ca,

Mg,…) vaihtuvaan (eli helposti saatavaan muotoon), kun

negatiivinen varaus kasvaa

maan happamoituessa H+-ionit pidättyvät humuksen pinnoille

- maan pH ei laske mutta sen kyky sitoa kationeja pienenee

matala pH

Ravinnekationien sitoutuminen humuksen pinnoille vaihtuvaan muotoon

vähenee maan happamoituessa

huuhtoutumisriski kasvaa

korkea pH

Ravinnetalouden pullonkaulat ja humus

Jotkut ravinteet kuten fosfori ja molybdeeni sitoutuvat maahan

tehokkaasti Al:n ja Fe:n muodostamien oksidien pinnoille

kasvit joutuvat kilpailemaan kemiallisten pidättymisreaktioiden kanssa

Ravinteen huono biologinen käyttökelpoisuus lisää lannoitustarvetta

humusaineiden sitoutuminen kivennäisaineksen oksidipinnoille

vähentää fosforin sitoutumista ja parantaa sen biosaatavuutta

Fosforin luja sitoutuminen ongelmallisinta hienojakoisilla mailla

alentunut biologinen käyttökelpoisuus lisää lannoitustarvetta

humusaineiden sitoutuminen kivennäisaineksen oksidipinnoille

vähentää fosforin sitoutumista ja parantaa sen biosaatavuutta

Turvemailla riskinä fosforin huuhtoutuminen (jos mineraaliainesta ole)

Mitä täydempi oksidin pidätyspinta on, sitä

heikommin fosfori sitoutuu (saatavuus paranee)

P kiinni kahdella sidoksella

- luja sidos

P kiinni yhdellä sidoksella - sidos heikompi

Kun ”humusmolekyyli” sitoutuu oksidipinnalle, se muuttuu

erittäin kestäväksi ja vaikeasti hajoavaksi (humiini-fraktio)

Humusta

Jotkut ravinteet eivät sitoudu lainkaan maahan

esim. nitraattimuodossa (NO3-) oleva typpi huuhtoutuu

helposti

kaikki maassa oleva typpi pyrkii muuttumaan nitraatiksi

jos kasvit eivät ehdi sitoa maassa muodostuvaa nitraattia,

kasvaa

riski sen huuhtoutumisesta valumaveden mukana

sitomalla vettä humus voi hillitä nitraatin huuhtoutumisriskiä

Kiitos!