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