Kooste: Tiedewebinaari viljelijöille ilmasto-, monimuotoisuus- ja vesistövaikutuksista

Webinaarin aloitti väitöskirjatutkija Reija Heinonen Helsingin yliopistosta. Heinonen työskentelee tutkijana Helsingin yliopiston maaperä- ja ympäristötieteen yksikössä, ja hänen väitöskirjansa on osa Multa-hanketta. Heinonen tutkii, mitä maatalousmaan hiilelle tapahtuu maan kyllästyessä vedellä, kun vesisateet potentiaalisesti lisääntyvät kasvukauden ulkopuolella.

Osana Heinosen väitöskirjaa toteutettiin kasvihuonekoe, joka kesti keväästä 2021 marraskuuhun 2022. Tutkimusaineistona oli 32 maamonoliittia, jotka ovat 60 senttimetriä korkeita ja 16 senttimetriä halkaisijaltaan. Monoliitit kerättiin kahdelta maalajiltaan erilaiselta pellolta (savimaa ja karkea hieta).

Koeasetelmassa oli lisäksi kaksi erilaista kasvikäsittelyä: ohra sekä ohra + talvehtiva kerääjäkasvi. Puolentoista vuoden aikana toteutettiin kolme kasvusykliä. Talvikuukausina puolia maamonoliiteista kasteltiin niin kauan, että ne kyllästyivät vedellä. Monoliiteista mitattiin kosteutta, lämpötilaa ja sähkön johtavuutta sekä hapetus-pelkistyspotentiaalia kolmesta eri kerroksesta. Kasvihuonekaasuja mitattiin monoliittien päältä. Lisäksi kerättiin huokosvesinäytteitä, joista analysoitiin liukoista hiiltä, typpeä ja rautaa sekä mitattiin pH-arvo.

Kasvihuonekoe purettiin marraskuussa 2022 ja maanäytteiden analyysit jatkuvat edelleen. Webinaarissa Heinonen esitteli alustavia tuloksia kasvihuonekaasumittauksista ja huokosvesianalyyseistä sekä kertoi tulevista analyyseistä.

Sateiden lisääntymisen potentiaaliset vaikutukset maatalousmaan hiileen

Tutkimuksessa maan orgaaninen aines jaoteltiin kahteen eri ryhmään sen perusteella, miten se hajoaa maaperässä; partikkelimaiseen orgaaniseen ainekseen (POM) sekä mineraaleihin sitoutuneeseen orgaaniseen ainekseen (MAOM). POM on maassa pääosin suoraan mikrobien käytettävissä ja sen hajotusta kontrolloivat fysikaaliset olosuhteet, kuten lämpötila ja hapen saatavuus. Maaperän vedellä kyllästyminen hidastaa sen hajoamista. MAOM:n hajoamista sen sijaan rajoittaa sen saatavuus, sillä mineraalit suojaavat sitä mikrobiologiselta hajotukselta. Se ei siis ole suoraan mikrobien käytettävissä.

Pitkään vedellä kyllästyneissä oloissa mikrobit kuluttavat hapen loppuun ja alkavat käyttää hengityksessään muita aineita, kuten rautaa. Tällöin rautamineraalit, jotka sitovat hiiltä pysyvään muotoon, saattavat pelkistyä ja niihin sitoutunutta hiiltä vapautuu liukoiseen muotoon. Tällöin hiili tulee joko mikrobien hajotettavaksi, kulkeutuu alemmas maaprofiilissa tai pidättyy takaisin mineraalipinnoille.

Hiilen määrä ja hiilidioksidipäästöt eri maalajeilla vesikäsittelyiden aikana

Heinonen esitteli tutkimuksensa alustavia tuloksia ensimmäisen kasvusyklin aineistoon perustuen. Hietamaalla vesi läpäisi maaprofiilin tehokkaasti ja mitatut hapetuspelkistyspotentiaalit olivat vaihtelevia. Savimaassa veden liike sen sijaan oli hyvin hidasta ja maan pintakerros saturoitui nopeasti. Hapetus-pelkistyspotentiaali laski lukemiin, joissa rauta ainakin teoreettisesti pelkistyy. Kun rauta pelkistyy, sen liukoisuus kasvaa. Mitatut huokosveden rautapitoisuudet pysyivät kuitenkin molemmissa maissa alhaisina koko vesikäsittelyn ajan.

Vesikäsittely vaikutti molempien maalajien hiilidioksidivoihin. Vesikäsittelyn aikana vedellä kyllästetyistä monoliiteista vapautui vähemmän hiilidioksidia kuin niistä, joissa kosteus ylläpidettiin kenttäkapasiteetin alapuolella. Vesikäsittelyn loppuessa ja kuivatuksen alkaessa hiilidioksidipäästöt kuitenkin lisääntyivät ja kohosivat verrokkikäsittelyä korkeammiksi molemmissa maalajeissa. Seuraavaksi on oleellista selvittää, aiheuttiko vedellä kyllästyminen suuremmat kumulatiiviset hiilidioksidipäästöt.

Esityksessä Heinonen kertoi myös maan huokosveden liukoisen orgaanisen ja epäorgaanisen hiilen pitoisuuksien muutoksista vesikäsittelyn aikana ja sen jälkeen. Kiinnostavana lisähuomiona kuultiin myös, että vaikka kokeen alussa molemmista maista määritetty kokonaishiilen pitoisuus laski syvemmälle mentäessä, karkeassa maassa liukoisen hiilen määrä käyttäytyi päinvastaisesti eli kasvoi syvemmälle mentäessä. Tämä johtuu siitä, että karkea maa läpäisee tehokkaasti vettä, jonka mukana hiili pääsee kulkeutumaan syvempiin kerroksiin. Sama syvyyssuuntainen liukoisen hiilen jakautuminen havaittiin myös huokosvesinäytteistä.

Kokeen viimeisenä kesänä toteutettiin hiilen leimauskoe, jossa tutkitaan hiilen stabiloitumista ja kulkeutumista maaprofiilissa. Kokeessa harvinaisempaa hiilen isotooppia annettiin yhteytettäväksi kasveille. Näin pystytään seuraamaan hiilen liikettä juuriston kautta maahan ja hiilen eri jakeisiin. 

Kokeen päättyessä monoliitit leikattiin 10 cm palasiksi syvyyssuunnassa. Jokaisesta kerroksesta kerättiin maanäytteet, joista määritetään mm. kokonaishiilen ja typen määrä, vesiliukoinen hiili, mikrobien sitoma hiili ja typpi, POM, MAOM sekä raudan ja alumiinin oksidit. Lisäksi on tarkoitus määrittää mikrobiyhteisöjä ja niiden rakennetta.

Aluskasviviljelyn vaikutukset maatalousympäristön monimuotoisuuteen

Paula Thitz on postdoctutkijana Helsingin yliopistossa ympäristö- ja biotieteellisessä tiedekunnassa. Esityksessään hän kertoi mitä on v. 2021 alkaneen Nesslingin säätiön rahoittaman postdoc -projektinsa aikana oppinut aluskasviviljelyn vaikutuksista ohrapellon selkärangattomiin eläimiin. Tutkitut eläinryhmät sisältävät mm. lieroja ja maaperän pienempiä selkärangattomia kuten änkyri- ja sukkulamatoja, sekä niveljalkaisiin kuuluvia hyönteisiä ja hämähäkkieläimiä.

Selkärangattomilla on monia tärkeitä tehtäviä peltoekosysteemin toiminnassa. Monet kasvilajit esimerkiksi hyötyvät ristipölytyksestä ja tämä voi turvata myös satoja. Riittävän runsaaseen ja ravintoverkoltaan monipuoliseen selkärangattomien yhteisöön kuuluu kasvinsyöjien lisäksi myös erilaisia petoja ja loisia, jotka pystyvät torjumaan tuholaisia biologisesti. Kasvibiomassaa ravintonaan käyttävät selkärangattomat myös pilkkovat ja hienontavat materiaalia, mikä parantaa sen saatavuutta mikroskooppisille hajottajaeliöille. Näin ollen selkärangattomilla voi olla iso rooli hiilen ja ravinteiden kierrossa.

Thitz selvitti tutkimuksessaan, miten maatalousmaiden kasvillisuuden monipuolisuus vaikuttaa selkärangattomien määrään peltomaassa. Tämä auttaa samalla tutkimaan, voisivatko hiiliviljelyn menetelmät tukea luonnon monimuotoisuutta. Tutkimuksen aineisto kerättiin Carbon Action -alustaan liittyvältä TWINWIN-kenttäkokeelta Viikistä. Koeasetelmassa on täysin kasvittomia koealoja, pelkkää ohraa sisältäviä koealoja ja aluskasvikäsittelyssä olevia koealoja.

Aluskasvikäsittelyssä oleville koealoille kylvettiin kasvukauden alussa joko yhtä tai useampaa kasvilajia. Kokeeseen valittiin kasvilajeja kahden eri erottelevan ominaisuuden perusteella; sitooko kasvi typpeä, ja onko se syväjuurinen vai matalajuurinen. Kaikilta lohkoilta otettiin selkärangatonnäytteitä kolmesta eri elinympäristön osasta; kasvillisuuden seasta, maan pinnalta sekä maaperästä.

Niveljalkaisten runsaus peltokasvillisuudessa, maan pinnalla sekä maaperässä

Thitz esitteli alustavia tuloksia muutoksesta, joka havaitaan siirryttäessä pelkkää ohraa sisältäviltä koealoilta niille aloille, joissa on ohran lisäksi kylvetty mikä tahansa yhdistelmä eri aluskasvilajeja. Peltolohkon kasvillisuudesta imuroidut niveljalkaiset lajiteltiin laboratoriossa. Näin saatiin tutkittua niveljalkaisten runsautta kasvustossa. Kokeen perusteella aluskasvikäsittelyllä näyttäisi olevan positiivinen vaikutus niveljalkaisten määrään peltokasvillisuudessa.

Maaperästä eroteltiin änkyrimatoja ja sukkulamatoja märkäsuppilomenetelmällä, jossa hehkulamppujen valoa ja lämpöä pakenevat eläimet pakenevat koeputkeen laskettaviksi. Näissä selkärangattomissa aluskasvikäsittelyllä oli vaikutuksia sukkulamatoihin, mutta ei änkyrimatoihin tai lieroihin. Vuodenajasta tai vuodesta riippumatta löydettiin sukkulamatoja aina keskimäärin enemmän, kun peltolohkolla oli ollut aluskasvikäsittelyä verrattuna pelkkään ohraan. Näin ollen aluskasvikäsittelyllä havaittiin positiivinen vaikutus myös maaperän pieniin eliöihin.

Kolmas tutkittu elinympäristö oli maan pinta, josta niveljalkaisia pyydystettiin kuoppapyydyksillä. Näissä havaittiin vastakkainen vaikutus, ja aluskasvikäsittelyssä olevilta koealoilta havaittiin hieman vähemmän niveljalkaisia. Tämä voi johtua siitä, että suuri osa kuoppapyydyksistä havaituista lajeista niveljalkaisista on maakiitäjäisiä, joiden liikkumista aluskasvit saattavat haitata.  

Viljelijän kannalta on kiinnostavaa, vaikuttaako aluskasvikäsittely samalla lailla potentiaalisesti kasvituhoja aiheuttaviin ryhmiin ja petoihin. Aluskasvikäsittelyn ansiosta kasvinsyöjien osuus väheni kasvillisuudessa hieman ja petojen osuus puolestaan kasvoi. Maaperässä valtaosa sukkulamadoista oli mikrobeja (bakteereja tai sienirihmastoa) syöviä, minkä lisäksi havaittiin sekä kasvin juuria loisivia että saalistavia sukkulamatoja. Näistä yleisimmät ryhmät, eli bakteereja ja sieniä syövät sukkulamadot runsastuvat aluskasvien lisäämisen seurauksena.

Lisäksi tutkimuksessa laskettiin ohranäytteistä löytyneet kirvat ja ripsiäiset. Näissä ei kuitenkaan havaittu tilastollisesti merkittävää eroa aluskasviviljelyn vaikutuksesta. 

Onko aluskasvilajien toiminnallisilla ominaisuuksilla merkitystä niveljalkaisten määrään eri kasvuympäristöissä?

Esityksessään Thitz esitteli myös tuloksia hyönteismäärän yhteydestä siihen, kuinka suuri osuus pellolle lisätyistä aluskasveista oli typensitojia tai syväjuurisia lajeja. Typensitojakasvien osalta havaitut vaikutukset saattavat liittyä myös siihen, että koeasetelman typpeä sitomattomat aluskasvit ovat valtaosin tuulipölytteisiä heinäkasveja. Joka tapauksessa niveljalkaisten määrän kasvustoissa nähtiin reagoivan positiivisesti typpeä sitovien palkokasvien peittävyyteen.

Palkokasvien peittävyydellä näytti myös olevan positiivinen vaikutus peto- ja loisryhmien osuuteen kaikista niveljalkaisista. Maan pinnalla havaittiin palkokasvien peittävyyden korreloivan positiivisesti myös etanoiden runsauden kanssa, millä voi olla negatiivisia vaikutuksia satokasviin.

Vastaavalla tavalla analysoituna kasvustoissa elävien niveljalkaisten määrä kasvoi, kun pellolla oli syväjuurisia aluskasvilajeja. Kasvinsyöjien osuus kasvillisuuden niveljalkaisista hieman laski, kun syväjuurisilla kasveilla on korkein peittävyys. Syväjuurisilla kasveilla havaittiin myös olevan positiivinen vaikutus lieromääriin. Tämä voi olla pellon tuottavuuden kannalta hyödyllistä.

Alustavien tulosten perusteella aluskasvien käyttö vaikuttaa hyvältä tavalta tukea maatalousmaiden monimuotoisuutta. Lähes kaikissa selkärangattomien ryhmissä huomattiin lisäystä. Ei myöskään havaittu, että aluskasvien käytön seurauksena lisääntynyt hyönteisten määrä suurentaisi hyönteisten aiheuttamien kasvituhojen riskiä. Tosin tämä perustuu vain tunnettujen kasvinsyöjä tai peto- ja loisryhmien suhteelliseen osuuteen.

Aluskasvien ominaisuuksilla näyttäisi alustavasti olevan vaikutusta eri pellon selkärangattomiin ryhmiin eri tavoilla, joten on syytä valikoida huolellisesti mitä aluskasveja käyttää, kun miettii mitä vaikutuksia haluaa.