Kooste: Mitä metrin maanäytteet kertovat -webinaari
Perjantaina 10. joulukuuta 2021 järjestettiin Mitä metrin maanäytteet kertovat -webinaari, joka aloitti Carbon Action Klubin viljelijöille suunnatun tiedewebinaarien sarjan. Webinaarissa päästiin kuulemaan S-ryhmän rahoittaman syvien maakerrosten hiilitutkimuksen vaiheista professori Jussi Heinonsalon johdolla. Webinaaria ei tallennettu, joten jos et päässyt paikalle, niin lue tästä kooste webinaarin mielenkiintoisista esityksistä.
Webinaarin aloitti professori Jussi Heinonsalo Helsingin yliopistosta. Heinonsalo toimii vastuuhenkilönä syvien maanäytteiden tutkimuksessa. Kyseessä on tutkimus, jonka aineisto koostuu 32 Carbon Action -hiiliviljelytilalta ja Jokioisten Yönin koekentältä otetuista syvistä maanäytteistä. Voit lukea lisää tutkimuksesta ja näytteenotosta blogikirjoituksesta Tämä hommahan on ihan syvältä. Maanäytteiden esikäsittelystä kerrotaan blogikirjoituksessa Syvien maakerrosten hiilitutkimus etenee.
Maanäytteet otettiin syksyllä 2019 32 Carbon Action -hiiliviljelytilalta ja yhdeltä intensiivitutkimusalalta (Yönin koekenttä). Aineistona on yhteensä 100 kairaprofiilia, jotka on pitänyt purkaa, punnita, kuivata, jauhaa ja jakaa näytepusseihin jatkoanalyysejä varten. Analyysejä varten on tehty satoja mittauksia. Nyt on kulunut kaksi vuotta näytteiden ottamisesta, ja noin vuoden ajan on tehty analyysejä. Tutkimusta on edistetty koko ajan.
Carbon Action -tilojen metrin maaprofiilin hiili-, typpi- ja fosforivarastot
Hiilitiloilta kerätyistä syvistä maanäytteistä analysoitiin hiili- (C), typpi- (N) ja fosforipitoisuudet (P) osana kiinalaisen Sichu Wangin väitöskirjaa. Tulosten tarkemmat analyysit ovat käynnissä, ja Wang kirjoittaa aiheesta tieteellistä artikkelia. Heinonsalo esitteli alustavia tuloksia Wangin puolesta.
Maalajeittain ja viljelyhistorian perusteella luokiteltuina hiilitiloilta otettujen syvien maanäytteiden hiilen, typen ja fosforin kokonaismäärät eivät eronneet toisistaan tilastollisesti. Tässä aineistossa nurmiviljelyssä olevilla lohkoilla hiilivarasto oli hiukan suurempi. Tilojen välillä oli suurta vaihtelua. Pienimmän ja suurimman hiilivaraston välillä oli jopa kolminkertainen ero.
Hiilen ja typen kokonaismäärissä tilojen välillä havaittiin isoja eroa. Syvyysjakauma on selkeä, ja vahvistaa aikaisempien tutkimusten tulokset, joiden mukaan hiilipitoisuus laskee syvemmälle maahan mentäessä. Vaikka fosfori on olennaista viljelyssä, se ei tavanmukaisesti ole mukana hiilitutkimuksissa. Nyt on kuitenkin haluttu hyödyntää ainutlaatuista aineistoa. Näytteistä määritettiin kokonaisfosfori kuningasvesiuutolla ja vesiliukoinen fosfori. Syvällä maassa esiintyi kohtuullisen paljon kokonaisfosforia, mutta vesiliukoisen fosforin määrä oli lähellä nollaa. Vesiliukoisen fosforin osuus kokonaisfosforista oli suurimmillaan pintamaassa.
Orgaanisen aineen määrässä muokkauskerroksessa (0–30 cm) oli huomattava ero suurimman ja pienimmän välillä, mutta yleistaso kaikilla lohkoilla oli yllättävän vakaa. Muokkauskerroksessa typen määrä kasvoi samassa suhteessa orgaanisen aineen määrän kanssa. Kokonaisfosforin määrä oli erittäin tasainen ja erot tilojen välillä olivat yllättävän pieniä. Sen sijaan vesiliukoisen fosforin osalta havaittiin suuria eroja, minkä osalta on selvitettävä taustatekijät, jotka vaikuttavat. Tärkein taustatekijä on lannoitus eli milloin, millä ja minkä verran lohkoa on lannoitettu.
Toisessa tutkimuksessa on otettu juuristonäytteitä 20:lta hiilitilalta kesällä 2021 ja määritetty juurten syvyysjakauma koe- ja verrokkialoilla. Tulokset ovat vielä alustavia ja työ on osittain vielä kesken. Tarkemmat analyysit juurten osalta aloitetaan keväällä 2022.
Fosforin määrän ja eri muotojen jakautuminen tavanomaisesti ja luonnonmukaisesti viljellyn savimaan syvyysprofiileissa
Seuraavaksi tutkimustaan ja alustavia tuloksia oli esittelemässä Oona Uhlgren, pro gradun tekijä Helsingin yliopistosta. Uhglren oli saanut kokeet laboratoriossa päätökseen kaksi viikkoa aikaisemmin. Aineistona tässä tutkimuksessa ovat Yönin koekentältä ja metsämaasta otetut syvät maanäytteet. Yönin koekentältä otetut maanäytteet edustavat käsittelyjä tavanomainen viljely, luonnonmukainen viljely ja luonnonnurmi.
Kokonaisfosfori määritettiin näytteistä kuningasvesiuutolla ja kuumentamalla näytteitä kovassa paineessa erikoismikroaaltouunissa. Vahvat hapot lämmön ja korkean paineen avustuksella hajottavat mineraaliainesta ja rapautumatonta fosforia vapautuu näytteistä.
Orgaaninen fosfori määritettiin ottamalla kaksi osanäytettä, joista toinen poltettiin 550 °C lämpötilassa eloperäisen aineksen hajottamiseksi. Molemmat osanäytteet uutettiin rikkihapolla. Osanäytteiden fosforipitoisuuksien erotus on orgaanisen fosforin määrä.
Vesiuuttoinen fosfori määritettiin ravistelemalla näytteitä vedessä. Vesiuuttoista fosforia käytetään kuvaamaan kasveille käyttökelpoisen fosforin määrää. Toinen tapa on tehdä uutto happamalla liuoksella, kuten viljavuuspalvelussa tehdään. Uuttotapa vaikuttaa näytteestä irtoavan fosforin määrään, sillä pH vaikuttaa fosforin pidättymiseen. Tästä syystä vesiuuttoinen fosfori ei ole suoraan verrannollinen viljavuusanalyysin fosforimäärityksen kanssa.
Fosforin lisäksi näytteistä on analysoitu alumiinin ja raudan oksidit, joilla on vaikutusta fosforin pidättymiseen ja hiilen kertymiseen. Näytteistä on mitattu myös pH ja johtokyky, jotka vaikuttavat fosforin pidättymiseen.
Alustavina tuloksina Uhlgren esitti kokonaisfosforin, orgaanisen fosforin ja vesiuuttoisen fosforin varastot. Vesiuuttoisella fosforilla oli suurta hajontaa, joten tulosten tarkemmassa tarkastelussa tullaan huomioimaan muiden mitattujen tekijöiden kuten pH:n, johtokyvyn ja oksidien vaikutus.
Tavanomaisen- ja luomuviljelykierron pitkäaikaisvaikutukset maan orgaanisen aineksen määrään ja laatuun eri maasyvyyksissä
Anna-Reetta Salonen tekee väitöskirjatutkimusta Helsingin ja Wageningenin (Alankomaat) yliopistoissa. Hän tutkii Yönin kentältä otetuista syvistä maanäytteistä tavanomaisen ja luonnonmukaisen viljelykierron pitkäaikaisvaikutuksia maan orgaanisen aineksen määrään ja laatuun. Salosen tutkimuksessa syvät maanäytteet on jaettu 10 cm:n pituisiin pätkiin ja käsitelty erillisinä näytteinä 40 cm:n syvyyteen asti, jonka alapuolelta olevat näytteet on yhdistetty yhdeksi syvempiä maakerroksia edustavaksi näytteeksi. Salonen on saanut datan valmiiksi edellisellä viikolla, joten esityksessä keskityttiin tutkimuksen taustoihin ja käytettyihin menetelmiin.
Ennen näytteiden hiili- ja typpipitoisuuksien määrittämistä maan orgaaninen aines fraktioitiin eli erotettiin toisistaan mineraaleihin sitoutunut orgaaninen aines (MAOM, mineral associated organic matter) ja partikkelimainen orgaaninen aines (POM, particulate organic matter). Fraktiointi tehtiin orgaanisen aineksen laadun selvittämiseksi. Mineraaleihin sitoutunut orgaaninen aines on hiilen pitkäaikaisempi varasto, kun taas partikkelimainen orgaaninen aines on polttoainetta maaperän eliöille.
Fraktiointimenetelmässä maa dispergoidaan eli maan mururakenne hajotetaan ravistelemalla maata lasihelmien kanssa suolaliuoksessa yön yli. Dispergoinnin jälkeen näyte seulotaan seulalla, jonka silmäkoko on 53 µm (mikrometri) eli 0,053 millimetriä. Partikkelimainen orgaaninen aines on suurempaa kuin seulan silmäkoko ja jää seulalle. Mineraaliaines ja siihen sitoutunut orgaaninen aines läpäisevät seulan. Seulonnan jälkeen näytteitä kuivattiin viikon ajan, minkä jälkeen ne punnittiin ja niiden sisältämä hiili ja typpi mitattiin.
Salosen tulokset olivat valmistuneet hiljattain ja niiden tilastollinen analysointi on vielä kesken. Tuloksistaan hän esitti hiili- ja typpivarastot kerroksittain koko maassa ja mineraaleihin sitoutuneena. Odotusten mukaisesti suurin osa maan hiilivarastosta oli sitoutuneena mineraaleihin. Hiilivarasto 20–30 cm kerroksissa oli suurempi luonnonmukaisesti viljellyillä koealoilla kuin tavanomaisesti viljellyillä. Luomu-käsittelyssä käytettiin lannoitteena karjanlantaa, kun tavanomaisessa käsittelyssä käytettiin epäorgaanisia lannoitteita. Suurin hiilivarasto löytyi niittymaasta.
Lisäksi Salonen tutkii 20 Carbon Action -tilalta nematodeja, jotka ovat mikroskooppisia maaperäeläimiä. Hän on jo saanut laskettua vuonna 2020 otetuista näytteistä nematodien määrät koe- ja verrokkialoilla. Seuraavaksi Salonen ryhtyy fraktioimaan orgaanista ainesta Carbon Action -tilojen pintamaanäytteistä. Jäämme innolla odottamaan niitä tuloksia!
Maan sieniyhteisöjen monimuotoisuus Yöni-koealalla
Laura Häkkinen on väitöskirjatutkija Helsingin yliopiston Mikrobiologian osastolla. Hän on tutkinut sieniyhteisöjen monimuotoisuutta Yönin koekentältä otetuissa syvissä maanäytteissä. Maaperän mikrobiyhteisöt koostuvat bakteereista, sienistä ja arkeoneista. Niiden toiminnalla on vaikutusta maaperän hiilivarastoon. Maassa mikrobit hajottavat eloperäistä ainesta. Toisaalta niiden kasvu ja lisääntyminen edesauttavat eloperäisen aineksen muodostumista, kun maahan kertyy mikrobibiomassaa. Hajoaminen ja kertyminen tapahtuvat maassa yhtäaikaisesti. On voitu osoittaa, että maan orgaanisen aineksen pysyvästä hiilestä suurin osa on peräisin mikrobisoluista, erityisesti vaikeasti hajoavista mikrobisolurakenteista.
Häkkisen tutkimuksessa tarkastelussa ovat sieniyhteisöt. Sienten rihmamainen kasvutapa on tehokas keino lisätä biomassaa, joten maan mikrobibiomassa kasvaa, kun sienten osuus suhteessa bakteereihin kasvaa. Sieniperäinen hiili on maassa pysyvämpää kuin bakteeriperäinen. Maankäytön tehostaminen häiritsee enemmän sieniyhteisöjä, mikä tyypillisesti muuttaa mikrobiyhteisöä bakteerivoittoisemmaksi. Tällä perusteella on mahdollista, että maankäytöllä on vaikutuksia mikrobiyhteisöjen kautta maan hiilitasapainoon.
Sieniyhteisöjä tutkittiin etsimällä maanäytteistä eristetystä DNA:sta sienispesifisiä DNA-merkkejä. DNA-merkkien avulla sieniä voidaan tunnistaa lajitasolle asti. Häkkinen esitteli viljely-, niitty- ja metsämaan 20 yleisintä sieniluokkaa. Sieniluokka on sienilajia korkeampi taksonomian taso, ja yksi sieniluokka voi pitää sisällään tuhansia sienilajeja. Metsämaan sieniyhteisö erosi merkittävästi viljelysmaan ja niittymaan sieniyhteisöistä. Metsämaan sieniyhteisössä oli esimerkiksi runsaasti Agaricomycetes-luokan lajeja, joihin kuuluu muun muassa itiöemiä muodostavia sieniä (mm. meidän tuntemamme syötävät sienet).
Pintamaan sieniyhteisöt olivat samankaltaisia viljelysmailla (tavanomainen ja luomu) ja erosivat luonnonnurmien ja metsän sieniyhteisöistä, kun otettiin huomioon kaikki sienitaksonit. Pintamaan ja syvempien kerrosten sieniyhteisöt erosivat toisistaan. Tavanomaisen ja luomuviljelyn sieniyhteisöt erosivat toisistaan syvemmissä kerroksissa. Sienimonimuotoisuus oli kokonaisuudessaan hieman suurempi viljelysmaissa kuin metsämaassa. Syvissä kerroksissa luonnonnurmilla oli suurin sienimonimuotoisuus. Sienimonimuotoisuudella on merkitystä, koska on voitu osoittaa, että suurempi sienimonimuotoisuus lisää hiilen varastoitumista maahan.
Keräsienet ovat sieniä, jotka muodostavat symbionttisen keräsienijuuren kasvien kanssa. Lähes 90 % kasveista pystyy muodostamaan keräsienijuurisymbioosin. Symbioosi parantaa kasvin ravinne- ja vesitaloutta kasvattamalla pinta-alaa, jolla kasvit voivat ottaa ravinteita ja vettä maasta. Lisäksi keräsienijuurisymbioosi parantaa kasvien resistenssiä stressitekijöille. Keräsienijuurten suhteellinen määrä kasvoi syvemmissä kerroksissa. Keräsieniä oli myös pintamaassa, mutta niiden suhteellinen osuus oli pienempi. Keräsienijuurien merkitys on vähäinen metsämaissa, sillä siellä vallitsevat muunlaiset symbioosisuhteet, kuten pintasienijuuret. Tutkituissa näytteissä keräsienet olivat monimuotoisempia ja niiden suhteellinen osuus oli suurempi luonnonnurmilla ja luonnonmukaisessa viljelyssä.
Maamonoliittikoe – Miten maan talviaikainen saturoituminen vedellä vaikuttaa maaperän hiileen?
Reija Heinonen Helsingin yliopistosta kertoi maamonoliittikokeesta, jossa tutkitaan, miten maan talviaikainen kyllästyminen vedellä vaikuttaa maaperän hiileen ja sen liikkeisiin. Heinonen tekee aiheesta väitöskirjaa ja koe on osa Multa-hanketta. Kokeesta ei ole vielä tuloksia, mutta Heinonen oli kertomassa mielenkiintoisesta koeasetelmasta ja esittelemässä mihin kaikkeen tutkimuksessa voidaan käyttää syviä maanäytteitä.
Tutkimuksen taustalla on tieto siitä, että Suomessa talvista on tulossa muuttuvan ilmaston myötä leudompia ja sateisempia. Tämän seurauksena on odotettavissa, että vesi seisoo pelloilla. Pellolla seisova vesi tarkoittaa, että maa on kyllästynyt vedellä. Vedellä kyllästyneessä maassa happi kuluu loppuun ja olosuhteet muuttuvat anaerobisiksi. Kuten Salosen esityksestä selvisi, suurin osa maan hiilestä on mineraalipinnoilla. Rauta sitoo hiiltä mineraalipinnoilla. Rauta on kuitenkin herkkä hapettumis-pelkistymisolosuhteille ja kun happi loppuu, rauta hapettuu ja sen liukoisuus kasvaa, jolloin hiilikin voi vapautua. Prosessi tunnetaan hyvin laboratoriosta, mutta sitä ei ole vielä tutkittu riittävästi rakenteellisessa maassa.
Tutkimuskysymyksiä: liukeneeko hiukkaspinnoille sitoutunut hiili vedellä kyllästyneessä maassa? Miten maalaji vaikuttaa? Lisäävätkö kerääjäkasvit liukoisen hiilen pitoisuutta? Mitä liukoiselle hiilelle tapahtuu? Kuinka suuri osa vapautuu ilmakehään? Entä kulkeutuu alemmas maaprofiilissa tai pidättyy mineraalipinnoille? Pidättyykö hiili takaisin maan kuivuessa?
Maamonoliitteja otettiin noin 50 kpl kahdelta pellolta 2020–2021. Näytteet edustavat savimaita (hiesusavi, Haltiala, Helsinki) ja karkeita maita (karkea hieta, Mustiala, Tammela). Maamonoliittien ottamiseen käytettiin samaa laitetta kuin Carbon Action -tilojen maanäytteille. Putkien halkaisija on 16 cm ja maan korkeus putkessa 70–80 cm. Koeasetelmassa on kaksi kasvikäsittelyä; ohra ja ohra + kerääjäkasvi (ruokonata). Talviajan kastelukäsittelyjä on kaksi: alle kenttäkapasiteetin ja vedellä kyllästynyt. Tutkimus kestää 1,5 vuotta ja sinä aikana on kolme nopeutettua kasvusykliä (0,5 vuotta), jotka koostuvat kasvukaudesta ja talvikaudesta.
Tutkimus on rakennettu Helsingin yliopiston kasvihuoneelle ja se on vaatinut paljon valmistelutöitä ja apua teknikoilta. Valmisteluvaiheessa putkia on porattu ja rälläköity, jotta niihin on saatu asennettua anturit jatkuvaa monitorointia varten. Kolmelta syvyydeltä mitataan kosteutta, lämpötilaa, sähkönjohtokykyä ja hapetuspelkistyspotentiaalia (kertoo alkuvaiheessa hapen määrästä). Kasvihuonekaasuja CO2, CH4, N2O mitataan monoliittien päältä jatkuvatoimisella mittalaitteella. Lisäksi otetaan huokosvesinäytteitä, joita analysoidaan laboratoriossa liukoinen hiili ja typpi, ja rauta ja ravinteita. Maamonoliittien pohjalle on rakennettu salaoja, josta huuhtoutumavesi kerätään. Ylimääräisen veden annetaan poistua, mutta kyllästyskäsittelyssä salaojat suljetaan. Talvea varten monoliitteja viilennetään.
Tutkimuksen ensimmäinen kasvusykli on nyt takana. Käytännön työtä on ollut paljon kasvihuoneella ja laboratoriossa, jossa on jo aloitettu raudan ja ravinteiden mittaukset. Kaasumittausaineistoon jo käytettävissä, mutta odottaa analysointia. Tutkimuksen lopuksi putket on tarkoitus purkaa ja tehdä erilaisia analyysejä. Kokeeseen pyydetään lisää tutkijoita mukaan, sillä tutkimusasetelmasta halutaan saada mahdollisimman paljon tietoa. Nyt mukana on yksi pro gradun tekijä. Vielä on vuosi aikaa miettiä mitä kaikkea kokeen purkuvaiheessa halutaan tutkia.
Jenni Jääskeläinen
Suunnittelija, BSAG
