Orgaaninen aines maan kasvukunnon ylläpitäjänä Helinä Hartikainen Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos Helsingin yliopisto 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 biologinen 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? Kemiallisten, fysikaalisten ja biologisten tekijöiden välinen vuorovaikutus kiinteä (syy-seuraus –suhde monisyinen) Kemialliset ominaisuudet Biologiset ominaisuudet Häiriö/muutos yhdessä osassa heijastuu koko systeemin toimintaan Fysikaaliset ominaisuudet • 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 maanviljelyksen 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 karikeainesta ja edesauttavat mikrobien työtä mineralisaatiossa eli eloperäisen aineksen hajottamisessa lähtötuotteiksi Änkyrimato – Suomen tärkein eläin - 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) 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 Kasteliero työssä - 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 Kastelieron ulosteita Eliöyhteisön merkitys  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  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 kompostoitavaksi  pienkiinteistöjen ja yhdyskuntien, maatilojen puutarhojen, jätevesipuhdistamojen, puunjalostus- ja elintarviketeollisuuden, panimoiden ja suurkeittiöiden jäte Tunkiolieron työmaa Mikrobiologinen aktiivisuus ja maan kasvukunto  Mikrobiologisessa hajotuksessa oheistuotteina syntyy limaaineita, 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 hajottajamikrobit 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 muokkautuvuutta 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 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 integrative approach. 2004. CRC Press. Fulvohappojen rakenteiden malleja Molekyylit todellisuudessa huomattavasti suurempia Fulvohapot ovat aina liukoisia - happamat olot suosivat niiden syntyä Lähde: Essington: Soil and water chemistry, An inte´grative approach. 2004. CRC Press. Humushappojen liukoisuuden ja “saostumisen“ riippuvuus pH:sta ahdas - kalkitus “avaa” humuksen, jolloin paljastuu ravinnekationeille (Ca2+, Mg2+ jne. turvapaikkoja) - huuhtoutumisriski pienenee avoin Lähde: McBride: Environmental chemistry of soils . 1994. Oxford University Press. Monimutkaisen ja joustavan “humushappomolekyylin” olemus muuttuu, kun pH ja maaveden suolapitoisuus muuttuu - pH:n lasku sulkee rakenteen myös maaveden korkea suolapitoisuus aiheuttaa humuksen “sykkyröitymisen” Lähde: Essington: Soil and water chemistry, An integrative approach. 2004. CRC Press. 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 korkea pH Ravinnekationien sitoutuminen humuksen pinnoille vaihtuvaan muotoon vähenee maan happamoituessa  huuhtoutumisriski kasvaa 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 Humusta Kun ”humusmolekyyli” sitoutuu oksidipinnalle, se muuttuu erittäin kestäväksi ja vaikeasti hajoavaksi (humiini-fraktio)  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!