Humuspehtoori
17.3.2015
PELTOMAAN RAKENNE
JA FOSFORIN
KÄYTTÖKELPOISUUS
Helena Soinne
Optimaalinen kivennäismaan koostumus
Huokostilavuus
Maan rakenteella tarkoitetaan maahiukkasten keskinäistä järjestäytymistä
ja kiinteän aineksen väliin jäävää tilaa eli huokostoa.
Maan rakenne
Kahdenlaista huokoisuutta:
n Lajitekoostumuksen
määräämää huokoisuutta
- Huokoskoko: karkeat maat vs. hienojakoiset maat
- pienten partikkelien väleihin jää pieni ”huokostila” - suurten partikkelin väleihin jää
isompi tila
n Maan
rakenteen määräämää huokoisuutta
- mururakenne - maapartikkelien muodostamat aggregaatit eli murut
- pienet huokoset murujen sisällä - suuret huokoset murujen välissä
- Karkeissa maissa mururakenne ’löyhä’, maapartikkeleja pitää yhdessä orgaaninen
aines, juuret
- Savimaissa mururakenteen syntyminen on edellytys pintamaan hyvälle
vedenläpäisykyvylle ja siten myös juurten hapensaannille
Huokoskokojakauma
n Suuret huokoset (>30 μm)
n
Veden imeytyminen maahan (pinta ei liety)
n
Tyhjentyvät nopeasti painovoiman vaikutuksesta
n
Juurten/mikrobien hapen saanti turvattu
- juurilla hyvät kasvuolosuhteet – laaja juuristo –ravinteiden saanti turvattu!
n Maan on myös pystyttävä varastoimaan vettä, että kaikki vesi ei
poistu painovoiman vaikutuksesta. Tarvitaan pieniä huokosia!
n Keskikokoiset eli vesihuokoset (Ø 30 - 0.2 μm)
n
kasvien veden saanti
n
maan muokkautuvuus
n Mikrohuokoset (Ø < 0.2 μm)
n
vesi ei kasvien käytettävissä
”Vapaa vesi”
n Makrohuokoset ovat suuria huokosia: halkaisija yli 0,03 mm
- vesi ja ilma liikkuu märässä maassa
- juurten kasvuväyliä
- hetkellinen veden varastointikyky
- vähentää pintavalunnan riskiä
- ravinteiden huuhtoutuminen?
Kuva: Risto T. Seppälä, MTT
Maahan ”sitoutunut” vesi
n kapillaarivesi
n pintajännitys nostaa vettä tasolle, jossa
n adsorptiovesi
n fysikaalisesti sitoutunutta
vesipatsaan paino tasapainossa
kapillaarivoimien kanssa
n ei poistu painovoiman vaikutuksesta
n kapillaarinen nousukorkeus kasvaa
hiukkaskoon pienetessä, samalla
nousunopeus hidastuu (kitka!)
hiukkaspinnoille
n adsorptio- ja kapillaariveden
erottaminen täysin toisistaan
hyvin vaikeaa
n ei kasveille käyttökelpoista
http://www.tutorvista.com/content/physics/physics-iii/solids-and-fluids/capillarity.php
Salonen et al. 2002
Maan rakenne eli struktuuri
n Savimaa vailla mururakennetta
n Savimaan hyvä mururakenne
n Ilmava, kuohkea, erikokoisia
n
Ei erikokoisia huokosia
n
Tiivis, märkä, ei läpäise vettä
huokosia – vedenpidätys ja
juurten kasvu estynyt (happitilanne)
veden läpäisy
Helena Soinne
Maan rakenteen ja siten myös
huokosrakenteen syntyyn vaikuttavat:
Pieniä muruja
ja kokkareita
n Maan kuivuminen
n haihtuminen,
jäätyminen, juuristo
n Juuriston toiminta
n huokosen
isoja
kokkareita
laajentuminen, jatkuvuuden
ja
lisääntyminen, reiät
n Maan muokkaus
n kokkareet
muruiksi
huokosia
prismoja
n Kaivavien eläinten toiminta
Rowell 1994
Maaprofiilin makrorakenne
Kestävän mururakenteen ainekset
n
Hyvä mururakenne kestää veden ja paineen vaikutusta
n
Muodostuminen vaatii
n
Maan kuivahtamista
n
Eloperäistä ainesta ja biologista aktiivisuutta (humus
murujen rakenneosana, mikrobien lima-aineet, juuret ja
sienirihmat)
n
Aikaa
-
Sidokset murun sisällä vahvistuvat ajan myötä
Säännöllisesti muokatuissa maissa rakennetta häiritään
jatkuvasti ja murut ovat usein heikompia kuin
muokkaamattomissa maissa
- muokkaus – orgaanisen aineksen väheneminen – häirintä
Miten kuivuminen edistää rakenteen
kehittymistä?
n Märässä maassa
savespartikkelien ympärillä on
vesikehä (adsorptiovesi)
n
partikkelit eivät ”osu” toisiinsa
n Maan kuivuessa vesikehä ohenee
n Partikkelit pääsevät lähekkäin ja
liittyvät löyhästi yhteen
n Jos maa kuivuu täysin kuivaksi
voi syntyä pysyviä sidoksia, eikä
partikkeleita saa enää irti
toisistaan edes uudelleen
kostuttamalla - ei sameutta
”mikromuru”
Maan eloperäinen eli orgaaninen aines
n Luokittelu
1) Vielä hajoamattomana oleva aines
2) Eri hajaantumisasteilla oleva aines
3) Uudelleen syntetisoitunut aines eli humus
n Humus
n
n
n
Kestävää mikrobiologista hajotusta vastaan
Vedenpidätyskyky (eroosio, huuhtoutuminen)
Ominaispinta-ala (pidätysominaisuudet)
n Hajoava orgaaninen aines
n
n
Ravinteiden kierto, humuksen raaka-aine
Biologinen aktiivisuus (maan rakenne)
n Maan orgaanisen aineksen häviöt globaali ongelma
n
Kun luonnontilainen maa otetaan viljelyyn orgaanisen aineksen pitoisuus
alenee - hajotuksen tehostuminen
n Orgaanisen aineksen tappiot: avoviljely > nurmiviljely
Mururakenne ja erilaiset maankäyttömuodot
Vedenkestävien murujen osuus eri maankäytöissä
Kestävät murut %
Metsä
Nurmi/niitty
Suorakylvö
Kyntö/nurmikierto
Kyntö
Orgaaninen hiili %
Kestävät murut %
n Mururakenteen kestävyyteen vaikuttavia tekijöitä ovat
n orgaanisen
aineksen määrä
n muokkausintensiteetti
Mururakenteen kestävyys märissä olosuhteissa
- 4 viikkoa vedellä kyllästyneinä
Pitkäaikainen nurmi
n Kestävä mururakenne vähentää
n
Liettymistä ja kuorettumista
n
eroosiota, veden savisameutta
n
varmistaa veden imeytymistä pinnasta
syvempiin kerroksiin
n Mururakenteen ollessa heikko
n
sade rikkoo
n
maa liettyy ja kuorettuu
n
pintavirtailua –eroosiota
n
veden imeytyminen hidastuu
n
maa pysyy märkänä
Säännöllisesti muokattu
viljapelto
Hyvärakenteinen maa
n Hyvärakenteisen maan tunnusmerkkejä
n Nopea
n Maan
veden imeytyminen
kuivuminen
n Ilmava
n Hyvä
vedenpidätyskyky
n Kestävät
n Juuret
murut, jatkuvat huokoset
kasvavat hyvin
n Suotuisa
lieroille ja muille eliöille
Fosfori maassa
100 %
90 %
n Muokkauskerroksessa
Orgaaninen P
80 %
fosforia n. 1200 mg/kg
70 %
n
800 – 1900 mg/kg (Saarela et
al. 2003)
n Pitoisuus riippuu
lähtöaineksesta ja
viljelyhistoriasta
50 %
n Epäorgaanista (PO4-P) ja
orgaanista fosforia (kasvitai eläinperäistä)
n
Orgaanisen fosforin osuus
vaihtelee riippuen maalajista ja
viljelyhistoriasta. Voi olla yli
50%.
Helppoliukoinen
Orgaaninen P
60 %
40 %
Epäorgaaninen P
30 %
20 %
10 %
Helppoliukoinen
Epäorg. P
0%
Savimaa
Ravinteiden pidättyminen
n Pidätyspintoja maassa ovat mm.
Savimineraalit, raudan ja alumiinin
heikostikiteytyneet oksidit, humus
n
Mitä pienemmistä hiukkasista maaaines koostuu, sitä suurempi pinta-ala
maa-aineksessa on painoyksikköä
kohti
Pysyvä varaus
n
n
Negatiivinen
Savimineraaleissa, pysyvästi
kiderakenteessa
n Ei voida vaikuttaa olosuhteita muuttamalla
n Pidätysmekanismeja
n
n
Sähköiset vetovoimat
- Ravinteet ioneina: esim. K+, Ca2+,
NO3- (varaus!)
- Maapartikkelien sähköiset
ominaisuudet :
Pysyvä negatiivinen (-) varaus tai
pH:sta riippuva varaus (+ tai -)
Ligandinvaihto (kemiallinen sidos)
-COO
pH:sta riippuva varaus
n
n
n
n
Negatiivinen tai positiivinen
Humus
Savimineraalien murtopinnat
Hydratoituneet oxidit
Pidättymismekanismeja
Oksidin
pintaa
Neg.
pinta
Pos.
pinta
pidättynyt anioni
Vaihtuva kationi
Maanesteen ioneja
Brady & Weil 2002
Fosforin pidättyminen
O
O
P
n Fosfaatti (PO42-)
n Pidättyy ligandinvaihdolla –
ei perustu sänköisiin
varauksiin
n
pidättyminen Al:n ja Fe:n
O
OH
Al
O
hydratoituneiden oksidien
Al
pinnoille syrjäyttämällä
O
oksidipinnoilta OH– tai H2O
-ryhmiä l. ligandeja (reaktio
keskuskationin kanssa)
OH2
Al
OH
O
Fosforin pidättyminen
O
O
P
O
n Yksikätinen tai kaksikätinen
O
Al
pidättyminen
n Kaksikätinen fosfaatti on tiukemmin
kiinni
O
O
O
P
O
O
Al
O
O
P
O
O
Al
O
OH
O
P
O
O
O
O
Fosforin pidättyminen
P
O
O
O
P
O
n Yksikätinen tai kaksikätinen
O
Al
kiinni
n Pidättynyt fosfori on tasapainossa
O
pidättyminen on heikompaa
n Kun kasvit ottavat fosforia, sitä
vapautuu pidätyspinnoilta maaveteen
P
O
O
Al
O
O
O
P
maaveden fosforipitoisuuden kanssa
n Kun fosfaattia on maassa paljon
O
O
pidättyminen
n Kaksikätinen fosfaatti on tiukemmin
O
Al
O
O
O
Fosforin käyttökelpoisuuteen vaikuttavia
tekijöitä
n Mitä enemmän fosforia on pidätyspinnoilla
n
Sitä enemmän sitä on myös maavedessä
n
Sitä helpommin fosforia irtoaa pidätyspaikoilta
Mutta
n
Korkea fosforipitoisuus ja P-luku à Liuenneen fosforin pitoisuus
pintavaluntavedessä kasvaa
n
Päätyessään vesistöön runsaasti fosforia sisältävä maa-aines vapauttaa
fosforia tehokkaasti
Korkea P-luku vs alhainen P-luku
P
P
PPPP
P
PP
P
P
P
Kuva: Kimmo Rasa
Fosforin käyttökelpoisuuteen vaikuttavia
tekijöitä
n Mitä enemmän fosforia on pidätyspinnoilla
n
Sitä enemmän sitä on myös maavedessä
n
Sitä helpommin fosforia irtoaa pidätyspaikoilta.
n pH
n
Fosforin pidättyminen on tehokkaampaa alhaisessa pH:ssa
n
pH:n noustessa helppoliukoisen fosforin määrä lisääntyy
n Orgaaninen aines
n
Ylläpitää biologista aktiivisuutta, orgaanisen fosforin käyttökelpoisuus
n
Pidättyminen samoille pidätyspinnoille fosforin kanssa – täyttöaste?
n Maan rakenne!
Maan rakenne ja ravinteet
n Tiivistynyt ja huonorakenteinen
maa
n pintavirtailut
ja eroosio,
ravinteita kulkeutuu pois
pelloilta vesistöön.
n Huonorakenteisessa
maassa
juuriston kasvu estyy
n Ravinteiden
hyväksikäyttö
huonompaa – ravinteita jää
”yli”
http://www.dpi.vic.gov.au/agriculture/about-agriculture/newsletters-andupdates/dairy-newsletters/the-dairy-bulletin/soils-lets-get-physical
http://www.ipm.iastate.edu/ipm/icm/2005/5-9-2005/soilmoist.html
Miten parantaa fosforin käyttökelpoisuutta?
n Hyvä maan rakenne
n
Hyvät kasvuolosuhteet ja tehokas ravinteiden otto
n
Laaja juuristo
n
Ehkäisee fosforin huuhtoutumista pois pelloilta
n pH:n nostaminen
n
pH:n noustessa helppoliukoisen fosforin määrä lisääntyy
n
Kiihdyttää biologista aktiivisuutta – maan rakenne
n Orgaaninen aines
n
Biologinen aktiivisuus – ravinteiden kierto
n
Maan rakenne
KIITOS!