Orgaanisten maanparannusaineet, maan rakenne ja hiilen sitoutuminen – innovatiiviset
kuvantamismenetelmät tutkimuskäyttöön (OrMa)
Päärahoittaja
Rahoittajan antama koodi/diaarinumero: 42550 (14-8846-20)
Päärahoittajan myöntämä tuki (€)
- 30 000,00
Rahoitusohjelma
Hankkeen aikataulu
Hankkeen aloituspäivämäärä: 01.01.2021
Hankkeen päättymispäivämäärä: 31.12.2021
Tiivistelmä
Maatalousmaiden orgaanisen aineen määrä laskee. Orgaaninen aines on merkittävä tekijä maan
mururakenteen muodostumisen ja kestävyyden kannalta, ja siten vaikuttaa olennaisesti maan
eroosioalttiuteen. Orgaanisilla maanparannusaineilla voidaan kohottaa maan hiilipitoisuutta, mutta samalla
aktivoitunut mikrobitoiminta hajottaa tehokkaasti orgaanista ainesta. Samalla muodostuu yhdisteitä, jotka
sitovat maahiukkasia yhteen. Näin ollen osa hiilestä stabiloituu vaikeasti hajoavaan muotoon, parantaa maan
mururakennetta ja vähentää eroosiota.
Tässä tutkimuksessa hyödynnetään innovatiivisia tutkimusmenetelmiä, heliumionimikroskopiaa (HIM) ja
röntgenmikrotomografiaa. Niiden avulla selvitetään voiko edellä kuvattuja hiilen stabiloitumismekanismeja
todentaa suomalaisessa peltomaassa. Tutkimus toteutetaan Jokioisissa koekentällä, johon on levitetty viisi
vuotta sitten erilaisia metsäteollisuuden orgaanisia sivuvirtoja. Aiemmat tutkimukset osoittavat, että
maanparannusaineet vähentävät eroosiota ja vaikuttavat mikrobiston lajisuhteisiin, mutta varsinaista
vaikutusmekanismia ei ole pystytty todentamaan. Haettavan apurahan turvin pureudutaan siten
perustavanlaatuiseen kysymykseen maan rakenteen muodostumisesta ja siihen vaikuttavista mekanismeista.
Heliumionimikroskopialla pystytään tarkastelemaan saveshiukkasia jopa 0,5 nm resoluutiolla ja
TOF-SIMS-detektorin avulla voidaan tunnistaa alkuaineita noin 10 nm resoluutiolla. Savespartikkelien ollessa
pienempiä kuin 2 μm, menetelmällä voidaan havainnoida saveksen pinnalle sitoutuneita aineita ja niiden
kemiallista koostumusta. Kansainvälinen tutkimus on osoittanut, että erityisesti typpipitoiset mikrobiperäiset
yhdisteet muodostavat uusia organo-mineraalisia sidoksia mineraalien pinnoille.
Röntgenmikrotomografian avulla puolestaan voidaan kuvantaa maamurujen kolmiulotteista rakennetta
parhaimmillaan alle 1 μm resoluutiolla. Maamurujen huokosrakenne vaikuttaa laajasti maaperän fysikaalisiin,
kemiallisiin ja biologisiin toimintoihin. Oletuksena on, että maanparannusaineet vaikuttavat maamurujen
huokosrakenteeseen ja röntgentomografian avulla voidaan tutkia maamurujen huokosrakennetta noin
mikrometrin tarkkuudella ja selvittää minkälaisia muutoksia maanparannusaineet ovat saaneet aikaan näissä
maan toimintojen kannalta tärkeissä huokoskokoluokissa.
Tutkimuksen kuvantamisosuus toteutetaan Jyväskylän Yliopiston röntgentomografia- ja
heliumionimikroskopialaboratorioissa. Viidestä eri tavalla käsitellystä maa-alueesta otettujen näytteiden
perusteella nähdään miten maanparannusaineet vaikuttavat maan mururakenteeseen ja saveshiukkasten
pinnalle kertyvään aineeseen. Mururakenne karakterisoidaan kvantitatiivisesti kuva-analyysimenetelmillä
Hämeen ammattikorkeakoulussa ja tulosten agronominen tulkinta suoritetaan Luonnonvarakeskuksessa.
Tulokset julkaistaan yhtenä tai useampana tieteellisenä artikkelina, jotka tukeutuvat koekentällä tehtävään
muuhun tutkimukseen (sadetuskokeet, mikrobiologia, hiilivarasto). Tieteellisesti tulokset ovat uraauurtavia, ja
avaavat täysin uuden näkökulman savimaan rakenteellisiin ominaisuuksiin. Käytännössä tutkimus tukee
suomalaista maataloutta tuottamalla tietoa maanparannusaineiden agronomisista ja vesiensuojelullisista
hyödyistä. Hankkeen tuottama visuaalinen aineisto toimii laajasti hyödynnettävänä viestinnällisenä ja
opetuksellisena materiaalina. Materiaalin avulla on helppo kiinnittää laajan yleisön mielenkiinto maan
rakenteen merkitykseen osana kestävää kotimaista ruuan tuotantoa.
mururakenteen muodostumisen ja kestävyyden kannalta, ja siten vaikuttaa olennaisesti maan
eroosioalttiuteen. Orgaanisilla maanparannusaineilla voidaan kohottaa maan hiilipitoisuutta, mutta samalla
aktivoitunut mikrobitoiminta hajottaa tehokkaasti orgaanista ainesta. Samalla muodostuu yhdisteitä, jotka
sitovat maahiukkasia yhteen. Näin ollen osa hiilestä stabiloituu vaikeasti hajoavaan muotoon, parantaa maan
mururakennetta ja vähentää eroosiota.
Tässä tutkimuksessa hyödynnetään innovatiivisia tutkimusmenetelmiä, heliumionimikroskopiaa (HIM) ja
röntgenmikrotomografiaa. Niiden avulla selvitetään voiko edellä kuvattuja hiilen stabiloitumismekanismeja
todentaa suomalaisessa peltomaassa. Tutkimus toteutetaan Jokioisissa koekentällä, johon on levitetty viisi
vuotta sitten erilaisia metsäteollisuuden orgaanisia sivuvirtoja. Aiemmat tutkimukset osoittavat, että
maanparannusaineet vähentävät eroosiota ja vaikuttavat mikrobiston lajisuhteisiin, mutta varsinaista
vaikutusmekanismia ei ole pystytty todentamaan. Haettavan apurahan turvin pureudutaan siten
perustavanlaatuiseen kysymykseen maan rakenteen muodostumisesta ja siihen vaikuttavista mekanismeista.
Heliumionimikroskopialla pystytään tarkastelemaan saveshiukkasia jopa 0,5 nm resoluutiolla ja
TOF-SIMS-detektorin avulla voidaan tunnistaa alkuaineita noin 10 nm resoluutiolla. Savespartikkelien ollessa
pienempiä kuin 2 μm, menetelmällä voidaan havainnoida saveksen pinnalle sitoutuneita aineita ja niiden
kemiallista koostumusta. Kansainvälinen tutkimus on osoittanut, että erityisesti typpipitoiset mikrobiperäiset
yhdisteet muodostavat uusia organo-mineraalisia sidoksia mineraalien pinnoille.
Röntgenmikrotomografian avulla puolestaan voidaan kuvantaa maamurujen kolmiulotteista rakennetta
parhaimmillaan alle 1 μm resoluutiolla. Maamurujen huokosrakenne vaikuttaa laajasti maaperän fysikaalisiin,
kemiallisiin ja biologisiin toimintoihin. Oletuksena on, että maanparannusaineet vaikuttavat maamurujen
huokosrakenteeseen ja röntgentomografian avulla voidaan tutkia maamurujen huokosrakennetta noin
mikrometrin tarkkuudella ja selvittää minkälaisia muutoksia maanparannusaineet ovat saaneet aikaan näissä
maan toimintojen kannalta tärkeissä huokoskokoluokissa.
Tutkimuksen kuvantamisosuus toteutetaan Jyväskylän Yliopiston röntgentomografia- ja
heliumionimikroskopialaboratorioissa. Viidestä eri tavalla käsitellystä maa-alueesta otettujen näytteiden
perusteella nähdään miten maanparannusaineet vaikuttavat maan mururakenteeseen ja saveshiukkasten
pinnalle kertyvään aineeseen. Mururakenne karakterisoidaan kvantitatiivisesti kuva-analyysimenetelmillä
Hämeen ammattikorkeakoulussa ja tulosten agronominen tulkinta suoritetaan Luonnonvarakeskuksessa.
Tulokset julkaistaan yhtenä tai useampana tieteellisenä artikkelina, jotka tukeutuvat koekentällä tehtävään
muuhun tutkimukseen (sadetuskokeet, mikrobiologia, hiilivarasto). Tieteellisesti tulokset ovat uraauurtavia, ja
avaavat täysin uuden näkökulman savimaan rakenteellisiin ominaisuuksiin. Käytännössä tutkimus tukee
suomalaista maataloutta tuottamalla tietoa maanparannusaineiden agronomisista ja vesiensuojelullisista
hyödyistä. Hankkeen tuottama visuaalinen aineisto toimii laajasti hyödynnettävänä viestinnällisenä ja
opetuksellisena materiaalina. Materiaalin avulla on helppo kiinnittää laajan yleisön mielenkiinto maan
rakenteen merkitykseen osana kestävää kotimaista ruuan tuotantoa.
