Hiili, elämän alkuaine
Kaikki maapallolla elävät eliöt sisältävät hiiltä. Kasvien painosta hiiltä on noin puolet, ja ihmistenkin painosta melkein viidennes. Alkuaine hiili (C) onkin elämän perusta. Esimerkiksi pelloilta ei saataisi satoa ilman hiiltä. Hiili oikeassa paikassa on tavattoman tärkeä alkuaine. Kääntöpuolena liiallinen hiili ilmakehässä kiihdyttää ilmastonmuutosta. Ilmastonmuutos taas muuttaa hiilen luonnollista kiertoa, vaikuttaen samalla myös veden kiertokulkuun.
Kaikeksi onneksi viljelyskäytännöillä voidaan vaikuttaa hiilen varastoitumiseen maaperään ja näin auttaa vähentämään hiilidioksidin ylikuormaa ilmakehässä. Tässä luvussa perehdytään hiilen kiertoon. Tarkastelemme myös, miten se liittyy vesitalouteen, ilmastoon ja maatalouteen.
Vaikka hiiltä on maailmassa paljon, ei kaikki ole noessa ja hiilipölyn peitossa. Tämä johtuu siitä, että hiili muodostaa helposti yhdisteitä muiden alkuaineiden kanssa. Näiden yhdisteiden ominaisuudet eroavat paljonkin puhtaasta hiilestä.
Kun alkuainehiilen pienin osanen, hiiliatomi, yhdistyy kahden happiatomin kanssa, syntyy yhdiste nimeltä hiilidioksidi (CO₂)(1). Se on kasvihuonekaasu, jonka liiallinen määrä ilmakehässä vauhdittaa ilmastonmuutosta.
Hiili kiertää jatkuvasti eri varastojen välillä. Hiilen kiertokulku rakentuu sekä nopeasta että hitaasta kierrosta.
Nopea kierto koostuu hiilen virroista ilmakehän, valtamerten, merten pohjan pintasedimentin, kasvillisuuden, maaperän ja vesistöjen välillä. Ilmakehässä yksittäinen hiilidioksidimolekyyli viipyy vain joitain vuosia, mutta kasvillisuus, maaperä ja osa merten varastoista voivat säilöä hiiltä satoja tai jopa tuhansia vuosia(2,3). Valtaosa merten pintakerrokseen ja kasvillisuuteen sitoutuneesta hiilestä palautuu kuitenkin ajan saatossa hiilidioksidina ilmakehään.
Hiilivarasto ja sen muutokset
Hiilivarastoa ja sen muutoksia kuvataan termeillä biomassa, varasto, hiilinielu, hiilensidonta, fotosynteesi (yhteyttäminen), hiilen päästö ja hiilen lähde.
Kun maahan tuleva hiilisyöte kasvaa, hiilivarasto kasvaa tiettyyn pisteeseen asti. Kasvu ei kuitenkaan ole ikuista, vaan saavuttaa jossakin vaiheessa tasapainotilan.
Maan kyllästymistä hiilestä kutsutaan hiilen saturaatioksi. Tällöin hiilen lisäysmäärän kasvattaminen ei enää kasvata hiilivarastoa. Saturaatiota tapahtuu usein pintamaassa, joka ottaa vastaan suurimman hiilisyötteen. Hiilivarastoa voidaan tällöin vielä kasvattaa esimerkiksi viljelemällä syväjuurisia kasveja, jolloin hiilisyöte kohdistuu myös syvempiin maakerroksiin.(5)
Hidas kierto kytkeytyy sedimentteihin ja sedimenttikiviin(3), jotka muodostavat maapallon suurimman hiilivaraston. Ne voivat varastoida hiiltä 10 000 vuotta ja kauemminkin.
Hiiltä siirtyy hitaasta kierrosta osaksi nopeaa kiertoa vulkaanisen toiminnan, kemiallisen rapautumisen, eroosion ja fossiilisten polttoaineiden polttamisen seurauksena. Hiiltä siirtyy nopeasta kierrosta hitaaseen kiertoon luonnossa suhteellisen vähän, esimerkiksi merenpohjan sedimentin muodostumisen yhteydessä. Yhteiskunnan teollistuminen on kuitenkin johtanut uusiutumattomien eli fossiilisten polttoaineiden käytön lisääntymiseen, ja tämän seurauksena suuri määrä fossiilista hiiltä on vapautunut hitaasta kierrosta nopeaan kiertoon(2).
Kuva 1. Hiilen kierto, kuva lähteen 4 mukaan.
Sign up to solve exercises
Maaperä, suuri hiilivarasto
1–2 metrin syvyyteen ulottuvaan kerrokseen on varastoitunut arviolta 1 500–2 400 gigatonnia hiiltä. Se vastaa 300–500-kertaisesti fossiilisista polttoaineista vuosittain syntyviä hiilipäästöjä.
Maaperässä on kolme kertaa enemmän hiiltä kuin koko ilmakehässä.
Maaperän eloperäinen aines koostuu elävistä ja hajoamisen eri vaiheissa olevista kasveista, mikrobeista ja eläimistä. Eloperäiseen ainekseen sitoutunutta hiiltä kutsutaan orgaaniseksi hiileksi.
Hiili päätyy osaksi eloperäistä ainesta yhteyttämisen kautta. Kun kasvit sitovat ilmakehästä hiiltä, se siirtyy niiden tuottamien hiilihydraattien rakenneosaksi. Orgaaninen hiili muodostaa noin puolet maan eloperäisen aineksen massasta.
Suomessa pellot ovat verrattain nuoria kansainvälisesti tarkasteltuna. Siksi niiden hiilipitoisuus on korkea. On ensisijaisen tärkeää pyrkiä säilyttämään pelloissa oleva hiili. Uudistavan viljelyn menetelmät tukevat maan hiilipitoisuuden säilymistä sekä auttavat varastoimaan hiiltä, mikäli se on mahdollista.
Hiilen pysyvyyteen maassa vaikuttaa eloperäisen aineksen hajoamisnopeus, joka vaihtelee. Nopeasti hajoava eli labiili orgaaninen aines hajoaa kuukausien tai vuosien aikana, kun taas pysyvä eli stabiili orgaaninen aines voi pysyä maassa jopa satoja vuosia.
Eloperäinen aines päätyy pysyvään muotoon, kun hajotettavat yhdisteet ja mikrobiaines reagoivat maan kivennäisaineksen kanssa. Prosessissa syntyy kemiallisia sidoksia, jotka suojaavat eloperäistä ainesta hajoamiselta. Myös maan mururakenteella on keskeinen rooli hajoamisprosessissa, sillä hiili säilyy pitkään maan muruissa ja mineraalien pinnoilla. Savimineraaleilla on keskeinen merkitys mururakenteen muodostumisessa ja vahvistumisessa. Siksi saviaines suojaa myös eloperäistä ainesta hajoamiselta. Maan hiilipitoisuus määräytyy maahan tulevan ja sieltä poistuvan hiilen erotuksena.(5)
Kuva 2. Maan hiilipitoisuus määräytyy maahan tulevan ja sieltä poistuvan hiilen erotuksena
Orgaaninen ja epäorgaaninen hiili
Orgaanisen hiilen lisäksi maaperässä on epäorgaanista hiiltä, jota esiintyy karbonaattimineraalien osana. Suurin osa epäorgaanisen hiilen varastoista sijaitsee kuivien ilmastojen alueilla. Nämä alueet kattavat maapallon pinnasta 35 prosenttia.(6)
Sen sijaan Suomen kallioperästä ei juurikaan löydy karbonaattimineraaleja eikä näin ollen myöskään epäorgaanista hiiltä. Suomessa maiden kokonaishiilipitoisuus on yhtä kuin orgaanisen hiilen pitoisuus. Globaalissa mittakaavassa epäorgaanisella hiilellä on kuitenkin oma roolinsa.
Eloperäiseen ainekseen – ja siten orgaanisen hiilen kokonaismäärään maaperässä – vaikuttavat niin ilmasto, maan kivennäisaines, maahan päätyvä kasviaines kuin maankäyttökin.
Orgaanisen hiilen pitoisuus maassa vaihtelee suuresti eri puolilla maailmaa. Viileä, kostea ilmasto ja maaperän hienojakoinen kivennäisaines edesauttavat hiilen kertymistä maahan. Suomessa jopa kivennäismaat sisältävät verrattain paljon hiiltä. Lisäksi pohjoisessa ilmastossa esiintyy runsaasti eloperäisiä maita. Turvemaissa on orgaanista hiiltä yli 40 prosenttia ja multamaissakin yli 20.
Kuva 3. Maankäytön muutosten vaikutukset hiilivarastoon tunnetaan varsin hyvin. Kuvassa näkyy maailmanlaajuisen meta-analyysin mukaiset arviot siitä, miten mikäkin maankäytön muutos vaikuttaa maaperän hiilimäärään sitä joko vähentävästi tai lisäävästi. Suluissa analyysissa mukana olleiden tutkimusten määrä. Nämä suuren mittakaavan muutokset on syytä huomioida, kun pelloille asetetaan hiilensidonnan tavoitteita. Maankäytön muutokset vaikuttavat merkittävästi myös siihen, missä määrin valtakunnalliset hiilensidontatavoitteet voidaan saavuttaa. Kuva lähteen 7 mukaan.
Maankäyttö ja sen muutokset vaikuttavat maaperän hiilivarastoihin. Uudistavan viljelyn toimenpiteitä suunniteltaessa myös maankäytön muutokset kannattaa suunnitella huolella. Kansainvälisessä tarkastelussa esimerkiksi metsän raivaaminen pelloksi pienentää maan hiilivarastoa jopa yli 40 prosenttia alkuperäisestä, kun taas pellon muuttaminen metsäksi tai laitumeksi kasvattaa hiilen pitoisuutta.(5,7)
Jyri-Pekka Lemettinen pyrkii maksimoimaan hiilensidontaa Jokinotkon karjatilalla Keiteleellä
Kuva 4. Jyri-Pekka Lemettinen ja karitsat. Kuva: Soja Sädeharju.
Jyri-Pekka on kolmannen polven isäntä tilalla, jolla kasvatetaan herefordnautoja sekä lampaita. Luomutilan viljelyksessä on noin 90 hehtaaria peltoa, joilla kasvaa pääosin monilajisia nurmia. Jyri-Pekalle tärkeitä arvoja ovat luonnon monimuotoisuuden suojeleminen, eläinten hyvinvointi sekä hiilinegatiivisuuteen pyrkiminen tilalla. Kaikkia näitä edistetään tilalla laidunnuksen avulla.
Katso Jyri-Pekan video “Laidunnuksesta, hiilensidonnasta ja Carbon Actionista” (1:28)
Olen ollut Carbon Action -hankkeessa nyt parisen vuotta mukana. Pyrin laiduntamiskäytännöillä maksimoimaan maahan sitoutuvaa hiiltä. Kun nauta on yleensä totuttu näkemään ympäristö- ja ilmastopahiksena, tässä pyritään kääntämään kuvio täysin toisin päin.
Laiduntamisessa suositaan kiertolaiduntamista, jossa eläimet siirtyy lohkolta toiselle mahdollisimman nopeasti, jolloin nurmi pysyy hyvässä kasvussa. Näin ollen sitoutuvan hiilen määränkin pitäisi olla sitten mahdollisimman suuri. Mulle henkilökohtaisesti Carbon Action -hanke ja erilaiset laiduntamis- ja hiilensidontakokeilut ovat tuoneet älyttömästi virtaa tähän viljelyyn ja karjankasvatukseen. Ja tämä jos mikä on erittäin tärkeä asia pitää mielessä.
– Karjatilallinen Jyri-Pekka Lemettinen, Jokinotkon karjatila, Keitele
Mikrobit ja hiili
Maaperän mikrobit vaikuttavat hiilen kiertoon kahdella vastakkaisella tavalla. Ne paitsi vapauttavat hiilidioksidia ilmakehään hajotustoimintansa kautta, myös muodostavat suuren osan maaperän pysyvästä hiilivarastosta.(8) Mikrobit siis ottavat osan maahan päätyvästä hiilestä ja käyttävät sen oman biomassansa rakentamiseen. Jäljelle jäävän hiilen ne hengittävät ulos hiilidioksidina.
Mikrobien hiilen käytön tehokkuudella tarkoitetaan sitä, kuinka suuri mikrobien sisäänsä ottaman hiilen osuus on. Mitä suurempi hiilen käytön tehokkuus on, sitä pienempi on maaperän hiilidioksidipäästö ja sitä enemmän hiiltä on sitoutunut mikrobibiomassaan. Kun mikrobit kuolevat, niiden biomassaan sitoutunut hiili voi sitoutua edelleen maaperän mineraaleihin ja siirtyä siten osaksi maan pysyvää hiilivarastoa.
Kuva 5. Nykytiedon mukaan kuollut mikrobibiomassa muodostaa merkittävän osan maan pitkäikäisistä hiiliyhdisteistä.(5) Kuvassa ripsieläin. Kuva: Pertti Eloranta
Siihen, kuinka paljon kuolleen mikrobibiomassan hiilestä jää maahan pysyvästi, vaikuttavat monet tekijät. Pysyvän hiilen muodostumisessa osansa on esimerkiksi sillä, millaiset kosteusolosuhteet pellolla ovat. Myös maalajeilla sekä maan mururakenteella on merkitystä prosessissa. Myös mikrobiyhteisön koostumus vaikuttaa pysyvän hiilen muodostumiseen. Joissain tutkimuksissa on havaittu, että mikrobit käyttävät hiiltä tehokkaammin maassa, jonka eliöyhteisössä on enemmän sieniä kuin bakteereita.(5)
Mikrobisto muuttuu maankäytön muutoksen myötä. Jos pellon kasvukunto heikkenee, maan mikrobiyhteisö voi muuttua bakteerivaltaisemmaksi. Tämä heikentää myös maaperän sieniä, jotka ovat tärkeitä pysyvän hiilen muodostumisen kannalta.(8)
Mikrobien vaikutusta maaperän hiileen tutkitaan tällä hetkellä paljon. Lähitulevaisuudessa onkin odotettavissa tietoa siitä, kuinka käytännön viljelytoimilla voidaan edistää mikrobien hiilen käytön tehokkuutta. Esimerkiksi monipuolisten viljelykiertojen ajatellaan vahvistavan monimuotoisen ja hiilen käytöltään tehokkaan mikrobiyhteisön kasvua. Perustutkimusta tarvitaan kuitenkin lisää, ennen kuin tarkempia suosituksia maatalousmaiden käsittelyyn voidaan antaa.(5)
Mikrobihiilipumpun käsitteellä kuvataan sitä, miten kuollut mikrobimassa ja mikrobien aineenvaihduntatuotteet vaikuttavat maan pysyvään hiilivarastoon. Teorian mukaan hiilivarastoa säätelevät priming- ja entombing-ilmiöt. Näitä ilmiöitä selitetään alla olevassa kuvassa.
Kuva 6. Hiilivaraston säätely, lähteen 8 mukaan.
Priming-ilmiö viittaa siihen, että mikrobeille helppokäyttöiset hiiliyhdisteet lisäävät hajotustoimintaa eli hiilen vapautumista maaperäst(5). Esimerkiksi viherlannoitus vauhdittaa priming-ilmiötä lisäämällä helposti hajoavan eloperäisen aineksen määrää.
Entombing-ilmiö puolestaan kuvaa hiilen stabiloitumista, joka syntyy mikrobien toiminnan seurauksena. Se siis muumioi eloperäisiä hiiliyhdisteitä mikrobimassaan ja kasvattaa maan hiilivarastoa.(8) Huolehtimalla maan kasvukunnosta voidaan edistää maan sieniyhteisöä, jolla on tärkeä rooli maan pysyvän hiilen muodostamisessa.
Katso video: Hiilen kierto ja sen osuus ilmastonmuutoksessa, Ilmasto NYT
Katso video: Hiilidioksidi ja hiilen kierto, Ilmatieteen laitos