Viherkatot ja biohiili

Viherkattotutkimus: biohiilen vaikutukset maaperässä

Ville Selonen
ville.selonen@helsinki.fi
Ympäristötieteiden laitos, Helsingin yliopisto

Josefiina Ruponen
josefiina.ruponen@helsinki.fi

Esiteltävässä harjoitustyössä toteutetaan tutkimus, jossa selvitetään biohiilen vaikutuksia maaperään ja viherkattojen toimivuuteen. Harjoituksen avulla oppii hyödyntämään ja soveltamaan maaperätutkimuksessa tavallisesti käytettyjä menetelmiä sekä tunnistamaan selkärangattomia eliöitä. Työssä voi harjoitella esimerkiksi maaperän ja kasvillisuuden hiili-typpisuhteen määrittämistä sekä änkyrimatojen erottelua. Myös yleiset tieteellisen tutkimuksen suunnitteluun ja toteuttamiseen tarvittavat tiedot ja taidot sekä kriittinen ajattelu kehittyvät.

Avainsanat: biohiili, fosfori, hulevesi, maaperä, monimuuttuja-analyysit, typpi, viherkatot

Maksaruohoa viherkattoasetelmassa Lahden tiede- ja yrityspuiston katolla elokuussa 2013 Helsingin yliopiston Ympäristöekologian kenttäkurssilla.

Johdanto

Kaupungistuminen on ollut nopeasti kasvava ilmiö 1950-luvulta saakka, ja sama kehitys tulee jatkumaan tulevaisuudessa. Kaupungit poikkeavat suuresti luonnon ekosysteemeistä, ja kaupungistumisesta seuraa myös ongelmia. Tiheään rakennetut alueet ja päällystetyt pinnat imevät tehokkaasti lämpöä aiheuttaen niin kutsutun lämpösaarekeilmiön. Rakennukset ja päällystetyt pinnat muuttavat veden hydrologista kiertoa vähentämällä huomattavasti maaperään imeytyvän veden määrää ja lisäten tulvien riskiä. Virratessaan kattoja ja päällystettyjä pintoja pitkin hulevedet keräävät mukaansa epäpuhtauksia aiheuttaen saastumisen uhan luonnonvesille, sedimentille ja juomavedelle.

Viherkatot ovat yksi ratkaisu näihin kaupungistumisen mukanaan tuomiin ongelmiin, sillä ne voivat ehkäistä tai vaimentaa lämpösaarekeilmiötä kaupungeissa. Viherkatot vähentävät hulevesien määrää ja parantavat niiden laatua. Viherkattojen suodattama vesi voi kuitenkin sisältää normaalia suurempia määriä vesiliukoisia ravinteita, kuten typpeä ja fosforia. Ratkaisuksi tähän ravinneongelmaan on tarjottu biohiiltä, jolla on potentiaalia ravinteiden pidättämiseen. Lisäksi viherkattojen on toivottu tuovan helpotusta kaupunkien monimuotoisuuden vähenemiseen tarjoamalla elintilaa eri eliölajeille.

Biohiili tarkoittaa hapettomissa olosuhteissa kuivatislaamalla eli pyrolyysillä kiinteäksi kuumennettua biomassaa. Puu on biohiilen tärkein raaka-aine, mutta lähes kaikkea eloperäistä ainetta, kuten olkea, turvetta, luuta ja lantaa, on mahdollista käyttää. Suureksi osaksi biohiilen myönteiset vaikutukset johtuvat hiilen huokoisesta rakenteesta ja siten laajasta pinta-alasta. Rakenne tarjoaa alustan hyödyllisille maan mikro-organismeille, kuten mykorritsa-sienijuurille ja bakteereille ja vaikuttaa tärkeiden ravinteiden kationien ja anionien sitoutumiseen. Makroravinteiden, kuten typen ja fosforin, saatavuus saattaa tällöin kasvaa. Biohiili muuttaa maaperän pH:ta emäksisemmäksi, mikä osaltaan edesauttaa kasvien kykyä vastaanottaa ravinteita. Biohiili viherkatossa voi parantaa sen vedenpidätyskykyä ja -laatua.

Ajankohta

Harjoitus on hyvä ajoittaa kasvukaudelle. Harjoitukseen tarvittava aika riippuu suunnitellusta tutkimuksesta, mutta aikaa olisi hyvä varata yksi työviikko. Jos työssä tutkitaan karikkeen hajoamisnopeutta, se on syytä jakaa kahteen osaan, koska karikepussien tulee olla maaperässä 2-3 kuukautta.

Menetelmät

Tutkimuksen toteuttamiseen tarvitaan viherkattotutkimukseen soveltuva koeasetelma. Esimerkkitutkimuksen koeasetelmassa on 14 kasviruutua (35,5 cm x 45,5 cm), jotka on rakennettu katolle, ja joihin on istutettu maksaruohoja (Sedum spp.). Kokeessa on kaksi erilaista biohiilikäsittelyä sekä kontrollikäsittelyt. Käsittelyssä 1 biohiili sijoitetaan maksaruohon alle ja käsittelyssä 2 maksaruohon päälle. Jokaisessa viherkattoruudussa on järjestelmä, joka kerää kyseisen ruudun suodosveden talteen myöhempää ravinnepitoisuuksien analysointia varten. Sadetta voi simuloida kastelemalla ruutuja. Aiemmin toteutetuissa harjoitustöissä on havaittu, että 1 L kasteluvettä ei välttämättä riitä kaikissa ruuduissa 80 ml näytteen saamiseksi, ja että ruudut voivat vaatia lisäkastelua. Lisäksi analysoidaan hanaveden ja pelkän sadeveden ravinnepitoisuudet.

Harjoitustyössä voi tutkia esimerkiksi biohiilen kykyä sitoa ravinteita maahan ja vähentää suodosveden ravinnepitoisuutta, biohiilen vaikutusta viherkaton kasvien hiili-typpi-suhteeseen (C:N), karikkeen hajoamisnopeutta sekä viherkaton eliöstöä. Karikkeen hajotusta sekä viherkaton eliöstöä voi verrata maksaruohon luontaiseen habitaattiin. Eliöyhteisön osalta tarkkailun kohteena voivat olla esimerkiksi änkyri- ja sukkulamadot sekä mikroniveljalkaiset, jotka vaikuttavat ylemmäksi ravintoketjussa sijoittuvien lajien, kuten hyönteisten ja lintujen, esiintymiseen.

Valittavat menetelmät ja työn suoritustapa riippuvat harjoitustyön aluksi laadittavasta tutkimussuunnitelmasta ja siinä esitetyistä tutkimuskysymyksistä.

Esimerkki viherkattotutkimuksen koeasetelmasta Helsingin yliopiston Ympäristöekologian kenttäkurssilta.

Aineiston analysointi

Aineiston analysointiin voidaan käyttää esimerkiksi IBM SPSS Statistics- ja PAST-ohjelmia. Tulosten käsittelyyn sopii parametrinen tai tarvittaessa ei-parametrinen yksisuuntainen varianssianalyysi. PAST-ohjelmalla voi koko aineistosta tehdä ANOSIM-monimuuttujakuvaajan sekä SIMPER-taulukon, joiden avulla voidaan kuvata käsittelyn mahdollisia suoria ja välillisiä vaikutuksia eri muuttujiin.

Harjoituksen muokkausmahdollisuudet

Harjoitustyöohjetta voi soveltaa helposti eri tarkoituksiin ja työn voi toteuttaa erilaisilla viherkatoilla ja eliöyhteisöillä. Tutkimuksessa voidaan tarkastella biohiilen vaikutuksia muun muassa suodosveden epäpuhtauksiin, viherkaton pH-arvoihin, ravinteiden sitoutumiseen ja saatavuuteen sekä mikro-organismien eliöyhteisöihin

Lähteet

Atkinson, C. J., Fitzgerald, J. D. & Hipps, N. A. 2010: Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils: a review. – Plant and Soil, 337 (1), 1-18.

Beck, D. A. Johnson, G. R. & Spolek, G. A. 2011: Amending greenroof soil with biochar to affect runoff water quantity and quality. ― Environmental Pollution 159, 8-9: 2111–2118

Huhta, V. Sulkava, P. & Viberg, K. 1998: Interactions between enchytraeid (Cognettia sphagnetorum), microarthropod and nematode populations in forest soil at different moistures. ― Applied Soil Ecology 9, 1–3: 53–58

Rumble, H. & Gange, A. C. 2013: Soil microarthropod community dynamics in extensive green roofs. ― Ecological Engineering 57:197–204

Susca, T. Gaffin, S. R. & Del’Osso, G. R. 2011: Positive effects of vegetation: Urban heat island and green roofs. ― Environmental Pollution 159, 8-9: 2119 –2126

Menetelmiä

Maan ravinnepitoisuudet

Kasveille saatavilla olevan epäorgaanisen typen (ammonium ja nitraatti) ja fosforin (fosfaatit) määrät analysoidaan maasta uuttamalla ne tislattuun veteen. Murenna näyte tasaiseksi ja punnitse noin 5 g tp. (kirjaa ylös tarkka paino) maata pulloon, lisää 50 ml vettä ja ravistele 4 h. Ravistelun jälkeen anna sakan laskeutua ja suodata uutos lasikuitusuodattimella imulaitetta käyttäen. Suodatetut näytteet analysoidaan Lachat-analysaattorilla standardoiduilla menetelmillä. Suositeltavaa on, että laboratoriohenkilökunta suorittaa analyysit. Ravinnepitoisuudet ilmoitetaan μg / g kp. maata (käytä vesipitoisuusmittauksen arvoja kuivapainon laskemiseen).

Kasvillisuuden ja/tai maan N ja C pitoisuuksien määritys

Kasvillisuuden ja/tai maan N ja C pitoisuudet määritetään LECO CNS-2000 analysaattorilla
mielellään laborantin avustuksella. Punnitse näytteet näyteastioihin eli veneisiin analyysivaakaa käyttäen, kirjaa näytepainot paperille. Punnitusmäärä on usein 50-200 μg.
Käsittele veneitä pihdeillä tai pinseteillä, älä sormin. Siirrä veneet analysointijärjestyksessä
autoloaderin telineeseen. Näytesarjan alkuun ja loppuun jätetään paikat standardinäytteille
(riisijauho ja EDTA) ja yhdelle tyhjälle veneelle (blank). Autoloader syöttää näytteet
polttokammioon, jossa uunin kuumuus ja happivirtaus polttavat näytteen, jolloin kaikki
alkuainehiili ja -typpi vapautuvat CO2:na NOx:na ja N2:nä. Analysaattori mittaa kokonaistypen ja hiilen pitoisuudet.

Änkyrimatojen erottelu märkäsuppilomenetelmällä


1. Kiinnitä koeputki suppilon kumiletkuun ja täytä suppilo lähes täyteen kylmällä vedellä
(ei lämmintä vettä, se tappaa eläimet).
2. Leikkaa ensin kairanäytteestä yli 4 cm:n ulottuva osa pois. Punnitse näyte ja aseta se
kokonaisena ylösalaisin erottelukoriin harsokankaan päälle.
3. Laita koriin tunnistelappu.
4. Aseta kori varovasti suppiloon. Vältä korin heiluttelua, jotta maa ei varise
koeputkeen. Lisää vettä, jos tarpeen, ei kuitenkaan korin ja maan päälle. Osa maasta
voi jäädä veden pinnalle.
5. Valaise ja lämmitä näytteitä hehkulampulla (40 W) neljän tunnin ajan portaittain
valaistusta lisäten. Madot pakenevat valoa ja lämpöä ja päätyvät koeputkeen.
6. Ota koeputki pois ennen kuin siirrät näytekoria, jotta roskaa variseen koeputkeen
mahdollisimman vähän. Siirrä tunnistelappu korista koeputkeen, minkä jälkeen voit
heittää maanäytteen pois.
7. Änkyrimadot tulisi laskea heti erottelun jälkeen, mutta tarpeen vaatiessa niitä voi
säilyttää yön yli koeputkessa vähässä vedessä.
8. Änkyrimatojen lukumäärä ilmoitetaan yksilöinä / m2 tai g tp. / m2.
Mikroniveljalkaisten erottelu ”high gradient” –menetelmällä

Leikkaa kairanäytteestä yli 4 cm:n ulottuva osa pois, punnitse näyte ja aseta se ylösalaisin
erottelurenkaaseen. Laita näytteen alaosan alle pala harvasilmäistä verkkoa ja työnnä rengas keräysastiaan, jossa 50% etyleeniglykolia ja tippa pesuainetta (hävittää vedestä
pintajännityksen). Laita keräysastia ja näyte erottelijan eristelevyssä olevaan koloon ja
käynnistä kylmennys ja lämmitys. Nosta lämmitystehoa asteittain ja kerää näytteet, kun kaikki maanäytteet ovat läpeensä kuivia (yleensä 5-8 vrk). Niveljalkaisten lukumäärä ilmoitetaan yksilöinä / m2.

Karikkeen hajoamisen määrittäminen


Leikataan niityllä kasvavia suurilehtisiä heiniä muovipusseihin (yksi 4L pussi/ryhmä).
laboratoriossa heinät asetellaan ohueksi kerrokseksi imupaperin päälle kuivumaan. 2 vrk
kuluttua otetaan osanäyte (n. 5g), joka punnitaan ja laitetaan uuniin kuivumaan (75°C, 1 vrk).
Loput heinät pilkotaan saksilla n. 1 cm silpuksi, jotka punnitaan (n. 2 g/pussi, tarkka paino
kirjataan ylös) harsokankaasta valmistettuihin pusseihin. Pussin silmäkoko määrää, mikä osa hajottajayhteisöstä on tutkimuskohteena ja osallistuu karikkeen hajotukseen. Pussin suu nidotaan tiukasti kiinni, jonka jälkeen pussit punnitaan. Uunissa kuivumassa ollut näyte
punnitaan ja tuloksen perusteella lasketaan todellinen harsokangaspusseihin laitettu
heinämäärä (kuivapainona). Karikepussit viedään koepaikalle ja asetetaan maan päälle (tai n. 1cm syvyyteen). Päälle asetetaan verkko (estää pussien kulkeutumisen tuulen/eläinten
mukana), jonka kulmiin laitetaan merkkitikut. 2-3 kk kuluttua karikepussit haetaan maastosta, (pestään) ja punnitaan. Karikkeen hajoaminen (%) lasketaan:

1 – karikkeen määrä (g) lopussa / karikkeen määrä alussa (g) * 100