Ajankohtaista tietoa hiilen sidonnasta, mittausmenetelmistä, tutkimustuloksista, sensoreista ja palveluista.

Hiilijälki-istunnon sivulta löydät käsitteitä, menetelmiä ja tarinaa havainnoista ja kokemuksista tutkimusprojekteissa.

Hiilen sidonnan tutkimuksen tavoitteet

Hiilen sidonnan mittauksia, tutkimusta ja seurantaa tarvitaan viljelymenetelmien vaikutuksen arvioinnissa. Mittaamalla saadaan tietoa maanparannustoimenpiteiden, lannoituksen, kasvuston, sään ja maalajien vaikutuksesta hiilen sidontaan. Luonnossa hiilen sidontaan vaikuttavat moninaiset ja epälineaariset toisiinsa vaikuttavat prosessit, joten mittauksissa ei kaikissa olosuhteissa päästä absoluuttiseen tarkkuuteen. Mittausten luotettavuus ja tarkkuus ovat kuitenkin riittävät useimpiin tutkimusprojektien tavoitteisiin.

Sisältö

 

Kuvissa 2020 kevätvehnäpellon mittapisteet. Kohteessa tutkittiin kerääjäkasvin vaikutusta hiilensidontaan verrattuna pelotoalueeseen, jossa kerääjäkasvia ei ollut. Kasvukauden edetessä viljelymenetelmien välisiä eroja alkoi muodostua. Yhteyttäminen valkoapilakasvustossa jatkui pitkälle syksyyn ja alue toimi tehokkaana hiilinieluna, kun valoa ja lämpöä oli riittävästi.

Kasvukauden lopussa lokakuun mittausjaksolla, noin kaksi viikkoa puinnin jälkeen, erot tulivat selvästi esille. Tuolloin apilakasvusto oli rehevää ja hiilen sidonta oli valoisana aikana voimakasta, kun taas vertailupisteessä päästö oli voimakasta vuorokauden ympäri.  

Hiilen sidonnan todentaminen

Hiilivuon mittauksessa käytämme kammiomenetelmää, joka on luotettava, tarkka ja yleisesti käytetty. Datasensen kammiojärjestelmä toimii automaattisesti ja mittaustuloksia voi seurata pilvestä lähes reaaliajassa. Valoa läpäisevä kammio pidetään mittapisteessä 24h ajan pääasiassa tuulettuvassa tilassa. Kansi sulkeutuu automaattisesti 30 minuutin välein ja mittaus käynnistyy. Mittaustapahtuma kestää 3 minuuttia, jonka aikana hiilivuoanalysaattori ottaa kuusi CO2, PAR ja lämpötilanäytettä kammion sisältä. Data lähetetään modeemin välityksellä pilveen, jossa suoritetaan hiilivuon laskenta automaattisesti ja luodaan diagrammit, joista nähdään onko mittapiste hiilidioksidia vapauttava vai sitova ja kuinka paljon.

Datasensen kammiojärjestelmässä käytetään Vaisalan tarkkaa ja vaativissa ulko-olosuhteissa luotettavasti toimivaa kaasusensoriteknologiaa. Kammiot ovat testattu ja kalibroitu kalibrointikaasun ja tutkimusprojekteissa käytettyjen menetelmien mukaisesti.

Mittapisteen läheisyydessä on pysyvästi Kasvuvahti T12 maaperäsensori ja A41 sääasema. Sensoreilla kerätään olosuhteista ympäri vuoden. Olosuhdetietojen ja vihermassan perusteella arvioidaan tutkimusalan hiilensidontaa mittausajankohtien väliseltä ajalta

Hiilen sidontaan vaikuttavat moninaiset ja epälineaariset toisiinsa vaikuttavat luonnon prosessit, joten mittauksissa ei aina päästä absoluuttiseen tarkkuuteen. Datasense kammiomenetelmän tarkkuus ja luotettavuus ovat kuitenkin riittävät vastaamaan useimpien tutkimusprojektien tarpeisiin. Erityisen hyvin menetelmä soveltuu esim. viljelymenetelmien tai maalajien vertailuun.

 

Sää- ja maaperäolosuhteiden valvonta ja mittaus

Datasense A41 sääasema

Tutkittavalla alueella tai sen välittömässä läheisyydessä on monipuolinen Datasensen A41 sääasema, jonka avulla valvotaan mittausajankohdan sääolosuhteita ja kerätään mittausajankohtien väliseltä tarkat olosuhdetiedot. Säävahti A41 mittaa sadetta, tuulta, lämpötilaa, ilman painetta, haihduntapainetta (VPD) ja auringon säteilyn määrää (PAR). Lisäksi mittapisteen välittömään läheisyyteen asennetaan  Kasvuvahti T12 maaperäsensori. T12 mittaa tarkasti maan kosteuden, lämpötilan ja johtokyvyn. Laitteet toimvat paristolla, joten ne voi asentaa käytännössä minne tahansa.  A41 säävahdissa ei ole liikkuvia osia, joten sitä ei tarvitse huoltoa ja kalibrointia samassa määrin, kuin perinteiset mekaaniset sääasemat.

Sensorit ovat yhteydssä Datasense pilvipalveluun, josta olosuhde- ja hiilivuotietoja voi seurata lähes reaaliaikaisesti.

A41 Säävahtia ja T12 Kasvuvahtia käytetään laajalti muutenkin, kuin hiilensidonnan tutkimuksessa. Viljelijät hyödyntävät tarkkoja sää- ja maaperätietoja täsmäviljelyssä, peltotöiden ja ruiskutusten ajankohtien optimoinnissa. Lisäksi T12 maaperäsensoria ja Datasense datapalveluita käytetään Ilmatieteenlaitoksen Pelto-observarotiossa
 

Käsitteitä

Hiilidioksidipitoisuus

Ilmastovaikutuksiltaan tärkein ihmisen tuottama kasvihuonekaasu on hiilidioksidi CO2. Toisena on Typpioksiduuli (N2O) ja kolmantena metaani (CH4).  Tärkein aineisto, jota hiilensidonnan tutkimuksissa kerätään, on ilmakehän hiilidioksidipitoisuus. Yksikkönä käytetään tavallisesti ppm, eli partikkeleja miljoonassa. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus maapallolla on tällä hetkellä noin 400 ppm ja se kasvaa noin 2 ppm vuodessa. Pohjoisella pallonpuoliskolla pitoisuus vaihtelee hiukan vuodenaikojen mukaan ollen alhaisimmillaan kesäisin hiilinielujen ollessa voimakkaimmillaan ja korkeimmillaan talvisin, jolloin myös talojen lämmitys nostaa hiilidioksidipitoisuutta. Hiilidioksidi on maapallon tuotetuin kasvihuonekaasu. Hiilensidonta on prosessi, jossa hiilidioksidia kerätään ja varastoidaan kasveihin ja maaperään. Jotta ymmärtäisimme hiilidioksidin kulkeutumista ilmakehän, kasvillisuuden ja maaperän välillä paremmin, mittaamme hiilidioksidipitoisuuden lisäksi myös muita ilmasto- ja maaperäolosuhteita. Esimerkiksi biomassan määrällä, lämpötiloilla, kosteusolosuhteilla ja auringon säteilyn voimakkuudella on vahvasti korreloiva vaikutus hiilensidontakykyyn.

Maahengitys, respiraatio, soil respiration

Maahengitys on eri lähteistä muodostuva maan kokonaishiilipäästö. Sen muodostaa kaksi päätekijää: 1) juurten kasvu- ja ylläpitohengitys sekä 2) kuolleen orgaanisen aineen hajotus.

Hiilivuo, Carbon Flux

Hiilivuolla tarkoitetaan hiilidioksidin kulkeutumista ilmakehän ja maaperän sekä kasvillisuuden välillä. Hiilivuo ilmoitetaan tyypillisesti painon yksikössä tietyltä alalta ja tiettynä aikana (esim. kg/ha/h).

 

Hiilidioksidivuon keskeisimpiä käsitteitä ovat GPP (Gross Primary Production, ekosysteemin bruttotuotanto), NPP (Net Primary Production, ekosysteemin nettotuotanto), NEE (Net Ecosystem Exchange, ekosysteemin nettovaihto) sekä ER (Ecosystem Respiration, ekosysteemin respiraatio). Varsinainen hiilidioksidivuo NEE on GPP:n ja ER:n erotus. NEE:n suunta vuositasolla kertoo, onko mitattava kohde hiilidioksidin nielu vai lähde.

 

Kuvassa yksinkertaistettu hiilivuomalli

Hiilitase, Carbon Balance

Vapautuneen ja sitoutuneen CO2 erotus tarkastelujaksolla. Yleensä vuoden aikana. Positiivinen tase tarkoittaa, että CO2 on poistunut ilmakehästä. Mittausten lisäksi, vuotuisen maaperän hiilitaseen määrittämiseksi tarvitaan myös tietoa pellolta korjatun sadon sekä sinne tuodun lannoitteen hiilimääristä.

Hiilinielu, Carbon Sink

Hiilen sidonta on suurempi kuin vapautuminen.

Kasvillisuusindeksi, NDVI, Normalized Difference Vegetation Index

Ilmoittaa vihreän kasvillisuuden määrän. Perustuu kasvillisuuden heijastamaan valoon. Lasketaan kaukokartoituksen avulla saatavan datan perusteella.

Lehtialaindeksi, LAI, Leaf Area Index

Leaf Area Index – Lehtialaindeksi. kasvillisuuden lehtipinta-alan suhde vastaavaan maapinta-alayksikköön. LAI on yksi tärkeimmistä hiilitaseen määrittelyssä käytettävistä parametreistä. 

Kasvillisuusindeksi, NDVI, Normalized Difference Vegetation Index

NDVI ilmoittaa vihreän kasvillisuuden määrän. Perustuu kasvillisuuden heijastamaan valoon. Lasketaan kaukokartoituksen avulla saatavan datan perusteella.

Normalisoitu kasvillisuusindeksi (NDVI) määrittää vihreän kasvillisuuden määrän lähi-infrapunasäteilyn ja näkyvän punaisen valon määrän välillä. NDVI on aina -1 ja +1 välillä. Negatiivisten arvojen alueella on usein vettä. Lähellä +1 arvon alueella on hyvin vehreää kasvustoa. Kun NDVI on 0, kasvustoa ei ole juuri lainkaan ja alue on yleensä urbaania. Lasketaan kaukokartoituksen, kuten satelliittikuvauksen avulla. Kuvassa kasvillisuusindeksin vaihtelu tutkimuslohkolla alkukesän 2020 aikana. Viivadiagrammissa indeksin kehitys kesäkuun aikana. 

PAR,Photosynthetically Active Radiation

Auringon säteily mahdollistaa yhteyttämisen. Vihreät kasvit pystyvät käyttämään parhaiten hyödykseen näkyvän valon aallonpituuksia (n. 400–700 nm). Tästä kasveille käyttökelpoisesta valosta käytetään nimitystä PAR (Photosynthetically Active Radiation). 

PAR on eniten ja nopeiten hiilivuohon vaikuttava yksittäinen parametri

Yleisesti PAR:n yksikkönä käytetään valokvanttimooleja pinta-ala- ja aikayksikköä kohti (μmol m –2  s–1).

Säteilyn teho ilmoitetaan Wattia per neliö W/m2. Kuvassa säteilytehon vaihtelu 05/2020 – 04/2021. 

Datasense hiilivuoanalysaattori mittaa PAR säteilyn kammion sisältä ja läheiseltä A41Säävahdillta saadaan referenssiarvo.

Hiilen sidontaan liittyviä ilmiöitä

Hiilensidonnan moottori

Fotosynteesi on aino luonnon poressi, joka sitoo hiiltä ilmakehästä. Hiilidioksidi ja vesihöyry liikkuvat kasvin ja ilmakehän välillä lehtien pinnalla olevien ilmarakojen kautta.

Saadakseen yhteytyksessä tarvittavaa ilmakehän hiilidioksidia kasvien kannattaa pitää ilmaraot mahdollisimman auki. Koska vesi haihtuu ilmarakojen kautta ja koska liiallinen haihdunta on kasville epäedullista, kasvi kuitenkin säätelee ja optimoi ilmarakojen aukioloa saadakseen mahdollisimman paljon hiilidioksidia menettämättä kuitenkaan samanaikaisesti liikaa vettä.