Itä-Suomen yliopiston sovelletun fysiikan laitoksen ja Luonnonvarakeskuksen tutkijat yhdistävät voimansa syksyllä 2021 alkaneessa hankkeessa, jossa kehitetään uusi mittausmenetelmä viljelymaan kasvihuonekaasutaseen määrittämiseksi.
Uusi menetelmä perustuu lasermittauksiin ja tomografiaan eli leikekuvaukseen, jonka avulla seurataan pellon kasvihuonekaasujen vaihtoa ja leviämistä kolmiulotteisesti.
Suomen kasvihuonekaasupäästöistä maatalouden osuus on 12 prosenttia, jos jätetään huomiotta maankäytön vaikutukset. Ne mukaan luettuna maatalouden osuus päästöistä on jopa 23 prosenttia. Maatalousmaiden päästöjä voidaan kuitenkin merkittävästi alentaa valitsemalla kuhunkin tilanteeseen parhaiten sopivat viljelytekniikat, kuten esimerkiksi kasvilajivalikoima, lannoitus, kiertolannoitteiden käyttö ja ojitus.
Jotta viljelytekniikoiden vaikutukset päästöihin voidaan todentaa, tarvitaan luotettavia mittausmenetelmiä. Mittausten pitäisi kertoa, miten eri tavoin viljellyt peltoalat joko päästävät tai sitovat kasvihuonekaasuja viljelyn eri vaiheissa.
Kasvihuonekaasumittauksia pellolla
Nykyisin käytössä olevat menetelmät kasvihuonekaasutaseen määrittämiseksi kenttäolosuhteissa ovat pistemäiset kammiomittaukset ja pyörrekovarianssimittaukset. Kammiomittaukset edustavat rajallista aluetta, mittauksien tekeminen vie aikaa, vaikkakin menetelmä on helppo ja varma käyttää.
Pyörrekovarianssimenetelmä sen sijaan on jatkuvatoiminen ja suora mittausmenetelmä, mutta hintava ja edellyttää erityisosaamista sekä laitteiden käytön, että aineiston käsittelyn osalta. Lisäksi se ei huomioi peltoalan sisäisiä vaihteluita esimerkiksi viljelymaan rakenteessa ja kasvillisuuden kehityksen eroissa – ja siten kasvihuonekaasutaseessa.
Nykyisin kammio- ja pyörrekovarianssimenetelmiä käytetään usein rinnakkaisesti, jotta voidaan tutkia sekä jatkuvatoimista peltotason kasvihuonekaasutasetta, että myös paikoitellen pellon sisäistä vaihtelua. Uusille mittaustekniikoille on kuitenkin kysyntää – erityisesti sellaisille, joiden avulla kaasutaseen vaihteluista paikan ja ajan suhteen saataisiin aiempaa monipuolisempaa tietoa.
Tomografiassa hyödynnetään matemaattista mallinnusta ja inversiolaskentaa
Tomografia on monelle tuttu käsite sen lääketieteellisten sovellusten ansiosta. Röntgensäteilyyn perustuvat niin sanotulla tietokonetomografialla tuotetut kuvat olleet jo vuosikymmeniä tuttu näky niin television sairaalasarjoissa, kuin oikeissa sairaaloissakin. Itä-Suomen yliopiston sovelletun fysiikan laitoksen ja Luonnonvarakeskuksen tutkimuksessa leikekuvantaminen viedään uuteen ympäristöön: pellolle.
Tutkijoiden tähtäimessä on kasvihuonekaasutaseen määrittäminen lasermittauksiin perustuvalla kuvantamismenetelmällä. Uudessa leikekuvaustekniikassa hyödynnetään matemaattista mallinnusta ja niin sanottua inversiolaskentaa. Niiden avulla mittauksista muodostetaan tomografisia karttakuvia, jotka esittävät kasvihuonekaasujen lähteiden ja/tai nielujen jakaumaa pellolla eri ajanhetkinä. Tutkimuksen alkuvaiheessa tomografiaa kehitetään ja sovelletaan hiilidioksidi- ja metaanitaseiden määritykseen. Myöhemmin näiden lisäksi kartoitetaan myös dityppioksidia – kasvihuonekaasua, jonka merkittävin päästön aiheuttaja on maatalous.
Mikäli tutkimuksen tavoite toteutuu, soveltuu uusi menetelmä kasvihuonekaasujen pitkäaikaiseen seurantaan kenttäolosuhteissa, ja sen avulla voidaan kartoittaa jopa kymmenien hehtaarien suuruisia peltoaloja. Tomografia mahdollistaa myös epähomogeenisten peltoalojen kaasutaseen määrittämisen.
Sovelletun fysiikan laitoksella työskentelevän apulaisprofessori Aku Seppäsen koordinoima Itä-Suomen yliopiston ja Luke Kuopion Maaningan toimipaikan yhteishanke ”Tomografiaa pellolla – uusi monitorointimenetelmä maatalouden kasvihuonekaasutaseiden tutkimukseen” sai Pohjois-Savon liiton myöntämän 393 000 euron rahoituksen Euroopan Unionin React-EU-elpymispaketista vuosille 2021-2023. Mukana hankkeessa ovat myös Yara Suomi Oy, Valio Oy sekä MTK Pohjois-Savo.
Lisätietoja:
Aku Seppänen, apulaisprofessori, Sovelletun fysiikan laitos, Itä-Suomen yliopisto, 040 7405624, Aku.Seppanen(a) uef.fi
Perttu Virkajärvi, johtava tutkija, Luonnonvarakeskus, Maaninka, 029 5326641, perttu.virkajarvi (a) luke.fi
