Kasvihuonekaasujen mittausmenetelmät

Hiilen kierron ja kasvihuonekaasupäästöjen kvantitatiivinen tutkimus on haastavaa, minkä takia sekä kotimaiset että kansainväliset tutkimukset ovat tuottaneet hyvin vaihtelevia tuloksia. Kasvihuonekaasupäästöjä tutkitaan Suomessa tällä hetkellä pääasiassa kahdella eri menetelmällä: kammiomittauksilla sekä pyörrekovarianssimenetelmällä. 

Pyörrekovarianssimenetelmässä kasvihuonekaasujen vuo lasketaan pystysuoran tuulennopeuden ja samanaikaisesti tapahtuvan kaasun pitoisuuden yhteismuutoksesta (Kuva 1). Mittalaitteistot ovat sijoitettuna valitulle paikalle ja kasvihuonekaasut kulkeutuvat laitteelle tuulen mukana, minkä takia tutkittavan alueen jotkin osat voivat korostua enemmän kuin toiset, riippuen vallitsevasta tuulensuunnasta. Tätä jatkuvatoimista menetelmää käytetään tutkittaessa kasvihuonekaasujen vaihtoa peltotasolla. Pyörrekovarianssimenetelmän etuina ovat jatkuvatoimiset automaattiset mittaukset, mutta heikkoutena tutkittavan alueen tarkan rajaamisen haasteet (kaasuja voi kulkeutua tuulen mukana myös esimerkiksi viereiseltä pellolta) ja vallitsevan tuulensuunnan merkitys. Pyörrekovarianssimenetelmän käyttöönotto on myös kallista verrattuna kammiomenetelmiin ja sen ylläpito vaatii paljon erityisosaamista.

Image

Erilaiset kammiomittausmenetelmät pystyvät kertomaan yksityiskohtaisempaa tietoa pellon sisäisestä vaihtelusta. Kammiomenetelmät ovatkin yleisesti käytettyjä, laitteistot ja varusteet suhteellisen halpoja ja itse mittaukset helppoja tehdä. Pyörrekovarianssimenetelmään verrattuna kammioilla mittaaminen vaatii kuitenkin paljon manuaalista työtä. Kammiomittauksessa tutkittava alue (yleisesti käytetty pinta-ala 60 x 60 cm) suljetaan lyhyeksi ajaksi kammion sisään ja kaasujen pitoisuuden muutosta seurataan joko ottamalla kammiosta kaasunäytteitä ja analysoimalla ne myöhemmin kaasukromatografilla tai mittaamalla kaasupitoisuutta suoraan kammiosta kannettavalla kasvihuonekaasuanalysaattorilla. Kaasun pitoisuuden noustessa kammion sisällä tutkittava kohde tuottaa kyseistä kaasua (päästö) ja pitoisuuden laskiessa kohde sitoo kaasua ilmakehästä (nielu). Kasvihuonekaasumittauksissa N₂O:n ja CH₄:n mittaamiseen käytetään tummia, valoa läpäisemättömiä kammioita, koska niiden vaihto maaperän ja ilmakehän välillä ei ole riippuvaista valo-olosuhteista (Kuva 2).

Image

Myös CO₂ päästöä voidaan mitata pimeäkammiolla, mutta sen sijaan CO₂:n nettovaihtoa tutkittaessa hyödynnetään läpinäkyviä kammioita ja eri valotasoja, jolloin saadaan tietoa myös kasvien fotosynteesin ja näin ollen hiilensidonnan tehokkuudesta (Kuva 3.). 

Image

Pellon kasvihuonekaasuvaihto voi vaihdella paljonkin eri osissa peltoa, koska kaasuvuon määrään vaikuttavat niin kasvillisuus, maalaji, maan kosteus ja lämpötila. Kammiomittauksia toteutettaessa tarvitaan tarpeeksi rinnakkaisia mittauspisteitä, jotta saadaan oikeanlainen kokonaiskuva pellon kasvihuonekaasuvaihdosta. Kammiomittauksien mittausintensiteetin tulee myös olla tarpeeksi korkea. Esimerkiksi kevättalvella maaperän sulamis-jäätymissyklit ja kasvukaudella annettu typpilannoitus voivat vapauttaa lyhytaikaisesti hyvinkin suuria kaasupitoisuuksia (puhutaan usein päästöpiikeistä), joita harvalla mittausvälillä ei välttämättä saada kiinni, vaikka ne voisivat vaikuttaa olennaisesti vuositaseeseen (Kuva 4). Maatalouspuolella kammiomittauksia pyritään kasvukaudella toteuttamaan usein viikoittain tai vähintään joka toinen viikko, jotta vuositaseen laskenta on luotettava.

Lumipeite ja routaolosuhteet vaikuttavat merkittävästi maaperästä vapautuvien kasvihuonekaasupäästöjen määrään, joten kasvihuonekaasumittauksia tehdään yleensä ympäri vuoden. Talviaikana kaasujen mittaukseen käytetään usein kammiomenetelmän sijasta lumigradienttimenetelmää. Tässä menetelmässä lumipeitteestä otetaan kaasunäytteitä eri kerroksista sekä lumen pinnalta metallipillin ja ruiskujen avulla näyteputkiin (Kuva 5), jotka analysoidaan laboratoriossa kaasukromatografilla. Näytteiden pitoisuuksien, lumihavaintojen ja diffuusioyhtälöiden avulla lasketaan arvio kaasuvuosta. Lumigradienttimenetelmän haasteena ovat tuuliolosuhteet, sillä mittausta ei voida toteuttaa liian kovassa tuulessa, koska tuuli sotkee lumikerroksen pitoisuusvaihtelun, mikä on onnistuneen mittauksen edellytys.

Peltoviljelyn kasvihuonekaasupäästöjä tarkastellaan yleensä vuositasolla (vuositase), koska eri kaasut käyttäytyvät eri tavoin vuodenajasta riippuen. Esimerkiksi N2O:n kasvukauden ulkopuoliset päästöt voivat kattaa jopa 60–99 % koko vuoden päästöistä (Maljanen ym. 2009, Maljanen ym. 2010) ja siksi ympärivuotinen mittaaminen on tärkeää. Hiilen kiertoa tutkittaessa tulisi ottaa huomioon kasveihin sitoutuva, sadonkorjuussa biomassan mukana poistuva sekä mahdollinen orgaanisen lannoitteen mukana ekosysteemiin tuleva hiili (Kuva 6). Ekosysteemin nettohiilenvaihdosta puhuttaessa tarkoitetaan NEE-mittauksien avulla laskettavaa kasvien sitomaa ja ekosysteemin hengityksen (maaperän eloperäisen aineen hajoaminen ja kasvien hengitys) mukana poistuvaa hiiltä. Ekosysteemin kokonaishiilitaseella puolestaan tarkoitetaan, että laskentaan on nettohiilenvaihdon lisäksi huomioitu sadon mukana ekosysteemistä poistuva hiili sekä mahdollisen orgaanisen lannoitteen sinne tuoma hiili. 

Biologisten prosessien pitkäaikainen luonne yhdistettynä suureen vuosienväliseen ja vuodensisäiseen vaihteluun peltojen kasvihuonekaasupäästöissä aiheuttaa sen, että tutkimusten tulisi olla useamman vuoden kestäviä, jotta voidaan tehdä paikkaansa pitäviä johtopäätöksiä. Nurmiviljelyssä käytetään yleisesti 4–5 vuoden nurmikiertoa, joka sisältää 1–2 viljavuotta (jolloin nurmi perustetaan) ja 3–4 nurmivuotta. Eri vuosien päästöt voivat vaihdella paljon nurmen iän sekä viljelytekniikan, erityisesti uusimisen, mutta myös sääolosuhteiden takia. Talvet ja kasvukaudet ovat sääolosuhteiltaan hyvin erilaisia, mikä korostuu entisestään, mikäli ilmastonmuutos etenee erilaisten ennustusten ja skenaarioiden mukaan. Olisikin tärkeää tuntea kierron eri vaiheiden vaikutus koko nurmikierron päästöihin, mihin vaaditaan useamman vuoden kestävää mittaamista. Kasvihuonekaasupäästöjä tutkittaessa kokonaisvaikutus saadaan kiinni vuositaseen ja hiilitaseen kautta, kun kaikki kolme tärkeintä kasvihuonekaasua (CO₂, N₂O ja CH₄) on mitattu, mutta mittauksia voidaan toteuttaa myös muunlaisilla malleilla riippuen tutkimuksen tavoitteista. Riippuen tutkittavasta asiasta välillä tarkastellaan esimerkiksi vain kasvukautta, jolloin vain kesän aikaan toteutetuilla mittauksilla ei voida laskea vuositasetta, mutta saadaan muuten arvokasta tietoa esimerkiksi kasvukauden aikaisesta dynamiikasta.

CO₂, N₂O ja CH₄:lla on eri suuruinen lämmittävä vaikutus ilmakehässä, minkä takia kaasujen vertailuun käytetään usein GWP-kertoimia (global warming potential). IPCC:n (Intergovernmental Panel on Climate Change) viidennen raportin mukaiset kertoimet ovat hiilidioksidi yksi, metaani 28 ja dityppioksidi 265 sadan vuoden tarkastelujaksolla (Myhre ym. 2013). Tämä tarkoittaa siis sitä, että N₂O on 265 kertaa voimakkaampi kasvihuonekaasu kuin CO₂. Tuloksia yhtenäistettäessä kasvihuonekaasupäästöjä lasketaan usein hiilidioksidiekvivalentteina (CO₂-ekv), johon lasketaan kaikkien kolmen kaasun yhteissumma GWP-kertoimilla kerrottuna. Kaikkien kolmen kaasun yhteisvaikutusta laskettaessa voidaan puhua KHK-kokonaistaseesta, johon summataan hiilitaseen lisäksi N₂O:n ja CH₄:n päästöt hiilidioksidiekvivalentteina. 

Gerin, S., Vekuri, H., Liimatainen, M., Tuovinen, J.-P., Kekkonen, J., Kulmala, L., Laurila, T., Linkosalmi, M., Liski, J., Joki-Tokola, E., & Lohila, A. (2023). Two contrasting years of continuous N₂O and CO₂ fluxes on a shallow-peated drained agricultural boreal peatland. Agricultural and Forest Meteorology, 341, 109630. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2023.109630 

Maljanen, M., Virkajärvi, P., Hytönen, J., Öquist, M., Sparrman, T., & Martikainen, P. J. (2009). Nitrous oxide production in boreal soils with variable organic matter content at low temperature – snow manipulation experiment. Biogeosciences, 6(11), 2461–2473. https://doi.org/10.5194/bg-6-2461-2009 

Maljanen, M., Hytönen, J., & Martikainen, P. J. (2010). Cold-season nitrous oxide dynamics in a drained boreal peatland differ depending on land-use practice. Canadian Journal of Forest Research, 40(3), 565–572. https://doi.org/10.1139/X10-004 

Myhre, G., D. Shindell, F.-M. Bréon, W. Collins, J. Fuglestvedt, J. Huang, D. Koch, J.-F. Lamarque, D. Lee, B. Mendoza, T. Nakajima, A. Robock, G. Stephens, T. Takemura and H. Zhang, 2013: Anthropogenic and Natural Radiative Forcing. Teoksessa: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.