Kasteluvesi fysikaalis-kemiallisena ja biologisena järjestelmänä
kirjoittanut
Maatalouden kasteluasiantuntija, jolla on käytännön kokemusta vilja-, vihannes- ja hedelmätarhatuotannosta ja joka on keskittynyt satojen maksimointiin sekä tiimien, koneiden ja teknisen raportoinnin hallintaan. Yhdistää tieteelliset periaatteet käytännönläheiseen kenttätyöhön.
Tilaa kuukausittainen uutiskirjeemme vedestä
Saatamme lähettää sinulle sähköpostia, jos meillä on jotain uutisoinnin arvoista, jonka vesiensuojelun ammattilaisemme ovat kirjoittaneet
Agronomisesta näkökulmasta katsottuna veden laatu ei siis ole yksittäinen parametri. Se on fysikaalisten, kemiallisten ja biologisten ominaisuuksien yhteistulos, ja nämä ominaisuudet jatkavat vuorovaikutustaan sen jälkeen, kun vesi päätyy kastelujärjestelmään ja maaperään.
Sähkönjohtavuus ja suolaisuus: pitoisuus ratkaisee, mutta niin myös koostumus
Sähkönjohtavuus (EC) kuvaa veteen liuenneiden ionien pitoisuutta. Ionipitoisuuden kasvaessa sähkönjohtavuus yleensä lisääntyy.
FAO:n (Yhdistyneiden kansakuntien elintarvike- ja maatalousjärjestö) ohjeistuksessa käytetään yleisesti viitearvona 0,7 dS/m, jonka alittavilla arvoilla suolaisuuteen liittyvät rajoitukset ovat suhteellisen vähäisiä monissa tavanomaisissa kastelutilanteissa. Välillä 0,7–3,0 dS/m vaaditaan enemmän huomiota kasvien sietokykyyn, maaperän ominaisuuksiin, kuivatukseen ja hallintamenetelmiin. Korkeammat arvot voivat aiheuttaa merkittäviä rajoituksia, mutta ei ole olemassa yleispätevää sähkönjohtavuuden kynnysarvoa, joka määrittäisi sopivan kasteluveden jokaiselle viljelykasville.
Tämä erottelu on tärkeä, koska sähkönjohtavuus kuvaa ionien kokonaismäärää, ei sitä, mitä ioneja vedessä on. Kahdella vedellä, joilla on sama sähkönjohtavuus, voi olla hyvin erilaiset natriumin, kloridin, kalsiumin, magnesiumin tai bikarbonaatin pitoisuudet ja siten hyvin erilaiset agronomiset seuraukset.
Suolaisuus vaikuttaa myös suoraan kasvin ja veden välisiin suhteisiin. Suolapitoisuuden nousu alentaa maaveden osmoottista potentiaalia, mikä pienentää gradienttia, joka kuljettaa vettä juureen.
Tästä johtuen korkea maan kosteus ei välttämättä tarkoita veden hyvää saatavuutta kasville. Maaperässä voi olla riittävästi vettä, vaikka juuri kärsii fysiologisesta vesistressistä, koska kyseisen veden ottaminen vaatii suuremman energeettisen ja osmoottisen gradientin.
Happi: fysikaalinen linkki kastelun ja juurten aineenvaihdunnan välillä
Vesipitoisuus määrittää myös sen, kuinka tehokkaasti happi pääsee juuristovyöhykkeelle.
Molekyylihappi diffundoituu veteen noin 10 000 kertaa hitaammin kuin ilmaan. Kun kastelu täyttää ilmaa sisältävät maahuokoset vedellä, kaasujen diffuusio vähenee jyrkästi. Jos juurten ja mikro-organismien hapenkulutus ylittää sen korvautumisnopeuden, voi kehittyä hypoksia, vaikka maaperässä olisi runsaasti vettä.
Tällä on suoria seurauksia juurille, sillä aerobinen hengitys tuottaa ATP:tä, jota tarvitaan solujen ylläpitoon, kasvuun ja aktiiviseen kalvokuljetukseen.
Mutta hapen saatavuus vaikuttaa myös laajempaan kokonaisuuteen: ritsosfäärin mikrobiologiseen ja kemialliseen tilaan.
Happi määrittää, mitkä mikrobien aineenvaihduntaprosessit ovat mahdollisia
Mikro-organismit tarvitsevat elektronivastaanottimia energian hankkimiseen.
Aerobisissa olosuhteissa happi on monille maaperän mikro-organismeille ensisijainen elektronivastaanotin, koska aerobinen hengitys tuottaa korkean energiasaannon.
Kun happi vähenee, fakultatiiviset ja anaerobiset mikro-organismit voivat alkaa käyttää vaihtoehtoisia hapettuneita yhdisteitä.
Pelkistävien olosuhteiden kehittyessä voi tapahtua tyypillinen sarja:
O₂ → NO₃⁻ → Mn(IV) → Fe(III) → SO₄²⁻
Tarkka järjestys ja nopeus riippuvat pH-arvosta, lämpötilasta, orgaanisen hiilen saatavuudesta ja maaperän olosuhteista, mutta periaate on perustavanlaatuinen: hapen saatavuuden muuttuminen muuttaa mikrobien aineenvaihduntaa, ja mikrobien aineenvaihdunta muuttaa maaperän kemiaa.
Siksi hapenpuutetta ei voida pitää pelkästään juurihengityksen ongelmana.
Se on myös biogeokemiallinen ongelma.
DO ja ORP kuvaavat saman järjestelmän eri osia
Liuennut happi (DO) mittaa molekyylihapen pitoisuutta vedessä.
Hapetus-pelkistyspotentiaali (ORP tai Eh) kuvaa ympäristön taipumusta ottaa vastaan tai luovuttaa elektroneja ja antaa siten tietoa sen redoks-tilasta.
Ne liittyvät toisiinsa, mutta eivät ole samoja asioita.
Kun happea kulutetaan, ORP siirtyy yleensä kohti pelkistävämpiä olosuhteita. Mikrobien välittämät reaktiot voivat tällöin muuttaa typen, mangaanin, raudan ja rikin kemiallista tilaa ja liikkuvuutta.
Vesitetyistä maaperistä tehty tutkimus osoittaa, että hapen vähenemistä seuraa denitrifikaatio ja asteittain etenevät pelkistävät muutokset mangaani-, rauta- ja rikkiyhdisteissä.
Kastelun ja juurialueen arvioinnissa tämä tarkoittaa, että DO, ORP, pH ja sähkönjohtavuus tarjoavat yhdessä enemmän tietoa kuin mikään näistä parametreista yksinään.
Mikrobiologia ja ravinteiden saatavuus liittyvät läheisesti toisiinsa
Ritsosfääri ei ole vain maaperää, joka sisältää juuria. Se on erittäin aktiivinen rajapinta, jossa juurieritteet tarjoavat hiililähdettä mikro-organismeille ja mikrobitoiminta muuttaa ravinteiden saatavuutta.
123 tutkimuksen meta-analyysi osoitti, että käytettävissä olevan typen määrä oli noin 10 % korkeampi ritsosfäärissä kuin ympäröivässä maaperässä, ja mikrobipopulaatioiden tiheydet olivat huomattavasti suuremmat juurten ympärillä.
Samanaikaisesti käytettävissä olevan fosforin määrä oli alhaisempi, mikä heijastaa voimakasta kilpailua ja biologista kysyntää tällä vyöhykkeellä.
Siksi maaperän biologian kuvaileminen pelkästään muodossa ”enemmän mikro-organismeja = parempi maaperä” on tieteellisesti puutteellista.
Ratkaisevaa on mikrobiyhteisön koostumus ja toiminnallinen aktiivisuus yhdessä niiden fysikaalisten ja kemiallisten olosuhteiden kanssa, jotka määrittävät, mitkä metaboliset prosessit ovat hallitsevia.
Happi on yksi näistä säätelevistä tekijöistä.
Samat vuorovaikutukset tapahtuvat kastelujärjestelmien sisällä
Ennen kuin vesi saavuttaa maaperän, fysikaaliset, kemialliset ja biologiset prosessit vaikuttavat jo toisiinsa säiliöissä, putkistoissa ja suuttimissa.
Tihkukastelujärjestelmän tukkeutuminen jaetaan perinteisesti kolmeen luokkaan:
Fysikaalinen: leijuvat hiukkaset ja sedimentin kerääntyminen.
Kemiallinen: liuenneiden mineraalien saostuminen.
Biologinen: mikrobien kasvu ja biofilmin muodostuminen.
Käytännössä nämä mekanismit menevät usein päällekkäin. Biofilmit voivat sitoa mineraali- ja savihiukkasia, ja kasteluveden ravinteet sekä orgaaninen hiili tukevat mikrobien kasvua.
Laajassa tihkukastelujärjestelmiä käsittelevässä katsauksessa tukkeutumista kuvataan samanaikaisesti fysikaaliseksi, kemialliseksi ja biologiseksi prosessiksi, jossa veden laatu määrittää riskin ja hallitsevan mekanismin.
Biofilmi itsessään ei ole pelkkää kertynyttä likaa. Se on järjestäytynyt mikrobiyhteisö, joka on sulautunut solunulkoisiin polymeerisiin aineisiin.
Saman biofilmin sisällä voi kehittyä happigradientteja, kun veden rajapinnan lähellä olevat organismit kuluttavat happea ennen kuin se ehtii diffundoitua syvempiin kerroksiin.
Tästä syystä jopa millimetrin mittakaavassa voi esiintyä rinnakkain erilaisia mikrobien aineenvaihduntaprosesseja.
Hyvää kasteluvettä ei voi määritellä yhdellä luvulla
Tieteellisesti merkityksellinen kysymys ei ole se, onko kasteluvesi yksinkertaisesti ”puhdasta”.
Vaan se, ovatko sen fysikaaliset, kemialliset ja biologiset ominaisuudet yhteensopivia viljelykasvin, kastelujärjestelmän ja juurialueen ympäristön kanssa.
Hyödyllisessä arvioinnissa yhdistetäänkin seuraavat tekijät:
Sähkönjohtavuus ja ionikoostumus – suolaisuuden ja tiettyjen ionien aiheuttamien riskien ymmärtämiseksi.
pH ja alkaliteetti – kemiallisen tasapainon ja saostumispotentiaalin ymmärtämiseksi.
DO ja ORP – hapen saatavuuden ja redoks-olosuhteiden ymmärtämiseksi.
Sameus ja kiintoaineet – fysikaalisen kuormituksen arvioimiseksi.
Orgaaninen aines ja mikrobitoiminta – biologisen kuormituksen ja biofilmin muodostumispotentiaalin arvioimiseksi.
Lämpötila – koska se vaikuttaa hapen liukoisuuteen, mikrobitoimintaan ja kemiallisten reaktioiden nopeuteen.
Nämä parametrit eivät ole toisistaan riippumattomia. Vesipitoisuus säätelee hapen kulkeutumista. Happi vaikuttaa mikrobien aineenvaihduntaan. Mikrobien aineenvaihdunta muuttaa redoks-kemiaa. Redoks-kemia muuttaa ravinteiden ja metallien käyttäytymistä. Suolaisuus vaikuttaa veden ottoon.
Ja kaikki nämä prosessit kohtaavat ritsosfäärissä.
Siksi kasteluveden laatua ei pitäisi ymmärtää erillisten mittausten kokoelmana, vaan dynaamisena fysikaalis-kemiallisena ja biologisena järjestelmänä.
