Biohiilen vaikutus nitraatin pidättymiseen ja pidättymisen vaikutus nitraatin käyttökelpoisuuteen

Runsas väkilannoitetypen käyttö kasvien typen tarpeen tyydyttämiseksi ja runsaampien satojen saamiseksi sekä karjatalouden keskittyminen tietyille alueille, ovat lisänneet maataloudesta aiheutuvaa typen vesistökuormitusta. Lisääntynyt ympäristötietoisuus on kuitenkin nostanut kestävyyden ja ilmastoviisaan ruoantuotannon osaksi maatalouden tavoitteita, mikä on lisännyt eloperäisten tai kierrätysaineista valmistettujen tai yhteiskunnan sivuvirroista valmistettujen maanparannusaineiden käyttöä. Maanparannusaineina käytettävien tuotteiden kenttä on laaja ja niiden vaikutukset moninaiset, mutta biohiilestä on etsitty ratkaisua liukoisen nitraatin (NO3-) ympäristökuorman vähentämiseksi. Tämän maisterintutkielman tavoitteena oli kartoittaa kahden kaupallisen biohiilen sekä synteettisen hiilipolymeerin vaikutusta nitraatin pidättymiseen, ja toisaalta pidättymisen vaikutusta nitraatin käyttökelpoisuuteen kasveille. Tutkimus koostui kahdesta osasta, josta ensimmäisessä osassa tutkittiin maanparannusaineiden kykyä pidättää maanparannusaineisiin esimuhitettua nitraattia peräkkäisten uuttojen avulla. Toinen osa koostui kasvatuskokeesta, jossa tarkasteltiin maanparannusaineisiin mahdollisesti pidättyneen nitraatin käyttökelpoisuutta ohralle kasvin kasvun ja klorofyllipitoisuuksien avulla. Uuttokokeen perusteella saksanpähkinänkuoresta valmistettu biohiili (Biohiili 1) osoitti kykyä pidättää nitraattia, koska kahden ensimmäisen uuton aikana biohiilestä ei vapautunut käytännössä lainkaan esimuhituksessa lisätystä nitraatista. Sen sijaan kuusesta valmistettu biohiili (Biohiili 2) ja hiilipolymeeri vapauttivat merkittävästi ja asteittain vähemmän nitraattia peräkkäisissä uutoissa. Kolmen peräkkäisen uuton jälkeen Biohiili 1:sta uuttui vain 1,8 % esimuhituksessa lisätystä typestä, kun taas Biohiili 2:sta uuttui 80 %. Hiilipolymeerillä uuttuneen nitraatin määrä oli yli 100 %, josta osa NO3-N oli peräisin itse tuotteesta. Kasvatuskokeen perusteella typpi ei todennäköisesti ollut ohrien kasvua rajoittava tekijä, ja vaikka Hiilipolymeeri sisälsi itsessään merkittävästi enemmän epäorgaanista typpeä, se ei johtanut korkeam-paan biomassaan. Erot ohrien biomassan ja klorofyllin kehityksessä liittyvät todennäköisimmin muihin ympäristötekijöihin. Mahdollisia selityksiä ovat fysikaalis-kemialliset erot kasvualustassa, mukaan lukien kasvualustan pH (biohiilillä emäksinen ja Hiilipolymeerillä hapan), irtotiheys ja huokoisuus, mutta lisäksi kesällä 2021 koettu poikkeuksellisen kuuma sää vaikutti todennäköisesti myös ohran kasvuun. Biohiilet ovat potentiaalisia maanparannusaineita vähentämään maataloudesta aiheutuvaa typen ympäristökuormitusta, ilman että ne vaikuttavat kasveille käyttökelpoisen typen määrään merkittävästi. Biohiilen valmistuksessa käytetty raaka-aine sekä valmistusprosessi vaikuttavat kuitenkin merkittävästi lopulliseen tuotteeseen, minkä vuoksi tarvitaan lisää tutkimusta ominaisuuksista, jotka vaikuttavat nitraatin pidättymisen tehokkuuteen.

Extensive nitrogen fertilizer application in agricultural soils to meet the nitrogen needs of plants and to obtain higher yields, as well as the concentration of livestock farming in certain areas, causes increasing nitrogen leaching losses to waterways. However, increased environmental awareness has made sustainability and climate-wise food production part of agricultural goals, which has increased the use of soil amendments made from organic or recycled materials or by-products of the society. The field of products used as soil amendments is wide and their effects are varied. Biochar has been shown to be a potential amendment to reduce nitrate (NO3-) leaching from agricultural soils. The aims of this master’s thesis were to evaluate the potential of two commercial biochars and synthetic carbon polymer on nitrate sorption and the availability of nitrate to plants. The study consisted of two parts, the first of which examined the ability of soil amendments to retain nitrate, incubated into soil amendments, by consecutive extractions. The second part consisted of a growth experiment, where the availability of nitrate – possibly retained into soil amendments, for barley was studied by plant growth and chlorophyll content. Based on the extraction experiment, the biochar made from walnut shell (Biochar 1) showed the ability to retain nitrate as it released practically none of the added NO3- during the first two extractions. In contrast, biochar made from spruce (Biochar 2) and Carbon polymer, released NO3- but progressively less during each consecutive extraction. After three extractions, the recovery of added NO3- was only 1.8% from Biochar 1 while the recovery from Biochar 2 and Carbon polymer was 80 % and over 100 %, respectively. Based on the growth experiment, nitrogen did not seem to be a growth-limiting factor during the experiment, and even though Carbon polymer contained significantly more inorganic nitrogen by itself, it did not translate to higher biomass or chlorophyll content. The differences in biomass parameters are most likely related to other factors. Possible explanations include physico-chemical differences in the growth medium including pH (basic with biochars and acid with Carbon polymer), bulk density and aera-tion. The exceptionally hot weather, experienced during summer 2021, likely influenced the results as well. Biochars are potential soil amendments to reduce the nitrogen load from agriculture without significantly affecting the availability of nitrate to plants. However, the raw material used and the production procedures have a significant impact on the final product, which is why more research is needed to understand the properties affecting the efficiency of nitrate sorption.