Yhteenveto
– Maaperän happamoituminen on luonnollinen prosessi runsassateisissa ympäristöissä, joissa huuhtoutuminen happamoittaa maaperää hitaasti ajan mittaan.
– Intensiivinen maanviljelys voi kiihdyttää maaperän happamoitumista monien prosessien – huuhtoutumisen lisääntymisen, lannoitteiden lisäämisen, tuotteiden poistamisen ja orgaanisen aineksen kasaantumisen – kautta.
– Kaikista tärkeimmistä lannoitteiden ravinteista typpi on tärkein maaperän pH-arvoon vaikuttava ravinne, ja maaperä voi muuttua happamammaksi tai emäksisemmäksi riippuen käytetyn typpilannoitteen tyypistä.
– Nitraattipohjaiset tuotteet ovat typpilannoitteista vähiten happamoittavia, kun taas ammoniumpohjaisilla tuotteilla on suurin potentiaali happamoittaa maaperää.
– Fosforilannoitteiden käytöstä johtuva maaperän happamoituminen on vähäistä verrattuna typestä johtuvaan happamoitumiseen, mikä johtuu tämän ravinteen pienemmistä käyttömääristä ja pienemmästä happamoitumisesta fosforikiloa kohti. Fosforihappo on eniten happamoittava fosforilannoite.
– Kaliumlannoitteilla on vain vähän tai ei lainkaan vaikutusta maan pH:hen.
Tausta
Maaperän happamoituminen on laajalle levinnyt luonnonilmiö alueilla, joilla on keskisuuria tai suuria sademääriä, ja maataloustuotantojärjestelmät voivat kiihdyttää maaperän happamoitumisprosesseja häiritsemällä typen (N), fosforin (P) ja rikin (S) luontaista kiertokulkua maaperässä, poistamalla maataloustuotteita maasta sekä lisäämällä lannoitteita ja maanparannusaineita, jotka voivat joko happamoittaa maaperää tai tehdä siitä emäksisemmän (Kennedy 1986). Maaperän pH:n muutokset voivat olla edullisia tai haitallisia riippuen maaperän lähtötilanteen pH:sta sekä pH:n muutoksen suunnasta ja nopeudesta – esimerkiksi maaperän pH:n aleneminen emäksisessä maaperässä voi olla edullista kasvintuotannolle, koska siitä on hyötyä P:n ja hivenaineiden, kuten sinkin (Zn), saatavuuden kannalta (Mitchell et al. 1952). Toisaalta maaperän pH:n aleneminen erittäin happamassa maaperässä voi olla haitallista, koska se voi lisätä viljelykasvien alttiutta myrkyllisyydelle, joka johtuu alumiinin (Al) tai mangaanin (Mn) lisääntyneestä liukoisuudesta maaperän pH:n laskiessa (Wright 1989).
Seuraavassa kuvataan keskeisiä prosesseja ja syitä maaperän pH:n muutoksiin maatalousjärjestelmissä.
Lannoitteiden käyttö
Mineraalisten tai orgaanisten lannoitteiden käyttö maataloudessa lisää ravinteiden syöttöä maaperään, ja ravinteiden levitysmuoto ja niiden kohtalo maaperän ja kasvin välisessä systeemissä määräävät kokonaisvaikutukset maaperän pH:han. Makroravinteet (N, P, kalium (K) ja S) vaikuttavat eniten pH:han, koska niitä lisätään maaperään paljon suurempia määriä kuin mikroravinteita.
Typpi
Typen olomuoto ja sen kohtalo maaperän ja kasvin välisessä järjestelmässä on todennäköisesti tärkein tekijä, joka vaikuttaa maaperän pH:n muutoksiin maatalousjärjestelmissä.
Typpeä voidaan lisätä maaperään monessa muodossa, mutta pääasialliset käytetyt lannoitteiden N-muodot ovat urea (CO(NH₂)₂), monoammoniumfosfaatti (NH₄H₄H₂PO₄), diammoniumfosfaatti ((NH₄)₄HPO₂), ammoniumnitraatti (NH₄NO₃), kalsiumammoniumnitraatti (CaCO₃+NH₄(NO₃)), ammoniumsulfaatti ((NH₄)₂SO₄), virtsa-aineen ammoniumnitraatti (virtsa-aineen ja ammoniumnitraatin seos) ja ammoniummoniumpolyfosfaatti (n).
Maaperän pH:n muutosten kannalta keskeisiä N-molekyylejä ovat varaukseton ureamolekyyli (0), kationi ammonium (NH₄+) ja anioni nitraatti (NO₃-). N:n muuntamiseen yhdestä muodosta toiseen liittyy happamuuden syntyminen tai kuluminen, , ja myös urean, ammoniumin tai nitraatin otto kasveihin vaikuttaa maan happamuuteen (kuva 1).
Kuva 1. Maan happamuus. Maan happamuus ja typpilannoitteet (muokattu lähteestä (Davidson 1987)). MAP = monoammoniumfosfaatti, DAP = diammoniumfosfaatti, SoA = ammoniakkisulfaatti, CAN = kalsiumammoniumnitraatti, natriumnitraatti
Kuvasta 1 nähdään, että ammoniumpohjaiset lannoitteet happamoittavat maaperää, koska ne synnyttävät jokaista nitraatiksi nitrifioitunutta ammoniummolekyyliä kohti kaksi H⁺-ionia. Happamoitumisen laajuus riippuu siitä, huuhtoutuuko ammoniumista tuotettu nitraatti vai imeytyykö se kasveihin. Jos kasvit ottavat nitraatin talteen, nettohapettuminen ammoniummolekyyliä kohti puolittuu verrattuna tilanteeseen, jossa nitraatti huuhtoutuu. Tämä johtuu yhden H⁺-ionin kulutuksesta (tai OH-:n erittymisestä) jokaista nitraattimolekyyliä kohden – tämä havaitaan usein pH:n noustessa ritsosfäärissä (Smiley ja Cook 1973). Vedetön ammoniakki ja urea aiheuttavat vähemmän happamoitumista kuin ammoniumpohjaiset tuotteet, koska ammoniumiksi muutettaessa kuluu yksi H⁺-ioni. Nitraattipohjaisilla lannoitteilla ei ole happamoitumispotentiaalia, ja ne voivat itse asiassa nostaa maaperän pH:ta, koska kasvi absorboi yhden H⁺-ionin (tai erittää OH-ionin) nitraattia ottaessaan.
Fosfori
Maahan lisätyn P-lannoitteen muoto voi vaikuttaa maaperän happamuuteen pääasiassa siten, että fosfaattimolekyyli vapauttaa tai saa H⁺-ioneja maaperän pH:sta riippuen (kuva 2). Jos maaperään lisätään fosforihappoa (PA), molekyyli happamoittaa aina maaperää, koska H⁺-ioneja vapautuu – yksi H⁺-ioni, jos maaperän pH on alle ~6,2, ja kaksi H⁺-ionia, jos maaperän pH on yli 8,2. Monoammoniumfosfaatti (MAP), yksinkertainen superfosfaatti (SSP) ja kolminkertainen superfosfaatti (TSP) lisäävät maaperään P:tä H₂PO₄-ionin muodossa, mikä voi happamoittaa maaperää, jonka pH on yli 7,2, mutta ei vaikuta maaperän pH:han happamissa maaperissä. Diammoniumfosfaatin (DAP) P-muoto on HPO₄²-, joka voi tehdä happamista maista (pH<7,2) emäksisempiä, mutta ei vaikuta maaperään, jonka pH>7,2. Ammoniumpolyfosfaatin (APP) hydrolyysi, jossa P₂O₇⁴-molekyylinä oleva P muuttuu HPO₄²-:ksi, on pH-arvoltaan neutraali, joten P:n lisäämisestä johtuvaa happamoitumista voidaan pitää DAP:n kaltaisena. SSP:n tai TSP:n ilmoitetaan joskus aiheuttavan maaperän happamoitumista, koska reaktiotuotteet ovat hyvin happamia;
Ca(H₂PO₄)₂+ ₂H₂O -> CaHPO₄ + H⁺ + H₂PO₂-
mutta maaperässä, jonka pH-arvot ovat pienemmät kuin 7.7 seuraava reaktio neutraloi syntyvän happamuuden niin, että nettohapettumista ei tapahdu;
CaHPO₄ + H₂O -> Ca₂+ + H₂PO₄- + OH-
Korkean pH:n maaperässä (pH >7.2) H+ -ionin dissosiaatio H₂PO₄- molekyylistä tuottaa jonkin verran happamuutta.
Kasvien P:n otto vaikuttaa vain vähän maan happamuuteen, koska lannoitteiden P:n otto on vähäistä vuodessa – näin ollen lannoitekemia hallitsee pH:n muutoksia, eikä merkittäviä eroja ritsosfäärin pH:ssa ole havaittu eri ortofosfaatti-ionien oton yhteydessä.
Kuvio 2. Maan happamuus. Maan happamuus ja P-lannoitteet. MAP = monoammoniumfosfaatti, DAP = diammoniumfosfaatti,
SSP = yksinkertainen superfosfaatti, TSP = kolminkertainen superfosfaatti, APP = ammoniumpolyfosfaatti.
Rikki
Maahan lisätyn S-lannoitteen muoto voi vaikuttaa maan happamuuteen pääasiassa H⁺-ionien vapautumisen kautta, kun maahan lisätään elementaarista S:ää (S⁰) tai tiosulfaattia (S₂O3²-, ammoniumtiosulfaatissa – ATS) (kuva 3). Maaperään lisätyn ja kasvien ottaman S:n määrät ovat kuitenkin yleensä pieniä verrattuna N:ään.
Kuva 3. Maan happamuus ja S-lannoitteet. S⁰ = alkuaine S, ATS = ammoniumtiosulfaatti, SoA = ammoniakkisulfaatti.
Jokaista maaperään lisättyä S⁰-molekyyliä kohti syntyy kaksi H⁺-ionia, ja nämä voidaan tasapainottaa kasvien kautta joko H⁺:n ottamisella (sama kuin OH-ionien erittyminen) tai OH-:n (käytännössä orgaanisten anionien) muodostumisella kasvin sisällä emäksisen kasvimateriaalin muodostamiseksi (”tuhkan emäksisyys”). Jos tuotteet poistetaan (mikä on usein tilanne maatalousjärjestelmissä), maaperän nettohapettuminen tapahtuu, jos käytetään S⁰:ta tai ATS:ää.
Kalium
Muodolla, jossa K:ta lisätään maaperään – joko kalimuraatilla (KCl) tai kaliumsulfaatilla (K₂SO₄) – ei ole vaikutusta maaperän happamoitumiseen.
Happamoituminen Microessentials-tuotteilla