Metsäpuutkin sitovat typpeä juuriston kautta – lepän avulla kangasmetsiä voisi lannoittaa puoli-ilmaiseksi

Nyt on selvitetty, mitä lahoavissa puissa ja juurissa tapahtuu ja mikä merkitys sillä on typpitaloudelle. Kuva: Kari Salonen

Koivun ja kuusen elävissä ja lahoavissa juurissa on ensimmäistä kertaa osoitettu tapahtuvan typensidontaa.

"Typen kierto boreaalisissa metsissä on erittäin tärkeä asia, koska niissä kaikki kasvu on typpirajoitteista. On tärkeä selvittää, mistä typpi sinne tulee", sanoo tutkimusprofessori Raisa Mäkipää Luonnonvarakeskuksesta (Luke).

Luken tutkimuksessa testattiin juurissa tapahtuvaa ei-symbionttista typensidontaa. Aiemmin puumaisista juurista on mitattu korkeita typensidontanopeuksia lauhkean vyöhykkeen metsistä.

"Viimeisten parin vuoden aikana on selvinnyt, minkälaista biologista typensidontaa metsissä on lahopuussa ja lahoavissa puumaisissa, paksuissa juurissa. Sitä ennen on analysoitu, mitä tapahtuu lahoavissa rungoissa lahoamisen aikana."

"Elävän puun puuaines on hyvin vähätyppisiä, mutta lahoamisen aikana sinne kertyy typpeä. Mistä typpi sinne tulee, tämä on nyt selvitetty", Mäkipää kertoo.

Kysymys lahopuun typpitaloudesta on keskeinen, kun selvitetään lahoamisnopeuteen vaikuttavia tekijöitä tai mietitään esimerkiksi kantojen ja hakkuutähteen korjuuta tai niiden jättämistä metsään.

"Tässä lähdettiin katsomaan, millainen typpitehdas lahoavissa juurissa on, ja jos juuret nostetaan, onko sillä vaikutusta typpitalouteen", Mäkipää sanoo.

Hän huomauttaa, että kaikki liittyy siihen, mistä typpi on tullut maaperään. "Muut ravinteet ovat tulleet mineraalien rapautumisesta, mutta typpi on kertynyt jääkauden jälkeen eri paikoissa tapahtuneen typensidonnan seurauksena."

Metsämaaperässä ei-symbioottisten typensitojien ylläpitämiä ilmaisia typpitehtaita on todettu karikkeesta, lahopuusta, sammalista ja nyt siis puumaisista juurista. Lisäksi typensidontaa tapahtuu muun muassa lepän juurinystyröissä ja joissakin jäkälissä kuten pohjankorvajäkälässä ja pilkkunahkajäkälässä.

Luonnonvarakeskuksen tutkimuksessa typensidontaa osoitettiin tapahtuvan sekä kuusen että rauduskoivun puumaisissa elävissä ja lahoavissa juurissa.

Kuusen juurissa ilmakehän typpeä sitoutui nopeammin kuin rauduskoivun juurissa. Lahoavien ja elävien juurten typensidonnan nopeuksissa ei havaittu eroa.

Tutkimuksessa laskettiin koealoille myös juuribiomassan määrä. Sen avulla voitiin arvioida vuosittainen hehtaarikohtainen typensidontakapasiteetti.

Kuusen elävien ja lahonneiden juurien yhdistetty typensidonta oli kahdella kohteella, Heinolassa ja Heinävedellä, 0,06 kiloa typpeä hehtaaria kohti vuodessa. Pohjoisimmalla, Joensuun Enossa olleella koealalla sitoutui typpeä 0,15 kiloa hehtaaria kohti vuodessa.

Koivun juurien typensidontaa tutkittiin vain Enossa. Vuosittainen typensidonta hehtaaria kohti oli 0,16 typpeä hehtaaria kohti vuodessa. Saman verran typpeä sitoivat kuusi-koivu -sekametsän juuret.

Nyt mitatut ei-symbioottisen typensidonnan määrät olivat hyvin pieniä verrattuna nykyiseen typpilaskeumaan, joka voi olla vuodessa useita kiloja typpeä hehtaaria kohden.

"Niillä alueilla, joilla typpilaskeuma on kasvanut, typensitojat ovat lopettaneet typensidonnan, koska se on niille energiataloudellisesti kallista. Mikrobien ei kannata tehdä sitä, jos sitä tulee taivaalta ilmaiseksi", Mäkipää huomauttaa.

Hän mainitsee, että tämän vuoksi sammalten pinnoilla ei Etelä-Suomessa oikeastaan tapahdu typensidontaa, mutta pohjoisempana, jossa laskeuma on pienempi, sitä edelleen tapahtuu aktiivisesti.

Se, että kuusella ei-symbioottinen typensidonta on isompaa kuin koivulla tai kuusi-koivu -sekametsällä selittyy Mäkipään mukaan sillä, että kuusella on kovempi pula typestä.

"Voi myös olla niin, että koivujen juuriston läheisyydessä maaperän biologinen aktiivisuus on parempaa ja ympärillä olevasta maaperästä ravinteita vapautuu nopeammin."

"On kiinnostavaa, että puumaisiin juuriin liittyy typensidonta-aktiivisuutta. Alunperin ajateltiin, että tämä liittyy puun lahoamiseen ja siihen, että lahoavassa puussa on suotuisat olot typensidonnalle. Uutta oli, että sitä oli myös elävän juuren pinnalla."

"Meillä lopputuloksena on, että vuosittain sitoutuvan ei-symbioottisen typen määrällä ei ole ratkaisevaa merkitystä metsämaan typpitaseelle, mutta se on kumulatiivisesti osaselitys, mistä maaperän typpi on tullut", Mäkipää summaa.

"Juurten ja kantojen korjuussa muilla tekijöillä on isompi merkitys maaperän typen määrälle kuin tällä", hän huomauttaa.

Lahopuunäytteistä löydettyjä typensitojia on selvitetty dna-näytteiden perusteella.

"Oletimme, että siellä on syanobakteereja, kuten sammalilla. Näin ei ollut, vaan siellä oli metanotrofeja, jotka osallistuvat metaanikiertoon ja voivat hapettaa metaania."

Aiemmassa Tuula Larmolan tutkimuksessa on selvinnyt, että soilla typensitojat käyttävät metaania energian lähteenä typensidonnassa.

"Nyt etsimme samanlaista linkkiä lahopuusta, onko siellä tekijöitä, jotka tuottavat metaania puussa. Mari Pihlatie on osoittanut, että eläväkin puu hengittää metaania, mutta ei tiedetä, miksi sitä on puussa", Mäkipää mainitsee.

Typensidonta liittyy tiettyyn geeniin. "Tämän geenin avulla saadaan selville, minkälaisiin lajiryhmiin meidän löytämämme mikrobilajit kuuluvat", Mäkipää kertoo.

"Olemme selvittäneet, mitä lahoavissa puissa ja juurissa tapahtuu ja mikä merkitys sillä on typpitaloudelle. On saatu oleellista lisätietoa."

Kiinnostavaa on juurien, mykorritsan eli sienijuuren ja ei-symbioottisten typensitojabakteerien yhteys.

"Eri sienilajit tuovat typpeä maaperästä lahoavaan puuhun. Sienet tulevat mukaan aika varhaisessa vaiheessa. Mykorritsan rihmasto kasvaa lahopuuhun, joka on niille suotuisa paikka."

Metsässä pitkään lahonnut puu on suotuisa kasvupaikka luontaisesti syntyville puun taimille, koska siellä on mykorritsasienten rihmasto valmiina, sanoo Mäkipää.

Typen sidonta pienessä mittakaavassa ei ole harvinaista, sanoo johtava tutkija Aino Smolander Luonnonvarakeskuksesta.

"Silloin kun typensitojat ovat juuren pinnalla, lahopuussa tai vaikka maassa, ne joutuvat kilpailemaan muiden mikrobien kanssa. Mutta silloin kun typensidonta tapahtuu symbioottisesti juurinystyröissä, kasvi tarjoaa bakteerille hiiltä ja energiaa, eikä ole mitään kilpailua ja bakteeri tuottaa kasville typpeä", Smolander toteaa.

"Metsämaassa on runsaasti typpeä, mutta siitä on kasveille käyttökelpoista vain olematon osa, ehkä 1–2 prosenttia. Enimmäkseen maaperän typpi on hyvin voimakkaasti sitoutuneena orgaaniseen ainekseen kasveille käyttökelvottomassa muodossa."

Smolander mainitsee esimerkkinä metsämaassa olevista vaikeasti hajotettavista yhdisteistä tanniini-proteiini -kompleksit.

"Tanniinit ovat hankalasti hajotettavia fenolisia yhdisteitä. Ne sitovat proteiinin niin lujasti itseensä, että sen paremmin kasvit kuin mikrobitkaan eivät saa siitä typpeä irti kovin helposti."

"Mikrobeja tällaisiin purkutöihin tarvitaan, ne kykenevät vuosien saatossa vaikka mihin. Mutta etupäässä ne suosivat helpompia kohteita, kuten uutta kariketta. Vasta jos uutta kariketta ei tule, ne alkavat ottaa typpeä maaperään kertyneestä vaikeasti hajotettavasta typestä", Smolander havainnollistaa.

Smolander nostaa metsämaitten tärkeimmiksi typensitojiksi lepät, palkokasvejahan metsissä ei paljoa esiinny. Leppien juurinystyröissä typpeä sitovat puun kanssa symbioosissa olevat Frankia-bakteerit.

"Harmaa- ja tervalepän lisäksi meillä ovat Frankia-kasveja tyrni ja suomyrtti."

Lepät olisivat hyviä puulajeja maaperän parantamisessa, mutta siinä on omat ongelmansa.

"Harmaaleppä ei itsessään ole arvokas puulaji, ja sen hyödyntäminen on metsätaloudessa ongelmallista. Se voisi sopia lyhytkiertoviljelyyn energiapuuksi. Toisaalta kangasmetsiin se toisi paljon niiden minimiravinnetta typpeä tavallaan puoli-ilmaiseksi, jos osaisimme hyödyntää sitä enemmän niin, ettei se haittaisi arvokkaampien puiden kasvua", Smolander pohtii.

Hän muistuttaa, että varsinkin kuusi pystyy kasvamaan varjossa, joten leppä sopisi niille typen tuottajaksi siinäkin mielessä metsänuudistamisen alkuvaiheissa. "Koivumetsissä sitä ei voi sallia kovin pitkään ettei se varjosta koivua."

Typensidontatapoja

Kaikki biologinen typensidonta ilmakehän typestä ammoniumtypeksi perustuu bakteeritoimintaan.

Maaperässä tapahtuva vapaa typensidonta on hyvin pientä.

Assosiatiivinen typensidonta tapahtuu kasvien juurien pinnoilla. Se on pientä, eikä siihen osallistuvia bakteerilajejakaan ole paljoa.

Sammalissa ja jäkälissä syanobakteerit sitovat pieniä määriä typpeä.

Symbioottinen typensidonta tapahtuu kasvien juurinystyröissä tai jäkälien syanobakteeriosakkaassa.

Palkokasvien juurinystyröissä Rhizobium-bakteerit toimivat typensitojina; lepissä, tyrnissä ja suomyrtissä Frankia-bakteerit.

Juurinystyröissä tapahtuva symbioottinen typensidonta on hyvin tehokasta. Se voi olla kymmeniä tai jopa satoja kiloja hehtaaria kohti vuodessa.

Luonnonvarakeskuksen tutkijoiden tieteellinen artikkeli "Asymbiotic nitrogen fixation on woody roots of Norway spruce and Silver birch" on julkaistu Canadian Journal of Forest Sciencessa ja "Accumulation rates and sources of external nitrogen in decay wood in a Norway spruce dominated forest" Functional Ecology sarjassa.

Lue myös:

Aino Smolanderin kolumni: Leppä parantaa metsän typpitilannetta