Maaperän ravintoverkko

Maaperän ravintoverkko on organismien yhteisö, joka elää koko elämänsä tai osan siitä maaperässä. Ravintoverkon käsite (eng. Soil food web) kuvaa maaperän monitasoista elävää järjestelmää sen erilaisia vuorovaikutuksia ympäristön, kasvien ja eläinten kanssa. Ravintoverkko-käsitteellä kuvataan myös energian siirtoa' ekosysteemin eri lajien välillä. Erona perinteisen ruokaketjun kuvaamaan lineaariseen energiareittiin ekosysteemin läpi, maaperän ravintoverkko on monimutkaisempi. Se havainnollistaa kaikkia mahdollisia energian polkuja. Valtaosa energiasta tulee auringosta. Kasvit käyttävät auringon energiaa muuntaessaan epäorgaaniset yhdisteet energiarikkaiksi, orgaanisiksi yhdisteiksi ja muuttamalla hiilidioksidin ja mineraalit kasvimateriaaliksi fotosynteesin avulla. Kasvien kukinnot tarjoavat energiapitoista nektaria maanpinnan yläpuolella. Kasvien juuret taas erittävät happoja, sokereita ja ektoentsyymejä maaperän ritsosfääriin säätäen samalla pH:ta ja ruokkien ravintoverkkoa maan alla. 

Kasveja kutsutaan autotrofeiksi, koska ne tekevät oman energiansa; Niitä kutsutaan myös tuottajiksi, koska ne tuottavat energiaa, jota muut organismit voivat syödä. Heterotrofit ovat kuluttajia, jotka eivät kykene tuottamaan omaa ravintoaan, vaan tarvitsevat energian saamiseksi kasveja tai muita heterotrofeja. Maanpäällisissä ravintoverkoissa, tai ruokaketjuissa, energia siirtyy tuottajilta (kasveista) alkukuluttajiin (kasvinsyöjiin) ja sitten toissijaisiin kuluttajiin (saalistajiin). Trofiataso, eli kunkin eliön asema ravintoverkossa, viittaa energiareitin eri tasoihin tai vaiheisiin. Tuottajat, kuluttajat ja hajottajat ovat tärkeimmät trofiatasot. Tämä lajien välinen energiaketju voi jatkua vielä useita kertoja, mutta lopulta päättyy. Ravintoketjun lopussa hajottajat, kuten bakteerit ja sienet, hajottavat kuolleen kasvi- ja eläinmateriaalin yksinkertaisiksi ravintoaineiksi. 

 Eliöt ja niiden välinen vuorovaikutus 

Maaperän ravintoverkon muodostavat eliöiden toiminnalliset ryhmät ja niiden vuorovaikutus toistensa ja elävien kasvien kanssa. Maaperän ravintoverkon ensisijaisia tuottajia ovat fotosynteettiset eliöt eli pääasiassa kasvit, mutta myös jäkälät, sammalet, fotosynteettiset bakteerit ja levät. Ne käyttävät auringon energiaa sitoakseen ilmakehän hiilidioksidia. Useimmat muut maaperän eliöt saavat energiaa kasveista; joko kasvien juurista peräisin olevien eritteiden muodossa tai muista eliöistä ja kuolleesta orgaanisesta aineksesta. 

Eliöiden hajottaessa monimutkaisia materiaaleja tai syödessä muita eliöitä ne muuttavat ravinteita yhdestä muodosta toiseen ja kasvien käytettävissä oleviksi yhdisteiksi. Tätä kutsutaan ravinteiden kierroksi tai ravintoketjuksi. Kaikki kasvit ovat riippuvaisia maaperän mikrobeista ravinnonsaannin suhteen.

Maaperän mikro-organismit keskittyvät useimmiten kasvin juurten ympärille. Kasvien sienille ja bakteereille tarjoamat eritteet vetävät eliöitä puoleensa. Myös bakteereita ja sieniä ravintonaan käyttävät alkueläimet ja sukkulamatot hakeutuvat juuristoon. Suuri osa ravinteiden kiertokulusta tapahtuu siis suoraan juuristovyöhykkeellä, jolloin vapautuvat ravinteet ovat kasvien hyödynnettävänä.Ingham, R.E., J.A. Trofymow, E.R. Ingham and D.C. Coleman. 1985. Interactions of bacteria, fungi and their nematode grazers: Effects on nutrient cycling and plant growth. Ecological Monographs 55:119-140. Juuristovyöhykkeen ravinnekierto vetää puoleensa korkeamman trofiatason organismeja, kuten mikro- ja makrotason niveljalkaisia, kastematoja, muita hyönteisiä, lintuja ja muita eläimiä (ks. kuva). 

Maaperän mikrobeja elää myös maaperän orgaanisessa aineksessa, jossa ne syövät kasvien jätöksiä ja hajottavat erilaisia hiiliyhdisteitä. Hajottajat, pääasiassa sienet, sitovat hiiltä maaperään. Orgaaninen aines, jonka maaperän eliöt ovat moneen kertaan pilkkoneet ja hajottaneet, muodostaa maaperän orgaanisen aineksen vakaan humuksen.Ingham, E.R. (1999). The Soil Biology Primer. NRCS Soil Quality Institute, USDA 

Lisäksi maaperän ravintoverkon eliöitä elää myös maaperän aggregaattien eli erikokoisten rakennemurusten pinnoilla sekä näiden välisten veden ja ilman täyttämien huokosten välissä. Maaperän aggregaatit muodostuvat maaperän eliöiden, pääasiassa bakteerien ja sienten, avulla. Maaperän mikroaggregaatit ovat  maaperän rakenteen perusyksiköitä. Sitoutuessaan mikrobien erittämiin liimoihin ja kumeihin sekä sienihyfoihin ne muodostavat ismopia makroaggregaatteja (noin 2-5 mm:n kokoisia). Nämä makroaggregaatit ovat olennaisen tärkeitä maaperän rakenteen, ilmavuuden, vedenläpäisyn ja vedenpidätyskyvyn sekä biologisen typen sitomisen ja hiilen sidonnan kannalta. Ilman maaperän rakennetta on mahdotonta ylläpitää tervettä maaperää.Christine Jones: Nitrogen: the double-edged sword amazingcarbon.com 

 Maaperän ravintoverkon monimuotoisuus 
Jokainen kasvi erittää oman ainutlaatuisen sekoituksensa sokereita, entsyymejä, fenoleja, aminohappoja, nukleiinihappoja, auxiineja, gibberelliinejä ja muita biologisia yhdisteitä, joista monet toimivat signaaleina maaperän mikrobeille. Juurten eritteet vaihtelevat jatkuvasti ajan mittaan kasvin välittömien tarpeiden mukaan. Mitä suurempi on kasvien monimuotoisuus, sitä suurempi on myös mikrobien monimuotoisuus ja sitä vahvempi on maaperän ravintoverkko.

Eri eliöt toimivat maaperässä eri tavoin. Ravintoverkko on sitä monimuotoisempi mitä enemmän eri lajeja siinä elää ja miten monella eri tavalla nämä eliöt toimivat suhteessa toisiinsa. Maaperässä voi esimerkiksi elää kymmenen lajia sukkulamatoja, jotka kaikki syövät bakteereja tai kymmenen lajia sukkulamatoja, joista osa syö bakteereja, osa syö sieniä ja osa muita alkueliöitä. Tällöin jälkimmäinen maaperä on eliöstöltään monimuotoisempi. Energia siirtyy ravintoverkossa kun eliöt syövät toisiaan. Monimutkaisessa ravintoverkossa energia siirtyy lukuisia kertoja eri eliöiden sekä eri tavoin toimivien eliöiden välillä ennen poistumistaan järjestelmästä. Mitä yksinkertaisempi maaperän järjestelmä on, sitä vähemmän energiansiirtoja tapahtuu.

Maaperän eliöstön monimuotoisuus parantaa ravinteiden kiertoa maaperässä ja maaperän rakennetta. Lisäksi ravintoverkon monimuotoisuus tehostaa tuholaisten torjuntaa ja nopeuttaa haitallisten yhdisteiden hajottamista. Maaperän eliöt hajottavat orgaanista jätettä ja vapauttavat ravintoaineita sellaiseen muotoon jota kasvit voivat hyödyntää. Sukkulamadot ja lierot muokkaavat maaperää fyysisesti sitoen pienempiä hiukkasia isommiksi “kokkareiksi”, mikä tekee maasta huokoisemman, jolloin maan vedenläpäisevyys ja vedenpidätys paranevat.

Kun maaperän eliöstö on monimuotoinen, on erilaisten tuholaisten ja taudinaiheuttajien vaikeampi päästä asettumaan kasvien pinnoille tai saada ravintoa. Näin monimuotoinen ravintoverkko auttaa torjumaan tuholaisia ja taudinaiheuttajia luonnollisesti. Monimuotoiseen ravintoverkkoon kuuluu myös eliöitä jotka kykenevät hajottamaan erilaisia saasteita ja epäpuhtauksia ja siten puhdistamaan maaperää.
 Ravintoverkko ja maaperän terveys maatalousjärjestelmissä 

Monet nykyisistä tavanomaisista maatalouskäytännöistä ovat osoittautuneet seuraaviksi haitallisiksi maatalousekosysteemien kestävyydelle ja niiden kyvylle varastoida hiiltä. 

Viimeisten 150 vuoden aikana monet maailman parhaista maatalousmaista ovat menettäneet 30-75 prosenttia hiilestä, mikä on lisännyt ilmakehään miljardeja tonneja hiilidioksidia. Maaperän hiilikato vähentää merkittävästi maan tuotantopotentiaalia ja maatalouden kannattavuutta. Maaperän huonontuminen on voimistunut viime vuosikymmeninä, ja noin 30 prosenttia maailman viljelymaasta on hylätty viimeisten 40 vuoden aikana maaperän heikkenemisen vuoksi.Lal, R., Follett, R.F., Stewart, B.A. and Kimble, J.M. (2007). Soil carbon sequestration to mitigate climate change and advance food security. Soil Science, 172 (12), pp. 943-956.

Maaperän ravintoverkon rooli sekä kasvien kasvussa että hiilensidonnassa on uuden tutkimuksen valossa osoittautumassa yhä keskeisemmäksi. Tavanomaiset maanviljelymenetelmät vaikuttavat maaperän kemiallisiin ominaisuuksiin ja rakenteeseen. Usein ne vähentävät maaperän biologista aktiivisuutta vähentämällä makroaggregaattien määrää ja siten heikentämällä mikrobitoiminnan elinympäristöä.

Epäorgaanisten tai synteettisten lannoitteiden laajamittaisella käytöllä tavanomaisessa maataloudessa on kielteisiä vaikutuksia maaperän biologiseen monimuotoisuuteen ja lisäksi kasvien, selkärankaisten ja selkärangattomien monimuotoisuuteen.

Tavanomaisen kemialliseen maanhoitoon perustuvat maatalouskäytännöt - esim. paljaat kesannot, synteettiset lannoitteet, kemialliset torjunta-aineet ja voimaperäinen maanmuokkaus - heikentävät usein maaperän hedelmällisyyttä vähentämällä maaperän hiiltä ja mikrobeja, lisäämällä maaperän hiilen hajoamisnopeutta ja häiritsemällä mikrobien ravintoverkkoja.

Maaperän sienipopulaatiot vähenevät tuoreen kasvihiilen puutteen ja maaperän rakenteeseen kohdistuvien fyysisten häiriöiden vuoksi. Mekaaninen häirintä vahingoittaa maaperän mikrobiyhteisöjä, joiden tehtävänä on tukea kasvien ravinteiden hankintaa, vahvistaa kasvien vastustuskykyä taudinaiheuttajia vastaan sekä lisätä hyödyllisiä kasvien ja mikrobien välisiä vuorovaikutuksia.Johnson, D., Ellington, J., Eaton, W. development of soil microbial communities for promoting sustainability in agricultire and a global carbon fix (2015)

Typpilannoitteiden käyttö aiheuttaa merkittäviä kustannuksia sekä viljelijöille että ympäristölle. Kasvit käyttävät vain 10-40 prosenttia käytetystä typpimäärästä, ja loput 60-90 prosenttia poistuu maaperästä haihtumisen ja huuhtoutumisen takia. Torjunta-aineiden käyttö voi hävittää maaperän eliöitä tehokkaasti.Light Farming: Restoring carbon, organic nitrogen and biodiversity to agricultural soils, amazingcarbon.com 

Maaperän toimintahäiriöt vaikuttavat myös ihmisten ja eläinten terveyteen. Viimeisten seitsemänkymmenen vuoden aikana kaikkien ravintoaineiden pitoisuudet useimmissa elintarvikkeissa ovat laskeneet useita kymmeniä prosentteja. Nykyään ihmisen on syötävä kaksi kertaa enemmän lihaa, kolme kertaa enemmän hedelmiä ja neljä-viisi kertaa enemmän vihanneksia saadakseen saman määrän kivennäis- ja hivenaineita kuin vastaavissa elintarvikkeissa oli vuonna 1940.Thomas, D. E. (2003). A study of the mineral depletion of foods available to us as a nation over the period 1940 to 1991. Nutrition and Health, 17: 85–115. 

Terve ja optimaalisesti toimiva maaperä ja sen ravintoverkko ovat näiden seurauksena muodostumassa yhä tärkeämmiksi uudistuvalle kaupalliselle maataloudelle. Maaperän parantamismenetelmiä testataan ja otetaan käyttöön kaikkialla maailmassa. Uudistavan viljelyn edistäjien mukaan tavoitteena on saada nämä menetelmät kiinteäksi osaksi jokapäiväistä maanviljelyä, kotieläintaloutta, metsätaloutta ja puutarhanhoitoa.Dr. Elaine’s™ Soil Food Web Approach is the Essence of Soil Regeneration   Maaperän terveys on ratkaisevaa sen kannalta, kuinka hyvin maaperä voi suoriutua tärkeimmistä tehtävistään.

Maaperän tärkeimpiä tehtäviä ovat biologisen toiminnan ja tuottavuuden ylläpito, veden ja siihen liuenneiden ravinteiden virtauksen säätely, ravinteiden varastointi ja kierrättäminen sekä haitallisten aineiden suodattaminen ja hajottaminen. Erilaiset maankäyttö- ja hoitotavat vaikuttavat merkittävästi maaperän terveyteen. Esimerkiksi kiertoviljely, jossa pellolla kasvatetaan eri viljelykasveja eri vuosina tarjoaa maaperän eliöille erilaisia ravinnonlähteitä. Siksi tällaisella pellolla on todennäköisesti monimuotoisempi eliöstö kuin pellolla, jossa kasvaa samaa kasvia vuodesta toiseen.

 Maaperän ravintoverkko maatalousmenetelmien taustalla  
Maaperän ravintoverkkoon perustuvia käytännön metodeja heikkolaatuisen maaperän elvyttämiseksi on kehittänyt tunnettu mikrobiologi ja maaperäekologian tohtori Elaine Ingham. Menetelmät perustuvat tietoon maaperän ravintoverkon toiminnasta. Keskeisiin metodeihin kuuluu mm. maaperän biologinen analyysi varjostusmikroskopian avulla sekä maaperästä puuttuvien organismien levittäminen termofiilisen, aerobisen kompostin tai sen nesteiden muodossa. Myös bioaktiiviseksi kutsuttu komposti eroaa tavanomaisesta ravinteisiin keskittyvästä kompostista monin tavoin. Bioaktiivinen komposti valmistetaan tietyn reseptin ja menettelyn mukaisesti ja lopputuloksena on useiden eri funktionaalisten eliöryhmien riittävä läsnäolo. Bioaktiivisen kompostin sisältävät ravinteet ovat toissijaisia.

Menetelmä on osoittautunut menestyksekkääksi kaikilla mantereilla, ja se on auttanut monia viljelijöitä parantamaan maaperän terveyttä ja tuotantoa.

Inghamin perustama Soil Food Web -koulu tarjoaa viljelijöille ja tuleville maaperän ravintoverkkomenetelmän konsulteille myös laajoja verkkokoulutuksia.

 Lähteet 

 Aiheesta muualla 
 Tuottoa maan hoidosta Ahlman.fi
 Soil Food Web Soil Food Web Youtube-soittolista

Luokka:Maaperätiede