Lupiinitutkimus

Komealupiinin vaikutus kasvuympäristönsä lajistoon ja maaperään

Ville Selonen & Josefiina Ruponen
josefiina.ruponen@helsinki.fi ja ville.selonen@helsinki.fi
Ympäristötieteiden laitos, Helsingin yliopisto

Tehtävän ideana on suunnitella ja toteuttaa tutkimus komealupiinin (Lupinus polyphyllus) vaikutuksista kasvuympäristönsä maaperän koostumukseen sekä kasvillisuuteen ja selkärangattomaan eläinlajistoon. Harjoituksen avulla oppii hyödyntämään ja soveltamaan maaperätutkimuksessa tavallisesti käytettyjä menetelmiä sekä tunnistamaan kasveja ja selkärangattomia eläimiä. Työssä voi harjoitella esimerkiksi maan ravinne- ja vesipitoisuuden sekä orgaanisen aineksen määritystä kasvillisuuskartoituksen ja selkärangattomien tutkimisen lisäksi. Myös yleiset tieteellisen tutkimuksen suunnitteluun ja toteuttamiseen tarvittavat tiedot ja taidot sekä kriittinen ajattelu kehittyvät. Harjoitus on ongelmalähtöinen ja laajalti muokattavissa eri tarkoituksiin. 

Avainsanat: komealupiini, lajimääritys, maaperä, monimuuttuja-analyysit, typpipitoisuus, vieraslajit

Lupiinitutkimuksen toteutus Helsingin yliopiston Ympäristöekologian kenttäkurssilla. Kuva: Ville Selonen, CC SA-BY (4.0)

Johdanto

Hernekasveihin kuuluva komealupiini (Lupinus polyphyllus) on yksi Suomessa laajalle levinneistä vieraslajeista. Komealupiini tuotiin Pohjois-Amerikasta Eurooppaan 1800-luvun alkupuolella koriste- ja rehukasviksi. Suomessa tätä helposti itävää kasvia on levitetty koristekasviksi puutarhoihin ja mökeille, joista se on levinnyt räjähdysmäisesti tienvarsia pitkin ympäri Suomea. Lupiini lisää maaperän typpipitoisuutta juurinystyröiden typensitojabakteerien ansiosta, syrjäyttäen täten tehokkaasti niukkaravinteisessa maassa viihtyviä perinteisiä niittylajeja.

Työn tavoitteena on suunnitella ja toteuttaa tutkimus, jossa selvitetään vaikuttaako komealupiini maaperän ravinnekoostumukseen ja habitaattinsa kasviyhteisöön ja selkärangattomaan lajistoon. Oletuksena on, että komealupiini lisää maaperän typpipitoisuutta ja valtaa pinta-alaa karuilla kasvupaikoilla viihtyviltä niittylajeilta.

Ajankohta

Harjoitus on mahdollista suorittaa kasvukauden aikaan lähes milloin tahansa, mutta paras ajankohta on kesä-heinäkuussa, jolloin komealupiini ja monet muut kasvilajit kukkivat. Tämä helpottaa kasvillisuuden tunnistamista. Harjoitukseen tarvittava aika riippuu suunnitellusta tutkimuksesta. Harjoitukseen olisi hyvä varata aikaa yksi työviikko. Jos tutkimuksessa haluaa selvittää komealupiinin vaikutusta karikkeen hajoamiseen, harjoitus täytyy toteuttaa kahdessa osassa, koska karikepussien tulee olla maastossa 2-3 kuukautta.

Menetelmät

Tutkimuskohteeksi valitaan alue, jolla kasvaa sekä komealupiinia että perinteisiä niittylajeja. Tutkimuksessa on mahdollista vertailla myös kolmenlaista aluetta: 1) vanhojen (yli 3 vuotiaat) lupiinien kasvusto, 2) nuorten (alle 3 vuotiaat) lupiinien kasvusto, ja 3) lupiiniton alue, missä kasvaa perinteisiä niittylajeja. Vanhat ja nuoret lupiinit erottaa toisistaan kukinnan perusteella, sillä lupiini kukkii vasta kolmantena vuonna itämisestä.

Käytettävät menetelmät ja työn suoritustapa riippuu harjoituksessa tehtävästä tutkimussuunnitelmasta ja siinä esitetyistä tutkimuskysymyksistä. Tutkimusongelman ratkaisemiseksi on vähintään määritettävä kahden erilaisen maaperän typpipitoisuus, kartoitettava kasvillisuutta sekä pyydystettävä ja määritettävä hyönteislajistoa. Tutkimuksen ja harjoituksen kannalta hyödyllistä on määrittää lisäksi maaperän pH ja fosforipitoisuus, vesipitoisuus sekä maan orgaanisen aineksen pitoisuus. Lisäksi voi tutkia esimerkiksi kasvien aiheuttaman varjostuksen ja karikkeen hajoamisnopeuksien eroja vertailualueilla. Tarkemmat menetelmäkuvaukset ovat esitetty liitteessä 1.

Aineiston analysointi

Aineiston analysointiin voidaan käyttää esimerkiksi IBM SPSS Statistics- ja PAST-ohjelmaa. Maaperän ominaisuuksia (ravinnepitoisuus mukaan lukien) ja varjostusta kuvaavia parametreja voidaan testata yksisuuntaisella varianssianalyysilla tai tarvittaessa vastaavalla ei-parametrisella testillä (Kruskall-Wallis). Kasvillisuuden ja selkärangattomien kartoitustulokset voidaan käsitellä esimerkiksi PAST-ohjelmalla käyttämällä monimuuttuja-analyyseja. Katso esimerkkikuvat 1. ja 2. Helsingin yliopiston ympäristöekologian kurssilta
vuodelta 2013.

Esimerkkikuva 1. Eri kasviyhteisöjen (lupiiniton, nuoret lupiinit, vanhat lupiinit) maaperien nitraattipitoisuudet (μg/g KA) Helsingin yliopiston ympäristöekologian kenttäkurssilla vuonna 2013 tehdyssä harjoituksessa.

Esimerkkikuva 2. Kuoppapyydyksistä määritettyjen selkärangattomien lajisto monimuuttuja-analyysissa (Helsingin yliopiston ympäristöekologian kenttäkurssilla vuonna 2013). Taustamuuttujat on merkitty kirjaimin A-I. Eri kasviyhteisöt on erotettu toisistaan viivoin ja symbolein.

Harjoituksen muokkausmahdollisuudet

Harjoitusta voi soveltaa myös muihin typensitojakasveihin, kuten apiloihin tai palkokasveihin. Tällöin näkökulmaa voi muuttaa niin, että tutkitaan, onko typensitojakasveista hyötyä maataloudessa.

Harjoitusta on mahdollista yksinkertaistaa niin, että tutkitaan pelkästään lupiinittoman ja lupiineja kasvavan maaperän typpipitoisuuden eroavaisuutta. Tällöin harjoituksen suorittamiseen riittää yksi työpäivä.

Jos harjoitus toistetaan vuosittain toteutettavalla kurssilla, edellisen vuosien tuloksia voi hyödyntää harjoituksen tukena, etenkin jos tutkimusalue pysyy samana.

Liite 1

Kenttämenetelmät

Kasvillisuuden peittävyysmittaus

• Käytetyimpiä kasvillisuuden kvantitatiivisen tutkimuksen menetelmistä; suosion syynä menetelmän nopeus vaihtoehtoisiin menetelmiin verrattuna
• Käytetään kasviyhteisöjen rakenteen ja siinä tapahtuvan ajallisen muutoksen selvittämiseen; tämä mahdollista, koska menetelmä ei ”tuhoa” kasvillisuutta kuten versobiomassan mittaamiseksi tehty versojen leikkaus ja keruu
• Erityisesti kenttä- ja pohjakerroksen analysointiin käytetty menetelmä, mutta sopii myös pensaskerroksen analysointiin
• Yleensä joko täydellisesti satunnaistetuilta tai systemaattisen otannan kautta valituilta näyteruuduilta
• Näyteruudun koko riippuu kasvillisuuden rakenteesta; tiheässä ruohovartisessa kasvustossa 1 m² riittävä
• Lajien peittävyydet arvioidaan ruuduilta prosentteina, ts. kunkin ruudulla kasvavan lajin maanpäällisten osien osuutena ruudun kokonaisalasta
• Kun kasvillisuus on kerroksellista, lajien yhteenlaskettu peittävyys voi ylittää 100 %
• Koska peittävyys määritetään arvioimalla, subjektiivisuudesta johtuvat virheet voivat olla suuria
• Joidenkin lajien peittävyyden arviointi on vaikeaa (esim. kapealehtiset heinät ja sarat)
• Lajien peittävyyksien (%) lisäksi voidaan aineistosta laskea lajimäärä sekä lajimääriin tai peittävyyksiin perustuvia diversiteetti-indeksejä. Alueiden lajiston välisiä eroja voidaan vertailla samankaltaisuusindeksien avulla.

Maan pinnalla elävien niveljalkaisten kerääminen kuoppapyydyksillä

Pyydyskuppi asetetaan maahan (esim. kairanreikään) niin että sen reunat ovat

tarkasti maan pinnan tasalla. Kuppiin laitetaan (1) etyleeniglykolia (myrkyllistä, joten ei voi käyttää kaupunkialueilla) ja pari tippaa pesuainetta (hävittää vedestä pintajännityksen) tai (2) vettä, ripaus suolaa (estää mikrobitoiminnan) ja pari tippaa pesuainetta. Kuppi varustetaan kannella, joka estää kuppia täyttymästä sateella mutta ei estä eläinten pääsyä kuppiin. Näytteitä kerätään kupista tietyin väliajoin (esim. päivittäin tai viikoittain). Näytteet kertovat eläimistön monimuotoisuudesta ja suhteellisista runsauksista, mutta myös lajien erilaisesta aktiivisuudesta ja liikkuvuudesta (aktiivisimmat ja liikkuvimmat lajit päätyvät todennäköisimmin pyydykseen). Kuoppapyydysnäytteiden avulla ei voi arvioida eläinmääriä esim. pinta-alaa kohti.

Kasvillisuudessa elävien niveljalkaisten pyydystäminen isku- eli kenttähaavilla

Kenttähaavi on perusväline hyönteisten keräämiseen kasvillisuuden seasta. Kenttähaavinta soveltuu keruumenetelmäksi, kun tutkitaan lajistosta, joka elää kenttäkerroksen kasvillisuudessa, mutta myös haavin ulottuvilla olevien matalien puiden ja pensaiden lehvästössä. Standardoituna menetelmänä se antaa suhteellisen todenmukaisen ja semikvantitatiivisen kuvan tutkittavasta lajistosta ja runsauksista. Sen sijaan kasvien tyvillä, maanpinnalla ja karikkeessa elävät lajit jäävät tyystin tämän menetelmän tavoittamattomiin (kuoppapyynti). Kenttähaavipyynti toteutetaan usein kahdella toisiaan täydentävällä menetelmällä, linjahaavinnalla ja vapaasti haavien.

Linjahaavinta

• Linjahaavinnassa satunnaisesti tai systemaattisesti määrättyä linjaa kuljetaan rauhallisesti eteenpäin tasaisin väliajoin haavilla iskien.
• Haavin iskut eivät saa osua jo haavittuihin kohtiin.
• Kuljetulla matkalla ei ole merkitystä, vain haavin iskujen määrällä (vrt. pinta-ala)
• Kukin haavintalinja ja -kerta on suoritettava eri kohdista
• Esimerkki kurssisuorituksesta: Kukin ryhmä tekee molemmilla kohteilla haavinnan yhdeltä linjalta. Yksi kurssilainen tekee ryhmän koosta riippuen joko 5 tai 6 haavin iskua, ja samaan tapaan muut ryhmäläiset jatkavat vuorotellen etenemistä samalla linjalla, kunnes linjalla on tehty yhteensä 30 iskua

Vapaa haavinta

• Kohteelta kerätään esimerkiksi yksi 5 minuutin jakso vapaasti kenttäkerroksen kasvillisuutta haavien.
• Kertynyt aineisto kerätään pusseihin ja suljetaan huolella. Pusseihin merkitään tiedot haavinnasta (pvm, paikka, hlö, iskujen lkm, ym. esim. taustatietoa kohteesta)
• Pussit viedään laitokselle ja pakastetaan.
• Näytteistä määritetään yksilöt lahko-, heimo-, suku- tai lajitasolle taitotason mukaan, määrityskaavoja ja opettajia apuna käyttäen.
• Määrittäessä yksilöt ensin eritellään muista haavituista roskista ja asetetaan läpinäkyvälle petrimaljalle, jossa 70 % etanolia. Mikroskooppia hyväksi käyttäen kustakin yksilöstä etsitään tuntomerkkejä määrityksen avuksi. Määritys kirjataan ylös.

Karikkeen hajoamisen määrittäminen

Leikataan niityllä kasvavia suurilehtisiä heiniä muovipusseihin (yksi 4L pussi/ryhmä). laboratoriossa heinät asetellaan ohueksi kerrokseksi imupaperin päälle kuivumaan. 2 vrk kuluttua otetaan osanäyte (n. 5g), joka punnitaan ja laitetaan uuniin kuivumaan (75°C, 1 vrk). Loput heinät pilkotaan saksilla n. 1 cm silpuksi, jotka punnitaan (n. 2 g/pussi, tarkka paino kirjataan ylös) harsokankaasta valmistettuihin pusseihin. Pussin silmäkoko määrää, mikä osa hajottajayhteisöstä on tutkimuskohteena ja osallistuu karikkeen hajotukseen. Pussin suu nidotaan tiukasti kiinni, jonka jälkeen pussit punnitaan. Uunissa kuivumassa ollut näyte punnitaan ja tuloksen perusteella lasketaan todellinen harsokangaspusseihin laitettu heinämäärä (kuiva-painona). Karikepussit viedään koepaikalle ja asetetaan maan päälle (tai n. 1cm syvyyteen). Päälle asetetaan verkko (estää pussien kulkeutumisen tuulen/eläinten mukana), jonka kulmiin laitetaan merkkitikut. 2-3 kk kuluttua karikepussit haetaan maastosta,

(pestään) ja punnitaan. Karikkeen hajoaminen (%) lasketaan:

1 – karikkeen määrä (g) lopussa / karikkeen määrä alussa (g) * 100

Laboratoriomenetelmät

kp. = kuivapaino; tp. = tuorepaino

Maan vesipitoisuus

Leikkaa kairanäytteestä ensin yli 4 cm:n ulottuva osa pois. Leikkaa sen jälkeen näyte pystysuunnassa neljään osaan ja laita yksi osa muffinssivuokaan, jonka painon olet punninnut ja kirjannut ylös. Ota maan tuorepaino tarkasti ylös, kuivaa maata 105

°C:ssa noin vuorokausi ja mittaa maan kuivapaino. Vesipitoisuus ilmoitetaan:

• % tuorepainosta = [(tuorepaino-kuivapaino)/tuorepaino]*100, joka yleisin;
• % kuivapainosta = [(tuorepaino-kuivapaino)/kuivapaino]*100; tai
• g / g kp. maata (eli grammaa vettä maan kuivapainogrammaa kohti).

Muista huomioida laskukaavassa vuoan paino!

Maan orgaanisen aineksen pitoisuus (hehkutushäviö)

Upokkaat puhdistetaan etukäteen polttamalla niitä 4 h 550 °C: ssa, jonka jälkeen ne jäähdytetään eksikaattorissa ja punnitaan. Pieni määrä kuivaa maata (josta aiemmin tehty vesipitoisuusmääritys) punnitaan upokkaaseen, jonka paino on kirjattu ylös. (esim. 5 g orgaanista maata, 10 g mineraalipitoista maata, tarkka paino ylös). Maanäyte poltetaan uunissa (4 h 550 °C: ssa), jäähdytetään eksikaattorissa ja punnitaan upokkaassa. Upokkaan massa vähennetään saadusta arvosta, jolloin tuloksena on tuhkan massa.

Orgaanisen aineksen määrä = kuivan maanäytteen alkupaino – tuhkan paino

Orgaanisen aineksen pitoisuus (ilmoitetaan g / g kp. maata)

= (alkupaino – tuhkan paino) / alkupaino

pH

Valmistetaan 0,01 M (0,01 mol/l) CaCl₂-liuosta 1 l mittapulloon. Laske tarvittava

CaCl₂–määrä seuraavien tietojen avulla:

Massa: m = ?

Tilavuus: V = 1 l

Moolimassa: M(CaCl₂) = 110,99 g/mol TAI M(CaCl₂ ∙ 2H₂O) = 147,02 g/mol

Ainemäärä: n = m/M

Pitoisuus: c = n/V

Mittaa pulloon yhdestä vesipitoisuusmittauksesta ylijääneestä osanäytteestä 15 ml 5 g (tp.) (seulottua) maata mittalusikalla, lisää 75 ml 0,01 M CaCl₂-liuosta ja ravistele ravistelijassa 5 min ajan 250 rpm. Näytteiden mukana ravistellaan myös ns. nollanäyte, joka on pelkkä 0,01 M CaCl₂–liuos ilman maata. Seisota näytettä vähintään 2 h, enintään 24 h (mieluiten mitataan vasta seuraavana päivänä, jolloin liuoksen tasapaino paremmin saavutettu), jonka jälkeen ravistele lyhyesti ja mittaa pH vesikerroksesta heti sekoituksen jälkeen. Ennen mittausta pH-mittari on kalibroitava tarkoitukseen valmistetuilla kalibrointiliuoksilla.

Maan ravinnepitoisuudet

Kasveille saatavilla olevan epäorgaanisen typen (ammonium ja nitraatti) ja fosforin (fosfaatit) määrät analysoidaan maasta uuttamalla ne tislattuun veteen. Murenna näyte tasaiseksi ja punnitse noin 5 g tp. (kirjaa ylös tarkka paino) maata pulloon, lisää 50 ml vettä ja ravistele 4 h. Ravistelun jälkeen anna sakan laskeutua ja suodata uutos lasikuitusuodattimella imulaitetta käyttäen. Suodatetut näytteet analysoidaan Lachat-analysaattorilla standardoiduilla menetelmillä. Suositeltavaa on, että laboratoriohenkilökunta suorittaa analyysit. Ravinnepitoisuudet ilmoitetaan μg / g kp. maata (käytä vesipitoisuusmittauksen arvoja kuivapainon laskemiseen).

Kasvillisuuden ja/tai maan N ja C pitoisuuksien määritys

Kasvillisuuden ja/tai maan N ja C pitoisuudet määritetään LECO CNS-2000 analysaattorilla mielellään laborantin avustuksella. Punnitse näytteet näyteastioihin eli veneisiin analyysivaakaa käyttäen, kirjaa näytepainot paperille. Punnitusmäärä on usein 50-200 μg. Käsittele veneitä pihdeillä tai pinseteillä, älä sormin. Siirrä veneet analysointijärjestyksessä autoloaderin telineeseen. Näytesarjan alkuun ja loppuun jätetään paikat standardinäytteille (riisijauho ja EDTA) ja yhdelle tyhjälle veneelle (blank). Autoloader syöttää näytteet polttokammioon, jossa uunin kuumuus ja happivirtaus polttavat näytteen, jolloin kaikki alkuainehiili ja -typpi vapautuvat CO₂:na NO_x:na ja N₂:nä. Analysaattori mittaa kokonaistypen ja hiilen pitoisuudet.