Palkokasvit ilmastonmuutoksen hillitsijöinä sekä biopolttoaineiden raaka-aineena

Palkokasvien kyky sitoa typpeä vähentää fossiilisista energialähteistä peräisin olevia hiilidioksidipäästöjä ja tuottaa pienempiä ilokaasu- eli dityppioksidipäästöjä verrattuna teollisesti valmistetulla typellä lannoitettuihin viljely- ja laidunjärjestelmiin. Palkokasvit myös nopeuttavat hiilen varastoitumista maaperään. Useiden erilaisten ekosysteemipalvelujen tarjoamisen lisäksi palkokasvit voivat toimia arvokkaina raaka-aineina biojalostamoille korvaten raakaöljyyn perustuvia materiaaleja.

Ruotsin maatalousyliopiston (SLU) professori Erik Steen Jensenin johtama kansainvälinen tutkijaryhmä teki kirjallisuustutkimuksena tutkimusyhteenvedon palkokasvien mahdollisuuksista ilmastonmuutoksen hillitsijöinä sekä biojalostamoiden raaka-aineena.

Palkokasvilajit
Palkokasvilajeja on lähes 18 000, ruohomaisista yksivuotisista kasveista jättimäisiin puihin. Monilla palkokasveilla on suuri merkitys maataloudelle. Ne ovat tärkeitä öljyn, kuitujen ja valkuaispitoisten elintarvikkeiden ja rehujen lähteitä. Palkokasveilla on ainutlaatuinen kyky sitoa ilmakehän typpeä (N2) symbioosissa maaperän Rhizobium-bakteerien kanssa. Siten ne tuovat typpeä maatalouden ekosysteemeihin, lisäävät maaperän hiilipitoisuutta ja parantavat seuraavien viljelykasvien satoja. Palkokasvien merkitystä on harvoin arvioitu siitä näkökulmasta, miten ne voivat auttaa ilmastonmuutoksen hillitsemisessä vähentämällä fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja tarjoamalla uusiutuvaa biomassaa korvaamaan fossiilisia energialähteitä ja teollisuuden raaka-aineita.

Tarkastelun tarkoituksena oli koota nykyinen tietämys palkokasvien mahdollisuuksista

  • vähentää tärkeimpien kasvihuonekaasujen hiilidioksidin ja dityppioksidin päästöjä verrattuna typpilannoitettuihin viljelyjärjestelmiin
  • vähentää elintarvikkeiden ja rehuntuotannossa käytettävän fossiilisen energian määrää
  • edistää hiilen sitoutumista maaperään sekä
  •  tarjota kannattava biomassan lähde biopolttoaineiksi ja raaka-aineeksi tulevaisuuden biojalostamoille.

Kasvihuonekaasupäästöt

Hiilidioksidipäästöt
Tutkijat arvioivat, että maailmanlaajuisesti maataloudessa palkokasvien biologisen typensidonnan (33-46 megatonnia) seurauksena ilmakehään vapautuu 350 – 500 megatonnia hiilidioksidia vuosittain. Typpilannoitteiden vuositason 100 megatonnin valmistuksesta vapautuu noin 300 megatonnia hiilidioksidia. Merkittävä ero on se, että palkokasvien biologisesta typensidonnasta vapautuva hiilidioksidi on peräisin yhteyttämisestä eikä lisää ilmakehän hiilidioksidin nettomäärää toisin kuin typpilannoitteiden valmistuksessa syntyvä fossiilisista polttoaineista peräisin oleva hiilidioksidi.

Dityppioksidipäästöt
Tutkimusten perusteella ei ole juurikaan näyttöä siitä, että biologinen typensidonta lisäisi merkittävästi dityppioksidipäästöjä. Kokeellisissa mittauksissa dityppioksidivirtojen kokonaismäärät vaihtelivat palkokasvilannoitetuilla järjestelmillä 0,03 – 7,09 kg hehtaaria kohti ja typpilannoitetuilla järjestelmillä 0,09 -18,16 kg hehtaaria kohti. Huomattava vaihtelu heijastaa sitä, että tiedot on koottu erilaisista tutkimuksista, joissa on käytetty erilaisia typpilannoitteiden tuotantopanoksia, samoin kuin erilaisia ilmasto-, maaperä- ja viljelytapamuuttujia, joiden tiedetään vaikuttavan denitrifikaatioon ja dityppioksidina menetettyyn osaan kokonaistypestä.

Palkokasveja viljeltäessä ilmakehään pääsi keskimäärin 1,29 kg dityppioksidia hehtaaria kohti kasvukauden aikana (yhteensä 71 tutkimusvuoden keskiarvojen perusteella). Tämä on lähes samaa tasoa kuin viljelemättömän maaperän tai lannoittamattomien ei-palkokasvien keskimäärin 1,20 kg dityppioksidia hehtaaria kohti (yhteensä 33 tutkimusvuotena). Typpilannoitettujen viljelykasvien ja laidunten dityppioksidipäästöt olivat keskimäärin 3,22 kg hehtaaria kohti (67 tutkimusvuoden aikana).

Palkokasvien viljelyssä maaperän dityppioksidipäästöt olivat yleensä alempia kuin typpilannoitettujen järjestelmien, etenkin jos käytettiin kaupallisten typpilannoitteiden yleisesti käytettyjä käyttömääriä. Suuria dityppioksidipäästöjä voi esiintyä palkokasvilaidunten tai palkokasviviherlannoituksen jälkeen, kun maaperään on kertynyt nopeasti korkeita nitraattipitoisuuksia. Lisätutkimuksia tarvitaan selvittämään, miten palkokasvijätteiden hallinta ja laatu vaikuttavat seuraavien viljelykasvien dityppioksidipäästöihin.

Fossiilisen energian käyttö
Fossiilista energiaa kuluu maataloudessa koneiden valmistamiseen ja käyttöön sekä lannoitteiden ja torjunta-aineiden valmistukseen, kuljetukseen ja käyttöön. Merkittävin fossiilista energiaa sisältävä tuotantopanos on typpilannoitteet. Palkokasvit ja palkokasveihin perustuvat laitumet kuluttavat 35-60% vähemmän fossiilista energiaa kuin typpilannoitetut viljat tai nurmet. Palkokasvien sisällyttäminen viljelykiertoon vähentää keskimääräistä vuotuista energiankulutusta kierron aikana 12-34%. Energiankulutuksen vähentyminen johtuu ensisijaisesti siitä, että palkokasvit eivät tarvitse typpilannoitusta ja myös niitä seuraavien viljelykasvien typpilannoituksen tarve on pienempi.

Palkokasveja sisältävien viljelykiertojen koko elinkaarten energiataseisiin vaikutti myös torjunta-aineiden käytön väheneminen, kun viljelykiertojen monipuolistaminen vähentää viljan taudinaiheuttajien ja tuholaisten esiintymistä ja helpottaa rikkaruohojen torjuntaa. Erot fossiilisen energian käytössä palkokasvi- ja typpilannoitettujen järjestelmien välillä olivat kuitenkin huomattavasti pienempiä, jos energian käyttö ilmaistiin tuotettua biomassaa tai viljakiloa kohti.

Hiilen sitoutuminen maaperään
Kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisen lisäksi palkokasvit näyttävät olevan avainasemassa myös hiilen sitomisessa maaperään. Järjestelmien nettotyppitasapaino oli keskeinen tekijä maaperän hiilivarastojen muutoksessa monissa ympäristöissä ja typen määrä on usein hiilen varastoitumista rajoittava tekijä. Kaikki laidun-, viljely- ja peltometsäviljelyjärjestelmistä kerätyt tiedot osoittivat, että palkokasveilla oli ratkaiseva rooli ylimääräisen orgaanisen typen tarjoamisessa. Palkokasvit lisäävät hiilen kertymistä maaperään nopeammin kuin typpilannoitetut viljat tai nurmikasvit.

Nurmipalkokasvien sisällyttäminen laitumiin joko ainoina viljelykasveina, viherlannoitteena, aluskasveina tai lomittaisviljelyssä lisää hiilen varastoitumista maaperään. Vaikutus on suurin monivuotisilla palkokasveilla ja monivuotisilla laitumilla. Myös puuvartiset monivuotiset palkokasvit on osoittautuneet erittäin hyödyllisiksi kasvillisuuden palauttamisessa raivatuille maa-alueille sekä köyhtyneen maaperän eloperäisen hiilen varastojen täydentämisessä.

Palkokasvit biopolttoaineiden ja biojalostamoiden raaka-aineena
Palkokasvien biomassaa voidaan tulevaisuudessa käyttää tuottamaan biodieseliä, bioetanolia, biokerosiinia tai biokaasua ja sivutuotteita voitaisiin jalostaa teollisuuden raakaöljypohjaisia raaka-aineita korvaavia tuotteita lääkkeisiin, pintakäsittely- tai elintarvikelisäaineisiin. Jotta palkokasvien biomassan korkeaa valkuaispitoisuutta voitaisiin hyödyntää energian tuotannon sivutuotteisiin, on biojalostamoteknologioita kehitettävä. Esimerkkejä potentiaalisista teknologioista ja tuotteista, jotka soveltuvat palkokasvien biomassan hyödyntämiseen ovat proteiinien uuttaminen rehuksi (esim. soijakakku) tai lääkkeisiin, uusiutuvien materiaalien tuotantoon sekä anaerobinen mädätys metaanin tuotantoon biolannoitteiden tuotannon yhteydessä.

Palkokasvien käyttämisen raaka-ainemateriaalina tekee houkuttelevaksi se, että ne eivät tarvitse typpilannoitusta, joka muuten olisi tarpeen suurten viljasatojen tai kasvibiomassamäärien tuottamiseksi. Monivuotisilla palkokasveilla (esim. sinimailanen, apila ja erilaiset puu- ja pensaslajit) voi olla ainutlaatuinen rooli biomassan tuottamisessa yksittäisinä viljelykasveina tai nurmiseoksissa. Juuri suuri fossiilisen energian käyttö niiden prosessoimiseen, kuljetukseen ja typpilannoitteisiin mitätöi usein monien muiden bioenergialähteiden nettohiilihyödyt.

Johtopäätökset
Tulevaisuuden kestävän maatalouden järjestelmät vaativat uusia ratkaisuja ilmastonmuutoksen lieventämiseksi ja vaihtoehtoisten biopolttoaineiden, materiaalien ja kemikaalien tuottamiseksi. Keskeistä tulevaisuuden kestävässä maataloudessa on viljelyjärjestelmien ja viljelykasvien monimuotoisuus. Palkokasvit voivat olla tärkeä osa tulevaisuuden monipuolisia ja kestäviä maatalousekosysteemejä sekä elintarvikkeiden, kuitujen ja energian tuotantojärjestelmiä. Ne tarjoavat useita erilaisia ekosysteemipalveluja ja niillä on kyky vähentää kasvihuonekaasupäästöjä, vähentää fossiilisen energian käyttöä, nopeuttaa hiilen varastoitumista maaperään ja ne voivat toimia arvokkaina raaka-aineina biojalostamoille.

Palkokasvien biomassan käyttö biojalostamoissa bioenergian, materiaalien ja kemikaalien tuottamiseen tarkoittaa kompromissien tekemistä palkokasvien nykyisen maaperän biologisen viljavuuden edistämisroolin kanssa. Monia palkokasveja voidaan kuitenkin tuottaa marginaalisilla ja ylijäämämailla sekä pilaantuneessa maaperässä, jolloin ne eivät kilpaile suoraan viljelymaasta ruoantuotannon kanssa.

Lähde:
Erik Steen Jensen ym. 2011. Palkokasvit ilmastonmuutoksen hillitsijöinä sekä biopolttoaineiden ja biojalostamoiden raaka-aineiden tarjoajina. Kirjallisuuskatsaus. Legumes for mitigation of climate change and the provision of feedstock for biofuels and biorefineries. A review. Agron. Sustain. Dev. DOI 10.1007/s13593-011-0056-7

Teksti: Mikko Salmu

Tulosta