Biohiili on hiilipitoinen maanparannusaine, joka on valmistettu eloperäisestä aineesta pyrolyysimenetelmällä. Biohiilen sisältämä hiili on erittäin pysyvässä muodossa, mikä mahdollistaa hiilen sitomisen maaperään pitkäksi ajaksi. Joidenkin biohiilten on osoitettu parantavan maaperän rakennetta sekä veden ja ravinteiden saatavuutta tietyissä olosuhteissa, erityisesti tropiikin vähähiilipitoisilla ja happamilla mailla. Tässä tutkimuksessa selvitettiin kuusipohjaisen biohiilen vaikutuksia maaperän veden ja ravinteiden saatavuuteen sekä niiden vaikutuksia kauran (Avena sativa L.) satokomponentteihin viisi vuotta biohiililisäyksen jälkeen. Tutkimuksessa oli mukana biohiilen lisäksi lannoituskäsittelyiden vaikutus ja näiden kahden yhdysvaikutus. Biohiiltä oli lisätty koeruuduille vuonna 2011 tasoilla 0, 5, 10, 20 ja 30 t ha-1. Lannoituskäsittelyinä toimivat lannoittamaton kontrolli, mineraalilannoitus ja lihaluujauholannoitus. Biohiili vaikutti korkeimmalla lisäystasolla maaperän hiilen määrään tilastollisesti merkitsevästi. Biohiili ei vaikuttanut merkitsevästi maaperän kosteus- ja ravinneolosuhteisiin tai kauran satokomponentteihin. Lannoituskäsittelyllä oli merkitsevä vaikutus maaperän kosteuteen, ravinnepitoisuuksiin, johtolukuun, pH-arvoon, kasvuston lehtialaindeksiin, hiili/typpisuhteeseen, biomassaan sekä tuhannen jyvän painoon. Biohiili- ja lannoituskäsittelyillä ei havaittu olevan merkitseviä yhdysvaikutuksia mitattujen parametrien osalta. Tulokset voivat johtua maaperän lähtökohtaisesta korkeasta hiilipitoisuudesta, ja viisi vuotta sitten lisätyn biohiilen siirtymästä syvemmälle maahan, jolloin sen vaikutukset maaperän ominaisuuksiin ja kauran sadontuotantokykyyn ovat pienet. Lisäksi alkukevään 2016 runsaan tuomikirvaesiintymän levittämä kääpiökasvuviroosi heikensi kauran kasvua, minkä vuoksi mitattava sato jäi vähäiseksi. Biohiilen edut tulevat parhaiten esille kuivilla, ravinneköyhillä, huonorakenteisilla ja alhaisen luontaisen hiilipitoisuuden vaivaamilla mailla. Biohiilellä ei todettu olevan negatiivisia vaikutuksia maaperän kosteusolosuhteisiin, ravinnemääriin tai kauran sadon määrään tässä tutkimuksessa. Biohiilen pitkäaikaisten vaikutusten tutkimusta maaperään ja viljelykasvien satokomponentteihin on tärkeää jatkaa edelleen.

Global growing demand to produce more food with less inputs and energy without causing greenhouse gas emissions challenges the current practice of using mineral fertilizers which are produced from new and partly non-renewable raw materials with considerable amount of energy. On the other hand recycled fertilizers made of different side streams and biomasses also need to be processed before usage or the amount needed per area is so great that the environmental advantages might be lost. The aim of this study was to discover and compare the energy consumption and greenhouse gas emissions of recycled fertilizers (ammonium sulfate, biogas digestate and meat bone meal) and mineral fertilizer in production of oat by using Life Cycle Assessment (LCA). All recycled fertilizers were found to cause less greenhouse gas emissions and consume less energy than mineral fertilizer. The least emissions caused the usage of ammonium sulfate and the best energy efficiency was achieved with biogas digestate fertilization. Considered relative to global increase in food and energy consumption and control of climate change and recycling of raw materials recycled fertilizers proved to be effective compared to mineral fertilizer. Also on the grounds of land use and yield recycled fertilizers turned out to be potential substitute for mineral fertilizers. Further studies are still needed due to large number of raw materials and constantly increasing amount of processing techniques of recycled fertilizers.

Maaperän saastuminen ihmisen toiminnan seurauksena on vakava ympäristöongelma. Pilaantuneista kohteista moni on sekasaastunut. Tämänkaltaisissa kohteissa orgaanisten haitta-aineiden lisäksi maassa saattaa olla myös raskasmetalleja. Tavanomaiset saastuneen maaperän kunnostusmenetelmät, kuten massanvaihto, ovat usein kalliita ja ekologisesti kestämättömiä. Monet biologiset kunnostusmenetelmät ovat taloudellisempia ja aiheuttavat kohteiden ekosysteemille vähemmän vahinkoa. Näiden menetelmien käyttö Suomessa on kuitenkin suhteellisen vähäistä niihin liittyvien epävarmuustekijöiden takia. Yksi biologinen maaperän kunnostusmenetelmä on biostimulaatio, jossa maan luontaisen mikrobipopulaation hajotustoimintaa pyritään nopeuttamaan. Menetelmässä maaperän oloja muokataan haitta-aineiden mineralisaatiolle sopivammaksi. Tämä voidaan toteuttaa lisäämällä maaperään muun muassa ravinteita, yleisimmin typpeä ja fosforia. Lisäksi maaperän redox-potentiaalia voidaan pyrkiä muokkaamaan. Biostimulaatio toimii parhaiten orgaanisiin haitta-aineisiin, joita mikrobit kykenevät hajottamaan, esimerkiksi öljyhiilivetyihin. Menetelmän avulla ei kyetä hajottamaan raskasmetalleja. Biostimulaatio kuitenkin muuttaa maaperän olosuhteita suuresti. Muutokset redox-potentiaalissa ja pH:ssa voivat vaikuttaa suuresti maaperän raskasmetallien liukoisuuteen ja liikkuvuuteen. Jos biostimulaation avulla pyritään kunnostamaan raskasmetalleilla ja orgaanisilla haitta-aineilla saastunutta kohdetta, olisi hyvä selvittää, miten biostimulaatio voi muuttaa raskasmetallien liukoisuutta. Tässä pro gradu -tutkielmassa testattiin lihaluujauholla suoritetun biostimulaation vaikutusta raskasmetallien liukoisuuteen. Tutkielmassa suoritettiin mikrokosmoskoe ja suuremman mittakaavan koe lysimetreillä Soilia-maaperäntutkimusasemalla. Kokeissa selvitettiin, miten lihaluujauhon sekoittaminen raskasmetalleilla saastuneeseen maahan vaikuttaa näiden metallien liukoisuuteen veteen. Lisäksi selvitettiin, liukeneeko lihaluujauhosta merkittäviä määriä fosforia. Kokeessa tutkittiin metalleja Fe, Mn, Ni, Zn, Pb ja P. Kokeissa käytettiin aidosta kohteesta peräisin olevaa saastunutta maata. Kokeessa käytetty lihaluujauho oli peräisin Honkajoki Oy:ltä. Mikrokosmoskokeissa käytettiin saastuneella maalla täytettyjä pönttöjä, joiden läpi perkoloituneesta vedestä analysoitiin liuenneiden metallien ja fosforin pitoisuudet. Lysimetrikokeissa saastuneella maalla täytettyjä lysimetrejä kasteltiin puhtaalla vedellä ja lysimetrien läpi perkoloituneesta vedestä analysoitiin niihin liuenneiden metallien ja fosforin pitoisuudet. Kokeissa selvisi, että lihaluujauholla on suuri vaikutus joidenkin metallien liukoisuuteen. Metalleista erityisesti rautaa ja mangaania liukeni suuria pitoisuuksia sekä mikrokosmoskokeissa, että lysimetrikokeissa. Korkeimmillaan mangaanin pitoisuudet olivat jopa yli 1000 mg/l. Myös nikkeliä havaittiin korkeita pitoisuuksia, yli 60 mg/l. Sinkin ja lyijyn pitoisuudet taas olivat varsin matalia, eikä lihaluujauhokäsittelyllä ollut merkittävää vaikutusta niiden pitoisuuksiin. Fosforia uuttui enemmän lihaluujauholla käsitellystä maasta, mutta määrä ei ollut ympäristön kannalta merkittävä. Mangaanin ja raudan liukoisuuden kasvu johtuivat todennäköisesti hapettomien olojen muodostumisesta maaperään lihaluujauhon lisäyksen tehostaman mikrobitoiminnan vaikutuksesta. Metallien liukoisuuden runsas kasvu voi aiheuttaa riskejä pohjavedelle. Toisaalta lisääntynyt metallien liukoisuus voi olla myös hyödyksi, jos näitä metalleja pyritään biostimulaation yhteydessä poistamaan muilla kunnostusmenetelmillä. Fytoakkumulaatio tai elektrokineettinen kunnostus voisivat soveltua biostimulaatiota tukeviksi kunnostusmenetelmiksi kohteessa, joka on saastunut sekä hiilivedyillä, että raskasmetalleilla.

Meat and bone meal is a by-product of rendering industry. It contains significant amounts of nutrients, for example 2720 tonnes per year phosphorus in Finland. The use of meat and bone meal in agriculture ceased because of the mad cow disease in 1994. Meat and bone meal has been proved to nearly equal mineral fertilizers both economically and in fertilization effect with many crops. The use of high phosphorus content meat and bone meal as fertilizer decreases the need for non-renewable phosphorus resources and closes food system nutrient cycles. The objectives of this thesis were to consider the suitability of meat and bone meal in potato production and to estimate the recycling potential of meat and bone meal in potato production in Finland. The recycling potential was calculated as a ratio between the annual phosphorus demand in potato production and the amount of phosphorus in meat and bone meal produced in Finland. The mean yields of potato as well as the fertilization rates in agri-environment measures and the plant-available proportion of meat and bone meal were used in calculation. The annual phosphorus demand of potato production was estimated as 1100 tonnes and the amount of plant-available phosphorus in meat and bone meal was estimated as 1630 tonnes. This number includes a category 1 disease risk material which must currently be disposed of. The recycling potentials of meat and bone meal were calculated as 67 % and 74 % for all the material and excluding the category 1 material, respectively. Consequently, the amount of phosphorus in meat and bone meal can supply the demand in potato production. Meat and bone meal is a long-term phosphorus fertilizer and suitable for potato production in Finnish conditions if nitrogen and potassium are supplemented to meet the crop’s demand with other fertilizer products. It’s also an advantage that meat and bone meal is accepted in organic production. In a recycling nutrients point of view, the utilization of meat and bone meal as a fertilizer for instance in potato production is a good opportunity to return nutrients to the agroecosystem’s cycle.

Biochars are soil amendment materials produced via pyrolysis of biomass. They are resistant to degradation and can be used as a way to sequester carbon from the atmosphere. Biochars can improve soil structure and water and nutrient retention capacity, and significant positive effects on soil aggregate stability, water retention capacity and nutrient availability have been observed in acidic soils with low carbon content. The positive effects of biochar on soil properties can also increase crop yields. However, most studies on the effects of biochar have been conducted in tropical or temperate climates, and currently very little is known on its effects on the yield formation of cereals, and more specifically, barley. The aim of this study was to determine the effects of softwood biochar on field soil moisture and nutrient contents, as well as its effects on yield components of barley (Hordeum vulgare L.) 8 years after its application (0, 5, 10, 20 and 30 t ha-1) to boreal soil. In addition, the effects of organic and mineral fertilizers, alone and together with biochar, on soil moisture, nutrient contents and barley yield components were studied. Biochar did not have significant effects on soil moisture or nutrient contents or on barley yield components. Fertilization had significant effects on contents of soil moisture and nutrients, electrical conductivity, pH and the biomass, leaf chlorophyll content, number and weight of seeds and the final yield of barley. The non-significant effects of biochar can be due to the high amount of carbon already present in the soil, and similar results have been observed on the research site in previous years. The added biochar may also have been misplaced by soil management or degraded by weathering. The growing season of 2018 was drier and warmer than the long-term average and drought during the beginning of the growing season combined with issues with weeds negatively affected crop development and yield components.