Röntgentomografia paljastaa maan kolmiulotteisen rakenteen

Maanrakenne kuvaa kiintoaineksen järjestäytymistä ja kiintoaineksen väleissä olevaa huokostilaa. Hyvärakenteinen maa sisältää kestäviä mururakenteita ja siinä on erikokoisia huokosia, joilla on omat tehtävänsä.

Kasveille käyttökelpoisin vesi on sitoutuneena keskikokoisiin huokosiin. Suuret huokoset tyhjentyvät vedestä painovoiman vaikutuksesta ja niitä pitkin kasvin juuret ja maan pieneliöt saavat tarvitsemansa hapen. Toimiva huokosrakenne mahdollistaa veden nopean imeytymisen maahan sateen jälkeen ja vettä myös pidättyy huokostoon kasvien saataville.

Maan mururakenteeseen vaikuttaa moni asia. Kemialliset, fysikaaliset ja biologiset tekijät ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa ja muokkaavat maan rakennetta. Orgaanisella eli eloperäisellä aineksella on keskeinen rooli hyvän mururakenteen synnyssä. Orgaaninen hiili on puolestaan hiiltä, joka on eloperäisen aineksen keskeinen rakennekomponentti. Orgaanista ainesta lisäämällä saadaan murut kestävämmiksi ja sitä kautta on mahdollista parantaa maan kasvukuntoa sekä vähentää liettymisen ja eroosion riskiä.

Kuvantamalla mitataan maaperän käsittelyiden rakennevaikutuksia

Tutkimme HiiletIn-hankkeessa maan rakennetta useilla erilaisilla kuvantamismenetelmillä. Yksi näistä on röntgentomografia, jossa näytteestä otetaan kaksiulotteisia röntgenkuvia monesta suunnasta. Kuvien avulla lasketaan näytteen kolmiulotteinen sisärakenne, joka yleensä esitetään joukkona poikkileikekuvia. Katso YouTube Shorts-video peltomaanäytteen röntgentomografiasta. 

Kuvassa 1 on poikkileikekuva alumiiniputkessa olevasta maanäytteestä. Putki näkyy kirkkaana renkaana näytteen ympärillä ja maan rakenteessa olevat huokoset mustina alueina. Keskiharmaat alueet ja kirkkaat pallerot ovat kiinteitä rakenteita, joista peltomaa koostuu.

Pinoamalla lähekkäin otettuja poikkileikkeitä päällekkäin saadaan aikaan kolmiulotteinen kuva maan rakenteesta. Tällainen kuva voidaan värittää ja visualisoida (kuva 2). 

Kolmiulotteinen tomografiakuva on digitaalinen malli fyysisestä näytteestä sisärakenteineen. Siihen voidaan soveltaa monipuolisesti erilaisia kuva-analyysialgoritmeja, joiden avulla näytettä voidaan katsella eri suunnista. Näytteestä voidaan eristää esimerkiksi maaperän huokoset ja kiinteä aine. Kuvan perusteella voidaan mitata esimerkiksi huokosten määrää ja halkaisijaa, niiden tilavuusosuuksia ja muotoja sekä kuvaan perustuvien simulaatioiden kautta myös virtausominaisuuksia.

Mittaamme röntgentomografialla maaperän käsittelyiden rakennevaikutuksia peltokokeissa. Erilaiset käsittelyt voivat aiheuttaa maan kasvukunnon kannalta sekä positiivisia että negatiivisia rakennevaikutuksia. Menetelmällä pystytään havaitsemaan näitä muutoksia.

Näytteenotossa peltomaahan työnnetään sisähalkaisijaltaan 4,6 cm alumiiniputki, jonka sisään jäävä maa muodostaa näytteen röntgentomografiaa varten (kuva 3). Putki viedään röntgentomografiakuvaukseen sellaisenaan ilman mitään muuta näytteenvalmistelua, jolloin voidaan varmistua siitä, että maanäytteen rakenne säilyy mahdollisimman edustavana ja muuttumattomana. 

Yhtenä röntgentomografian sovelluksena tarkastellaan maankäytön muutosten aiheuttamia vaikutuksia maaperän hiilivarastoon. Erilaisen maankäyttöhistorian aiheuttamat erot maan rakenteessa ovat selvästi havaittavissa.

Lisätiedot röntgentomografiasta: Arttu Miettinen, Senior Researcher, Jyväskylän yliopisto