Federal Department of Economic Affairs FDEA
Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART
Optimaalinen kosteus muokkaukselle ja eri muokkauskoneiden vetovoiman
tarve
Thomas Keller
1,21Swedish University of Agricultural Sciences, Department of Soil & Environment, Box 7014, SE-75007 Uppsala, Sweden; E-mail: thomas.keller@slu.se
2Agroscope, Department of Natural Resources & Agriculture, Reckenholzstrasse 191, CH- 8046 Zürich, Switzerland; E-mail: thomas.keller@agroscope.admin.ch
Paimio 18.11.2016
2
Kolme murtumatapaa:
leikkaamalla, vetämällä, muovautumalla
Vetomurtuma on tehokkain (eli vähiten energiaa uutta
murtopinta-alaa kohden)
Maa murustuu vain, jos siinä on ilmahuokosia (halkeamien etenemistä varten)
Leikkausmurtuma (puolikuu)
Muovautumista (ei murustumista)
Vetomurtuma (hauras)
Maan murtuminen muokatessa
3
L.J. Munkholm (2011) Soil friability: A review of the concept, assessment and effects of soil properties and management.
Geoderma 167-168, 236-246.
Vesimäärä > ylempi muokkausraja: maa ei murustu, vaan painuu kasaan ja hiertyy Vesimäärä < alempi
muokkausraja: maa on liian lujaa murustuakseen
Muokkaus- alue
Optimivesimäärä muokkaukselle, qopt
• Ylempi
muokkausraja (märkä) on maaperän ominaisuus
• Alempi
muokkausraja (kuiva) riippuu käytetystä
energiamäärästä
Missä oloissa maa on murustuva?
(eli hajoaa pieniksi kappaleiksi)
4
Maa
muokattavissa Liian märkää
Liian kuivaa
Muokkausrajoja voi tarkastella maan kastumisen myötä
V esimäärä (til -%)
5
http://www.omafra.gov.on.ca/english/e ngineer/facts/12-053.htm
Kuinka maan muokkauksen murustava
vaikutus riippuu pellon kosteustilanteesta?
6 Thomas Keller | © Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
Gravimetric water content (g g-1) Proportion of aggregates
Optimikosteus
maanmuokkaukselle, q
optKeller T., Arvidsson J. & Dexter A.R. 2007. Soil structures produced by tillage as affected by soil water content and the physical quality of soil. Soil & Tillage Research 92(1-2), 45-52.
> 32 mm
< 8 mm
Optimikosteus maan muokkaukselle
Mur ujen osuus
Vesipitoisuus (g/g)
7
0 500 1000 1500
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 q/qINFL
Aspecific (m2 m-3 )
0 500 1000 1500
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 q/qPL
Aspecific (m2 m-3 )
q
optq
optKeller T., Arvidsson J. & Dexter A.R. 2007. Soil structures produced by tillage as affected by soil water content and the physical quality of soil. Soil & Tillage Research 92(1-2), 45-52.
Optimikosteus maanmuokkaukselle
≈ 1.0 kosteus vedenpidätyskäyrän käännepisteessä
≈ 0.8 kosteus alemmalla plastisella rajalla
Optimikosteus maan muokkaukselle
8
‘Hauras’ : maa halkeaa, kun sitä muokataan tai hierretään
‘Muovautuva’ : maata voidaan muovata tai hiertää murtumatta
‘Valuva’ : maa valuu oman painonsa vaikutuksesta
Optimikosteus maanmuokkaukselle ≈ 0.8 × kosteus muovautuvuusrajalla (PL) Yläraja (märkä) muokkaukselle ≡ plastinen muovautuvuusraja (PL)
Maan muokkautuvuusrajat
Kuvat: Agridea
Hauras Muovautuva Valuva
Vedellä
kyllästetty
Kuiva
Watts et al. 1996. Soil & Tillage Research 37, 161-174. 9
Liettyvän saven määrä riippuu
muokkausenergiasta ja maan kosteudesta
Watts et al. 1996. Soil & Tillage Research 37, 175-190. 10
Liettyvän saven määrä riippuu
muokkausenergiasta ja maan kosteudesta
11
0 500 1000 1500 2000
0.000 0.020 0.040 0.060
S Specific surface area (m2 m-3 )
Muokkaus tehty optimikosteudessa
Aspecific = 45806 S – 662.5
Keller T., Arvidsson J. & Dexter A.R. 2007. Soil structures produced by tillage as affected by soil water content and the physical quality of soil. Soil & Tillage Research 92(1-2), 45-52.
Hyvälaatuinen maa murustuu muokatessa hyvin (suuri pinta-ala muokkauksen jälkeen)
S ≡ Fyysisen laadun pisteytys
Spesifipinta-ala
12
A.R. Dexter (2004) Soil physical quality: Part I-III. Geoderma 120, 201-214; 215-225; 227-239.
Joten muokkauksen synnyttämä mururakenne on
oletettavasti
“parempi”, kun multavuus on
suurempi
Maan fysikaalinen laatu yleensä paranee
orgaanisen aineen määrän lisääntyessä
13
Alempi muokkausraja ei ole selvästi määritetty
Dexter & Bird (2001): “vesipitoisuus, jossa maan lujuus on kaksinkertainen optimivesipitoisuuteen verrattuna”
Alempi (kuiva) muokkausraja
14
Alempi muokkausraja voitaisiin määrittää vetovoiman tarpeesta
(muokkausenergia, dieselin kulutus)
Mittauksia on vähän, mutta vetovoima yleensä
pienenee, kun multavuus kasvaa, esim. Watts et al.
(2006) Soil Use Manage 22:
Vetovoiman tarve muokatessa kasvaa,
kun maa kuivuu
15
Korkea multavuus lisää muokattavuusaluetta
Muokattavuusalue (vesipitoisuudet ylemmän ja alemman rajan välillä) riippuu maan
multavuudesta
Dexter & Bird, 2001, Soil Tillage Res. 57, 203-212.
16
Lähde: Hansrudolf Oberholzer, Agroscope, Switzerland
Humustase sveitsiläisillä tiloilla
tuotantosuunnittain
Erikoiskasvit Peltoviljely Yhdistetyt eläin-kasvitilat
Negatiivinenpositiivinentase
17
Maa on muokattavissa laajemmalla
kosteusalueella, jos maan rakenne on hyvä. Ts.
Tiivistynyt maa on muokattavissa vain harvoina päivinä, mikä haittaa töiden oikea-aikaisuutta (“Sunnuntai-savet” = pelto on märkä pitkään, se olisi muokattavissa sunnuntaina, mutta
maanantaina pelto on liian kuiva)
Muokkauksen aikaansaama pinta-alan lisääntyminen (murustuminen) vähenee irtotiheyden kasvaessa -> tiivistyneen maan murustaminen vaatii enemmän energiaa
Maan tiivistymisen vaikutus muokkaukseen
Soil bulk density (Mg m-3)
Dexter A.R. 2002. Advances GeoEcology, 57-69.
Tiivistyminen lisää vetovoiman tarvetta
Yleisesti: mitä parempi maan fyysinen laatu (multavuus, alhainen irtotiheys), sitä suurempi muokkautuvuusalue, eli hyvien olosuhteiden “muokkausikkuna”
18
Eri muokkauskoneiden vetovoiman tarve:
kyntöaura, kultivaattori, lautasäes
Mikä on kokonaisvetovoiman tarve (kN) entä työleveyttä kohden (kN m
-1)
Vetovoiman tarve on verrannollinen siirrettyyn maatilavuuteen. Tätä
kutsutaan “spesifiksi vetovoiman tarpeeksi”. Mikä on eri koneiden
spesifi vetovoimantarve (kN m
-2)?
19
Millä mitattiin: traktori, jossa
polttoaineenkulutusmittari, joka kalibroitiin vastaamaan VOA tehoa
Traktori: MF 6290 135 hv Mittaukset:
• Hetkellinen
polttoaineenkulutus
• Moottorin kierrosluvut
• Pyörän nopeus
• Traktorin nopeus Kalibroitu siten, että
renkaiden välittämä vetoteho
oli tiedossa eri polttoaineen
kulutuksilla ja kierrosluvuilla.
20
1 2
3
Mittasimme todellisen työsyvyyden ja
muokatun maan tilavuuden
21
7.1
8.7 9.5
12.8
17.9
21.1
6.3
0 5 10 15 20 25
13 17 21
Inställt arbetsdjup (cm)
Verkligt arbetsdjup (cm)
Kultivator Plog
Tallrik
Todellinen keskimääräinen muokkaussyvyys säädettyyn syvyyteen nähden
Arvidsson et al. 2004. Soil & Tillage Research 79, 221–231.
T odell inen ty ösyvy ys (c m )
Säädetty työsyvyys (cm)
Kultivaattori Kyntöaura
Lautasäes
22
Kyntöaura Kultivaattori Lautasäes
Muokkauspohjan tasaisuus
Arvidsson et al. 2004. Soil & Tillage Research 79, 221–231.
Syvyys al kuperäi sestä maanpi nna sta (cm )
Poikkisuuntainen etäisyys(cm)
23
Kultivaattori Lautasäes
Muokkauskerroksen pohja
24
c) b)
Körriktning a)
Kritiskt arbetsdjup
Edestä:
Sivusta:
Terä(esim. Kultivaattorinkärki)
Maa murtuu ainoastaan tietyn syvyyden yläpuolelta ts. “kriittinen työsyvyys”.
Kriittisen syvyyden
alapuolelta maa ainoastaan muovautuu tai virtaa (maa menee terän ympäri)
Kriittinen syvyys riippuu
maan ominaisuuksista, terän leveydestä ja kulmasta.
Missä ja miten maa murtuu muokattaessa?
Kriittinen syvyys
25
Kyntöaura: korkein vetovoiman tarve (kN m
-1), mutta alin spesifi vetovoiman tarve (kN m
-2)
Kyntöauran, kultivaattorin ja lautasäkeen vetovoiman tarve
Arvidsson et al. 2004. Soil & Tillage Research 79, 221–231.
26 0
50 100 150 200 250 300 350
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
Soil water content (g g-1) Specific draught (kN m-2 ) Kultivaattori
Kyntöaura Lautasäes
R2 = 0.63
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0 50 100 150 200
Cohesion (kPa) Specific draught (kN m-2 )
Kyntöaura
Spesifinen vetovoiman tarve riippuu maan kosteudesta ja maan lujuudesta
Mitä kuivempi maa, sitä suurempi spesifi vetovoiman tarve.
Mitä lujempi maa (tässä koheesio), sitä suurempi vetovoiman tarve
27
Työsyvyys, vetovoiman tarve ja
murustuminen: kyntöaura, kultivaattori ja lautasäes
Arvidsson et al. 2004. Soil & Tillage Research 79, 221–231.
Kyntöaura Kultivaattori Lautasäes
Kyntöaura Kultivaattori Lautasäes
Kyntöaura Kultivaattori Lautasäes Kyntöaura
Kultivaattori Lautasäes
28
0 50 100 150 200
0 2 4 6 8 10 12
Speed (km h-1) Specific resistance (kN m-2 )
0 50 100 150 200
0 2 4 6 8 10 12
Speed (km h-1) Specific resistance (kN m-2 )
Ultunan koemittaukset savi (vasen) ja htHeS mailla (oikea): spesifi vetovoiman tarve muokkausnopeudesta riippuen; kyntöaura (kolmio), kultivaattori (salmiakki) ja
lautasäes (ympyrät)
Vetovoiman tarve kasvaa nopeuden myötä
29
Kokeet tehtiin hiesuisella hiuemaalla (silt loam) ja savimaalla 2003-2004 ja 2004-2005.
Sijainti: Ultuna (SLU Uppsala)
Polttoaineen kulutus ja vetovoiman tarve eri
muokkausjärjestelmissä (syysviljat)
30
Koejäsen Työsyvyys (cm)
A. Kyntöaura 20
B. Matala kyntö 11
E. Kultivaattori, 1 ajo 4 F. Kultivaattori, 2 ajoa 7 M. Carrier lautasmuokkain, 1 ajo 3 N. Carrier lautasmuokkain, 2 ajoa 4 O. Suorakylvö
Koejäsenet ja mitatut työsyvyydet
31
Polttoaineen kulutus, savimaa
Arvidsson 2010. European Journal of Agronomy 33, 250-256.
32
Polttoaineen kulutus, hiesuinen hiue
Arvidsson 2010. European Journal of Agronomy 33, 250-256.
33
Työkone S
(kN/m2)
d (m)
D (kN/m)
qt (l/ha) Kyntöaura
Kultivaattori Lautasäes
Carrier lautasmuokkain Äes
Kylvölannoitin, laahavannas Kylvölannoitin, kiekkovannas Leikkuupuimuri
36 + 1.35 c 44 + 1.66 c 44 + 1.65 c 58 + 2.18 c
- - -
0.20 0.06 0.06 0.04
- - -
15.3 5.6 5.6 5.0 2.5 2.6 6.0
19.9 7.3 7.3 6.4 3.3 3.4 7.8 17
S: Spesifi vetovoima kN/m
2riippuen savipitoisuudesta (c)
D: Vetovoiman tarve per m työleveyttä kN/m tietyllä syvyydellä (d) q
t: Polttoaineen kulutus per hehtaari
Yhteenveto kokeista Ultunan koeasemalla (Uppsala, Ruotsi)
Tulokset: J. Arvidsson (Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala, Sweden)
34
Ovatko satoerot osien välillä pysyviä?
Miksi sadossa on eroja?
Onko maan rakenteella väliä – satotasolle?
35
1
.askel: Valitaan peltoja, joista on sato kartoitettu
Kolme ruotsalaista peltoa (kolme eri maatilaa), 10 vuotta satokartoitusdataa
Satotason ja maan rakenteen suhde
peltotasolla tarkasteltuna
36
1
2 3
Erilaiset alueet joka pellolta, vertaamalla historiallisia
satokarttoja
Hyväsatoinen, keskisatoinen ja matalasatoinen alue joka pellolla
2. askel: valitaan satokartoista erilaisia
alueita
37
i. Pellot, joista satotasot on kartoitettu
o Kolme ruotsalaista peltoa (kolmella eri tilalla), 10 vuotta satokartoitusta
ii. Eri alueiden valinta satotasojen perusteella
o Yksi korkea-, keskimääräinen- ja matalasatoinen alue joka pellolla.
iii. Maan fysikaalisten olosuhteiden määritys näiltä alueilta
o Mittaukset pintamaassa (5 cm syvyys) ja pohjamaassa (30 cm syvyys)
iv. Sadon ja fyysisten ominaisuuksien vastaavuus
o Pitkän aikavälin keskisato riippuu pohjamaan ominaisuuksista
3. askel: mittauksia ja analyysiä
38
i. Saturoitunut vedenjohtavuus “yksinkertaistettu putoavan vesipatsaan menetelmä”
(Bagarello et al., 2004, Soil Sci Soc Am J 68: 66-73)ii. Murujakauma kuivasta maasta iii. Vedenpidätyskäyrä
iv. Irtotiheys
v. Maan tiivistysmiskäyrät (yksisuuntainen) vi. Maalaji ja multavuus
Kuva: Jens Blomqvist
Fysikaalisten ominaisuuksien mittaus
(sadonkorjuun jälkeen)
39
Kuvat: Jens Blomqvist
Yksinkertaistettu putoavan vesipatsaan tekniikka
(Bagarello et al., 2004, Soil Sci Soc Am J 68: 66-73)Joka kohdassa: 42 yksittäistä mittausta, noin 15 litraa vettä
Aika ta: ta < 5 minuuttia noin 2/3 kaikista mittauksista; ta > 1 tunti noin 6% kaikista mittauksista
40
* 1 1 1
1 ln
* 1 1
q
q
q q
q q
D D D
D K t
a fs
Kfs: Saturoituneen maan vedenjohtavuus
Δθ: Erotus saturoituneen ja alkuperäisen vesimäärän välillä
ta: Aika veden lisäämisestä siihen, että vettä ei enää ole pinnassa D = V/A: Vesipatsaan korkeus mittauksen alussa
α*: Kfs suhde saturoituneen maan matriisipotentiaaliin
Tietyllä renkaan halkaisijalla ja vesimäärällä, K
fsriippuu lähinnä t
aYksinkertaistettu putoavan vesipatsaan menetelmä
(Bagarello et al., 2004, Soil Sci Soc Am J 68: 66-73)
41
Satokarttojen data-analyysi
(1) Koneiden liike suodatettu (nopeuden ja suunnan nopeat muutokset) (2) Ääriarvot poistettiin jakaumien avulla
(3) Leikkuuleveyden aiheuttamat virheelliset mittaukset poistettiin (jakauma, kartta) (4) Datamalli ArcGIS ohjelmistoon (kriging, linear semivariogram model)
42
a) Pitkän aikavälin keskisato
(Blackmore, 2000, Computers and Electronics in Agriculture 26: 37-51):
b) Sadon ajallinen vaihtelu CV
(Blackmore, 2000, Computers and Electronics in Agriculture 26: 37-51):
nMean i LTA
i
Y
Y RY n
1
,
1 100
LTA i n
LTA i i
i RY
RY n RY
CV
, 1
2 ,
1
Satokarttojen data-analyysi
43
Esimerkki pitkän aikavälin trendeistä (pitkän
ajan suhteellinen keskisato)
44 Thomas Keller | © Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART
Alue = vakaa, jos CV < 30% (Blackmore, 2000, Computers and Electronics in Agriculture 26: 37-51)
Esimerkki ajallisen vaihtelun kartasta
(coefficient of variation, CV)
45
Korkean sadon alue, H: 112,5% (CV=16,3%) Keskisadon alue, M: 99,5% (CV=16,7%) Alhaisen sadon alue, L: 84,0% (CV=20,7%)
(Erot satotasoissa merkittäviä luotettavuusrajalla P < 0,05)
Pitkän aikavälin keskisato lohkon eri osissa kolmella alueella
Keller et al. 2012. Soil & Tillage Research 124, 68-77.
46
H
H
M
M L
L
H
H
M L M
L
H
H M
M L
L
1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
Topsoil Subsoil
Bulk density (Mg m-3 )
H: high-yielding zone M: medium-yielding zone L: low-yielding zone Pelto 1 Pelto 2 Pelto 3 Pelto 1 Pelto 2 Pelto 3
Irtotiheys eri satotasojen alueilla
Keller et al. 2012. Soil & Tillage Research 124, 68-77.
Ir tot ih eys (t /m 3)
Pohjamaa Ruokamulta
Korkea sato Keskisato Alhainen sato
47
10 12 14 16
High- Low- Average-
yielding zone
MWD (mm)
Murujen keskipainohalkaisija
Keller et al. 2012. Soil & Tillage Research 124, 68-77.
Korkea sato Alhainen Keskisato
sato
48
H H
M
M
L L
H
H M
M
L
L H
H M
L M
L 0
200 400 600 800 1000 1200
Topsoil Subsoil
kfs (mm h-1 )
H: high-yielding zone M: medium-yielding zone L: low-yielding zone Pelto 1 Pelto 2 Pelto 3
Pelto 1 Pelto 2 Pelto 3
Saturoituneen maan vedenjohtavuus, K fs (kattilamenetelmällä)
Keller et al. 2012. Soil & Tillage Research 124, 68-77.
Korkea sato Keskisato Alhainen sato
Ruokamulta Pohjamaa
49
0 20 40 60 80 100
E4-vägen Svanshals Vinberga Site
K
fs,Low/ K
fs,High( % )
Pelto 1 Pelto 2 Pelto 3
Vedenjohtavuus alhaisen sadon alueilla verrattuna korkean sadon alueisiin
KfsKeller et al. 2012. Soil & Tillage Research 124, 68-77.
V ede njohtavuus %
50
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Relative Kfs
Relative yield
R2 = 0.63; P = 0.05
Suhteellinen jyväsato suhteessa suhteelliseen veden imeytymiseen K fs
1.0 (100%) = keskisatoinen alue
Keller et al. 2012. Soil & Tillage Research 124, 68-77.
51
(1) Murukokojakauma muokkauksen jälkeen riippuu pellon kosteudesta
(2) Oletuksena on vaihteleva kosteus pellolla muokkaushetkellä
(3) Tämä:
• Vaikuttaa maan rakenteeseen
• Voi vaikuttaa maan oloihin kylvöhetkellä ja kylvöalustan ominaisuuksiin
(4) Mikä vaikuttaa sadon kasvuun ja satoon
…miten tämä liittyy kosteustilanteeseen
muokkaushetkellä..?
52
(1) Alhaisen sadon alueilla oli huono maan rakenne. Tämä näkyi etenkin:
o Selvästi alempana vedenjohtavuutena, K
fs, heikon satotason alueilla o Suurempana murujen keskikokona ja korkeampana irtotiheytenä
heikon sadon alueilla
(2) Maan rakenne on tärkeä
(3) Emme saa unohtaa pohjamaata, eli vuotuisen muokkauksen alapuolista kerrosta
Johtopäätökset ja miten sovelletaan
(täsmä)viljelyyn
53
Johtopäätökset
- Maan muokkaukselle on optimaalinen kosteus
- Optimi on kosteudessa, joka on hieman kuivempaa kuin (alempi) muovautumisraja
- Muokkaus liian märissä oloissa vahingoittaa maan rakennetta - Muokkaus liian kuivissa oloissa vaatii paljon energiaa
- Muokkautuvuusikkuna riippuu maan tilasta: heikkorakenteinen maa ->
hyvin kapea ikkuna
- Muokkauksella luotu maan mururakenne (murujakauma) vaikuttaa kasvien kasvuoloihin ja siten satoon
- Kosteustilanne ei yleensä ole tasainen koko lohkolla, joten pellon rakenteeseen tulee vaihtelua muokkauksen johdosta, mikä aiheuttaa eroja satotasossa.
- Vetotehon tarve on suurin kyntöauralla, mutta maatilavuutta kohden vetotehon tarve on alhaisempi kuin kultivaattorilla tai lautasäkeellä - Kun maa on liian märkä, maan liikuttamiseen menee paljon energiaa,
mutta maa ei murustu
54
Rahoittajat:
Swedish Research Council for Environment, Agricultural Sciences &
Spatial Planning (Formas)
Swedish Farmers Foundation for Agricultural Research (SLF)
Royal Swedish Academy of Agriculture and Forestry (KSLA)
Swiss National Science Foundation (SNSF) through the National Research Program 68 “Soil Resources” (project no 406840-143061)
Swiss Federal Office for Agriculture (FOAG)
Swiss Federal Office for the Environment (FOEN)
55
Tämän materiaalin tuotti OSMO-hanke
http://www.maan-kasvukunto.fi
Name of the presentation | Subtitle
Author | © Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART