Keller Thomas_Tiivistymisriskin arviointi-Kuinka-valttaa-tiivistyminen

(1)

Federal Department of Economic Affairs FDEA

Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART

Tiivistymisriskin arviointi ja kuinka välttää maan tiivistyminen

Thomas Keller

^1,2

1Swedish 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)

2

1. Ennaltaehkäisy tärkeämpää kuin korjaaminen

 palautuminen = vie aikaa ja rahaa, ei palaudu kunnolla

2. Vältä pohjamaan tiivistämistä

 palautuminen = vie aikaa ja rahaa, ei palaudu kunnolla

 ruokamultakerros = voidaan ennallistaa

3. Maan rakenteen suojeleminen = miten?

a) Vältä kaikkia muutoksia maan rakenteessa (varovaisuusperiaate)

 ei minkäänlaista muodonmuutosta b) noudata kynnysarvoja

 ei muodonmuutosta joka ylittäisi rakenteelle määritetyt reunaehdot

From Peter Weisskopf, Agroscope, Switzerland

Maan rakenteen suojeleminen – perusideoita

(3)

3

0.4 0.5 0.6 0.7

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Log stress (kPa)

Void ratio

Kuormitus maassa

Maan lujuus

(Kuormituksen ja muodonmuutoksen suhde)

Lujuus <> Kuormitus

Kuormitus > lujuus  pysyvä muodonmuutos, irtotiheyden kasvu = huokostilavuuden väheneminen = Tiivistyminen

Kuormitus ≤ Lujuus  Elastista, palautuvaa muodonmuutosta

Tiivistymisriski on korkea, kun : Kuormitus on korkea ja/tai

maan lujuus on alhainen

Maan tiivistyminen: yksinkertainen malli

(4)

4

Kuinka tiivistymistä voidaan vähentää?

Kuorma > lujuus Pysyvä muodonmuutos, irtotiheyden kasvu = vähemmän huokosia = Tiivistyminen

Kuorma ≤ lujuus  Elastinen (palautuva) muodonmuutos

Maan lujuus Maan kuormitus

Vähennä

kuormitusta

(5)

5

Kuinka maan tiivistymisriskiä voi vähentää?

Lisää maan

lujuutta

(6)

6

Kuinka voidaan vähentää maan tiivistymistä?

Pidä huolta, että maan

kuormitus ≤ maan lujuus

(7)

7

Kuinka tiivistymistä voidaan vähentää?

Vähennä

kuormitusta

(8)

8

Koeasetelma

Kuorma ja

siirtymä -anturit

Painuma- anturit

Tallennin

Tietokone

(9)

9

Pystykuorma (Load cell)

Pystysiirtymä

h=p (g)

^-1

Anturi pystykuormalle ja pystysiirtymälle

(10)

10

Maan kuormituksen mittaus

Pystykuorma (load cell)

(11)

11

Kenttäkoe hiuesavella (clay loam) (35%

savea)

• Rengaskuorma:

• Edessä: 8,6 tonnia

• Takana: 3,3 tonnia

• Rengas: 1050/50 R32

• Renkaan ilmanpaine:

• Edessä: 100 kPa, 150 kPa tai 250 kPa

• Takana: 150 kPa

Rengaskuorman ja renkaan ilmanpaineen

vaikutus kuormitukseen

(12)

12

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 50 100 150 200 250 300 350

Uppmätt tryck (kPa)

Djup (m)

ringtryck 250 kPa - hjullast 86 kN ringtyck 150 kPa - hjullast 86 kN ringtryck 100 kPa - hjullast 86 kN ringtryck 150 kPa - hjullast 33 kN

Keller & Arvidsson (2004) Technical solutions to reduce the risk of subsoil compaction: Effects of dual wheels, tandem wheels and tyre inflation pressure on stress propagation in soil. Soil & Tillage

Research, 79(2), 191-206.

Mitattu pystysuuntainen kuormitus etu- ja takarenkaan kohdalla

Pohjamaan kuormitusta voi vähentää vain pienentämällä rengaskuormaa

Mitattu paine (kPa)

Syvyys (m )

(13)

13

• Rengaskuorma: 2,5 tonnia yksittäispyörälle (takarengas) ja 2,2 tonnia

paripyörätraktorilla (eturengas)

• Renkaat: 700/70 R38

• Renkaan ilmanpaine: 60 kPa

Kuormituksen jakautuminen paripyörien alla

(14)

14

0.15 165 199 131 141 50 148

0.30 68 48 27 45 26 39

0.50 31 29 20 28 25 32

Depth (m) Measured vertical soil stress (kPa)

Kuormituksen jakautuminen paripyörien alla

Syvyys (m) Mitattu maan kuormitus (kPa)

(15)

15

0

15

30

50

70

Djup (cm)

200-220 180-200 160-180 140-160 120-140 100-120 80-100 60-80 40-60 20-40 0-20

2500 kg 2500 kg 2500 kg

Kuormituksen jakautuminen paripyörien alla

Keller & Arvidsson (2004) Technical solutions to reduce the risk of subsoil compaction: Effects of dual wheels, tandem wheels and tyre inflation pressure on stress propagation in soil. Soil & Tillage Research, 79(2), 191-206.

(16)

Kolloquium FB31 | Bodenverdichtung 16

Thomas Keller | © Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART

Kuormitus maaprofiilissa – kyntö vs.

kevennetty muokkaus

(17)

17

Rengaskuorma: 3,2 t Akseliväli: 1,45 m

Renkaat: TWIN 700/50-26.5;

renkaan ilmanpaine: 160 kPa Nopeus: 2 m s

^-1

Kuormituksen jakautuminen telipyörien alla

(18)

18

-50 0 50 100 150 200 250 300

-1.45 0 1.45 2.9 4.35

Distance from the first axle (m)

Measured vertical stress (kPa)

0.3 m depth 0.5 m depth 0.7 m depth

Kuormituksen jakautuminen telipyörien alla

-Kalkinlevitys vaunu - kolmipyöräinen teli

Keller & Arvidsson (2004) Technical solutions to reduce the risk of subsoil compaction: Effects of dual wheels, tandem wheels and tyre inflation pressure on stress propagation in soil. Soil & Tillage Research, 79(2), 191-206.

Etäisyys ensimmäisestä akselista (m)

Mit att u pysty su untainen ku or mit us ( kPa )

syvyys syvyys syvyys

(19)

19

Kumitela: 1,93 m pitkä, 0,65 m leveä; kuorma n. 6 tonnia, Teoriassa keskimääräinen paine maahan: 0,5 bar

Rengas: 900/60 R32: rengaskuorma n. 6 tonnia, renkaan

ilmanpaine: 210 kPa (standardi) tai 130 kPa (increased flexion IF)

Kumitelat vai renkaat?

(20)

20

Esimerkki kuormituksen jakautumisesta kumitelan alla – Claas Lexion 750

Aika

Pa in e maassa

Syvyys 15 cm

30 cm

50 cm

(21)

21

Esimerkki renkaalla ja telalla,

pystysuuntainen kuorma 15 cm syvyydessä

(22)

22

Mitattu pystykuorma leikkuupuimurin etuakselin alla (tyhjänä ajettu)

Paine maassa (bar)

Syvyys (m )

Rengas 210 kPa Rengas 130 kPa Tela

(23)

-50

23

0 50 100 150 200 250

5 10 15 20

V erti cal stress ( kP a)

Time (s)

15 cm 30 cm

Mittauksissa näkyy vain tukirullat, mutta emme tiedä miksi…

Kuormitus maassa “pyörätelojen” alla

(24)

-50

24

0 50 100 150 200 250

1 2 3 4 5

V ertic al s tr ess (kP a)

Time (s)

Kuormituksen jakautuma muuttuu, kun vedetään työkonetta.

Telatraktori: vedolla ja ilman vetoa

(25)

25

Kumitelatraktorit: joko yksi tela/puoli (Challenger) tai neljä telaa (”quad-tracks”)

Pyörätraktorit: joko yksittäis- tai paripyörät

Mittauksia erilaisilla traktoreilla

(26)

26

Traktorin ominaisuudet

(27)

27

Yhteenveto

Pystysuuntainen kuormitus (kPa)

Syvyys maassa (cm)

(28)

28

Kuormitus maassa 50 cm syvyydessä vs kuorma

Rengas tai telakuorma (kg)

Rengas

Tela

(29)

29

Kuormitus maassa 15 cm syvyydessä vs pintapaine

Renkaan täyttöpaine tai telan keskimääräinen paine (kPa)

Rengas

Tela

(30)

30

 on-land kyntö

 Perinteinen kyntö

(traktorin pyörä vaossa)

 on-land kyntö

On-land vs. perinteinen kyntö, renkailla ja

telalla

(31)

31

The average ground stress is 65 kPa in both cases

0 100 200 300 400

0 0.5 1 1.5 2

Tid (s)

Vertikalt marktryck (kPa)

För hög dragpunkt

Optimalt dragpunkts-läge

Maan kuormitus kumitelatraktorin alla vedettäessä kyntöauraa

Keskimääräinen kuormitus maassa on 65 kPa molemmissa tapauksissa.

Liian korkea vetopiste Optimaalinen vetopiste

Aika (s)

(32)

32

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 50 100 150 200 250

Vertikalt marktryck [kPa]

Djup [m]

Konventionell plöjning, hjultraktor On-land plöjning, hjultraktor

On-land plöjning, bandtraktor

Maan kuormitus kynnön aikana

Syvyys (m)

Perinteinen kyntö, pyörät On-land kyntö, pyörät On-land kyntö, telat

(33)

33

Johtopäätöksiä kumiteloista

Kumiteloilla on mahdollista vähentää maan kuormitusta suuren pinta- alan ansiosta. Mutta:

• Kuorman jakautuma ei ole tasainen, pyörien ja rullien alla on selviä kuormituspiikkejä

• Kuorma ei ole tasapainossa pyörien ja tukirullien välillä (esim.

Mittauksissa tukirullat kantoivat koko nelitelakoneen kuorman mittausoloissa)

• Kahden pitkän telan traktori on vaikea saada tasapainoiseksi:

vedossa painoa siirtyy telan takaosaan.

• Teloja käytetään yleensä hyvin painavilla koneilla, joten

pohjamaan kuormitus ei alene suurista kosketuspinnoista

huolimatta.

(34)

34

Johtopäätökset maan kuormituksesta

Nyrkkisääntö: renkaan täyttöpaine määrittää maan pinnan

kuormituksen, rengaskuorma määrittää pohjamaan kuormituksen.

Pohjamaan kuormitusta voidaan pitää alhaisena ainoastaan käyttämällä pieniä rengaskuormia.

Vältä kyntöä perinteisesti vakopyörä vaossa.

Paripyörät ja telit: renkaat toimivat erillisinä maan kuormituksen kannalta, eli nämä ovat tehokkaita keinoja maan kuormituksen vähentämiseen.

Maan kuormitus kumitelojen alla on samaa suuruusluokkaa kuin maan

kuormitus paripyörillä.

(35)

35

Vuosi: 2014 / paino: 16000 kg

Mean normal stress (kPa)

20 40 60 80 100 120

20 40 60 80 100 120 15 cm

syvyys: max = 90 kPa

40 cm syvyys:

max = 30 kPa

15 cm syvyys = 120 kPa

40 cm syvyys:

max = 90 kPa

Stettler, Keller & Arvidsson (2014) Julkaisematon.

Koneiden painon ja maan kuormituksen kehitys

Vuosi: 1938 / paino: 2800 kg

(36)

Schjønning et al. (2015) Advances in Agronomy, 133, 183-23736

Maankuormitus (kPa)Keskim. Paine maahan(kPa) Rengastilavuus(m3 ) Kosketuspinta(m2 )

1950 2010

Vuosi

Koneiden painon ja maan kuormituksen kehitys

Rengaskuorma (Mg)

Tiivistelmä:

Puimureilla, paino per rengas on kasvanut 4 kertaiseksi vuodesta 1950

Renkaat ovat kehittyneet ja kasvaneet->

maan ja renkaan välinen kuormitus ei ole kasvanut paljoa (jopa vähentynyt)

Maan kuormitus etenkin pohjamaassa on kaksinkertaistunut

(37)

37

Kuinka maan tiivistymisriskiä voi vähentää?

Lisää maan

lujuutta

(38)

38

y = 0.86x + 167.62 R² = 0.52

y = 1.03x + 91.21 R² = 0.87

0 50 100 150 200 250

0 10 20 30 40 50 60 70

Vattenbindande tryck (kPa)

Förkonsolideringstryck (kPa)

Kuivempaa

Maan luj uus kasva a

Maa I (30% savea)

Maa II (50% savea)

Kuinka voidaan lisätä maan lujuutta?

Lyhyellä aikavälillä: odota, että maa kuivuu…

Maan imu (kPa)

Esikuormituslujuus(kPa)

(39)

39

Suorakylvö NT Kyntöaura MP

Oberacker pitkäaikaiskoe

(Zollikofen lähellä Berniä, Sveitsissä)

(40)

40

Suorakylvö Kyntö

Näytteet:

15 cm syvyys 40 cm syvyys

Maan irtotiheysprofiili

Martínez et al., 2016. Soil Tillage Res. 68, 163, 141-151.

Maan irtotiheys (t/m3)

Syvyys(cm)

(41)

41

Photo: Per Schjønning

Pohjamaa (40 cm syvyys)

Kyntöaura Suorakylvö Pysyvä nurmi D p/D 0(-)

Imu (hPa) Imu (hPa)

D p/D 0(-)

Suhteellinen kaasudiffuusionopeus, D _p /D ₀

Ruokamultakerros (15 cm syvyys)

Martínez et al., 2016. Soil Tillage Res. 68, 163, 130-140.

(42)

42

kuiva märkä

Diffuusio  Suhteellinen kaasudiffuusionopeus, D

_p

/D

₀

Δ paine Δpitoisuus

Lähde: Marie Eden, TU Munich, Germany

Kaasujen kulkeutuminen maassa

Advektio  Ilman läpäisy, k

_a

(43)

Vuosi 43

Py st y kuormi tus kuormi te ttuna

[250 kPa, %]

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0

1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016

MP35 NT10

NT35 MP10

parempihuonompi

Maan lujuusnäkökulmia

Lähde: Peter Weisskopf, Agroscope, Switzerland

(44)

Pystysiirtymä kuormitettuna

44

[250 kPa, %]

Makrohuokosia ku ormituk se n jäl keen

[250 kPa, %]

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0

PF35 DS35

DS10

huonompparempi

parempi huonompi

PF10

Maan lujuusnäkökulmia

From Peter Weisskopf, Agroscope, Switzerland

(45)

45

Kyntö vs. suorakylvö: pohjamaan

huokoisuus korreloi lierojen biomassan kanssa

Tulokset 10 koevuoden jälkeen (Maurer-Troxler et al., 2005, Agrarforschung 12):

Kaivautuvien lierojen biomassa kynnetyillä lohkoilla (MP) oli vain 49.5% verrattuna suorakylvettyihin (DD).

Julkaisematon aineisto(Maurer-Troxler et al., 2015) vuodelta 2014, eli 19 koevuoden jälkeen,

samanlainen trendi näkyvissä.

(46)

46

Vaikutukset kasvien kasvuun: Oberacker pitkäaikaiskoe

Keskimääräiset suhteelliset sadot, DD (kyntö, MP = 100%) vuosille 1994-2014:

- Viljat: >100% <-> DD: parempi pohjamaan rakenne - Maissi: ≈ 100%

- Sokerijuurikas: <100% <-> DD: tiiviimpi ruokamultakerros

Nykyisin 6-vuoden viljelykierto: herne – syysvehnä – härkäpapu–

syysohra – sokerijuurikas – rehumaissi

Kerääjäkasvit – peltosinappi, rehuöljyretikka ja rehuvirna – molemmissa koejäsenissä viljan ja herneen jälkeen

(47)

47

Kyntö MP Suorakylvö NT

Ruokamulta- Pohjamaa – rajapinta

Ruokamultakerros

Pohjamaa

äkillinen (kyntöantura) jatkuva

(bio huokosia)

tiivis, heikosti läpäisevä

vakaa, kantava

löyhä, läpäisevä epävakaa,

luhistuva

vakaa,

kantava läpäisevä vakaa,

kantava läpäisevä Maan pinta ^vakaa Helposti kuorettuva

Maan rakenne suorakylvö- ja kyntölohkoilla Oberacker kokeessa

Lähde: Peter Weisskopf, Agroscope, Switzerland

(48)

48

Kyntö MP Suorakylvö

NT Rajapinta

Ruokamulta

Pohjamaa vakaa, kantava, läpäisevä Pintamaa

jatkuva / äkillinen vakaa, kova / löyhä,

epävakaa

huonosti/ hyvin läpäisevä vakaa/ kuorettumisriski

Kosteus!

käytä sopivia oloja (tai luo ne) Viljelykierto

«aina vihreällä»

 pellon pintapeite, juuret, muokkauksen

ajoitus

Humustasapaino kunnossa

orgaaniset

lannoitteet, kasvijätteet,

…

Kevennetty muokkaus

 «niin paljon kuin tarvitaan, niin vähän kuin

mahdollista», katso maata (visuaalinen tarkastelu), pellon pinnan

peitteisyys Fyysinen maan

suojelu

^Minimoi tiivistymisriski

(Terranimo)

Maan rakenne suorakylvö ja kyntölohkoilla Oberacker kokeessa

Lähde Peter Weisskopf, Agroscope, Switzerland

(49)

49

Kuinka maan kuormituskestävyyttä voi lisätä?

Pitkällä aikavälillä (vuosia tai vuosikymmeniä!):

luo hyvä rakenne, juuria, lieroja …

Horn, 2004. Time dependence of soil mechanical properties and pore functions for arable soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 68, 1131-1137.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Dagar Förkonsolideringstryck (kPa) på 30-35 cm djup

Plöjning

Reducerad bearbetning

Päiviä siirtymisestä kevennettyyn muokkaukseen Kyntö

Kevennetty muokkaus

Esikuormitus(kPa) 30-35 cm syvyydessä

(50)

50

Kuinka voidaan vähentää maan tiivistymistä?

Pidä huolta, että maan

kuormitus ≤ maan lujuus

(51)

51

Tiivistymisen estäminen, esim.

www.terranimo.ch

(52)

52

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)

(53)

53

 Tämän materiaalin tuotti OSMO-hanke

 http://www.maan-kasvukunto.fi

Name of the presentation | Subtitle