Keller Thomas_Maan herkkyys tiivistymiselle ja maan muokkaus_Luomupäivät 17.11.2016

(1)

Federal Department of Economic Affairs FDEA

Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART

Maan herkkyys tiivistymiselle ja maan muokkaus

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

Turku 17.11.2016

(2)

Name of the presentation | Conference 2 Sender

From: Andersson & Håkansson, 1966. Markfysikaliska undersökningar i odlad jord. XVI Strukturdynamiken i matjorden. En fältstudie. Grundförbättring 1966:3, 191-228.

Tiivistymisellä ja muokkauksella on suurin vaikutus ruokamultakerroksen ominaisuuksiin karkealla tasolla (kerrosten syvyys, huokostilavuus), mutta luonnollisilla prosesseilla on huomattava vaikutus maan rakenteeseen huokosten mittakaavassa.

Maan muokkaus ja tiivistyminen ohjaavat

maan rakenteen dynamiikkaa

(3)

Maan rakenteen ominaisuuksia (Kay, 1990, Adv. Soil Sci. 12):

• Muoto: maahuokosten ja rakeiden järjestys

• Vakaus: kyky kestää kuormitusta

• Palautuvuus: kyky palautua kuormituksesta

Maan rakenne:

- Muokkaa maan vesitaloutta (veden pidätys, veden johtokyky) ja kaasujen kulkeutuvuutta maassa

- Ohjaa juuriston kasvun ja maaeläinten kokemaa mekaanista vastusta (lierot, kuoriaiset, muurahaiset, jne.)

- Tarjoaa fyysisen elinympäristön maaeliöille

TT kuvia maan huokosista (Lamandé

et al. 2013, Soil Sci.

178)

Verrokkimaa

Tiivistetty maa Kuvat: Bettina Marbot, Agridea, Switzerland

Hyvä maan rakenne Huono maan rakenne

Maan rakenne: mitä se on ja

miksi se on tärkeää?

(4)

Tukevat prosessit

Biologinen aktiivisuus / biofysikaaliset vuorovaikutukset: juuren ja maan

vuorovaikutus, maaeliöt (esim. lierojen käytävät)

Kastumis-kuivumis-syklit: ilmasto ja kasvin vedenotto

Heikentävät prosessit Maan tiivistyminen: f (maa ja kuormitus)

Eroosio: vesi- ja tuulieroosio

Muokattu: Vereecken et al., 2016. Modeling Soil Processes: Review, Key Challenges, and New Perspectives.

Vadose Zone Journal 15, doi:10.2136/vzj2015.09.0131.

Prosessit, jotka voivat olla tukevia tai heikentäviä, riippuen maan lähtötilasta

Maan muokkaus: maan murustuminen = f (maan lähtökosteus, …) Jäätyminen ja sulaminen (rouste, routa): löysää vai tiivistää maata?

Maan rakenteen muodostuminen ja heikentyminen

Aikajänne: sekunneista (esim. tiivistyminen, muokkaus) vuosikymmeniin (esim.

tiivistyneen maan luontainen palautuminen)

(5)

9

Kehityskulkua:

Raskaat koneet (yli 10 t per pyörä)

Tehokkaat koneet

 Maan tiivistyminen kasvaa

Richard et al., 2001, Eur. J. Soil Sci. 52

68 milj. ha peltomaata on pahasti tiivistynyt maailmanlaajuisesti (Oldeman et al. 1991) 68 Mha ≈ 2 × Suomen pinta-ala

http://www.enst.umd.edu/people /Weil/ResearchProjects.cfm www.dtrainwater.com

www.dbcourt.co.uk Photo: Guy Richard, INRA France

Maan tiivistyminen: maan kuormituksesta kasvien kuormitukseen ja ekosysteemipalveluiden

heikkenemiseen

(6)

12

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 muodonmuutosten suhde)

Lujuus <> Kuormitus

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

Kuorma ≤ lujuus  Elastinen (palautuva) muodonmuutos

Tiivistymisriski on korkea, kun:

Kuormitus on suuri, ja/tai

maan lujuus on alhainen

Maan tiivistyminen: yksinkertainen malli

(7)

13

Kuinka tiivistymistä voidaan vähentää?

Maan lujuus Maan kuormitus

Vähennä

kuormitusta

(8)

14

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

(9)

15

Koeasetelma

Kuorma ja

siirtymä -anturit

Painuma- anturit

Tallennin

Tietokone

(10)

17

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 )

(11)

18

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

(12)

Schjønning et al. (2015) Advances in Agronomy, 133, 183-23719

Maankuormitus (kPa)

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

1950 2010

Year

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

(13)

20

Kuinka maan tiivistymisriskiä voi vähentää?

Lisää maan

lujuutta

(14)

21

Kuinka voidaan lisätä maan lujuutta?

Pitkällä aikavälillä (vuosia tai vuosikymmeniä): kehitä maan rakennetta– multavuus, juuret , …

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

Esikuormituslujuus (kPa) 30-35 cm syvyydessä

Kyntö

Kevennetty muokkaus

Päivät kevennettyyn muokkaukseen siirtymisen jälkeen

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

(15)

22

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)

(16)

23

Ainoa tapa pitää maa kuivana on kasvattaa kasveja

(Esimerkki: hiuemaa (loam) Zürich, Sveitsi)

Bare soil

Grassland

Paljas maa

Nurmi

Maan vesimäärä 20 cm syvyydessä

Maan vesitilavuus (%) Sademäärä (mm)

(17)

28

Kuinka voidaan vähentää maan tiivistymistä?

Pidä huolta, että maan kuormitus ≤ maan lujuus

(18)

Tiivistymisen ehkäiseminen: esim..

www.terranimo.ch

(19)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

50 100 150 200 250 300

Measured vertical stress (kPa)

Depth (m)

Tyre inflation pressure 250 kPa Tyre inflation pressure 150 kPa Tyre inflation pressure 100 kPa

Method: Arvidsson & Andersson, 1997. Proc 14^th Conf. ISTRO, Puławy PL.

Pystykuorman ja siirtymän mittaus maassa

(20)

Keller et al. 2012. In situ subsoil stress-strain behavior in relation to soil 31

precompression stress, Soil Science, 177.

Rusanov, 1994. Soil Tillage Res. 29, 249- 252:

Suurin kuorma 50 cm syvyydessä: 25- 50 kPa

Ei pysyvää muodonmuutosta, jos paine < 50 kPa

(maan kosteus kenttäkapasiteetissä)

“50-50 sääntö”: ei yli 50 kPa 50 cm syvyydessä

(Schjønning et al. 2012. Soil Use Management 28(3), 378-393.

Siirtymä (m/m)

Paljonko kuormitusta maa sietää?

Kuorma (kPa)

(21)

32

Maan muokkautuvuus ja

muokkausrajat

(22)

33

Muokkauksella pyritään:

• Maan löyhentämiseen

• Maan murustamiseen

• Hyvään kylvöalustaan

• Rikkakasvien ja kasvitautien hallintaan

• Kasvijätteiden ja lannan multaukseen

Muokkaus mahdollistaa luonnollisten prosessien maata murustavan vaikutuksen (kuivuminen-kastuminen, sulaminen-jäätyminen)

Maan muokkaus

syksy kevät

luonto

Photos: Johan Arvidsson

(23)

34

Kuva: Wibke Markgraf, CAU Kiel

Maan kosteus muokkaushetkellä vaikuttaa paljon muokkaustulokseen

Liian märkä?

Liian kuiva?

Kuva: Johan Arvidsson Kuva: Peter Weisskopf

Aivan liian märkä!

(24)

36

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, q_opt

• Ylempi

muokkausraja (märkä) on maaperän ominaisuus

• Alempi

muokkausraja (kuiva) riippuu käytetystä

energiamäärästä

Missä oloissa maa on murustuva (eli hajoaa

pieniksi palasiksi)?

(25)

37

Maa

muokattavissa Liian märkää

Liian kuivaa

Muokkausrajoja voi tarkastella maan kastumisen myötä

V esimäärä (til -%)

(26)

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_opt

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.

> 32 mm

< 8 mm

Optimikosteus maan muokkaukselle

Mur ujen osuus

Vesipitoisuus (g/g)

(27)

39

Mittaamme murujen massojen

kokojakauman muokkauksen jälkeen

Source: USDA, https://infosys.ars.usda.gov/WindErosion/multim

edia/research/research1.html

Pyöröseula

(28)

40

0 500 1000 1500

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 q/q^INFL

Aspecific (m2 m-3 )

0 500 1000 1500

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 q/q^PL

Aspecific (m2 m-3 )

q

_opt

q

_opt

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.

Optimikosteus maanmuokkaukselle

≈ 1.0 kosteus vedenpidätyskäyrän käännepisteessä

≈ 0.8 kosteus alemmalla plastisella rajalla

Optimikosteus maanmuokkaukselle

(29)

41

‘Hauras’ : maa halkeaa, kun sitä muokataan tai hierretään

‘Muovautuva’ : maata voidaan muovata tai hiertää ilman halkeilua

‘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

(30)

46

Korkea multavuus lisää muokattavuusaluetta

Muokattavuusalue (vesipitoisuudet ylemmän ja alemman rajan välillä) riippuu maan

multavuudesta

Dexter & Bird, 2001, Soil Tillage Res. 57, 203-212.

(31)

47

Muokattavuuusalue on suurempi hyvärakenteiselle maalle, ja on hyvin kapea heikkorakenteisella maalla (“Sunnuntai-savet” = maa on märkä pitkään, olisi muokattavissa

sunnuntaina ja maanantaina se on liian kuiva)

Muokattavuusalue (kosteuspitoisuudet

ylemmän ja alemman rajan välissä) ja maan tiivistyminen

Yleisesti: mitä “parempi” maan laatu, sitä laajempi muokattavuusalue, eli sopivien olosuhteiden “ikkuna”

Soil bulk density (Mg m^-3)

Dexter A.R. 2002. Advances GeoEcology, 57-69.

(32)

48

Muokattavuusalue on suurempi maille, joissa on hyvä rakenne.

Huonorakenteisilla mailla muokattavuusalue on hyvin kapea (“Sunday soils” <-> maa on märkää pitkään, se on muokattavissa sunnuntaina ja maanantaina on jo liian kuivaa…)

Yleisesti sanoen: mitä “parempi” maan laatu, sitä suurempi on muokattavuusalue (muokkausolosuhteiden hyvä “ikkuna”)

Muokattavuusalue (vesipitoisuudet ylemmän ja alemman rajan välillä) ja maan

tiivistyminen

(33)

49

Johtopäätökset

Tiivistyminen:

- Maa voi tiivistyä muutamassa sekunnissa, mutta palautumisessa menee vuosikymmeniä

- Tavoite: maan kuormitus < maan lujuus

- Pohjamaan kuorma riippuu rengaskuormasta

- Päätöksentekoon on työkaluja (esim. www.terranimo.ch ) Maan muokkaus:

- Maan muokkaukselle on optimikosteus

- Optimi on hieman kuivempi kuin alempi muovattavuusraja

- Muokkaus liian kosteissa oloissa vahingoittaa maan rakennetta - Muokkaus liian kuivissa oloissa vaatii paljon energiaa

- Muokkauksen “olosuhdeikkuna” riippuu maan laadusta:

heikkorakenteinen maa -> hyvin kapea ikkuna

(34)

50

Rahoitus:

 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)