Maan tiivistyminen paljonko kuormitusta maa sietää?

Transkriptio

1 Federal Department of Economic Affairs FDEA Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART Maan tiivistyminen paljonko kuormitusta maa sietää? Thomas Keller 1,2 1 Swedish University of Agricultural Sciences, Department of Soil & Environment, Box 7014, SE Uppsala, Sweden; thomas.keller@slu.se 2 Agroscope, Department of Natural Resources & Agriculture, Reckenholzstrasse 191, CH Zürich, Switzerland; thomas.keller@agroscope.admin.ch Paimio

2 Maan tiivistyminen: maan kuormasta kasvin stressiin ja ekosysteemipalveluiden heikkenemiseen 68 milj. ha peltomaata on vakavasti tiivistynyt maailmanlaajuisesti (Oldeman et al. 1991) 68 milj. ha 2 Suomen koko Photo: Guy Richard, INRA France Kehityskulkuja: Raskaat koneet (yli 10 t per pyörä) Tehokkaat koneet /Weil/ResearchProjects.cfm Richard et al., 2001, Eur. J. Soil Sci Maan tiivistyminen lisääntyy 2

3 Maan toiminta ja tiivistymisen seuraukset Vesistöt: eroosio, ravinne- ja torjuntaainepäästöt Suodattaa ja puskuroi Aineiden kierrätys Ylläpitää kasvien kasvua Maatalous: tuotanto, kustannukset Veden säätely ja puhdistus Maaperä Elinympäristö ja biodiversiteetti Hydrologia: pintavalunta, heikentynyt varasto Tuottaa raaka-aineita Tukirakenteet Kulttuuriperintö Kasvihuonekaasut From Peter Weisskopf, Agroscope, Switzerland Infrastruktuuri: vaarat 3

4 Maan tiivistyminen: mekaanisesta kuormasta maan toiminnallisuuteen ja kasvin stressiin 4. Maan toiminnallisuuden alenema 1. Renkaan ja maan kosketus Rengaskuorma; kosketuspinta, kuorman jakautuminen Log stress (kpa) Kuorman jakautuminen maahan Void ratio Maan muodonmuutokset Kuorman-venymän suhde Kuorma > lujuus tiivistyminen 4

5 Joitain tärkeitä kysymyksiä (1) Millainen kuorma kohdistuu maahan tietyllä syvyydellä? (2) Muuttaako tämä kuorma maan rakennetta? (3) Jos rakenne muuttuu, miten ja kuinka paljon? (4) Mitä tästä seuraa maan toiminnallisuudelle? (5) Kauanko vaikutukset kestävät (kuinka pysyvää tiivistyminen on)? 5

6 Joitain tärkeitä kysymyksiä (1) Millainen kuorma kohdistuu maahan tietyllä syvyydellä? (2) Muuttaako tämä kuorma maan rakennetta? (3) Jos rakenne muuttuu, miten ja kuinka paljon? (4) Mitä tästä seuraa maan toiminnallisuudelle? (5) Kauanko vaikutukset kestävät (kuinka pysyvää tiivistyminen on)? 6

7 Maan tiivistyminen ei ole aina näkyvää Kuvat: Michel Fischler, AGRIDEA, Switzerland 7

8 Kuinka pysyvää pohjamaan tiivistyminen on? Jokioisten kenttäkoe Savipitoisuus (Vertic cambisol): 48 (0-20 cm) - 66% (40-60 cm syvyys) Salaojitettu n. 1 m syvyyteen Maa tiivistettiin painavilla koneilla (4 ajokertaa, vieriviereen): 19 tonnin teliakselikuorma; rengaspaine: 700 kpa Käsittelyt: verrokki (A0) ja tiivistetty (A2) Tiivistyksen jälkeen: Kevätviljoja Kevyitä koneita Tulokset ja kuvat: Prof Laura Alakukku, Helsingin yliopisto 8

9 Jokioisten tiivistyskoe: liikenne tiivisti maan cm syvyyteen Maan tiivistyminen alensi huokostilavuutta ja makrohuokosten määrää ( huokonen >0.03 mm) Pintamaan (0 20 cm) tiivistyminen poistui kolmessa vuodessa vuosittaisen kynnön ja luonnonprosessien avulla (jäätyminensulaminen, kuivuminen-kastuminen) Yhdeksän vuoden jälkeen, pohjamaan tiivistymä oli mitattavissa cm syvyydessä: - Vedenjohtavuus: -98% - Makrohuokoset (>0.3 mm): -70% - Vähemmän biohuokosia (lierojen käytävät, juurikanavat) A= A0=verrokki C=A2=tiivistetty 1981 Tulokset ja kuvat: Prof Laura Alakukku, Helsinki University verrokki tiivistetty 9

10 Air permeability (μm 2 ) Jokioisten tiivistyskoe: 29 vuotta tiivistyksen jälkeen A0 - verrokki A2 - tiivistetty Air permeability ( m 2 ) Jokioinen, 30 cm depth Air permeability, 8x10 cm cores Geometric means (P=0.045): A0: k a =1.084 m 2 A2: k a =0.036 m 2 Kuvat: Laura Alakukku Makrohuokoset ja ilman läpäisykyky olivat alhaisia kolmen vuosikymmenen jälkeen Berisso et al. 2013, Geoderma , A0 A2

11 Keskisato (%) Jokioisten tiivistyskoe: satotasot (Alakukku, 2000, Adv. GeoEcol. 32) Kesäkuun Rainfall sadanta (mm) June (mm) L L L L S L 110 Grain yield N yield harvested in grain yield Mean yield (%) Tiivistämättömän sato= 100 Vuosia Years after tiivistyksen experimental jälkeen traffic L = Tiivistämätön lakoutui S = Tiivistämättömässä itämisongelmia (syy tuntematon) Vuosi 0 = 1981 and vuosi 17 = 1998 x 17yrs. 11

12 Kuinka pysyvää pohjamaan tiivistyminen on? Kenttäkoe Etelä-Ruotsista Paikka: Brahmehem, eteläinen Ruotsi Tiivistetty 1995 [Arvidsson (2001) Soil & Tillage Research 60, 67-78] Neljä rinnakkaista lohkoa (satunnaistettu koeasetelma) Käsittelyt: (1) Verrokki (ei koetiivistystä) (2) Neljä ajokertaa kuusirivisellä juurikkaan nostokoneella vieriviereen; pellon kosteus kenttäkapasiteetissa Tiivistyksessä käytetty nostokone: 35 t kokonaispaino, eturenkaalla painoa: 10 t Mittaustulokset vuodelta 2009 eli 14 vuotta tiivistyksen jälkeen 12

13 Tiivistyksen vaikutus huokosiin ja maan toimintaan 14 vuotta tiivistyksestä Lamandé et al., Soil Sci, 178(7), Verrokki Berisso et al Persistent effects of subsoil compaction on pore characteristics and functions in a loamy soil. Soil & Tillage Research 122. Tiivistetty 13

14 Maan rakenteen arviointikohde (SSO) Zürich, Sveitsi 14

15 Havaintoja SSO-alalta, 13 kuukautta tiivistymisen jälkeen 15

16 Suhteellinen sato tiivistetty vs. tiivistämätön SSO satotasot (tiivistetty maaliskuussa 2014) Pintamaa muokattu Ei mekaanista kuohkeutusta Tiivistetty Compacted, suorakylvö no-till Kynnetty Control, ploughed verrokki 16

17 Makrohuokosten tilavuus [pf 1.8, til. %] Pintamaan tiivistyminen säilyy ainakin muutamia vuosia vaikka maata kynnetään 15.0 maissi s.vehnä s.ohra nurmi tiivistys 2.5 medians Tiivistämätön, muokattu Kerran tiivistetty, muokattu Jan Aug Feb Sept Mrch Oct Apr Nov Jun Weisskopf et al Soil & Tillage Research 111, quartile range Dec muokkaus 17

18 Tiivistyneen maan suhteellinen sato (%) Maan tiivistyminen pitkäaikaisia vaikutuksia Normaali muokkaus Vuosien 2-12 keskimääräinen sadon alenema 3% Suorakylvö Sveitsiläinen pitkän ajan tiivistymisseurantakoe Päiviä tiivistymisen jälkeen 18

19 Palautuminen Tiivistymisen kustannukset = kumulatiivinen maan toimintakyvyn menetys (l. satotappio) tiivistämisen jälkeen, laskettu yli ajan, kunnes maa on palautunut ennalleen Maan ominaisuus (esim. kasvien kasvu) Alkutilanne Tiivistymisvahinko / kustannus Palautumisnopeus Tiivistymisen vaikutus Tapaus 1: suuri vaikutus, kohtuullinen vahinko (pintamaan tiivistymä) Tapaus 2: kohtuullinen vaikutus, suuri vahinko (pohjamaan tiivistymä) Aika 19

20 Tiivistymisen kustannukset alempana satotasona joitain huomioita ja laskelmia Oletetaan pysyvä 5% sadonalenema pohjamaan tiivistymisestä (voi olla aliarvio) 5% (yhdestä tiivistyskerrasta) vastaa: - Täyskatovuosi kerran 20 vuodessa - 5 ha tuottamatonta alaa 100 ha tilalla Suomessa, n tonnia viljaa korjataan vuosittain, 5% kato vastaa: tonnin tappiota vuosittain Oletetaan hinnaksi 100 /tonni (karkea suuruusluokka) - Taloudellinen tappio

21 Kuinka yleistä maan tiivistyminen on? Epävarmoja lukuja ja määritelmiä (esim. Mikä on pahoin tiivistynyt ), mutta joitain arvioita: 25 vuotta sitten: 68 milj. ha peltomaata vakavasti tiivistynyt maailmanlaajuisesti (Oldeman et al. 1991) 5-10 vuotta sitten : 36 milj.ha peltomaata pahoin tiivistynyt EU:ssa ( 5 vuotta sitten: 1/3 Sveitsin keskiosien peltomaasta on tiivistynyt (Umweltzentralschweiz.ch nr 3/2013) 3 vuotta sitten: Haastattelututkimuksessa 70% ruotsalaisista viljelijöistä ilmoitti tiivistymisen aiheuttavan ongelmia heidän tilallaan (the Rai-soilcomp project, Hack-Ten Broeke et al. 2014) 21

22 Miten maan tiivistymisen tunnistaa pellolla? Photo: Tino Colombi, ETH Zürich 1) Selviä ongelmia: seisovaa vettä, heikkoa kasvua, pahaa hajua Photos: Thomas Keller 22

23 Miten tiivistymisen tunnistaa pellolla? 2) Maan rakenteen visuaalinen tarkastelu Tiivistyneen maan tunnistaa: Laattamainen rakenne Vähän tai ei näkyviä huokosia Teräväreunaisia ja sileäpintaisia muruja ja kokkareita 23

24 Kuinka tiivistymisen tunnistaa pellolla? 2) Maan rakenteen visuaalinen tarkastelu Huono rakenne Hyvä rakenne Kuvat: Bettina Marbot, Agridea, Switzerland 24

25 Kuinka tiivistyminen tunnistetaan pellolla? 2) Visuaalinen maan rakenteen tarkastelu Huono rakenne Hyvä rakenne Kuvat: Bettina Marbot, Agridea, Switzerland 25

26 Kuinka voidaan tunnistaa tiivistyminen pellolla? 2) Visuaalinen maan rakenteen tarkastelu Huono rakenne Hyvä rakenne Kuvat: Bettina Marbot, Agridea, Switzerland 26

27 Visual evaluation of soil structure (VESS) 27 Guimarães et al. 2011, Soil Use and Management, 27,

28 Visual evaluation of soil structure (VESS) 28 Guimarães et al. 2011, Soil Use and Management, 27,

29 Visual evaluation of soil structure for subsoils (SubVESS) Ball et al. 2015, Soil & Tillage Research, 148,

30 VESS esimerkki: tiivistyskoe Tanskasta Verrokki 8 t rengaskuorma 30 Ball et al. 2015, Soil & Tillage Research, 148,

31 Kuinka tunnistetaan maan tiivistyminen pellolla? 3) Mittaukset, esim. Vaakapenetrometri jatkuvatoimiseen tiiviysmittaukseen 31

32 Satotaso ja penetrometrivastus Korkea sato Alhainen vastus Naderi-Boldaji M., Alimardani R., Sharifi A., Hemmat A., Keyhani A., Loonstra E., Weisskopf P., Stettler M. & Keller T Use of a triple-sensor fusion system for on-the-go measurement of soil compaction. Soil & Tillage Research, 128,

33 Maan rakenteen suojeleminen perusideoita 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 33

34 Maan tiivistyminen: mekaanisesta kuormasta maan toimintoihin ja kasvin stressiin 4. Maan toimivuuden muutokset 1. Renkaan ja maan kosketus Rengaskuorma; kosketusala, kuorman jakautuminen Log stress (kpa) Kuorman jakautuminen maassa Void ratio Maan muodonmuutokset Kuorma-venymä -suhde Kuorma > lujuus tiivistyminen 34

35 Pystysiirtymä Pystykuorma Mitä tapahtuu maalle, kun rengas ajaa sen yli? Maksimikuorma Riippuu: kuormasta (rengaskuorma, kosketuspinta, renkaan ilmanpaine) ja maasta (olosuhteet) Muodonmuutos Riippuu: kuormituksesta ja maan lujuudesta 35

36 Maan tiivistyminen: yksinkertainen malli Tiivistymisriski on korkea, kun: Kuormitus on suuri, ja/tai Maan lujuus (Kuormituksen ja muodonmuutosten suhde) Log stress (kpa) maan lujuus 0.7 on alhainen Void ratio Kuormitus maassa 0.4 Lujuus <> Kuormitus Kuorma > lujuus Pysyvä muodonmuutos, irtotiheyden kasvu = vähemmän huokosia = Tiivistyminen Kuorma lujuus Elastinen (palautuva) muodonmuutos 36

37 Kuinka tiivistymistä voidaan vähentää? Maan kuormitus Maan lujuus Vähennä kuormitusta Lujuus <> Kuormitus Kuorma > lujuus Pysyvä muodonmuutos, irtotiheyden kasvu = vähemmän huokosia = Tiivistyminen Kuorma lujuus Elastinen (palautuva) muodonmuutos 37

38 Kuinka maan tiivistymisriskiä voi vähentää? Maan kuormitus Maan lujuus Lisää maan lujuutta Lujuus <> Kuormitus Kuorma > lujuus Pysyvä muodonmuutos, irtotiheyden kasvu = vähemmän huokosia = Tiivistyminen Kuorma lujuus Elastinen (palautuva) muodonmuutos 38

39 Kuinka voidaan vähentää maan tiivistymistä? Maan kuormitus Maan lujuus Pidä huolta, että maan kuormitus maan lujuus Lujuus <> Kuormitus Kuorma > lujuus Pysyvä muodonmuutos, irtotiheyden kasvu = vähemmän huokosia = Tiivistyminen Kuorma lujuus Elastinen (palautuva) muodonmuutos 39

40 Kuinka tiivistymistä voidaan vähentää? Maan kuormitus Maan lujuus Vähennä kuormitusta Lujuus <> Kuormitus Kuorma > lujuus Pysyvä muodonmuutos, irtotiheyden kasvu = vähemmän huokosia = Tiivistyminen Kuorma lujuus Elastinen (palautuva) muodonmuutos 40

41 Rengaskuorman ja renkaan ilmanpaineen vaikutus kuormitukseen 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 41

42 Koeasetelma Tallennin Kuorma ja siirtymä -anturit Painumaanturit Tietokone 42

43 Anturi pystykuormalle ja pystysiirtymälle Pystykuorma (Load cell) Pystysiirtymä h= p ( g) -1 43

44 0.0 Syvyys (m) Mitattu pystysuuntainen kuormitus etu- ja takarenkaan kohdalla Mitattu Uppmätt paine tryck (kpa) (kpa) Djup (m) ringtryck 250 kpa - hjullast 86 kn ringtyck 150 kpa - hjullast 86 kn ringtryck 100 kpa - hjullast 86 kn 1.0 ringtryck 150 kpa - hjullast 33 kn Pohjamaan kuormitusta voi vähentää vain pienentämällä Keller & Arvidsson (2004) Technical solutions to reduce the risk of subsoil compaction: Effects of dual wheels, tandem wheels and tyre inflation rengaskuormaa pressure on stress propagation in soil. Soil & Tillage Research, 79(2),

45 Koneiden painon ja maan kuormituksen kehitys Mean normal stress (kpa) Vuosi: 1938 / paino: 2800 kg Vuosi: 2014 / paino: kg cm syvyys: max = 90 kpa cm syvyys = 120 kpa 40 cm syvyys: max = 90 kpa cm syvyys: max = 30 kpa Stettler, Keller & Arvidsson (2014) Julkaisematon.

46 Maan kuormitus (kpa) Keskim. Paine maahan (kpa) Rengaskuorma (Mg) Rengastilavuus(m 3 ) Kosketuspinta(m 2 ) Koneiden painon ja maan kuormituksen kehitys 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 Year Schjønning et al. (2015) Advances in Agronomy, 133,

47 Kuinka maan tiivistymisriskiä voi vähentää? Maan kuormitus Maan lujuus Lisää maan lujuutta Lujuus <> Kuormitus Kuorma > lujuus Pysyvä muodonmuutos, irtotiheyden kasvu = vähemmän huokosia = Tiivistyminen Kuorma lujuus Elastinen (palautuva) muodonmuutos 47

48 Maan tiivistymisalttius (Lähde: ) 48

49 Maan tiivistymisalttius Voidaan arvioida erikseen Luontainen alttius tiivistymiselle maalaji, maannos, jne., ja Tulokset ja taulukot: Jones et al. (2003) Soil Tillage Res. 73,

50 Maan tiivistymisalttius Todellinen alttius tiivistymiselle (luontainen alttius ja maan kosteustilanne). Tulokset ja taulukot: Jones et al. (2003) Soil Tillage Res. 73,

51 Alttius tiivistymiselle Tiivistymisriski yhdistää todellisen alttiuden ja maatalouskoneiden aiheuttman kuormituksen Tulokset ja taulukot: Jones et al. (2003) Soil Tillage Res. 73,

52 Esikuormituslujuus (kpa) cm syvyydessä Kuinka voidaan lisätä maan lujuutta? Pitkällä aikavälillä (vuosia tai vuosikymmeniä): kehitä maan rakennetta multavuus, juuret, Förkonsolideringstryck (kpa) på cm djup Kyntö Plöjning Kevennetty muokkaus Reducerad bearbetning Päivät Dagar Horn (2004) 52

53 Maan lujuus kasvaa Esikuormituslujuus (kpa) Kuinka voidaan lisätä maan lujuutta? Lyhyellä aikavälillä: odota, että maa kuivuu Förkonsolideringstryck (kpa) y = 0.86x R 2 = 0.52 y = 1.03x R 2 = 0.87 Maa I (30% savea) Maa II (50% savea) Maan Vattenbindande imu (kpa) tryck (kpa) Kuivempaa 53

54 Maan vesitilavuus (%) Ainoa tapa pitää maa kuivana on kasvattaa kasveja (Esimerkki: hiuemaa (loam) Zürich, Sveitsi) Sademäärä (mm) Maan vesimäärä 20 cm syvyydessä Paljas Bare soil maa Grassland Nurmi 54

55 Maan vesitilavuus (%) Ainoa tapa pitää maa kuivana on kasvattaa kasveja (Esimerkki: hiuemaa (loam) Zürich, Sveitsi) Sademäärä (mm) Maan vesimäärä 70 cm syvyydessä Paljas maa Bare soil Grassland Nurmi 55

56 Maan lujuus kasvaa Maan lujuus riippuu kosteudesta (esim. Hiuemaat (loam)) Esikuormituslujuus (kpa) From: Per Schjønning (Aarhus University, Danmark) Kuivempaa 56

57 Maan lujuus kasvaa Maan lujuus riippuu kosteudesta: hietamaat Esikuormituslujuus (kpa) From: Per Schjønning (Aarhus University, Danmark) Kuivempaa 57

58 Maan lujuus riippuu kosteudesta ja savipitoisuudesta märkä kuiva Maan kosteus (cbar) From: Per Schjønning (Aarhus University, Danmark) Esikuormitus kpa Savipitoisuus (cbar) Savimäärä kasvaa 58

59 Kuinka voidaan vähentää maan tiivistymistä? Maan kuormitus Maan lujuus Pidä huolta, että maan kuormitus maan lujuus Lujuus <> Kuormitus Kuorma > lujuus Pysyvä muodonmuutos, irtotiheyden kasvu = vähemmän huokosia = Tiivistyminen Kuorma lujuus Elastinen (palautuva) muodonmuutos 59

60 Tiivistymisen ehkäisy: esim. 60

61 Pystykuorman ja siirtymän mittaus maassa 0.0 Measured vertical stress (kpa) Depth (m) Tyre inflation pressure 250 kpa Tyre inflation pressure 150 kpa Tyre inflation pressure 100 kpa 61 Method: Arvidsson & Andersson, Proc 14 th Conf. ISTRO, Puławy PL.

62 Paljonko kuormitusta maa sietää? Siirtymä (m/m) Ei pysyvää muodonmuutosta, jos paine < 50 kpa (maan kosteus kenttäkapasiteetissä) sääntö : ei yli 50 kpa 50 cm syvyydessä (Schjønning et al Soil Use Management 28(3), Rusanov, Soil Tillage Res. 29, : Suurin kuorma 50 cm syvyydessä: kpa Kuorma (kpa) Keller et al In situ subsoil stress-strain behavior in relation to soil precompression stress, Soil Science,

63 Johtopäätökset Maan tiivistyminen heikentää useita maan toiminnallisia ominaisuuksia, kuten kasvien kasvua. Pohjamaan vahingot kestävät pitkään (vuosikymmeniä!) Maa vahingoittuu sekunneissa, mutta palautumisessa menee vuosikymmeniä Haluamme ehkäistä tiivistymistä: kuorma < maan lujuus Kullakin maalla lujuus riippuu kosteudesta (nopea muutos). Hyvän rakenteen aikaansaaminen vie kauan (vuosia tai vuosikymmeniä). Pohjamaan tiivistyminen alentaa satoa vain vähänlaisesti, mutta vaikutukset ovat pysyviä! 5% sadonmenetys (mikä voi olla aliarvio) pohjamaan tiivistymän vuoksi vastaa : - Täyskatovuosi kerran 20 vuodessa - 5 ha tuottamatonta alaa 100 ha tilalla milj. vuotuinen tappio viljanviljelyssä Suomessa

64 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 ) Swiss Federal Office for Agriculture (FOAG) Swiss Federal Office for the Environment (FOEN) 64

65 Tämän materiaalin tuotti OSMO-hanke Name of the presentation Subtitle Author Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART 65