Federal Department of Economic Affairs FDEA Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART Tiivistymisriskin arviointi ja kuinka välttää maan tiivistyminen Thomas Keller 1,2 1 Swedish University of Agricultural Sciences, Department of Soil & Environment, Box 7014, SE-75007 Uppsala, Sweden; E-mail: thomas.keller@slu.se 2 Agroscope, Department of Natural Resources & Agriculture, Reckenholzstrasse 191, CH- 8046 Zürich, Switzerland; E-mail: thomas.keller@agroscope.admin.ch Paimio 18.11.2016
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 2
Maan tiivistyminen: yksinkertainen malli Tiivistymisriski on korkea, kun : Kuormitus on korkea ja/tai Maan lujuus (Kuormituksen ja muodonmuutoksen suhde) Log stress (kpa) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 maan lujuus 0.7 on alhainen Void ratio 0.6 0.5 Kuormitus maassa 0.4 Lujuus <> Kuormitus Kuormitus > lujuus pysyvä muodonmuutos, irtotiheyden kasvu = huokostilavuuden väheneminen = Tiivistyminen Kuormitus Lujuus Elastista, palautuvaa muodonmuutosta 3
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 4
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 5
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 6
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 7
Koeasetelma Tallennin Kuorma ja siirtymä -anturit Painumaanturit Tietokone 8
Anturi pystykuormalle ja pystysiirtymälle Pystykuorma (Load cell) Pystysiirtymä h= p ( g) -1 9
Maan kuormituksen mittaus Pystykuorma (load cell) 10
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 11
Mitattu Uppmätt paine tryck (kpa) (kpa) Syvyys (m) Mitattu pystysuuntainen kuormitus etu- ja takarenkaan kohdalla 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 0.2 Djup (m) 0.4 0.6 0.8 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 pressure on stress propagation in soil. Soil & Tillage rengaskuormaa Research, 79(2), 191-206. 12
Kuormituksen jakautuminen paripyörien alla Rengaskuorma: 2,5 tonnia yksittäispyörälle (takarengas) ja 2,2 tonnia paripyörätraktorilla (eturengas) Renkaat: 700/70 R38 Renkaan ilmanpaine: 60 kpa 13
Kuormituksen jakautuminen paripyörien alla 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) Syvyys (m) Measured vertical soil stress (kpa) Mitattu maan kuormitus (kpa) 14
Kuormituksen jakautuminen paripyörien alla 2500 kg 2500 kg 2500 kg 0 15 30 50 Djup (cm) 200-220 180-200 160-180 140-160 120-140 100-120 80-100 60-80 40-60 20-40 0-20 70 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. 15
Kuormitus maaprofiilissa kyntö vs. kevennetty muokkaus Kolloquium FB31 Bodenverdichtung Thomas Keller Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART 16
Kuormituksen jakautuminen telipyörien alla Rengaskuorma: 3,2 t Akseliväli: 1,45 m Renkaat: TWIN 700/50-26.5; renkaan ilmanpaine: 160 kpa Nopeus: 2 m s -1 17
Mitattu pystysuuntainen kuormitus (kpa) Kuormituksen jakautuminen telipyörien alla -Kalkinlevitys vaunu - kolmipyöräinen teli Measured vertical stress (kpa) 300 250 200 150 100 50 0 0.3 m depth 0.5 m depth 0.7 m depth -1.45-50 0 1.45 2.9 4.35 Distance from the first axle (m) Etäisyys ensimmäisestä akselista (m) syvyys syvyys syvyys 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. 18
Kumitelat vai renkaat? 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) 19
Esimerkki kuormituksen jakautumisesta kumitelan alla Claas Lexion 750 Paine maassa Syvyys 15 cm 30 cm 50 cm Aika 20
Esimerkki renkaalla ja telalla, pystysuuntainen kuorma 15 cm syvyydessä 21
Syvyys (m) Mitattu pystykuorma leikkuupuimurin etuakselin alla (tyhjänä ajettu) Paine maassa (bar) Rengas 210 kpa Rengas 130 kpa Tela 22
Vertical stress (kpa) Kuormitus maassa pyörätelojen alla 250 200 150 100 50 15 cm 30 cm 0 5 10 15 20-50 Mittauksissa näkyy vain tukirullat, Time mutta(s) emme tiedä miksi 23
Vertical stress (kpa) Telatraktori: vedolla ja ilman vetoa 250 200 150 100 50 0-50 1 2 3 4 5 Time (s) Kuormituksen jakautuma muuttuu, kun vedetään työkonetta. 24
Mittauksia erilaisilla traktoreilla Kumitelatraktorit: joko yksi tela/puoli (Challenger) tai neljä telaa ( quad-tracks ) Pyörätraktorit: joko yksittäis- tai paripyörät 25
Traktorin ominaisuudet 26
Syvyys maassa (cm) Yhteenveto Pystysuuntainen kuormitus (kpa) 27
Pystysuuntainen kuormitus (kpa) Kuormitus maassa 50 cm syvyydessä vs kuorma Rengas Tela Rengas tai telakuorma (kg) 28
Pystysuuntainen kuormitus (kpa) Kuormitus maassa 15 cm syvyydessä vs pintapaine Rengas Tela Renkaan täyttöpaine tai telan keskimääräinen paine (kpa) 29
On-land vs. perinteinen kyntö, renkailla ja telalla on-land kyntö on-land kyntö Perinteinen kyntö (traktorin pyörä vaossa) 30
Maan kuormitus kumitelatraktorin alla vedettäessä kyntöauraa Pystysuuntainen kuormitus (kpa) Keskimääräinen kuormitus maassa on 65 kpa molemmissa The average ground tapauksissa. stress is 65 kpa in both cases Liian korkea vetopiste För hög dragpunkt Optimalt Optimaalinen dragpunkts-läge vetopiste 0 0.5 1 1.5 2 Tid (s) Aika (s) 400 300 200 100 0 Vertikalt marktryck (kpa) 31
Syvyys (m) Maan kuormitus kynnön aikana Vertikalt marktryck [kpa] Pystysuuntainen kuormitus (kpa) 0.0 0 50 100 150 200 250 Djup [m] 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Konventionell Perinteinen kyntö, plöjning, pyöräthjultraktor On-land plöjning, kyntö, pyörät hjultraktor On-land plöjning, bandtraktor On-land kyntö, telat 32
Johtopäätöksiä kumiteloista Kumiteloilla on mahdollista vähentää maan kuormitusta suuren pintaalan 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. 33
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. 34
Koneiden painon ja maan kuormituksen kehitys Mean normal stress (kpa) Vuosi: 1938 / paino: 2800 kg Vuosi: 2014 / paino: 16000 kg 120 100 80 15 cm syvyys: max = 90 kpa 120 100 80 15 cm syvyys = 120 kpa 40 cm syvyys: max = 90 kpa 60 40 40 cm syvyys: max = 30 kpa 60 40 20 20 35 Stettler, Keller & Arvidsson (2014) Julkaisematon.
Keskim. Paine maahan (kpa) Maan kuormitus (kpa) Rengaskuorma (Mg) Koneiden painon ja maan kuormituksen kehitys Rengastilavuus(m 3 ) Kosketuspinta(m 2 ) 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 1950 2010 Vuosi Schjønning et al. (2015) Advances in Agronomy, 133, 183-237 36
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 37
Maan lujuus kasvaa Esikuormituslujuus (kpa) Kuinka voidaan lisätä maan lujuutta? Lyhyellä aikavälillä: odota, että maa kuivuu Förkonsolideringstryck (kpa) 250 200 150 100 50 y = 0.86x + 167.62 R 2 = 0.52 y = 1.03x + 91.21 R 2 = 0.87 Maa I (30% savea) Maa II (50% savea) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Maan Vattenbindande imu (kpa) tryck (kpa) Kuivempaa 38
Oberacker pitkäaikaiskoe (Zollikofen lähellä Berniä, Sveitsissä) Suorakylvö NT Kyntöaura MP 39
Maan irtotiheysprofiili Syvyys (cm) Maan irtotiheys (t/m3) Suorakylvö Kyntö Näytteet: 15 cm syvyys 40 cm syvyys Martínez et al., 2016. Soil Tillage Res. 68, 163, 141-151. 40
D p /D 0 (-) D p /D 0 (-) Suhteellinen kaasudiffuusionopeus, D p /D 0 Martínez et al., 2016. Soil Tillage Res. 68, 163, 130-140. Ruokamultakerros (15 cm syvyys) Pohjamaa (40 cm syvyys) Photo: Per Schjønning Imu (hpa) Imu (hpa) Kyntöaura Suorakylvö Pysyvä nurmi 41
Δ paine Kaasujen kulkeutuminen maassa Advektio Ilman läpäisy, k a Diffuusio Suhteellinen kaasudiffuusionopeus, D p /D 0 Photo: Per Schjønning märkä Δ pitoisuus Lähde: Marie Eden, TU Munich, Germany kuiva 42
Pystykuormitus kuormitettuna [250 kpa, %] Maan lujuusnäkökulmia 10,0 parempi huonompi 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 MP10 NT10 MP35 NT35 0,0 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 43 Lähde: Peter Weisskopf, Agroscope, Switzerland Vuosi
Makrohuokosia kuormituksen jälkeen [250 kpa, %] Maan lujuusnäkökulmia 20,0 huonomp parempi 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 DS35 PF35 DS10 PF10 0,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 parempi From Peter Weisskopf, Agroscope, Switzerland Pystysiirtymä kuormitettuna [250 kpa, %] huonompi 44
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. Photo: Per Schjønning 45
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 46
Maan rakenne suorakylvö- ja kyntölohkoilla Oberacker kokeessa Maan pinta vakaa Helposti kuorettuva Ruokamultakerros vakaa, kantava tiivis, heikosti läpäisevä epävakaa, luhistuva löyhä, läpäisevä Ruokamulta- Pohjamaa rajapinta Pohjamaa jatkuva (bio huokosia) vakaa, kantava läpäisevä vakaa, kantava äkillinen (kyntöantura) läpäisevä Suorakylvö NT Kyntö MP 47 Lähde: Peter Weisskopf, Agroscope, Switzerland
Maan rakenne suorakylvö ja kyntölohkoilla Oberacker kokeessa Viljelykierto «aina vihreällä» pellon pintapeite, juuret, muokkauksen ajoitus Humustasapaino kunnossa orgaaniset lannoitteet, kasvijätteet, Pintamaa Ruokamulta Rajapinta vakaa/ kuorettumisriski vakaa, kova / löyhä, epävakaa huonosti / hyvin läpäisevä jatkuva / äkillinen Kosteus! käytä sopivia oloja (tai luo ne) Pohjamaa vakaa, kantava, läpäisevä Suorakylvö NT Kyntö MP Fyysinen maan suojelu Minimoi tiivistymisriski (Terranimo) Kevennetty muokkaus «niin paljon kuin tarvitaan, niin vähän kuin mahdollista», katso maata (visuaalinen tarkastelu), pellon pinnan peitteisyys 48 Lähde Peter Weisskopf, Agroscope, Switzerland
Esikuormitus (kpa) 30-35 cm syvyydessä Kuinka maan kuormituskestävyyttä voi lisätä? Pitkällä aikavälillä (vuosia tai vuosikymmeniä!): luo hyvä rakenne, juuria, lieroja Förkonsolideringstryck (kpa) på 30-35 cm djup 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Plöjning Kyntö Reducerad Kevennetty muokkaus bearbetning 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Dagar Päiviä siirtymisestä kevennettyyn muokkaukseen Horn, 2004. Time dependence of soil mechanical properties and pore functions for arable soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 68, 1131-1137. 49
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 50
Tiivistymisen estäminen, esim. www.terranimo.ch 51
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) 52
Tämän materiaalin tuotti OSMO-hanke http://www.maan-kasvukunto.fi Name of the presentation Subtitle Author Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART 53