optimaalinen kosteus muokkaukselle ja eri muokkauskoneiden ... · b) sadon ajallinen vaihtelu cv...

Federal Department of Economic Affairs FDEA

Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station ART

Optimaalinen kosteus muokkaukselle ja eri muokkauskoneiden vetovoimantarveThomas Keller1,2

1Swedish University of Agricultural Sciences, Department of Soil & Environment, Box 7014, SE-75007 Uppsala, Sweden; E-mail: [email protected]

2Agroscope, Department of Natural Resources & Agriculture, Reckenholzstrasse 191, CH-8046 Zürich, Switzerland; E-mail: [email protected]

Paimio 18.11.2016

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

2

Kolme murtumatapaa: leikkaamalla, vetämällä, muovautumalla

Vetomurtuma on tehokkain (elivähiten energiaa uuttamurtopinta-alaa kohden)

Maa murustuu vain, jos siinäon ilmahuokosia (halkeamienetenemistä varten)

Leikkausmurtuma (puolikuu)

Muovautumista (eimurustumista)

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 hiertyyVesimäärä < alempi

muokkausraja: maa on

liian lujaa murustuakseen

Muokkaus-

alue

Optimivesimäärä

muokkaukselle, qopt

• Ylempimuokkausraja(märkä) on maaperänominaisuus

• Alempimuokkausraja(kuiva) riippuukäytetystäenergiamäärästä

Missä oloissa maa on murustuva? (eli hajoaa pieniksi kappaleiksi)

4

Maamuokattavissa

Liian märkääLiiankuivaa

Muokkausrajoja voi tarkastella maankastumisen myötä

Vesim

äärä

(til-%

)

5

http://www.omafra.gov.on.ca/english/e

ngineer/facts/12-053.htm

Kuinka maan muokkauksen murustavavaikutus riippuu pellon kosteustilanteesta?

6Thomas 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

)

Pro

po

rtio

n o

f a

gg

reg

ate

s Optimikosteus

maanmuokkaukselle, qopt

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 muokkaukselleM

uru

jen o

suus

Vesipitoisuus (g/g)

7

0

500

1000

1500

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

q/qINFL

Asp

ecific (

m2 m

-3)

0

500

1000

1500

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

q/qPL

Asp

ecific (

m2 m

-3)

qopt qopt


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

9Watts et al. 1996. Soil & Tillage Research 37, 161-174.

Liettyvän saven määrä riippuumuokkausenergiasta ja maan kosteudesta

10Watts et al. 1996. Soil & Tillage Research 37, 175-190.

Liettyvän saven määrä riippuumuokkausenergiasta ja maan kosteudesta

11

0

500

1000

1500

2000

0.000 0.020 0.040 0.060

S

Sp

ecif

ic s

urf

ace

area

(m

2 m

-3)

Muokkaus tehty

optimikosteudessa

Aspecific = 45806 S – 662.5


Hyvälaatuinen maa murustuu muokatessahyvin (suuri pinta-ala muokkauksen jälkeen)

S ≡ Fyysisen laadun pisteytys

Spe

sifi

pin

ta-a

la

12

A.R. Dexter (2004) Soil physical quality: Part I-III. Geoderma 120, 201-214; 215-225; 227-239.

Joten muokkauksensynnyttämä

mururakenne on oletettavasti

“parempi”, kun multavuus on

suurempi

Maan fysikaalinen laatu yleensä paraneeorgaanisen 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 muokkausrajavoitaisiin määrittäävetovoiman tarpeesta(muokkausenergia, dieselinkulutus)

Mittauksia on vähän, muttavetovoima yleensäpienenee, kun multavuuskasvaa, esim. Watts et al. (2006) Soil Use Manage 22:

Vetovoiman tarve muokatessa kasvaa, kun maa kuivuu

15

Korkea multavuus lisäämuokattavuusaluetta

Muokattavuusalue (vesipitoisuudet ylemmänja alemman rajan välillä) riippuu maanmultavuudesta

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

16

Lähde: Hansrudolf Oberholzer, Agroscope, Switzerland

Humustase sveitsiläisillä tiloillatuotantosuunnittain

Erikoiskasvit Peltoviljely Yhdistetyt eläin-kasvitilat

Ne

gati

ivin

en

po

siti

ivin

enta

se

17

Maa on muokattavissa laajemmallakosteusalueella, jos maan rakenne on hyvä. Ts. Tiivistynyt maa on muokattavissa vain harvoinapäivinä, mikä haittaa töiden oikea-aikaisuutta(“Sunnuntai-savet” = pelto on märkä pitkään, se olisi muokattavissa sunnuntaina, muttamaanantaina pelto on liian kuiva)

Muokkauksen aikaansaama pinta-alanlisääntyminen (murustuminen) väheneeirtotiheyden kasvaessa -> tiivistyneen maanmurustaminen 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 (kNm-1)

Vetovoiman tarve on verrannollinen siirrettyyn maatilavuuteen. Tätäkutsutaan “spesifiksi vetovoiman tarpeeksi”. Mikä on eri koneidenspesifi vetovoimantarve (kN m-2)?

19

Millä mitattiin: traktori, jossapolttoaineenkulutusmittari, joka kalibroitiinvastaamaan VOA tehoa

Traktori: MF 6290 135 hv

Mittaukset:• Hetkellinen

polttoaineenkulutus• Moottorin kierrosluvut• Pyörän nopeus• Traktorin nopeus

Kalibroitu siten, ettärenkaiden välittämä vetotehooli tiedossa eri polttoaineenkulutuksilla ja kierrosluvuilla.

20

1

2

3

Mittasimme todellisen työsyvyyden jamuokatun maan tilavuuden

21

7.18.7

9.5

12.8

17.9

21.1

6.3

0

5

10

15

20

25

13 17 21

Inställt arbetsdjup (cm)

Verk

ligt arb

ets

dju

p (

cm

)

Kultivator

Plog

Tallrik

Todellinen keskimääräinen muokkaussyvyyssäädettyyn syvyyteen nähden

Arvidsson et al. 2004. Soil & Tillage Research 79, 221–231.

Todelli

nen t

yösyvyys (

cm

)

Säädetty työsyvyys (cm)

Kultivaattori

Kyntöaura

Lautasäes

22

Kyntöaura Kultivaattori Lautasäes

Muokkauspohjan tasaisuus


Syvyys a

lkuperä

isestä

ma

anpin

nasta

(cm

)

Poikkisuuntainen etäisyys(cm)

23

KultivaattoriLautasäes

Muokkauskerroksen pohja

24

c)

b)

Körriktninga)

Kritiskt arbetsdjup

Edestä:

Sivusta:Te

rä(e

sim

. Ku

ltiv

aatt

ori

nkä

rki)

Maa murtuu ainoastaantietyn syvyyden yläpuoleltats. “kriittinen työsyvyys”. Kriittisen syvyydenalapuolelta maa ainoastaanmuovautuu tai virtaa (maamenee terän ympäri)

Kriittinen syvyys riippuumaan ominaisuuksista, teränleveydestä 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 lautasäkeenvetovoiman tarveArvidsson 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

dra

ught

(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)

Sp

ecific

dra

ug

ht (k

N m

-2)

Kyntöaura

Spesifinen vetovoiman tarve riippuu maankosteudesta ja maan lujuudesta

Mitä kuivempi maa, sitä suurempi spesifi vetovoiman tarve. Mitä lujempi maa (tässä koheesio), sitä suurempi vetovoiman tarve

27

Työsyvyys, vetovoiman tarve jamurustuminen: kyntöaura, kultivaattori jalautasäes


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

)

Sp

ecif

ic r

esis

tan

ce (

kN

m-2

)

0

50

100

150

200

0 2 4 6 8 10 12

Speed (km h-1

)S

pec

ific

res

ista

nce

(k

N m

-2)

Ultunan koemittaukset savi (vasen) ja htHeS mailla (oikea): spesifi vetovoiman tarvemuokkausnopeudesta riippuen; kyntöaura (kolmio), kultivaattori (salmiakki) jalautasäes (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)KyntöauraKultivaattoriLautasäesCarrier lautasmuokkain

ÄesKylvölannoitin, laahavannasKylvölannoitin, kiekkovannas

Leikkuupuimuri

36 + 1.35 c44 + 1.66 c44 + 1.65 c58 + 2.18 c

---

0.200.060.060.04

---

15.35.65.65.0

2.52.66.0

19.97.37.36.4

3.33.47.8

17

S: Spesifi vetovoima kN/m2 riippuen savipitoisuudesta (c)D: Vetovoiman tarve per m työleveyttä kN/m tietyllä syvyydellä (d)qt: Polttoaineen kulutus per hehtaari

Yhteenveto kokeista Ultunan koeasemalla(Uppsala, Ruotsi)

Tulokset: J. Arvidsson (Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala, Sweden)

34

Ovatko satoerot osien välilläpysyviä?

Miksi sadossa on eroja?

Onko maan rakenteella väliä – satotasolle?

35

1. askel: Valitaan peltoja, joistaon sato kartoitettuKolme ruotsalaista peltoa (kolme erimaatilaa), 10 vuotta satokartoitusdataa

Satotason ja maan rakenteen suhdepeltotasolla tarkasteltuna

36

12

3

Erilaiset alueet joka pellolta, vertaamalla historiallisiasatokarttojaHyväsatoinen, keskisatoinen ja matalasatoinen alue joka pellolla

2. askel: valitaan satokartoista erilaisiaalueita

37

i. Pellot, joista satotasot on kartoitettuo Kolme ruotsalaista peltoa (kolmella eri tilalla), 10 vuotta

satokartoitusta

ii. Eri alueiden valinta satotasojen perusteellao Yksi korkea-, keskimääräinen- ja matalasatoinen alue joka pellolla.

iii. Maan fysikaalisten olosuhteiden määritys näiltäalueiltao Mittaukset pintamaassa (5 cm syvyys) ja pohjamaassa (30 cm syvyys)

iv. Sadon ja fyysisten ominaisuuksien vastaavuuso Pitkän aikavälin keskisato riippuu pohjamaan ominaisuuksista

3. askel: mittauksia ja analyysiä

38

i. Saturoitunut vedenjohtavuus “yksinkertaistettu putoavanvesipatsaan 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 vesipatsaantekniikka (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% kaikistamittauksista

40

*

1

11ln

1

*

1

1

q

q

q

qq

q

D

DD

D

tK

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,

Kfs riippuu lähinnä ta

Yksinkertaistettu putoavan vesipatsaanmenetelmä(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):

n

Mean

iLTAi

Y

Y

nRY

1

, 1001

LTAi

n

LTAii

iRY

RYRYn

CV,

1

2

,

1

Satokarttojen data-analyysi

43

Esimerkki pitkän aikavälin trendeistä (pitkänajan suhteellinen keskisato)

44Thomas 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 osissakolmella alueella

Keller et al. 2012. Soil & Tillage Research 124, 68-77.

46

H

H

M

M

L

L

H

H

M

MLL

H

H

M

M

L

L

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

Topsoil Subsoil

Bu

lk d

en

sity (

Mg

m-3

)

H: high-yielding zone M: medium-yielding zone L: low-yielding zone

Pelto 1 Pelto 2 Pelto 3Pelto 1 Pelto 2 Pelto 3

Irtotiheys eri satotasojen alueilla


Irto

tiheys (

t/m

3)

PohjamaaRuokamulta

Korkea sato Keskisato Alhainen sato

47

10

12

14

16

High- Low- Average-

yielding zone

MW

D (

mm

)

Murujen keskipainohalkaisija


Korkea sato KeskisatoAlhainen

sato

48

HH

M

M

L L

H

H

M

M

L

L

H

H

M

ML

L

0

200

400

600

800

1000

1200

Topsoil Subsoil

kfs

(m

m h

-1)

H: high-yielding zone M: medium-yielding zone L: low-yielding zone

Pelto 1 Pelto 2 Pelto 3


Saturoituneen maan vedenjohtavuus, Kfs(kattilamenetelmällä)


Korkea sato Keskisato Alhainen sato

Ruokamulta Pohjamaa

49

0

20

40

60

80

100

E4-vägen Svanshals Vinberga

Site

Kfs

,Low /

Kfs

,Hig

h (

%)


Vedenjohtavuus alhaisen sadon alueillaverrattuna korkean sadon alueisiin Kfs


Veden

johta

vuus %

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

Rela

tive y

ield

R2 = 0.63; P = 0.05

Suhteellinen jyväsato suhteessa suhteelliseenveden imeytymiseen Kfs

1.0 (100%) = keskisatoinen alue


51

(1) Murukokojakauma muokkauksen jälkeen riippuupellon kosteudesta

(2) Oletuksena on vaihteleva kosteus pellollamuokkaushetkellä

(3) Tämä:

• Vaikuttaa maan rakenteeseen

• Voi vaikuttaa maan oloihin kylvöhetkellä ja kylvöalustan ominaisuuksiin

(4) Mikä vaikuttaa sadon kasvuun ja satoon

…miten tämä liittyy kosteustilanteeseenmuokkaushetkellä..?

52

(1) Alhaisen sadon alueilla oli huono maan rakenne. Tämänäkyi etenkin:

o Selvästi alempana vedenjohtavuutena, Kfs, heikon satotason alueilla

o Suurempana murujen keskikokona ja korkeampana irtotiheytenäheikon sadon alueilla

(2) Maan rakenne on tärkeä

(3) Emme saa unohtaa pohjamaata, eli vuotuisenmuokkauksen 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) vaikuttaakasvien kasvuoloihin ja siten satoon

- Kosteustilanne ei yleensä ole tasainen koko lohkolla, joten pellonrakenteeseen tulee vaihtelua muokkauksen johdosta, mikä aiheuttaaeroja satotasossa.

- Vetotehon tarve on suurin kyntöauralla, mutta maatilavuutta kohdenvetotehon 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

http://www.maan-kasvukunto.fi/

optimaalinen kosteus muokkaukselle ja eri muokkauskoneiden ... · b) sadon ajallinen vaihtelu cv...

Documents