Effect of soil compactness on the growth and quality of carrot (Diss.)

Abstract

Vuosina 1989-1991 perustettiin porkkanakockenttiä Etelä-Suomessa hieta-, savi- ja multamaalle. Tutkimuksessa mitattiin kynnöksen kuohkeuttamisen ja tiivistämisen sekä sadetuksen vaikutuksia maan fysikaalisiin ominaisuuksiin ja kasvukuntoon. Tutkimuskasvina käytettiin porkkanaa (lajikkeena Nantes Duke), jonka varastojuureksen ulkoisen laadun tiedettiin reagoivan herkästi maan tiiviyteen. Keskeisenä tutkimuskohteena oli myös sadon sisäinen laatu ja sen suhde juuristen pinta-alaan maan tiiviyden muuttuessa. Kynnöstä kuohkeutettiin kahdella eri tavalla: 1. Perunamaan multauslaitteella niuotoiltiin 2 m leveisiin koeruutuihin 45 cm välein 4 harjua. 2. Kelajyrsimellä kuohkeutettiin 2 m leveitä penkkejä 20 cm syvyyteen, savimaalla 1 5 cm syvyyteen. Lisäksi kynnöstä tiivistettiin ajamalla traktorilla pyörä pyörän jälkeen kiinni joko kerran tai kolmesti. Traktorin taka-akselikuormitus oli 3 tonnia. Kuohkeutus- ja tiivistysajot tehtiin välittömästi ennen kylvöä maan ollessa kosteata. Viidentenä oli käsittelemätön koejäsen. Kaikissa maan mekaanisissa käsittelyissä käytettiin traktorissa 2 metrin raideväliä, jolloin vältyttiin ylimääräiseltä maan tallaamiselta. Sadetuskäsittelyssä hieta- ja savimaan kentät sadetettiin maan kuivuessa alle 50 %:iin hyötykapasiteetista. Ruutuihin oli keväällä upotettu 60 cm korkeita ja 30 cm läpimittaisia PVC-lieriöitä. Sadonkorjuuaikana ne nostettiin maasta porkkanan varasto- ja sivujuurien yksityiskohtaisia analyysejä varten. Sivujuuriston pituus ja leveys eri maakerroksissa mitattiin kuva-analysointimenetelmällä. Kenttämittausten mukaan viljelymaan tiivistäminen kylvömuokkauksen yhteydessä kevyellä traktorilla lisäsi karkean hiedan, runsasmultaisen saven ja multamaan kyntökerroksen tilavuuspainoa ja mekaanista vastusta. Kivennäismaalajit tiivistyivät vain ylimmässä 25 cm:n kerroksessa, mutta multamaalla tiivistysten vaikutukset ulottuivat kyntökerroksen alapuolelle. Traktorilla ajo lisäsi kyntökerrokseii tilavuuspainoa 8 % hiedalla, 10 % multamaalla ja 13 % savella. Sama tilavuuspainon suhteellinen muutos Iisäsi mekaanista vastusta hietamaalla 100 % enemmän kuin multamaalla, kun maiden kosteus oli 50 % hyötykapasiteetista. Tiivistetyt maat pidättivät vettä enemmän kuin kuohkeutettit (kapeat harjut tai jyrsitty penkki), kun vesipitoisuus laskettiin suhteessa maan tilavuuteen. Tämä johtui lähinnä pienten (<0,2 mm) huokosten lisääntymisestä maata tiivistettäessä. Koekenttämaiden kokonaishuokostilavuus ja erityisesti suurten huokosten osuus laskivat olennaisesti tiiviysasteen lisääiityessä. Kolmesti tiivistetyllä savimaalla suurten huokosten (> 30 mm) osuus maan tilavuudesta painui alle 10 % rajan. Tiivistysajot vaikuttivat selkeästi maan ilman koostumukseen savimaalla ja varsinkin multamaalla, jossa alin mitattu happipitoisuiis oli 10 %. Myös varastojuureksen nopea kasvu laski maan ilman happipitoisuutta. Hietamaalla maan fysikaalisista ominaisuuksista mekaaninen vastus muodostui kasvua rajoittavaksi tekijäksi, kun kuivassa tiivistetyssä, kyntökerroksessa vastus kohosi yli 2,5 MPa:n rajan penetrometrillä mitattuna. Kaikilla tutkimusmaalajeilla kyntökerroksen tiiviysaste oli noin 93 % kolmen tiivistysajon jälkeen. Maan tiiviysasteella tarkoitetaan maan tilavuuspainon suhdetta maksimaaliseen tilavuuspainoon. Vain savimaassa tämä tiiviys heikensi ratkaisevasti porkkanan kasvuedellytyksiä. Savimaassa kynnöksen äestys vakioraiteita käyttäen osoittautui parhaimmaksi muokkausmenetelmäksi, kun porkkanan eri kehitysvaiheet otetaan huomioon. Liiallinen kuohkeutus johti epätasaiseen ja viivästyneeseen taimettumiseen, ja sadon määrä laski sadettamattomissa kuohkeutetuissa harjuissa tai penkissä yhtä paljon kuin tiivistetyissä koeruuduissa. Hietamaalla kuivassa olosuhteissa kuohkeutus viivästytti taimien kehitystä ja tiivistys rajoitti porkkanan kasvua, mutta lopullisen sadon määrää mekaaniset käsittelyt säätelivät vähän. MuItamaalla maan tiivistäminen edisti niin ikään taimien kehitystä, mutta vaikutti muuten vähän porkkanan kasvurytmiin ja lopulliseen satoon. Viljelymaan mekaaniset käsittelyt ja sadetus vaikuttivat huomattavasti selvemmin porkkanan Muotoon kuin sisäiseen laatuun. Maan tiivistäminen heikensi porkkanan pituuskasvua, lieriömäisyyttä ja lisäsi haljenneiden porkkanoiden määrää. Porkkanan kehitysvaihe, sääolosuhteet ja maalaji säätelivät porkkanan kemiallista laatua huomattavasti enemmän kuin maan tiiviysaste. Jopa tiiviillä savimaalla saavutettiin kasvukaudelle ominaiset porkkanan karoteeni- (10 mg 100 grammassa tuoretta porkkanaa) ja sokeripitoisuudet (5 %). Samanaikaisesti tiiviin savimaan porkkanat sisälsivät vähemmän mehua sekä enemmän kuiva-ainetta ja raakaa kuitua kuin kuohkean savimaan tai muiden maalajien porkkanat. Alin karoteenipitoisuus (3,5 mg/100 g) mitattiin multamaan jyrsitystä penkistä vuonna 1990, jolloin syyskesä oli poikkeuksellisen viileä. Tiivistäminen lisäsi karoteenipitoisuuden tasolle 5 mg/100 g. Sadetus vaikutti porkkanan karoteenipitoisuuksiin eri tavoin eri vuosina, kun taas sokeripitoisuuteen sadetuksella ei ollut osuutta. Vakaana pysynyt kemiallinen laatu eri käsittelyjen välillä samassa kasvuvaiheessa ja samana vuonna voidaan selittää porkkanan ohuiden juurenhaarojen avulla, joita yksi porkkana kasvatti noin 200 m tiivistetyssä ja 120 m kuohkeassa sadettamattomassa hietamaassa 0-50 cm:n syvyydessä. Tiivistetyssä multamaassa mitattiin vielä suurempia pituuksia. Suurin osa (80-90 %) tästä pituudesta koostui juurista, joiden halkaisija oli noin 0,15 mm. Juuristo, joka muodostuu näin ohuista juurista, mahdollistaa porkkanan tehokkaan veden ja ravinteiden oton. Tiivistys ja sadetus lisäsivät juuristen kuiva-ainepainoa, kokonaispituutta tai pinta-alaa lähinnä vain 0-30 cm:n kerroksessa, jossa porkkanan juuristo pääosin sijaitsi. Tutkimus antaa viitteitä siitä, että porkkanan varastojuureksen karoteeni- ja sokeripitoisuuden lisääntyminen kasvukauden loppua kohti on varminta kohtalaisesti tiivistetyssä kyntökerroksessa, jossa vedenpidätyskapasiteetti ja juuristen pinta-ala oli suurempi kuin mekaanisesti kuohkeutetussa maassa. Tutkimuksen tulokset mekaanisten käsittelyjen vaikutuksista maan fysikaalisiin ominaisuuksiin ja porkkanan ulkoiseen laatuun saavat tukea aikaisemmista tutkimuksista. Porkkanan sisäinen laatu, jota perimä ja kehitysvaihe hallitsevat, ei ollut yhtä selkeästi maan fysikaalisten kasvutekliöiden säädeltävissä kuin ulkoinen laatu. Uudet tulokset porkkanan sisäisestä laadusta sekä juuristen pituuden ja pinta-alan jakautumisesta maaprofiilissa korostavat, että porkkanan sivujuuriston koko on riittävä takaamaan tiiviydestä kärsineen varastojuureksen biokemiallisen kypsymisen. Tätä tukee se, että tiivistetyssä maassa porkkanan nopeasti kehittynyt lehtimassa pystyi hyödyntämään kasvukauden säteilyn. Tutkimuksen perusteella porkkanaa ei kannata kylvää hyvin kuohkealle kasvualustalle, sillä lievä tiiviys varmistaa porkkanan varastojuureksen nopean kehityksen ja hyvän sisäisen laadun Suomen lyhyenä kasvukautena.

Field experiments were performed in Southern Finland on three soil types: fine sand (1989-1991), clay (1989) and mull (1990-1991). The following soil mechanical treatments were applied to autumn ploughed land: soil loosening by ridge preparation (ridge distance 45 cm), rotary harrowing (to a depth of 20 cm, clay 15 cm), and soil compaction track by track by a tractor weighing 3 Mg (1 or 3 passes, wheel width 33 cm) before seed bed preparation. One plot was untreated. These treatments were set up in April (on clay in May) under moist soil conditions. Sprinkler irrigation one application of 30 mm) was applied to clay and fine sand when soil moisture in top soil had decreased to around 50% of plant-available water capacity. PVC cylinders (r = 15 cm, h = 60 cm) were fixed in the experimental areas during the growing periods. At harvest, these cylinders were removed for specific analysis of tap and fibrous roots of carrot. Length and width of fibrous roots were quantified by image analysis in the USA. The impacts of soil loosening and partial compaction were determined by measuring soil physical parameters to a depth of 25 cm in mineral soils, and to greater depths in organic soil. Dry bulk densities of the plough layers increased with increasing tractor passes by 8%, 10% and 13% for fine sand, mull and clay soils, respectively. The lowest dry soil bulk density in the plough layer was obtained by rotary harrowing to a depth of 20 cm. Comparison of gamma ray transmission and gravimetric analysis indicated that dry soil bulk density was slightly lower when determined by gravimetric analysis. Increased soil bulk densities were retlected by increased water retention capacity (matric suction < 10 kPa) and greater penetrometer resistance. Relatively similar increases in bulk density increased the penetrometer resistance much less in mull than in fine sand. In contrast, greater bulk densities in the mull soil affected soil air composition adversely by decreasing the 02 content to 10% when the subsoil had high wetness. In other soils, the lowest soil oxygen contents of 16-18% were recorded in early summer (compacted clay) and during periods of vigorous plant growth (fine sand) when soil water contents were high. Even though the highest degree of soil compactness (D) in a plough layer approached 93 (gravimetric) in all soils, only clay soil was compacted to a soil macroporosity below 10% (pore diameter > 30 mm). Soil compaction promoted crop establishment and early growth as compared with loose soil beds. Optimum soil compactness for carrot yield (D = 82) was observed only in clay field where excess loosening or compaction affected yield quantity adversely at different stages of growth. During biomass accumulation, excessive penetrometer resistances limited tap root growth in compacted fine sand without irrigation. Water applications promoted shoot growth, but did not affect final shoot and tap root yield. Among the three soil types tested in this study, compaction of mull soil had the least effect on carrot growth and external quality. This paper presents evidence that the internal quality of carrots is only slightly affected by changes in soil physical properties, while the adverse effects of soil compaction on carrot external quality (short, deformed and conical tap roots with greater maximum diameters) are clear. Even though compacted clay soil greatly limited the biomass accumulations in the tap root, which had a high crude fibre content, the carotene (10 mg/100 g carrots) and sugar contents (5%) reached acceptable levels. The lowest carotene contents (4 mg/100 g carrots) were observed in loose mull, following a cool late summer in 1990. The effect of irrigation on carotene content varied from one year to another. High sugar and carotene contents appeared to respond to the high below-ground absorption surface. The fibrous root system of carrots, consisting of mostly very fine roots (diameter 0.15 mm), had total lengths of 150 m in loose fine sand at a soil depth of 0-50 cm (rotary harrowed), 200 m and 300 m in fine sand and mull soils subjected to 3 passes by a tractor wheel. The maximum dry weight (60 mg), length (1.2 cm) and surface area (0.05 cm2) of the fibrous root system per soil volume (cm3) were observed in compacted or irrigated soil to a depth of 30 cm, and also in relation to tap root dry weight. This suggests a capacity of carrot plant for high below-ground absorption potential and optimal biochemial maturation of tap root tissue even when surface soils are compacted. This is supported by higher leaf area, as the early shoot growth was promoted by partial soil compaction. Soil compaction affected the soil physical properties and carrot external quality in agreement with previous studies. Carotene and sugar contents appeared to be unaffected or were slightly increased in riper and firmer carrots of compacted soils. This is consistent with the earlier information about the internal quality of carrot which is shown to be highly dependent on genetic factors and developmental stage of carrot. The present study emphasizes the surface area of carrot fibrous root system as a beneficial factor for maintaining high levels of carotene and sugar contents in tap roots after partial soil compaction.