Water repellency of clay, sand and organic soils in Finland

Abstract

Kun kuivaan, huokoiseen maahan tiputettu vesipisara ei imeydy välittömästi, maa on vettä hylkivää eli hydrofobista. Lämpimien ilmastoalueiden karkeilla mailla vedenhylkivyys on yleisesti havaittu ja tutkittu ominaisuus. Boreaalisella ilmastovyöhykkeellä ilmiötä on sen sijaan tutkittu vähän. Vedenhylkivyyden esiintyminen liitetään orgaaniseen ainekseen, vaikkakin on epäselvää, mitkä spesifit yhdisteet ilmiön synnyttävät. Vedenhylkivyys aiheuttaa veden imeytymisen heikkenemistä ja maan epätasaista kostumista. Nämä seikat puolestaan edistävät oiko- ja pintavirtauksien syntyä sekä eroosiota. Vedenhylkivyydelle on tyypillistä suuri ajallinen ja paikallinen vaihtelu. Tässä tutkimuksessa maan vedenhylkivyysindeksi (R) määritettiin mini-infiltrometrillä käyttäen kolmesta suomalaisesta maalajista, savesta, hiedasta ja eloperäisestä maasta, 0 5 cm:n ja 5 10 cm:n syvyydeltä otettuja näytteitä. Tulosten perusteella arvioitiin kosteuden, kasvillisuuden iän ja viljelymuodon vaikutusta vedenhylkivyyden voimakkuuteen sekä tarkasteltiin määritysmenetelmän soveltuvuutta eri maalajeihin. Tutkitut maanäytteet olivat näytteenottohetkellä vettä hylkiviä, ja ominaisuus lisääntyi maalajeittain järjestyksessä hieta < savi < eloperäinen maa. Kasvipeitteisillä alueilla veden imeytymisen maan pintaan todettiin heikentyneen hiedalla 3 4-kertaisesti ja savimaalla 4 10-kertaisesti vedenhylkivyyden takia. Näiden maalajien vedenhylkivyys lisääntyi kasvillisuuden ikääntyessä; vuosittain kynnetyllä pellolla se oli vähäisintä. Lisäksi vedenhylkivyys oli suurempaa maan pinnalla kuin syvemmässä kerroksessa. Tämä lienee seurausta pinnalle kertyvästä orgaanisesta aineksesta ja sen runsastumisesta, kun maata ei kynnetä. Vedenhylkivyys lisääntyi maan kuivuessa. Kivennäismaat osoittautuivat vettä hylkiviksi, kun kosteus oli alle 41 tilavuusprosenttia. Eloperäinen maa taas oli lievästi vettä hylkivä jopa vedellä kyllästettynä. Kun määritettiin näytteiden potentiaalista vedenhylkivyyttä, savelle ja hiedalle sopivaksi kuivatuslämpötilaksi osoittautui +40 °C. Sen sijaan eloperäisen maan näytteiden esikäsittely potentiaalisen vedenhylkivyyden määrittämiseksi vaatii vielä lisätutkimuksia. Tulokset osoittavat vedenhylkivyyttä esiintyvän myös boreaalisen ilmastovyöhykkeen maalajeilla, vaikka sitä ei aiemmissa maan veden liikkeitä käsittelevissä tutkimuksissa ole otettu huomioon. Ilmiön merkitys korostuu etenkin kuivissa olosuhteissa kasvipeitteisillä alueilla.

Water repellency (WR) delays soil wetting process, increases preferential flow and may give rise to surface runoff and consequent erosion. WR is commonly recognized in the soils of warm and temperate climates. To explore the occurrence of WR in soils in Finland, soil R index was studied on 12 sites of different soil types. The effects of soil management practice, vegetation age, soil moisture and drying temperature on WR were studied by a mini-infiltrometer with samples from depths of 0-5 and 5-10 cm. All studied sites exhibited WR (R index >1.95) at the time of sampling. WR increased as follows: sand (R = 1.8-5.0) < clay (R = 2.4-10.3) < organic (R = 7.9-undefined). At clay and sand, WR was generally higher at the soil surface and at the older sites (14 yr.), where organic matter is accumulated. Below 41 vol. % water content these mineral soils were water repellent whereas organic soil exhibited WR even at saturation. These results show that soil WR also reduces water infiltration at the prevalent field moisture regime in the soils of boreal climate. The ageing of vegetation increases WR and on the other hand, cultivation reduces or hinders the development of WR.