Surface runoff, subsurface drainflow and soil erosion as affected by tillage in a clayey Finnish soil

Abstract

Etelä-Suomen viljeltyjen savimaiden eroosio aiheuttaa huomattavaa sisävesistöjen samentumista, ja lisää myös niiden sekä Itämeren rannikkoalueen rehevöitymistä. Vaikka maa-ainesta irtoaa eniten jyrkiltä rinteiltä, myös loivasti viettävien peltojen eroosio on merkittävää niiden suuren pinta-alaosuuden vuoksi. Etelä-Suomessa eroosiohaitat korostuvat, koska valtaosa pelloista on talvisin muokattuina, ja kasvipeitteisten nurmien, viherkesantojen ja laitumien osuus on vain 15-25 % peltoalasta. Eroosion vähentämiseksi maatalouden ympäristötuessa on suosittu toimenpiteitä, joilla peltojen syysmuokkausta joko kevennetään kyntöön verrattuna tai siitä luovutaan kokonaan, jolloin pelto jää talven yli sängelle. Tässä tutkimuksessa verrattiin eriasteisen maanmuokkauksen vaikutuksia eroosioon ja tutkittiin eroosion taustatekijöitä, kuten maan pintakerroksen ominaisuuksia ja vedenjohtokykyä sekä taipumusta tuottaa pinta- ja salaojavaluntaa. Tutkimus toteutettiin loivasti viettävällä (2 %) Jokioisten Kotkanojan huuhtoutumiskentällä, jonka pintamaan savespitoisuus on 61 %. Kentän salaojitus oli uusittu kesällä 1991 ennen kokeen aloittamista. Kahden vuoden kalibrointijakso (1991-1993) osoitti kentän olevan riittävän tasalaatuinen valunnan jakautumisen ja eroosion suhteen. Varsinaisella koejaksolla (1993-2001) kentän neljästä vierekkäisestä ruudusta kaksi kynnettiin syksyisin 23 cm syvyyteen ja kaksi muuta joko jätettiin syksyllä muokkaamatta sängelle (1993-1996) tai sänkimuokattiin kultivaattorilla 5-8 cm syvyyteen (1996-2001). Muokkauksen vähentäminen madaltamalla syysmuokkausta tai luopumalla syysmuokkauksesta kokonaan lisäsi pintavalunnan osuutta kokonaisvalunnasta. Pintavalunnan osuus vuosittaisesta kokonaisvalunnasta (169-363 mm) oli kynnetyillä koeruuduilla 8 42 %, matalaan kultivoiduilla ruuduilla 36 66 % ja muokkaamatta jätetyillä sänki- ja nurmiruuduilla 36 82 %. Matalaan kultivoidussa maassa valunta suuntautui kynnettyä maata enemmän pintavalunnaksi, koska maan pintakerroksen vedenjohtokyky oli heikompi ja maan hetkellinen kyky varastoida vettä oli pienempi sekä maan pinnalla että pintakerroksen suurimmissa huokosissa. Myöskään lierokäytäviä ei ollut riittävästi, jotta niillä olisi ollut merkitystä pintavalunnan torjunnassa. Nämä samat tekijät lisäsivät myös muokkaamattoman maan pintavaluntaa. Kultivoidulta maalta tulleiden pintavaluntavesien eroosioainespitoisuus oli korkea, eikä menetelmä vähentänyt eroosiota. Olki peitti 40-66 % matalaan kultivoidun ja vain 9-15 % kynnetyn maan pinnasta, mutta tällä erolla ei näyttänyt olevan merkitystä eroosion kannalta. Sen sijaan maan rikkominen muokkauksella lisäsi eroosioalttiutta, joka oli suurimmillaan heti muokkauksen jälkeen syksyllä ja keväällä. Eroosio olikin sitä pienempää, mitä harvemmin maata muokattiin: ohran sänki vähensi eroosiota 12 % (edeltävästä muokkauksesta 0,5-1 vuotta) ja nurmen sänki vastaavasti 48 % (muokkauksesta 1,5-2 vuotta) kynnettyyn maahan verrattuna (407 1700 kg ha 1). Maan pinta stabiloitui muokkauksen jälkeen vähitellen mm. kuivumisen vaikutuksesta. Koekentän savimaa dispergoitui helposti pinnalla virtaavaan veteen, mikä saattoi johtua savihiukkasten ominaisuuksista ja virtaavan veden ajoittain pienestä ionivahvuudesta. Äskettäin uusittu salaojasto kuljetti 18-92 % savimaan vuosittaisesta kokonaisvalunnasta ja 37 94 % eroosioaineksesta. Vain murto-osa pinnalta irronneesta eroosioaineksesta suodattui maan huokostossa ennen päätymistään salaojiin. Jos salaojakaivannoissa oli peitemateriaalina puuhake, pinnasta irronnut maa-aines kulkeutui verrattain vapaasti salaojiin, kun taas pintamaalla täytetyt salaojakaivannot suodattivat maahiukkasia hieman paremmin. Joissakin tapauksissa edeltävänä kuivana kesänä maahan syntyneet suuret halkeamat johtivat eroosioainesta suoraan salaojiin vielä seuraavana keväänä. Tulokset osoittavat, että tämänkaltaisten savimaiden eroosiontorjunta edellyttää salaojituksen kunnossapidon lisäksi muokkaustiheyden radikaalia pienentämistä ja/tai muita toimenpiteitä maan pintarakenteen lujittamiseksi.

Conservation tillage practices were tested against autumn mouldboard ploughing for differences in physical properties of soil, surface runoff, subsurface drainflow and soil erosion. The study (1991 -2001) was performed on a gently (2%) sloping clayey soil of southern Finland, with two replicates of the tillage treatments on 0.5 ha plots. The annual shares of surface runoff of the total flow (surface runoff + subsurface drainflow) were 8 42% for ploughing (depth 20 23 cm), 36 66% for shallow autumn stubble cultivation (depth 5 8 cm) and 36 82% for soil left untilled over winter. Surface runoff increased with decrease in the tillage intensity, and in line with the values of depressional water storage, macroporosity and saturated hydraulic conductivity. Erodibility of this gently sloping soil was at highest after autumn and spring tillage operations and decreased with time. Shallow autumn tillage produced erosion as high as mouldboard ploughing (407 1700 kg ha 1yr 1), but 48% and 12% lower erosion levels were measured from plots left untilled in autumn, covered by grass or barley residues, respectively. Eroded soil particles moved relatively freely to the subsurface drains, which carried 37 94% of the annual soil losses from the field. The study shows that even on the relatively flat clayey soils typical for southern Finland, tillage has a great influence on soil losses. The frequency of tillage needs to be reduced rather than the depth of tillage on clayey soils with poor water conductivity and structural stability if soil loss is to be diminished by conservation tillage.