Toimivat salaojitusmenetelmät kasvintuotannossa (TOSKA) – loppuraportti 2017

”Toimivat salaojitusmenetelmät kasvintuotannossa” (TOSKA) -hankkeessa tutkittiin sa­laojien ojavälin vaikutuksia pellon hydrologiaan, ravinnehuuhtoumiin ja satoon. Lisäksi selvitettiin kaivavalla salaojakoneella ja aurasalaojakoneella tehtyjen salaojitusten sekä eri ympärysaineiden toimivuutta. Hankkeessa kehitettiin ja sovellettiin Aalto-yliopistossa kehitettyä matemaattista FLUSH-mallia siten, että se soveltuu erilaisten ojitusten lyhyt- ja pitkäaikaisten vaikutusten arviointiin. Hanke toteutettiin vuosina 2014–2016, ja se oli jatkoa PVO- ja PVO2-hankkeille.

Nummelan koekentällä Jokioisissa ojavälin vaikutuksia savimaalla tutkittiin kahdella täydennysojitusalueella, joiden ensiojitus oli tehty 1950-luvulla. Alueista toinen oli täyden­nysojitettu (ojaväli 16 m -> 8 m) kesäkuussa 2008. Toinen märkyydestä selvästi kärsinyt 32 metrin ojavälin alue täydennysojitettiin TOSKA-hankkeessa kesäkuussa 2014, jolloin ojaväliksi tuli 10,7 m. Molemmat täydennysojitukset tehtiin kaivavalla salaojakoneella ja ympärysaineena käytettiin soraa ja lisäksi sorasilmäkkeitä. Täydennysojitusten (16 m -> 8 m ja 32 m -> 10,7 m) vaikutuksia pellon kuivatustilaan arvioitiin vertaamalla ojitettujen alueiden salaojavaluntaa alkuperäisojituksen alueen (16 m) valuntaan ja pohjavedenpin­nan syvyyteen. Mittauksia tehtiin myös neljännellä koealueella, joka oli uusintaojitettu kesäkuussa 2008.

Täydennysojitukset lisäsivät selvästi salaojavaluntaa. Ojavälin puolittaminen (16 m -> 8 m) lisäsi vuotuista salaojavaluntaa keskimäärin 1,8-kertaiseksi (vaihteluväli 1,2–2,3) suhteessa vertailualueeseen (16 m). Harvan ojavälin tihentäminen kolmasosaan (32 m -> 10,7 m) lisäsi salaojavaluntaa keskimäärin 1,4-kertaiseksi (vaihteluväli 1,2–1,5) 16 m oja­välin alueeseen verrattuna. Salaoja- ja pintakerrosvalunnan yhteenlaskettu osuus sadannasta kasvoi ojitusta edeltäneeseen verrattuna molemmilla alueilla, 1,1-kertaiseksi (8 m ojitus) ja 1,4-kertaiseksi (10,7 m ojitus). Laskennallisesti pohjavesivalunnan osuus vesitaseesta oli 32 m ojavälillä 29 % ja 10,7 m ojavälillä 24 %. Pohjavesimittaukset osoittivat täydennysoji­tuksen (32 m -> 10,7 m) parantaneen märkyydestä kärsineen alueen kuivatustilaa, niin että kevään viljelytoimet olisi mahdollista aloittaa keskimäärin noin viikkoa aikaisemmin kuin 16 metrin ojavälin alueella.

Merkittävä osa koealueiden ravinne- ja kiintoainekuormituksesta valtaojaan tuli sala­ojien kautta niin ennen täydennysojituksia kuin niiden jälkeenkin. Mitatuista vuotuisista (salaojat+pintakerros) ravinne- ja kiintoainekuormista salaojien osuus oli 6, 8, 10,7 ja 16 metrin ojaväleillä 75–90 % ja 32 metrin ojavälillä 50–60 %. Täydennysojituksesta seurannut salaojavalunnan lisääntyminen näkyi koealueilla kuormituksen kasvuna. Vertailualueeseen (16 m) nähden vuotuinen kuormitus lisääntyi 1,1–2,6-kertaiseksi. Täydennysojituksen vai­kutus valumavesien ravinne- ja kiintoainepitoisuuksiin oli vähäinen. Kokonaistyppipitoisuu­den lyhytaikaista (1–2 v.) nousua lukuun ottamatta täydennysojitus ei lisännyt salaojaveden pitoisuuksia.

Nummelan koealueiden sadot olivat suhteellisen matalia. Heikko satotaso johtunee huonosta viljavuudesta, erityisesti märkyydestä kärsineellä harvan (32 m) ojavälin alueel­la. Ojavälin tihentäminen ei näkynyt sadon määrässä tai laadussa, kun kylvöaika oli sama kaikilla koealueilla. Sadot olivat keskimäärin hieman paremmat salaojien kohdalla kuin ojien välissä.

Nummelan koekentän tutkimustulokset osoittavat, että heikkotuottoisen pellon vesitalo­us ja muut tuottokykyyn vaikuttavat tekijät tulee selvittää ennen ojituspäätöstä. Nykyisten suositusten mukainen 10–14 metrin ojaväli savimaille on mittaustulosten pohjalta sopiva. Liian tiheää ojaväliä tulee välttää, koska se lisää kustannuksia ja saattaa lisätä pellolta tulevia ravinne- ja kiintoainehuuhtoumia lisääntyneen salaojavalunnan myötä. Jos pellon viljavuus on huono, kannattaa ojitusten yhteydessä tehdä myös viljavuutta parantavia toimenpiteitä, sillä kuivatustilan parantaminen ei yksin riitä satotason nostamiseksi. Ojitus vaikuttaa hi­taasti savimaan rakenteeseen, joten ojituksen lisäksi tarvitaan muita toimenpiteitä, kuten syväjuurisia kasveja kasvinvuorotuksessa, parantamaan maan rakennetta. On syytä kehittää toimenpiteitä salaojien kautta tulevan kuormituksen vähentämiseksi.

Sievin koekentän hieta-/hiuemaassa ojitukset toteutettiin kaivavalla salaojakoneella ja aurakoneella alkujaan avo-ojitetulle peltoalueelle. Kaivantojen leveys ja syvyys sekä täyttö­materiaali vastasivat toisiaan molemmissa menetelmissä. Puolentoista vuoden mittausten mukaan kaivavalla salaojakoneella tehty salaojitus kuivatti pellon hieman aurakoneella tehtyä tehokkaammin. Aurakoneella tehdyissä salaojituksissa pohjaveden pinta oli salaoji­en yläpuolella olevista havainnoista keskimäärin 6–13 cm korkeammalla ja salaojavalunta oli 10 % pienempi. Ero ei näyttäisi olevan merkittävä 1,5 vuoden mittausten perusteella, sillä pohjavedenpinnan syvyyksissä esiintyi eroja myös samalla konetyypillä ojitettujen koealueiden välillä. Rehuohrasato vuonna 2016 vaihteli alueellisesti Sievin koekentällä 3500–5300 kg ha-1 välillä. Sato oli keskimäärin salaojan kohdalla 6 % suurempi kuin 7,5 m etäisyydellä salaojasta. Erityyppisten salaojakoneiden ojitukset eivät aiheuttaneet eroja sadoissa tai pellon viljeltävyydessä.

Esille kaivetut kaivannot eri pelloilla (30 peltoa) antoivat viitteitä siitä, että juoksevilla ja huonosti läpäisevillä mailla salaojakaivannon vedenläpäisevyys on huono, mikäli kaivan­toa ei ole täytetty läpäisevällä materiaalilla. Tämä korostuu erityisesti aurakoneella, jolla salaojakaivantoa ei kaiveta auki eikä huonosti läpäisevää maata poisteta kaivannosta. Sala­ojakaivannon täyttö läpäisevällä materiaalilla on koneen varustuksesta riippuen mahdollista molemmilla menetelmillä. Ojitus märässä maassa saattaa aiheuttaa maan tiivistymistä sekä vaikeuttaa kaivannon täytön ja putkien asennuksen onnistumista.

Tutkimus osoitti, että salaojakonetyyppiin ja sen varustukseen (mm. ruokamullan pu­dotin) tulee kiinnittää huomiota, sillä se vaikuttaa salaojakaivannon muodostumiseen. Sa­laojakaivannon hyvä vedenläpäisy tulee varmistaa erityisesti ojitettaessa tiiviillä maalla, jossa on kehittymätön rakenne. Työn aikana tulee huolehtia siitä, ettei kaivanto mene heti umpeen erityisesti koheesiottomilla mailla, kuten siltillä, jotka liikkuvat herkästi veden mukana. Märän maan ojittamista tulee välttää.

Salaojien ympärysaineiden (sora, Fibrella-suodatinkangas ja kookoskuitu) toimivuutta selvitettiin kaivamalla esiin yli 10 vuotta sitten tehtyjä ojituksia. Kohteita oli 30 kpl pääosin savi- ja hietamailla. Yli puolet tutkituista esipäällysteistä oli hajonnut lähes kokonaan. Eri­asteisia tukkeumia havaittiin 12 kohteessa, joista suurin osa oli niitä, joissa esipäällyste oli hajonnut. Tukkeutuneet putket sijaitsivat pääosin hienojakoisten maalajien pelloilla, joiden joukossa oli myös savimaita. Näin ollen rakeisuuskäyrien alue, joka kuvaa niitä maalajeja,

joilla salaojien suodatintarve on suuri, tulisi ulottua hienojakoisimmille maille. Orgaanisen nopeasti hajoavan ympärysaineen käyttöä tulee välttää. Ongelmallisilla maalajeilla putken tukkeutumisen estämiseksi tulee selvittää uusien esipäällysteiden, kuten geotekstiilien, soveltuvuutta salaojitukseen.

Mallinnusosahankkeessa kehitettiin ja sovellettiin kolmiulotteista FLUSH-mallia, jolla kuvataan veden virtausta, eroosiota ja aineiden kulkeutumista peltomittakaavassa. Kak­soishuokossysteemiin pohjautuva mallikuvaus mahdollistaa veden virtauksen laskennan erikseen vettä heikosti johtavassa maamatriisissa ja oikovirtausreittejä kuvaavassa makro­huokossysteemissä.

Nummelan koekentällä mallilla tutkittiin erilaisten salaojakaivantojen ja ojavälien vai­kutusta veden virtausreitteihin. Mallilaskelmista saatiin esille maaperän ominaisuuksien (makrohuokoset ja hydrauliset ominaisuudet), ojavälin ja kaivannon vaikutukset pellolla tapahtuvaan valuntaan (salaoja-, pintakerros- ja pohjavesivalunta) ja pohjavedenpinnan syvyyteen. Näistä erityisen tärkeä on pohjavesivalunta, jonka määrittäminen mittaamalla on vaikeaa. Mallilla pystyttiin tuottamaan pohjavedenpinnan todennäköisiä syvyyksiä pel­lon viljelylle kriittisinä aikoina. Simulointien mukaan maan ominaisuuksilla (hydraulinen johtavuus ja makrohuokoston määrä) oli ojitusmenetelmää (kaivanto ja ojaväli) suurempi vaikutus syksyn kokonaisvalunnan jakaantumiseen eri komponentteihin. Pohjavedenpinnan syvyyteen salaojien välissä ojaväli vaikutti enemmän kuin maan ominaisuudet. Simulaatioiden mukaan tiheä (10,8 m) ojaväli aikaistaa kevään peltotöitä (pohjavedenpinnan syvyys > 60 cm maanpinnasta) keskimäärin viidellä vuorokaudella harvaan (32 m) ojitukseen verrattuna. Pohjavesivalunnan osuus sadannasta oli merkittävä, jopa 30 %. Käytännössä mallilaskelmia voidaan hyödyntää salaojituksen kuivatustehokkuuden (ojaväli, ojasyvyys ja kaivannon täyttömateriaali) valinnassa.

Gårdskulla Gårdin kahdella koealueella Siuntiossa määritettiin monivuotisen mittausai­neiston ja FLUSH-mallin avulla veden virtausreitit ja kiintoainetaseet. Mittaus- ja mallinnus­tulosten mukaan salaojavalunnan mukana kulkeutui huomattavasti enemmän kiintoainetta kuin pintakerrosvalunnan mukana sekä tasaiselta (1 %) että kaltevalta (5 %) savipellolta. Laskenta osoitti, että etenkin kaltevalla peltolohkolla kuormitusta voi muodostua myös horisontaalisen pohjavesivalunnan kautta. Tulokset osoittavat, että salaojien kautta tulevan kiintoainekuormituksen vähentämiseen tulee kiinnittää entistä enemmän huomiota.

TOSKA-hankkeen ja sitä edeltäneiden hankkeiden (PVO, PVO2) yhdeksän vuoden intensiivisten mittausten ja eri koealueiden matemaattisen mallinnuksen avulla on lisätty tietoa suomalaisten savipeltojen vesitaloudesta, salaojituksesta, ravinnehuuhtoutumista ja eroosiosta sekä sadoista. Pohjois-Pohjanmaalla Sievin koekentällä tehdyt mittaukset 1,5 vuoden ajalta osoittivat, että eri salaojakonetyypeillä pystytään tekemään yhtä hyvin toimivia ojituksia, kun ne tehdään huolellisesti suositusten mukaan. Kenttäselvitykset 30 peltoalueel­la antoivat monipuolista tietoa salaojien ympärysaineista ja kaivannon merkityksestä sekä päätöksentekoa että käytännön työtä varten.

——————————

Feasible subsurface drainage methods in crop production (TOSKA) research project investigated the effects of drain spacing on field hydrology, nutrient loads and crop yield in the clay soil. In addition, the functionality of the trenchless machines and trenching machines were examined. Also, the performance of the envelope materials was studied. The 3-D FLUSH model, developed at Aalto University, was modified and applied during the project to evaluate the short- and long-term effects of different drainage methods. The project was implemented in 2014-2016 and it was a continuation of the PVO (Field drainage methods and optimizing water management of agricultural fields) and PVO2 research projects.

In the Nummela experimental site, in south-western Finland, the effects of drain spac­ing were investigated in two supplementary drained clayey field plots that were originally subsurface drained in the 1950s. The first of the two plots was supplementary drained (16 m à 8 m) in June 2008. The second plot (drain spacing 32 m) suffered from intermittent wetness and was supplementary drained with drain spacing of 10.7 m at TOSKA project in June 2014. Both installations were made with a trenching machine using gravel as enve­lope material and additional gravel inlets in the trenches. The effects of the supplementary drainage (16 m à 8 m and 32 m à 10.7 m) on the soil moisture conditions were estimated by comparing the drain discharge and groundwater levels of the supplementary drained plots to those of the reference plot (16 m). Measurements were also conducted in the fourth experimental plot, where the old drainage system with 16 m spacing was renewed with a spacing of 6 m in June 2008.

The supplementary drainage clearly increased the drain discharge. Halving the drain spacing (16 m à 8 m) increased the annual drainage on average 1.8 times (range 1.2 to 2.3) compared to the reference area (16 m). Decreasing the drain spacing to one third (32 m à 10.7 m) increased the drain discharge on average by 1.4 times (range 1.2 to 1.5) compared to the area of 16 m spacing. The proportion of the total runoff (drain discharge + tillage layer runoff) from the rainfall increased compared to the pre-drainage conditions in both areas, 1.1 times (8 m drain space) and 1.4 -times (10.7 m drain space). According to the model simulations, the proportion of the groundwater outflow from the total water balance was 29% (spacing 32 m) and 24% (spacing 10.7 m), which demonstrated that the increase in the observed total runoff due to the improved drainage was likely caused by the decreased amount of groundwater outflow. Groundwater level measurements showed that the supplementary drainage (32 m à 10.7 m) decreased the soil moisture of the area that suffered from wet conditions, so that spring cultivation could begin on average about one week earlier than in the 16 m spacing area.

A significant part of the nutrient and sediment loads from the experimental plots into the main ditch was transported via subsurface drains before and after the supplementary drainage. The subsurface drains accounted for 75-90% with the 6, 8, 10.7 and 16 m drain spacings, and 50-60% with the 32 m drain spacing of the measured annual (drain discharge + tillage layer runoff) nutrient and sediment loads. The increased drain discharge due to the supplementary drainage increased the loading. Compared to the reference plot (16 m), the annual loads increased from 1.1 to 2.6-fold. The supplementary drainage influenced only little in the nutrient and sediment concentrations in the runoff waters. With the exception of the short-term (1-2 year) increase in the total nitrogen concentration, the supplementary drainage did not increase the concentrations in the drain discharge.

The crop yields of the Nummela experimental plots were relatively low. The low yield was probably due to the poor fertility, especially in the plot with sparse (32 m) drain spacing. Decreasing the drain spacing did not reflect in the quantity or quality of the crop yield, when the sowing date was the same for all the plots. This suggests that regarding crop yields, the main short-term benefit of improved drainage is the possibility of earlier sowing due to the improved soil moisture conditions. On average, the crop yields were slightly better at the subsurface drain locations than between them.

The results of the Nummela experimental site show that the existing drainage status and other factors affecting productivity need to be carefully examined before making the decision on drainage improvements in areas with poor crop yield. Based on the measurement results, the 10-14 m drain spacing of the current recommendations for clay soils is appropriate. A too dense drain spacing should be avoided as it increases costs and may result in higher nutrient and sediment loads with the increased drain discharge. If the soil fertility is poor, measures should also be taken to improve it, as the improvement of the drainage system alone does not inevitably increase the crop yield. Drainage affects slowly on the clay soil structure, so other measures, such as deep-rooted plants in plant rotation, are needed to improve the soil structure. There is a need to develop measures to reduce the loading through the subsurface drains into surface water bodies.

The subsurface drainage of the Sievi experimental site (loam or sandy loam soil) in north-western Finland was carried out with a trenching machine and a trenchless ma­chine. There were four experimental plots for each drainage machine type. The field was originally drained with open ditches. The width, depth and the filling material of the ex­cavations were similar for the both methods. The drain spacing was 15 m and the average drain depth 1 m. According to the results of the 1.5 year-long measurement campaign, the drainage with the trenching machine dried the soil slightly more efficiently than the drainage with the trenchless machine. In the plots drained with the trenchless machine, the level of the groundwater table was on average 6-13 cm higher, and the drain discharge was 10% lower. The difference does not seem to be notable, as there was also variation in the groundwater table level between the replicate (same machine) plots. The feed barley yield in 2016 varied spatially in the Sievi experimental site between 3 500 and 5 300 kg ha-1. On average, the crop yield at the subsurface drain locations was 6% higher than at the 7.5 m distance from the drain. The drainage with the different types of machines did not result in systematic differences in crop yields or in field cultivation.

The functionality of drain trenches were also examined in 30 fields, mainly in clay and sandy loam soils, situated in different parts of Finland. The open excavated trenches gave indication that in poorly permeable soils the water conductivity of the excavation trench is poor if it is not filled with permeable material, e.g. a humus rich top soil or gravel. This is particularly emphasized with drainage systems installed using a trenchless machine that does neither excavate the drain trench open nor remove the poorly permeable soil. Depend­ing on the equipment of the machine, the filling of the excavation with permeable material is possible by both methods. Execution of subsurface drainage in a wet soil can cause soil compaction and make it difficult to install drains and fill the excavation in a proper way.

The study showed that the drainage machine type and its equipment should be carefully selected as they affect the formation of the excavation. The good permeability of the exca­vation should be ensured especially when draining a compacted soil with an undeveloped structure. During the drainage installation, care must be taken to ensure that the excavation is not filled immediately, especially on non-cohesive soils, such as silt that moves easily with water. Drainage installation under wet soil conditions should be avoided.

The functionality of different envelopes (gravel, Fibrella – filter fabric and coconut fiber) were investigated by digging up more than 10 years old subsurface drains. The investigations were carried out in the above mentioned 30 fields. More than half of the studied precoat­ings had almost completely decomposed. In total 12 clogging cases of different level were detected, most of in which the precoating had decomposed. The clogged pipes were mainly found on fine-grained soils, including clay soils. Consequently, the area of the particle size distribution curve describing those soil types where the subsurface drains need a good filter performance should extend to the fine-grained soils. The use of organic, rapidly degradable envelope materials should be avoided. In the case of problematic soils, to prevent drain clogging, the applicability of new precoatings, such as geotextiles, should be investigated.

In the modelling part of the project three-dimensional (3-D) FLUSH model was modi­fied and applied to describe water flow, erosion, and solute transport in a field and drain spacing scale. The dual-permeability model description allows the calculation of water flow separately in the low-conductive soil matrix and in the macropore system describing the preferential flow paths.

The FLUSH model with the measurement data from the Nummela experimental site was applied to investigate the effect of various drain excavations and drain spacing on water flow paths. The model simulations revealed the effects of the soil properties (macropores and hydraulic properties), drain spacing and excavation on runoff (drain discharge, surface layer runoff and groundwater outflow) and groundwater table levels. Of particular importance is the groundwater outflow, which is difficult to measure. The model was able to produce probable groundwater table levels at time periods critical for field cultivation. According to the simulations, the soil properties (hydraulic conductivity and the amount of macropores) have a greater effect on the distribution of the runoff components in autumn than the drainage method (excavation and drain spacing). Between the drains the depth of the groundwater table was more affected by the drain spacing than the soil properties. According to the simulations, the dense drain spacing (10.7 m) allows earlier sowing time (the groundwater table depth > 60 cm below the soil surface) with an average of five days compared with sparse drainage (32 m). The share of the groundwater outflow from the precipitation was significant, up to 30%. In practice, model simulations can be used in selecting the drainage efficiency (drain spacing, drain depth and filling material of excavations).

In two field plots of the Gårdskulla Gård experimental site in southern Finland, water flow paths and sediment balance were determined using several years of measurement data and the FLUSH model. According to the results, much more load was transmitted through the subsurface drains than through the tillage layer in both gentle (1%) and steeper (5%) clay fields. The calculations showed that, especially in the steeper field section, sediment may also be transported by the lateral groundwater flow. The results show that more atten­tion needs to be paid to reducing the load through subsurface drains.

The nine years of intensive measurements and the mathematical modelling of the vari­ous experimental plots of the TOSKA project and the previous projects (PVO, PVO2) have provided new knowledge on the water management, subsurface drainage, nutrient transport, erosion and crop yield of cultivated Finnish clay fields. The measurements in north-western Finland, at the Sievi esperimental site for 1.5 years showed that drains installed with both trenchless and trenching method can function well when done according to the recommen­dations. The field surveys in 30 field areas provided versatile knowledge on the subsurface drains envelope materials and the significance of excavation for both decision-making and practical work.

Keywords: subsurface drainage, drain spacing, nutrient load, drainage machines, envelope material, crop yield, mathematical modelling, sediment balance