Salaojitustekniikat ja pellon vesitalouden optimointi, Loppuraportti 2014

Salaojitustekniikat ja pellon vesitalouden optimointi (PVO ja PVO2) -hankkeissa tutkittiin salaojan ympärysaineen ja ojavälin vaikutuksia pellon kuivatustilaan, satoon, ravinnehuuhtoumiin ja maan ominaisuuksiin. Ensimmäisen vaiheen loppuraportti julkaistiin vuonna 2010. Toinen vaihe (PVO2) käsitti vuodet 2011–2013 ja koostui kokeellisesta tutkimuksesta ja matemaattisesta mallintamisesta. Hankkeessa jatkettiin PVO-hankkeessa perustettujen koekenttien ja tilakohteiden seurantaa sekä ympärysaineen tutkimista.
Nummelan koekentällä Jokioisissa tutkittiin kahden alun perin 16 metrin ojavälin alueen uusinta- ja täydennysojitusta. Uusintaojitetun alueen (ohut suodatinkangas ympärysaineena, aurasalaojakone) ojaväliksi tuli kuusi metriä ja perinteisesti täydennysojitetun alueen (ympärysaineena sora, kaivava salaojakone) kahdeksan metriä. Uusintaojitettu alue syväkuohkeutettiin noin puolentoista vuoden kuluttua ojituksesta. Vertailualueina käytettiin jo aikaisemmin 16 metrin ja 32 metrin ojaväleillä ojitettuja alueita. Gårdskulla Gårdin tutkimusalue Siuntiossa käsitti kaksi kaltevuudeltaan erilaista peltolohkoa, jotka oli salaojitettu 1940-luvulla. Nummelan ja Gårdskulla Gårdin koekentillä mitattiin pinta- ja salaojavaluntaa sekä valumavesien pitoisuuksia. Mittausten perusteella laskettiin peltoalueilta tulevia pitkän ajan kiintoaine- ja ravinnekuormituksia. Lisäksi Nummelan koekentälle laskettiin sekä vuotuinen typpitase että kasvukauden ja sen ulkopuolisen ajan typpitaseet. Nummelan koekentällä mitattiin myös sadon määrää ja laatua sekä ojituksen vaikutuksia maan rakenteeseen. MTT:n koekentällä Sotkamossa tutkittiin jankkuroinnin merkitystä salaojituksen tehostajana viljan- ja nurmenviljelyssä.
Hankkeessa oli mukana yhdeksän yksityisillä tiloilla sijaitsevaa peltolohkoa, jotka on ojitettu käyttämällä tavanomaisesta poikkeavaa salaojitusmenetelmää. Tutkimuslohkoilla seurattiin ojituksen vaikutusta maan rakenteeseen ja kerättiin viljelijöiden kokemuksia menetelmistä.
Eri esipäällysteiden soveltuvuutta salaojituksen ympärysaineeksi selvitettiin kaivamalla esille noin kymmenen vuotta vanhoja ohuella suodatinkankaalla tai kookoskuidulla tehtyjä ojituksia, joissa oli esiintynyt märkyysongelmia. Tutkittavat kohteet olivat savi- tai hietamailla. Maaperää tutkimalla selvitettiin onko maalajilla ja esipäällysteen hajoamisella yhteyttä putken liettymiseen. Kirjallisuuden mukaan toimivan salaojituksen edellytys on, että ympärysaineen paksuus ja huokosjakauma noudattavat tiettyjä kriteerejä suhteessa ympäröivään maahan. Lisäksi hyödynnettiin Nummelan koekentän, tilakohtaisten seurantakohteiden sekä mallintamisella tuotettuja aineistoja.
Koekenttien aineistojen mallisovellukset perustuivat numeerisen FLUSH-laskentamallin käyttöön. Mallin avulla voidaan tarkastella salaojitettujen savipeltojen vesitasetta, eroosiota sekä typen liikkeitä kolmiulotteisesti. Mallilla selvitettiin salaojitusmenetelmien vaikutusta kasvukaudella Nummelan pellon vesitaseeseen. Mallia sovellettiin myös Gårdskulla Gårdin pellon aineistoon laskemalla kaltevuuden vaikutusta vesitaseeseen ja kiintoainekuormaan.
Molemmat Nummelassa tutkitut ojitusmenetelmät tehostivat alueiden kuivatusta, mikä näkyi vertailualueita alempana pohjavedenpinnan syvyytenä ja pienempänä muokkauskerroksen kosteutena. Salaojituksen tehostaminen ei vielä runsaan viiden vuoden aikana merkittävästi vaikuttanut maan rakenteeseen. Sotkamon koekentällä jankkuroinnin ei havaittu aiheuttavan merkitseviä eroja nurmi- tai viljasatojen määrään.
Nummelan koekentällä sadon määrässä tai laadussa ei havaittu systemaattisia eroja 6, 8 ja 16 metrin ojavälien välillä. Sato oli keskimäärin pienin 32 metrin ojavälillä. Yhtenäisten koeolosuhteiden varmistamiseksi kaikki koealueet oli kylvetty samaan aikaan märimmänkin lohkon kuivuttua. Käytännön viljelyssä lohkoille mennään kuitenkin niiden kuivumisen kannalta optimaaliseen aikaan, jolloin ojitustavan tai ojavälin vaikutus satotasoon tulee mahdollisesti selvemmin esille. Eri ojitusmenetelmien vaikutuksista ravinne- ja kiintoainehuuhtoutumiin ei saatu yksikäsitteisiä tuloksia. Uusinta- ja täydennysojitus lisäsivät typen huuhtoutumista heti ojituksen jälkeisinä vuosina erityisesti aurasalaojakoneella tehdyssä ojituksessa.
Ravinne- ja kiintoainekuormat savipelloilla vaihtelivat huomattavan paljon eri vuosien välillä. Vuotuiset kokonaisfosforikuormat salaojista Nummelan ja Gårdskullan Gårdin tutkimusalueilla vaihtelivat välillä 0,1–3,9 kg ha-1, kokonaistyppikuormat välillä 1–29 kg ha-1 ja kiintoainekuormat välillä 170–2 400 kg ha-1. Valtaosa Nummelan ja Gårdskulla Gårdin tutkimuslohkojen huuhtoutumista tuli runsaan salaojavalunnan mukana kasvukauden ulkopuolisena aikana. Huomionarvoista on, että myös kaltevalla pellolla (kaltevuus 5 %) salaojavalunta sekä sen mukana tulleet ravinne- ja kiintoainehuuhtoutumat olivat suuret. Maatalouden vesiensuojelussa tulisikin kiinnittää enemmän huomiota peltoalueilla tehtäviin toimenpiteisiin, joilla voidaan vähentää sekä pinta- että salaojavalunnan pitoisuuksia. Mallintamistulosten perusteella pohjavesivalunta savisilla peltoalueilla oli merkittävää, mikä tulisi ottaa huomioon vesitasetta ja kokonaiskuormitusta arvioitaessa.
Koealueiden mittaukset osoittivat, että muokkauskerroksen fosforiluvut alenivat pikku hiljaa fosforilannoituksen lopettamisen myötä, mutta se ei näkynyt valumavesien fosforipitoisuuksissa. Tämä saattaa johtua alhaisista fosforiluvuista ja viljelysuunnan muuttamisesta. Typpitaselaskelmista ilmeni, että peltoon tulleesta typpimäärästä valumavesien mukana huuhtoutuvan kokonaistypen osuus oli keskimäärin noin 10 % ja sadon ottama typpimäärä vaihteli välillä 35–90 %.
Tilakohtaisilla seurantakohteilla, joissa salaojitus tehtiin perinteisestä ojituksesta poikkeavilla menetelmillä, lisäojitukset paransivat haastattelujen perusteella maan kuivatustilaa. Kaikki käytetyt ojitustekniikat olivat toimineet hyvin kuuden vuoden tutkimusajanjakson ajan. Maan rakenteessa oli yleensä havaittavissa pientä parannusta.
Tutkimusosio, jossa kaivettiin esille vanhoja salaojituksia (5–32 vuotta) osoitti, että pääosin orgaaninen suodatinkangas ja kookoskuitu olivat osittain tai kokonaan hajonneet. Kun esipäällyste oli hajonnut liettymiä esiintyi hyvää suodatinominaisuutta vaativilla mailla suurimmassa osassa tutkimuskohteita. Maa-ainesta oli kertynyt putkeen myös kohteissa, joissa hyvää suodatinominaisuutta omaavaa ympärysainetta ei teorian mukaan korkean savespitoisuuden takia tarvittaisi. Liettymistä ei esiintynyt esille kaivetuissa salaojaputkissa karkeilla mailla, vaikka esipäällyste oli hajonnut. Orgaanisten esipäällysteiden käyttöä tulisi välttää maassa, jossa olosuhteet aiheuttavat orgaanisten aineiden hajoamista ja joka on herkkä liettymiselle. Tutkimuksessa saatujen tulosten perusteella valtionneuvoston asetuksessa (VNA 978/2010) salaojituksen tukemisesta esitettyjä laatuvaatimuksia ei ole syytä muuttaa.
Tutkimus osoitti, että toimiva salaojitus on mahdollista toteuttaa usealla eri tavalla. Ojaväli, ojasyvyys, ympärysaineen laatu ja paksuus, toteutusajankohta sekä ojituksessa käytetty konetyyppi vaikuttavat pellon vesitaseen komponentteihin, veden ja ravinteiden kulkeutumisreitteihin maaperässä ja sitä kautta kuivatustilaan ja ravinnehuuhtoutumiin. Ojitustekniikoiden valintoihin vaikuttavat monet tekijät, kuten paikalliset olosuhteet, soran hintataso ja konetyyppien tarjonta sekä muut ojituksen kannattavuuteen vaikuttavat tekijät.
Peltomittakaavan kokeet ovat välttämättömiä salaojitusmenetelmien tutkimuksessa. Koealueiden epähomogeenisuus, kuten vaihtelut maan ominaisuuksissa, topografiassa yms. aiheuttavat epävarmuutta tulosten tulkinnassa. Pitkät havaintosarjat ennen ja jälkeen toimenpiteiden toteuttamista parantavat tulosten luotettavuutta. Kolmiulotteisella matemaattisella mallilla voidaan tutkia peltoalueen hydrologiaa, analysoida mittausaineistoja ja arvioida eri ojitusmenetelmien vaikutuksia laskennallisesti.

——-

The effect of envelope material and drain spacing on field drainage, crop yield, nutrient transport and soil structure was studied in the Field drainage methods and optimizing water management of agricultural fields (PVO) project. The final report of PVO was published in 2010. The second phase (PVO2) included the years 2011–2013 and consisted of both experimental research and mathematical modeling. In the project, monitoring of the three experimental field sites, evaluation of on-farm field drainage systems and research on different envelope materials were continued.
In Nummela experimental site, in south-western Finland, drainage methods were studied in two heavy clay field areas with an original drain spacing of 16 m. New drains were installed (using a plow and a thin textile envelope) with a drain spacing of 6 m in one of the areas. In another area the drain spacing was decreased to 8 m by adding new drains (using a trencher and gravel as envelope material) between the old drain lines. Two field sections with drain spacings of 16 m and 32 m were used as reference plots. Gårdskulla Gård experimental site, in southern Finland, consisted of two field sections with slopes of 1 and 5%. The fields were silty clay and subsurface drained in 1940s. Depth of groundwater table, drainflow and tillage layer runoff and concentrations of nutrients and suspended solids in runoff waters were measured from each field section in both experimental sites. In Nummela, soil moisture (0–30 cm layer), crop yield and quality were also measured, and physical, hydraulic and chemical soil properties were determined in autumn 2006 and again in autumn 2013. The effects of subsoiling on drainflow and grain crop and grass cultivation were investigated in the Sotkamo field site, in northern Finland.
Suitability of different prewrapped envelope materials to drainage of clay and sandy soils were examined with field investigations. Organic coconut prewrapping and thin fabric sheet were studied by excavating 5–32 year old subsurface drains in different parts of Finland. The effect of soil texture and decay of prewrapped envelope material on the siltation of the drains was also studied.
Water balances of the Nummela and Gårdskulla Gård field sections were studied with applications of the three dimensional (3D) mathematical model FLUSH. The model describes hydrological processes in macroporous clayey soil and simulates the water balance components of the field. The model also includes erosion and solute transport submodels. The model simulations were used to estimate the quantity of tillage layer runoff, evapotranspiration, drain discharge and groundwater outflow under different field and hydro-meteorological conditions. Nitrogen reactions and leaching after harvest in autumn were also studied with the model. Annual and seasonal nitrogen balances were calculated for the Nummela site using the data.
Both drainage methods increased the effectiveness of drainage as the groundwater table levels and the soil moistures in the tillage layer were lower than in the reference areas of the Nummela site. Nitrogen leaching increased from both areas especially in the first year following the improved drainage. The renewed drainage had no clear effect on soil structure during the first six years. Also, there were no systematic differences in the crop yield between the 6, 8 and 16 m drain spacings. On average the crop yield and quality were lower in the area with 32 m drain spacing. Subsoiling did not have a clear effect on the crop yield, but during the autumn the water table levels in the subsoiled field remained slightly lower than in the non-subsoiled field.
The nutrient and suspended solid loads from the clayey fields varied considerably between the different years. Major part of the loads from Nummela and Gårdskulla Gård fields were observed during the high drain discharge and surface runoff events outside the growing season. The annual loading came primarily from the tile drains. In the subsurface drainflow, the annual load of total P varied from 0.1 to 3.9 kg
ha-1, total N from 1 to 29 kg ha-1, and suspended solids from 170 to 2 400 kg ha-1. It should be noted that the drain discharge and the associated nutrient and suspended solid loads were also high from the field with a relatively steep slope (5%). Water pollution control measures from field cultivation needs more attention on reduction of concentrations both in tillage layer runoff and drainflow.
According to the modeling results the groundwater outflow from the clayey fields was substantial. This should be considered in the estimation of the total loads to surface water bodies. The model simulations also showed that topography of a field section and its surroundings had a remarkable effect on groundwater flow and drainflow generation, which should be taken into account in drainage design.
No clear connection between the amount of soil soluble phosphate phosphorus in the tillage layer and the PO4-P concentration in the tillage layer runoff and drain discharge was observed in the Nummela and Gårdskulla Gård field sites. The soil phosphorus concentrations were slowly decreasing after the mineral P fertilization was stopped in all the fields. However, no reduction of phosphate phosphorus concentration was observed in the tillage layer runoff or drain discharge. The possiblechange was partly imbedded by change from grain crop production to pasture.
The textile envelope material and coconut fibre had mostly decayed in the study sites situated in different parts of Finland. When the envelope around the drain pipe had decayed, silting was observed in most of the studied soils, which required an envelope material with good filtration properties. However, silting was also found in the pipes located in the soils with high clay content, which according to the theory should not require envelope material with good filtration properties. Use of organic envelope materials should be avoided in soils where organic materials are in risk of decaying and drainage pipes are susceptible to silting.
The study showed that there are many different ways to achieve effective subsurface drainage. The drain spacing, drain depth, quality and thickness of the envelope material, the timing of subsurface drainage and the type of installation machine affect the water balance components and flow paths in the soil and thus also the drainage conditions and nutrient transport.
Field scale studies are necessary in the research of subsurface drainage methods. The non-homogeneity of experimental areas, e.g. the differences in soil properties and field topography, causes uncertainties in the interpretation of the measurement results. However, long -term data before and after operations will increase the reliability of the field-scale results. 3D mathematical models can be used to study field hydrology, to analyze the measured data and to estimate the effects of subsurface drainage methods computationally.

Key words: subsurface drainage, drain spacing, envelope material, nutrient transport, crop yield, mathematical modeling