Improving hydraulic property information on Finnish agricultural soils by using pedotransfer functions and nationwide monitoring data

Maaperän hydrauliset ominaisuudet ovat tärkeitä tietoja kestävässä maatalouden ja ympäristön hallinnassa. Nämä ominaisuudet säätelevät esimerkiksi maaperän kosteustasapainoa vaikuttaen kasvien kasvunopeuteen, ravinteiden saatavuuteen, eroosioon ja haitta-aineiden huuhtoutumiseen. Tietoa suomalaisten peltomaiden hydraulisista ominaisuuksista on niukasti, ja niiden mittaaminen on kallista ja työlästä. Tutkimuksen yhtenä tavoitteena oli kehittää sovellettavaa, edustavaa ja helposti saatavilla olevaa tietoa Suomen maatalousmaiden hydraulisista ominaisuuksista, paikaten aiemmissa tutkimuksissa havaittuja puutteita. Tämä tehtiin hyödyntäen pedotransferfunktioita (PTF), jotka ennustavat hydraulisia ominaisuuksia helposti mitattavissa olevien maaperän ominaisuuksien perusteella. Toisena tavoitteena oli arvioida näiden PTF:ien käyttöön liittyvää epävarmuutta Suomen maaperässä.

Eurooppalaisille maille on kehitetty kattavia PTF:iä, mutta niitä ei ole kalibroitu tai validoitu suomalaista aineistoa vasten. Työssä arvioitiin näiden PTF:ien soveltuvuutta suomalaisille peltomaille käyttäen aiemmista tutkimushankkeista koottuja hydraulisten ominaisuuksien mittauksia. Arvioidut PTF:t ovat regressiomalleja, jotka ennustavat kyllästyneen maan hydraulista johtavuutta (Ksat; PTF17) ja van Genuchtenin mallin parametreja vedenpidätyskyvyn kuvaamiseksi (PTF21 ja PTF22). PTF:ien syötteitä ovat savi-, siltti-, hiekka- ja orgaanisen hiilen pitoisuus, tilavuuspaino, pH ja kationinvaihtokapasiteetti. Arvioitujen PTF:ien ja valtakunnallisesta peltomaiden seurantaohjelmasta (Valse) saadun kattavan perusominaisuusaineiston kanssa muodostetiin ennusteet Suomen peltomaiden hydraulisista ominaisuuksista maalajeittain.

PTF21:n ja PTF22:n arvioinnin tulokset osoittivat, että niiden suorituskyky suomalaisilla mailla oli kohtalainen. RMSE-arvot kasvoivat mutta olivat samaa luokaa aiemmin julkaistujen PTF:ien kanssa. Näin ollen PTF21:tä ja PTF22:ta voidaan jatkossa käyttää vedenpidätyskyvyn arviointiin, ottaen huomioon näihin liittyvät epävarmuudet. Jos kaikkia tarvittavia syötetietoja ei ole saatavilla, voi vedenpidätyskyvyn vaihteluvälin arviointiin käyttää työssä tuotettuja maalajikohtaisia ennusteita. Ksat-arvoja ennustava PTF17 toimi huonosti, sillä mittaustulokset olivat huomattavasti suurempia kuin ennustetut arvot. Näin ollen ainoa Ksat:ia koskeva tieto tulevia sovelluksia varten on tässä tutkimuksessa kootut mittausaineistot. Mitattuja arvoja on kuitenkin käytettävä varauksella, sillä ne olivat korkeampia kuin kirjallisuudessa ilmoitetut arvot. PTF:ien suorituskykyä voitaisiin parantaa sovittamalla niitä suomalaiseen aineistoon, mutta tämä vaatisi lisää mittauksia erityisesti karkeilta mailta. Ksat:in tapauksessa luotettaviin ennusteisiin tarvittaisiin tietoa maaperän rakenteesta.

———————————————————-

Soil hydraulic properties are crucial information for sustainable agricultural and environmental management, as they regulate processes such as soil-water balance, plant growth, nutrient availability, erosion, and contaminant leaching. Data on these properties of Finnish arable soils is scarce and measuring them is costly and laborious. The first objective of this study was to develop more widely applicable, representative, and accessible information on the hydraulic properties of Finnish agricultural soils, addressing the recognised gaps and need for improved soil monitoring. This was conducted by adapting pedotransfer functions (PTFs) that predict hydraulic properties based on easily measurable soil properties. The second objective was to assess the uncertainty of these PTFs in predicting hydraulic properties for Finnish soils.

Comprehensive PTFs for European soils are available, but they have not been calibrated or validated using Finnish data. This study evaluated the suitability of these existing PTFs for Finnish soils, using hydraulic property data collected from previous research projects. The evaluated PTFs are regression models that predict saturated hydraulic conductivity (Ksat; PTF17) and parameters of van Genuchten model to describe water retention capacity (PTF21 and PTF22). Input variables of PTFs include clay, silt, sand, and organic carbon content, bulk density, pH, and cation exchange capacity. The evaluated PTFs were used together with a comprehensive set of basic soil property data from a nationwide monitoring program (Valse) to form look-up tables of hydraulic properties of Finnish arable soils by texture class.

The results of the evaluation of PTF21 and PTF22 indicated that their performance on Finnish soils was moderate. Root mean square errors (RMSE) increased, but remained within the range of previously published PTFs. Thus, in the future, PTF21 and PTF22 can be used to estimate water retention, taking into account the related uncertainties. If all required input variables are not available, can the range of water retention capacity be estimated using the texture class look-up tables produced in this study. PTF17 predicting Ksat performed poorly, as the measurements were significantly higher than the predicted values. Thus, the only information on Ksat for future applications is the data collected in this study. However, the measured values should be used with caution, as they were higher than those reported in the literature. The performance of PTFs could be improved by fitting them to Finnish data, but this would require more measurements especially from coarse soils. In the case of Ksat, information on the structure of the soil would be necessary for reliable predictions.