Physical properties of a boreal clay soil under differently managed perennial vegetation (Doctoral dissertation)

The physical properties of surface soil horizons, essentially pore size, shape, continuity and affinity for water, regulate water entry into the soil. These properties are prone to changes caused by natural forces and human activity. The hydraulic properties of the surface soil greatly impact the generation of surface runoff and accompanied erosion, the major concern of agricultural water protection. The general target of this thesis was to improve our understanding of the structural and hydraulic properties of boreal clay soils. Physical properties of a clayey surface soil (0 – 10 cm, clay content 51%), with a micaceous/illitic mineralogy subjected to three different management practices of perennial vegetation, were studied. The study sites were vegetated buffer zones located side by side in SW Finland: 1) natural vegetation with no management, 2) harvested once a year, and 3) grazed by cattle. The soil structure, hydraulic properties, shrinkage properties and soil water repellency were determined at all sites. Two distinct flow domains were evident. The surface soil was characterized by subangular blocky, angular blocky and platy aggregates. Hence, large, partially accommodated, irregular elongated pores dominated the macropore domain at all sites. The intra-aggregate pore system was mostly comprised of pores smaller than 30 μm, which are responsible for water storage. Macropores at the grazed site, compacted by hoof pressure, were horizontally oriented and pore connectivity was poorest, which decreased water and air flux compared with other sites. Drying of the soil greatly altered its structure. The decrease in soil volume between wet and dry soil was 7 – 10%, most of which occurred in the moisture range of field conditions. Structural changes, including irreversible collapse of interaggregate pores, began at matric potentials around -6 kPa indicating, instability of soil structure against increasing hydraulic stress. Water saturation and several freezethaw cycles between autumn and spring likely weakened the soil structure. Soil water repellency was observed at all sites at the time of sampling and when soil was dryer than about 40 vol.%. (matric potential < -6 kPa). Therefore, water repellency contributes to water flow over a wide moisture range. Water repellency was also observed in soils with low organic carbon content (< 2%), which suggests that this phenomenon is common in agricultural soils of Finland due to their relatively high organic carbon content. Aggregate-related pedofeatures of dense infillings described as clay intrusions were found at all sites. The formation of these intrusions was attributed to clay dispersion and/or translocation during spring thaw and drying of the suspension in situ. These processes generate very new aggregates whose physical properties are most probably different from those of the bulk soil aggregates. Formation of the clay infillings suggested that prolonged wetness in autumn and spring impairs soil structure due to clay dispersion, while on the other hand it contributes to the pedogenesis of the soil. The results emphasize the dynamic nature of the physical properties of clay soils, essentially driven by their moisture state. In a dry soil, fast preferential flow is favoured by abundant macropores including shrinkage cracks and is further enhanced by water repellency. Increase in soil moisture reduces water repellency, and swelling of accommodated pores lowers the saturated hydraulic conductivity. Moisture- and temperature-related processes significantly alter soil structure over a time span of 1 yr. Thus, the pore characteristics as well as the hydraulic properties of soil are time-dependent.

Maan pintakerroksen fysikaaliset ominaisuudet, kuten huokosten koko, muoto ja jatkuvuus sekä maan vedenhylkivyys, säätelevät veden imeytymistä syvempiin kerroksiin. Nämä luonnonvoiminen ja ihmistoiminnan vaikutuksesta herkästi muuttuvat maan ominaisuudet vaikuttavat pintavirtauksen ja edelleen eroosion syntyyn. Maatalouden vesiensuojelussa eroosion ehkäiseminen on yksi tärkeimmistä tavoitteista. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli parantaa käsitystämme boreaalisen savimaan rakenteellisista ja hydraulisista ominaisuuksista. Tutkimus tehtiin Jokioisten savimaalla (savespitoisuus 51 %) sijaitsevalla koekentällä, jonne oli perustettu eri tavoin hoidettuja monivuotisen kasvillisuuden peittämiä suojavyöhykkeitä: 1) hoitamaton luonnontilainen, 2) vuosittain niitetty ja 3) laidunnettu suojavyöhyke. Keväällä 2005 otetuista maanäytteistä (0-5 ja 5-10 cm) tutkittiin maan rakennetta, hydraulisia ominaisuuksia, kutistumisominaisuuksia ja vedenhylkivyyttä. Pintamaan rakenne muodostui kulmikkaista, hieman pyöristyneistä tai litteistä muruista. Murujen väliin jäi suuria epäsäännöllisiä pitkänomaisia huokosia, joita pitkin vesi liikkuu. Murujen sisällä oli pääasiassa pieniä huokosia (alle 30 μm), jotka varastoivat vettä maahan. Laidunnetulla suojavyöhykkeellä maa oli tiivistynyttä: isot huokoset olivat vaakatason suuntaisia ja huokosten jatkuvuus oli heikoin, minkä seurauksena veden- ja ilmanjohtavuus oli käsittelyistä huonoin. Savimaan kuivuminen vaikutti merkittävästi sen rakenteeseen. Maan tilavuus pieneni 7-10 %, kun kyllästynyt maa kuivattiin täysin. Valtaosa tilavuuden muutoksesta tapahtui kuitenkin jo luonnossa esiintyvissä kosteusolosuhteissa. Rakenteelliset muutokset, mm. huokosrakenteen romahtaminen, alkoivat maan ollessa vielä hyvin kosteaa (matriisipotentiaali -6 kPa), eli heikotkin hydrauliset voimat aiheuttivat pysyviä muutoksia maan rakenteeseen. Kasvukauden ulkopuolinen märkyys sekä jäätyminen ja sulaminen ovat oletettavasti heikentäneet maan rakennetta. Maa oli näytteenottohetkellä vettä hylkivää (R>1,95) kaikilla suojavyöhykkeillä. Vedenhylkivyyttä esiintyi maan vesipitoisuuden ollessa alle 40 % maan tilavuudesta (matriisipotentiaali > -6 kPa), joten vedenhylkivyys vaikuttaa veden liikkeisiin laajalla kosteusalueella. Vedenhylkivyyttä esiintyi myös maan orgaanisen aineen pitoisuuden ollessa alhainen (< 2 %). Koska suomalaisten maiden orgaanisen aineksen pitoisuus on suhteellisen korkea, on vedenhylkivyys oletettavasti yleinen ilmiö maatalousmaissamme. Ohutleikkeiden (paksuus 30 μm) mikromorfologisessa tarkastelussa havaittiin maamatriisista poikkeavia tiheitä saveskeskittymiä. Nämä muodostumat ovat voineet syntyä keväällä dispergoituneen ja/tai kulkeutuneen saveksen kuivuessa vielä syvemmältä routaisen maan pintakerrokseen. Prosessin seurauksena syntyy uusia maamurusia, joiden fysikaaliset ominaisuudet oletettavasti poikkeavat aiempien murujen ominaisuuksista. Murujen synty osoittaa, että kasvukauden ulkopuolinen märkyys heikentää maan rakenteen kestävyyttä (dispersio), mutta toisaalta se synnyttää uusia rakenneyksiköitä. Väitöskirjan tulokset osoittavat savimaan fysikaalisten ominaisuuksien olevan dynaamisia. Kun maa on kuivaa, kutistumisen seurauksena syntyneet halkeamat ja vedenhylkivyys lisäävät veden oikovirtausta. Maan kostuessa vedenhylkivyys vähenee, mutta osa halkeamista sulkeutuu, mikä heikentää hydraulista johtavuutta. Vuotuiset kosteuden ja lämpötilan muutoksiin liittyvät prosessit muuttavat maan fysikaalisia ominaisuuksia merkittävästi. Siten maan huokosrakenne ja hydrauliset ominaisuudet vaihtelevat vuodenajan mukaan.

Avainsanat: savimaa, boreaalinen ilmasto, suojavyöhyke, kutistuminen, vedenhylkivyys, hydrauliset ominaisuudet, ohutleikkeet, mikromorfologia