Peltomaahan asennetut jatkuvatoimiset kosteusanturit antavat arvokasta tietoa pellon vesitaloudesta

Pellon vesitalous on ensiarvoisen tärkeää jokaiselle hyvää satoa tavoittelevalle viljelijälle. Sillä on myös oleellinen merkitys vesistöjen suojelussa. Onneksi veden liikkumista maassa voidaan mallintaa hyvinkin yksinkertaisilla malleilla, jotka tarkastelevat maan vesipitoisuuden muutoksia ajan kuluessa (Shah, Ross, ja Trout 2012). STN MULTA-hankkeessa pohdimme parhaillaan keinoja analysoida ja hyödyntää pelloille asennettujen kosteusantureiden mittaustuloksia.

Jatkuvatoimisten maaperäantureiden viljelykäyttö on yleistynyt viime vuosien aikana. Antureilla voidaan mitata mm. maaperän kosteutta ja lämpötilaa, ja kerättyä tietoa voidaan hyödyntää kylvön, niiton ja muokkauksen suunnittelussa. Antureiden avulla nähdään, miten maan kosteus muuttuu pellolla ajan myötä. Muutokset kertovat maan rakenteesta ja kasvien kasvusta, mutta tulosten tulkinnassa tarvitaan aluksi ripaus teoriaa.

Jotta maan vesipitoisuus voi muuttua, vettä on joko tultava mittauspisteeseen tai poistuttava siitä. Yksinkertaistaen voidaan ajatella, että muutokset ovat seurausta joko veden liikkumisesta horisontaalisesti ja syvyyssuunnassa maassa (virtaama) tai kasvien vedenotosta eli haihduttamisesta. Veden virtaama maassa voidaan määrittää maan vesipitoisuuden muutoksista yön pimeinä tunteina, jolloin kasvien haihduttamisen voidaan olettaa olevan merkityksetöntä. Kun virtaama oletetaan vuorokausitasolla vakioksi, samasta datasta voidaan laskea myös kasvien haihduttaman veden määrä. Kasvien haihdutus (evapotranspiraatio) on tärkeä mittari sille, kuinka voimakkaasti kasvit kasvavat. Sen avulla voidaan seurata, mikä on maan kasvukunto ja missä vaiheessa esimerkiksi kuivuus alkaa haitata haihdutusta. Sade kuitenkin muuttaa yksinkertaista vesitasetta.

Sateella maan vesivarastot täyttyvät ja vesipitoisuus kasvaa. Jos vettä tulee riittävästi, maa voi kyllästyä vedellä, jolloin kaikki sen huokoset täyttyvät. Sateen laantuessa ja pohjaveden pinnan niin salliessa osa vedestä valuu pois painovoiman vaikutuksesta ja vain tiukemmin sitoutunut vesi säilyy huokosissa. Tätä maan vesipitoisuutta kutsutaan kenttäkapasiteetiksi. Kenttäkapasiteetin vesi on kasvien hyödynnettävissä, aivan kaikkein tiukimmin maahan sitoutunutta vettä lukuun ottamatta (ts. hyötyvesikapasiteetti, available water holding capacity). Maan kyky pidättää itseensä vettä on siis kasvien sekä maaperäeliöiden ja mikrobien kannalta elintärkeä ominaisuus. Samanaikaisesti on kuitenkin turvattava myös juurten ja eliöiden hapensaanti. Siksi maan kasvukunnon kannalta on olennaista, että osa vedestä poistuu maasta ja ilmahuokoset mahdollistavat sujuvan kaasujenvaihdon. Maan taipumukseen pidättää itseensä vettä vaikuttavat useat tekijät kuten maan lajitekoostumus ja rakenne sekä orgaanisen aineksen määrä. Jos maan irtotiheys tunnetaan, antureiden avulla lasketusta vedenpidätyskyvystä voidaan arvioida myös maan ilmahuokosten määrä (Ilmahuokoset = kokonaishuokoisuus – vesihuokoset).

Mutta se teoriasta. Miten näitä tietoja voidaan soveltaa ja mittaustuloksia hyödyntää käytännössä? Maan kenttäkapasiteetti saadaan määritettyä tarkastelemalla maan vesipitoisuuden muutoksia runsaan sateen jälkeen. Maan vesipitoisuuden ollessa sateen jälkeen suurempi kuin maan kenttäkapasiteetti, vesipitoisuus pienenee öisin veden valuessa kohti maan syvempiä kerroksia. Virtaama vähenee selvästi maan saavuttaessa kenttäkapasiteetin, mikä näkyy muutoksena maan vesipitoisuuden vuorokaudenaikaisvaihtelussa. Kun vesipitoisuus laskee alle kenttäkapasiteetin, maan vesipitoisuus voi öisin jopa kasvaa kapillaarisen vedennousun vaikutuksesta (Ks. kuvaajat). Tämä johtuu kuivuvan maan huokosten aiheuttamasta imusta, jonka seurauksena vesi voi liikkua myös painovoimaa vastaan.

Etenkin maan lajitekoostumus, rakenne sekä vallitseva kasvillisuus vaikuttavat siihen, miten vesi liikkuu maassa. Hiekkaisilla pohjavesialueilla kapillaarista veden nousua ei juuri havaita, koska maassa ei ole riittävän pieniä huokosia alipaineen synnyttämiseksi. Siten lajitekoostumukseltaan erilaisten peltojen vesipitoisuuksista piirretyt käyrät ja varsinkin niiden vuorokaudenaikaisvaihtelut voivat erota toisistaan.

Aloitimme kesän 2020 anturidatan tarkastelun kahdelta kasvillisuudeltaan erilaiselta lohkolta: vilja- ja nurmipellolta. Nurmilohkolla haihdunta näytti vaikuttavan maan vesipitoisuuteen valuntaa enemmän, kun taas keväisellä ja kasvillisuudeltaan niukalla viljapellolla valunta hallitsi pintamaan vesipitoisuuden muutoksia. Runsas kasvipeite, kuten nurmi, voi haihduttaa päivässä huomattavia määriä vettä. Toukokuun lopulla nurmipellon laskennallinen haihdunta oli noin 4,5 mm päivässä ja viljapellolla vastaavasti alle kaksi mm (tulokset alustavia). Voimakkaamman haihdutuksen seurauksena nurmilohkon vesipitoisuus jatkoi tasaista laskuaan vielä kenttäkapasiteetin saavuttamisen jälkeenkin. Tällöin kenttäkapasiteetti ei erotu vesipitoisuuskäyrältä yhtä selvästi, mutta se voidaan kuitenkin edelleen määrittää muutoksista yöllisessä valunnassa.

Seuraamalla maan vesipitoisuutta jatkuvatoimisilla antureilla sekä visualisoimalla tuloksia voidaan arvioida maan vesitaloutta suhteellisen helposti ja pienellä työmäärällä. Esimerkiksi tieto veden kertymisestä maan pintakerroksiin tai toisaalta maan liian nopea kuivatus sateen jälkeen voi auttaa viljelijää tunnistamaan, milloin olisi syytä ryhtyä maan rakennetta parantaviin toimenpiteisiin. Useille syvyyksille asennetut kosteusanturit antaisivat vieläkin tarkempaa tietoa mahdollisista rakenteellisista muutoksista maan eri syvyyksillä. Toisaalta datan avulla voidaan myös arvioida jo tehtyjen toimien vaikuttavuutta. Käsittelemässämme esimerkissä mittaustulokset havainnollistavat erinomaisesti, miten kasvillisuuden laatu ja määrä vaikuttavat maan vesitalouteen. Yhteyttävän kasvibiomassan lisääntyminen esimerkiksi aluskasvillisuuden myötä voidaan siis havaita kosteusdatasta selvästi.

Sekä resurssiviisaan maanviljelyn että vesistöjen suojelun kannalta on järkevää tavoitella veden- ja hapensaannin kannalta optimaalista maaperän tilaa. Kun mahdollisimman suuri osa sadevedestä saadaan kasvien käyttöön, myös valunta ja vesistöjen ravinnehuuhtouma vähenee. Maan orgaanisella aineksella on tässä tärkeä rooli, joten maan kasvukunnon parantaminen on usein myös ilmastoteko. Juuri tällaisten monihyötyisten ratkaisujen etsiminen on STN MULTA -hankkeen keskiössä. Hankkeessa kahdellekymmenelle Carbon Action -hiilitilalle on asennettu yhteensä 80 anturia. Anturit ovat yksi potentiaalinen osa seurantajärjestelmää, jonka avulla myös viljelijät itse voivat seurata hiiliviljelytoimenpiteiden vaikuttavuutta peltotasolla. Tulosten avulla nähdään, miten eri lohkot käyttäytyvät kuivuuden ja rankkasateiden aikana, miten kasvit kasvavat eri lohkoilla ja miten viljelijä voi kehittää kasvien ja maaperän kykyä sopeutua muuttuvaan ilmastoon.

Teksti: Reija Heinonen ja Tuomas Mattila / stn MULTA

Shah, N., M. Ross, ja K. Trout. 2012. ”Using Soil Moisture Data to Estimate Evapotranspiration and Development of a Physically Based Root Water Uptake Model”. Teoksessa: Evapotranspiration: Remote Sensing and Modeling.