Institutionen för Markvetenskap 2008-03-04 Avdelningen för hydroteknik Slutrapport för projekt Mark-/växtodling 0333002 Ingrid Wesström, Elisabeth Bölenius & Johan Arvidsson SLU, Institution för markvetenskap, Box 7014, 750 07 Uppsala LÅNGSIKTIGA EFFEKTER AV DRÄNERING PÅ GRÖDANS ETABLERING, SKÖRD OCH MARKBÖRDIGHET Inledning Vattenhalten i marken är en av de mest avgörande faktorerna för en jords packningskänslighet vilket i ett kort perspektiv påverkar möjligheten till en optimal såbäddsberedning och i ett längre perspektiv kan ge bestående negativa strukturförändringar. Möjligheterna till rotutveckling och vattenupptag från alven är en av de viktigaste faktorerna för markens produktionsförmåga. Effekter av förändrade produktionsmetoder återspeglas av, ofta mycket stora, avkastningsvariationer inom ett fält. Lägst avkastning registreras vanligtvis på vändtegen, vilket av allt att döma beror på markpackning (Thylén, 1997). Det finns idag tydliga indikationer på att strukturtillståndet i svenska alvjordar försämrats under de sista 40 åren. I en undersökning 1997 mättes betydligt lägre genomsläpplighet i marken på 10 platser i Skåne och Uppland jämfört med mätningar utförda på 50- och 60-talet (Moberg, 2001). Ett rätt dimensionerat dräneringssystem utgör den viktigaste möjligheten att styra markfuktigheten. Under åren 1947 till 1977 genomfördes ett fältförsöksprogram på ett stort antal platser i Sverige med målsättningen att studera hur dikesavstånd och dikesdjup påverkar skörden. Försöken pågick i genomsnitt under 14 odlingssäsonger, vilket sammanlagt innebär cirka 1800 skördeår (Håkansson, 1961; Eriksson, 1979). Försöksfälten representerade huvudtyperna av svensk åkermark. Utifrån dessa försöksresultat gjordes beräkningar av ekonomiskt optimal dikesintensitet för olika jordarter genom vägning av kostnaderna för dikning mot de vinster som den medför i form av högre skörd, bättre brukbarhet och bärighet. Försöken har legat till grund för rekommendationer vid dimensionering av dräneringssystem. Utvecklingen av produktionsmetoder har varit betydande de senaste årtiondena. Detta har lett till att det idag finns ett behov av översyn av gamla rekommendationer vid dimensionering av dräneringssystem. Dels för att uppfylla de förändrade produktionsmetoders krav på driftsäkerhet och dels beroende på dagens strävan efter en minskad miljöpåverkan.
Syftet med projektet var att studera den långsiktiga effekten av dränering på markstruktur och skörd, och att belysa möjligheterna att med ett lämpligt dimensionerat dräneringssystem kunna förlänga odlingssäsongen och minska packningsskador. Detta gjordes genom att bestämma skörd och markegenskaper i de försök som lades ut på 50- och 60-talet med olika dikesavstånd. Material och metoder Detta projekt avser uppföljning av 3 försök på lerjord med olika dikesavstånd, utlagda i mitten på 50-talet, då klassade i god struktur med hög genomsläpplighet (Berglund et al., 1975). I försöken prövades två dikesavstånd mellan 10 och 32 meter som återkom i två eller tre upprepningar (Håkansson, 1961). De utfördes i form av så kallade bandförsök. Skördedrag gjordes parallellt med täckdikena på olika avstånd från diket. På så sätt kunde olika dikesavstånd simuleras på ett enkelt och billigt sätt. Under uppföljningen har de tre försöken skördats på samma sätt som under tidigare år. Det har även utförts markfysikaliska undersökningar bestående av genomsläpplighetsbestämningar, total porvolym, dränerbar porvolym, torr skrymdensitet samt textur och mullhalt. Försöksplatser Fyra fältförsök lades ut under våren 2004 på Bruntorp i Västergötland, Säby i Östergötland, Edeby i Södermanland samt Krogsta i Uppland. Försöket i Säby fick utgå och inga resultat kommer därmed att redovisas därifrån. En sammanställning av lerhalt och dräneringssystemens utformning på respektive försöksplats redovisas i Tabell 1. Tabell 1. En sammanställning av lerhalt och dräneringssystemens utformning på Bruntorp, Krogsta och Edeby Försöksplats och lägeskoordinater Bruntorp 64 o 69'60"N; 14 o 00'75"O Krogsta 58 o 17'51"N; 12 o 58'55"O Edeby 65 o 92'18"N; 15 o 53'92"O Lerhalt (%) Dräneringssystem Matjord Alv Sort Ålder (År) Djup (cm) Avstånd (m) 26 42 Tegel 47 80 32 52 55 Tegel 58 75 36 61 72 Tegel 60 90 30 För att undersöka sambanden mellan dräneringsavstånd och skörd utfördes bandförsök under åren 2004 till 2006 (Figur 1). Mätdata från fältförsöken har jämförts med mätdata från tidigare utförda försök på samma platser under perioden 1952 till 1976 (Håkansson, 1961). Försöken har bestått av fem behandlingar med olika dräneringsintensitet (olika avstånd från dräneringsledning). Rutor med samma avstånd från dräneringsledningen har blivit behandlade som upprepningar. Rutvisa skörderesultat från de tidigare försöken fanns tillgängliga från 11 till 14 år på de olika platserna (Tabell 2). Dessa skörderesultat har jämförts med skördedata från nuvarande försök utförda under år 2004 till 2006. På så vis kunde indirekt sambandet mellan avståndet från dräneringsledningen och skördeutfallet 2
bestämmas för olika dräneringsavstånd som är mindre än eller lika med det verkliga dräneringsavståndet i fält. Figur 1. Försöksuppläggning av ett bandförsök med sex block (I-VI) och fem avstånd från dräneringsledning (för d 0 = 36 m; 3,6, 7,2, 10,8, 14,4 och 18 m = Behandling A-E). En sammanställning av grödor som har ingått i växtföljden, antal år och block för de olika försöksplatserna redovisas i Tabell 2. Tabell 2. En sammanställning av grödor, antal år och block som har ingått i försöken på de olika försöksplatserna Försöksplats Grödor Antal block Antal år Bruntorp Råg/höstvete/havre/korn/höstoljeväxter/ 6 (1961-1976) 11 våroljeväxter 4 (2004-2006) Edeby Vårvete/höstvete/havre/korn/höstoljeväxter/ 6 (1952-1968) 15 våroljeväxter/vall 4 (2004-2006) Krogsta Vårvete/höstvete/havre/blandsäd/vall 6 (1952-1965) 4 (2004-2006) 14 Mätningar och bestämningar I fältförsöken har följande mätningar och bestämningar utförts; - Effekter av olika dikesavstånd på såbäddens kvalitet. - Avkastning vid olika dikesavstånd. - Genomsläpplighetsmätningar och markfysikaliska analyser - Grundvattennivåer i fält vid olika dikesavstånd. 3
I samband med sådd har en såbäddsundersökning utförts enligt en metod beskriven av Kritz (1983). I denna undersökning ingick mätningar av bearbetningsdjup, sådjup, aggregatstorleksfördelning, vattenhaltbestämning på olika nivåer samt markytans och såbottens ytstruktur. Skörden har bestämts i skörderutor med fyra upprepningar per behandling. Jordprovtagningen för markfysikaliska analyser har utförts på samma nivåer i markprofilen, som tidigare utförda mätningar enligt Berglund et al., (1975). Cylindrar (diameter 72 mm, höjd 50 mm) har tagits ut av ostörda jordprover i matjorden (5 15 cm) och i alven (45 55 cm) Bestämning har skett av skrymdensitet, porvolym, vattenhållande förmåga och kompaktdensitet. Genomsläppligheten bestämdes på laboratorium enligt Andersson (1954). Dräneringssystemets funktion på försöksplatserna har bestämts genom mätning av grundvattennivåns förändring under vinterhalvåret. Grundvattennivån per timme mättes med tryckgivare (BTEM2000G, Sensor Technics) i två observationsrör över dräneringsledningarna samt i ett observationsrör mellan ledningarna. Mätningarna lagrades med hjälp av dataloggrar (ACR/SR7, Status Instrument LTD). Statistiska undersökningar Tre olika modeller har använts för att analysera långsiktiga effekter av dräneringssystemets utformning på skördeutfallet. De olika klassvariablerna som ingick i modellerna finns beskrivna i Tabell 3. Tabell 3. Klassvariabler, nivåer och värden som har använt för statistiska analyser av skördeutfall Klassvariabel Nivåer Värden Avstånd från dräneringsledning 4 B C D E År 21 1952-56 1958 1960-1968 1972 1973 1976 2004-2006 Försöksplats 3 Bruntorp Edeby Krogsta Block 6 I II III IV V VI Gröda 11 Vårvete/höstvete/havre/korn/höstoljeväxter/ våroljeväxter/vall/råg/blandsäd Grödsort 3 Spannmål/oljeväxt/vall Årstid 2 Vår/höstgröda Förutom ovan nämnda klassvariabler ingick också två kontinuerliga variabler i analyserna, Trend och Avstånd, där Trend inkluderade samma värden som År och Avstånd var avståndet i meter från dräneringsledningen. Variansanalysen av skördeutfallet utfördes med modellen Mixed i SAS (SAS Institute Inc., 2004). För att kunna beskriva skillnader i skörd mellan olika år och på olika försöksplatser har relativa värden på responsvariabeln Skörd för de olika leden bestämts i förhållande till skörden i ledet närmast dräneringsledningen (led A). Följande tre modeller har anpassats: i) en modell med variablerna Behandling och Gröda ii) en flerfaktoriell modell med variablerna Behandling, Gröda och Trend samt iii) en flerfaktoriell modell med variablerna 4
Avstånd, Gröda och Trend. Alla modellerna inkluderade år, försöksplats, block, ruta, samspelet mellan år och försöksplats samt samspelet mellan år och block som oberoende normalfördelade slumpmässiga faktorer. Metoden Restricted Maximum Likelihood (REML) har använts för att skatta varianskomponenterna. Vid testerna av fixa faktorers betydelse har en metod framtagen av Kenward och Roger (1997) använts för beräkning av nämnarens antal frihetsgrader. ANOVA Main Effects Modellen användes för statiska analyser av markfysikaliska variabler (StatSoft Inc., 2005). Post hoc Fisher LSD test har använts för att utvärdera signifikanta skillnader mellan grupper av medelvärde i variansanalyser (Winer et al., 1991). Resultat och diskussion Såbäddsundersökningar Såbäddsundersökningarna utfördes endast på de platser och de år då vårsådda grödor odlades. Växtföljderna på försöksplatserna resulterade i två utförda undersökningar, en på Krogsta efter sådd av havre år 2006 och en på Edeby också efter sådd av havre år 2006. Resultatet från såbäddsundersökningarna redovisas i Tabell 4 till 7. Tabell 4. Såbäddens egenskaper på Krogsta Led Nivåskillnad (cm) Markyta Bearbetningsbotten Bearbetningsdjup (cm) A 3,8 3,8 2,9 B 3,0 3,7 2,9 C 3,8 4,8 3,6 D 4,0 3,5 3,0 E 3,7 3,4 3,4 Tabell 5. Såbäddens aggregatstorleksfördelning och vattenhalt efter sådd på Krogsta Led Aggregatfördelning (%) Vattenhalt (vikt %) < 2 mm 2-5 mm > 5 mm Markyta Såbädd Såbotten Markyta A 24,4 35,5 40,1 6,0 14,8 B 22,8 35,5 41,7 6,8 15,3 C 24,7 35,3 39,9 14,6 15,6 D 23,3 35,2 41,5 7,9 15,7 E 23,1 34,0 42,9 6,9 14,2 Såbotten A 42,8 37,3 19,9 24,2 B 43,2 36,2 20, 7 27,0 C 38,9 40,6 20,5 26,4 D 37,1 41,1 21,7 28,3 E 41,2 37,1 21,7 27,3 5
Tabell 6. Såbäddens egenskaper på Edeby Led Nivåskillnad (cm) Markyta Bearbetningsbotten Bearbetningsdjup (cm) A 3,9 3,9 2,7 B 4,2 3,8 3,1 C 3,9 3,4 2,8 D 4,0 3,8 3,0 E 4,0 4,1 2,8 Tabell 7. Såbäddens aggregatstorleksfördelning och vattenhalt efter sådd på Edeby Led Aggregatfördelning (%) Vattenhalt (vikt %) < 2 mm 2-5 mm > 5 mm Markyta Såbädd Såbotten Markyta A 11,8 39,5 48,1 3,6 10,6 B 15,0 43,5 41,5 4,9 11,5 C 13,3 47,7 39,0 3,8 10,2 D 5,9 74,1 20,0 4,3 11,7 E 11,5 42,1 46,3 3,8 10,7 Såbotten A 27,6 45,6 26,8 35,3 B 34,8 39,1 26,1 34,7 C 32,1 45,3 22,6 35,2 D 32,9 46,2 20,9 36,0 E 32,1 43,5 24,4 34,3 Såbäddsundersökningarna visar inte på någon entydig effekt av avståndet till dräneringsledningen. Varken såbäddens jämnhet eller aggregatstorleksfördelningen skiljer sig speciellt åt mellan behandlingarna. Edeby uppvisar skillnader i aggregatstorleksfördelningen vid markytan i led D och i såbotten i led A. Andelen aggregat mindre än 2 mm är lägre än vid övriga behandlingar och andelen aggregat med storlek 2-5 mm är högre. Vattenhalten skiljer sig dock inte nämnvärt åt. Vad dessa skillnader beror på är svårt att säga. Avkastning Elva olika grödor har odlats på de olika försöksplatserna och skördarna mättes under 21 olika år. De vanligaste återkommande grödorna i växtföljd var höstvete och havre. Höstvete odlades vid 15 skördeår och havre vid sex skördeår av vilka fyra av åren var i Krogsta. Medelskördar från led A vid de olika försöksplatserna presenteras i Figur 2. Det har skett en betydande skördeökning under försöksperiodens gång. Medelskördarna av höstvete och havre har visat på en ökning med 130 respektive 95 % under de senaste 40 åren. 6
Figur 2. Medelskördar från led A vid Bruntorp, Edeby och Krogsta av a) höstvete (N=15) och b) havre (N=6). Medelkvadratsummorna av uppmätta relativa skördar från de olika behandlingarna (B-E) har jämförts med skörden från behandling A (relativ skörd från A = 100) för samtliga grödor från alla tre försöksplatser under samtliga försöksår. Resultaten redovisas i Tabell 8. Det gick inte att påvisa några signifikanta skillnader mellan skördarna. Skördarna från de olika behandlingarna B-E var dock samtliga klart under 100 och därmed tydligt lägre än skördarna i närheten av dräneringsledningar (A). Skörden hade också en nergående trend med ökat avstånd från en ledning (B>C>D>E). Tabell 8. Medelkvadratsummor av relativ skörd från olika behandlingar Behandling Relativ skörd Standard fel B 94,2679 2,1123 C 93,7816 2,1123 D 93,5819 2,1123 E 92,5802 2,1126 Statiska analyser av skördar från a) olika grödor, b) höst/vårgrödor och c) olika grödsorter (spannmål/oljeväxter/vall) visade inga signifikanta effekter av dessa fixa parametrar på de relativa skördarna. Inte heller analyserna där de kontinuerliga variablerna Trend (Tabell 9) och Avstånd (Tabell 10 och 11) ingick visade på några signifikanta långsikta effekter på de relativa skördarna. Tabell 9. Typ 3 test av fixa parametrars inflytande på relativ skörd av alla grödor i olika behandlingar (avstånd från ledning) med år som en kontinuerlig parameter (Trend) Fixa effekter Frihetsgrader Frihetsgrader F-värde Pr>F täljaren nämnaren Behandling 3 313,0 1,56 0,1990 Gröda 5 17,8 1,21 0,3429 Behandling * Gröda 15 520,0 0,37 0,9849 Trend 1 18,5 0,78 0,3887 Trend * Behandling 3 502,0 1,71 0,1630 Trend * Gröda 5 18,6 0,35 0,8726 Trend * Behandling * Gröda 15 517,0 1,71 0,0450 7
Tabell 10. Typ 3 test av fixa parametrars inflytande på relativ skörd av alla grödor på olika avstånd från dräneringsledning med Avstånd och år som en kontinuerlig parameter (Trend) Fixa effekter Frihetsgrader Frihetsgrader F-värde Pr>F täljaren nämnaren Avstånd 1 343,0 4,20 0,0412 Gröda 5 44,1 0,17 0,9724 Avstånd * Gröda 5 549,0 1,02 0,4059 Trend 1 44,7 0,00 0,9660 Trend * Avstånd 1 538,0 1,42 0,2335 Trend * Gröda 5 46,8 0,07 0,9967 Trend * Avstånd * Gröda 5 547,0 1,15 0,3334 Tabell 11. Typ 3 test av fixa parametrars inflytande på relativ skörd av alla grödor på olika avstånd från dräneringsledning med Avstånd som den enda fixa parameter (Trend) Fixa effekter Frihetsgrader Frihetsgrader F-värde Pr>F täljaren nämnaren Avstånd 1 39,3 3,51 0,0685 Markfysikaliska parametrar Den mättade vertikala hydrauliska konduktiviteten bestämdes på 10 cm nivåer i markprofilen ned till en meters djup på Bruntorp år 1961. Det högsta värdet 2,4 m dygn -1 återfanns i matjorden på 15 cm djup. Den hydrauliska konduktiviteten sjönk gradvis med djupet till ett lägsta värde på 0,02 m dygn -1 på 1 meters djup. Värdet var 0,4 m dygn -1 på 55 cm nivån. År 2006 mättes den hydrauliska konduktiviteten igen. Uppmätta medelvärden (N=23) på samma nivåer var 2,1 m dygn -1 på 15 cm djup respektive 0,02 m dygn -1 på 55 cm djup. På Krogsta hade man bara mätt den hydrauliska konduktiviteten med borrhålsmetoden år 1957. Genomsläppligheten ansågs då vara tillfredställande med värden varierande mellan 0,4 och 0,7 m dygn -1 på 40 till 150 cm djup. År 2005 var den mättade vertikala hydrauliska konduktiviteten i medeltal (N = 24) 4,6 m dygn -1 och 0,02 m dygn -1 på 15 respektive 55 cm djup. Minsta medelkvadratsummorna av den mättade vertikala hydrauliska konduktiviteten på 15 och 55 cm djup för de olika behandlingarna på Bruntorp och Krogsta redovisas i Figur 3. De statistiska analyserna påvisade inga signifikanta skillnader i hydraulisk konduktivitet beroende på avståndet från dräneringsledningar. Variationen var mycket hög inom upprepningarna vilket resulterade i höga standardavvikelser. De högsta värdena på den hydrauliska konduktiviteten uppmättes i närheten av dräneringsledningarna på Bruntorp (Figur 3a). Även på Krogsta på 15 cm djup fanns de högsta värdena på den hydrauliska konduktiviteten nära dräneringsledningar. På 55 cm djup var den hydrauliska konduktiviteten högst 14,4 m från ledningen (Led D) (Figur 3b). På båda försöksplatserna var variationen i den hydrauliska konduktiviteten som högst ovanför dräneringsledningarna. Detta stämmer överens med tidigare undersökningar utförda av Messing & Wesström (2006) som visade på höga rumsliga variationer i uppmätt hydrauliska konduktiviteten i jorden ovanför dräneringsledningar samt att effekter av 8
omgrävning vid installation av dräneringssystem kvarstår under mycket lång tid på lerjordar vilket leder till högre hydrauliska konduktiviteten i marken ovanför dräneringsledningar än mellan ledningar. Figur 3. Minsta medelkvadratsummor av hydraulisk konduktivitet i marken på 15 och 55 cm djup på a) Bruntorp och b) Krogsta. Vertikal linjer visar ett 95 % konfidensintervall. De minsta medelkvadratsummorna av skrymdensiteten på 15 och 55 cm djup för de olika behandlingar på Bruntorp och Krogsta redovisas i Figur 4. De högsta variationerna i uppmätt skrymdensiteten återfanns i marken ovanför dräneringsledningarna. De lägsta värdena på skrymdensiteten uppmättes ovanför dräneringsledningar både på 15 och 55 cm djup på Bruntorp. Detta stämmer överens med de högre uppmätta värdena på den hydrauliska konduktiviteten i närheten av dräneringsledningar. På Krogsta uppmättes de lägsta värdena på skrymdensiteten i matjorden ovanför dräneringsledningen och de högsta värdena i alven 14,4 m från ledningen (Led D). Det stämmer överens med resultaten av mätningarna av hydraulisk konduktivitet i matjorden men inte i alven. Figur 4. Minsta medelkvadratsummor av skrymdensiteten i marken på 15 och 55 cm djup på a) Bruntorp och b) Krogsta. Vertikal linjer visar ett 95 % konfidensintervall. Slutsatser Resultaten av de utförda bandförsöken ger klara indikationer på positiva effekter av dräneringssystem på skörden med högre skördar i närheten av dräneringsledningar och 9
minskande skördar med ökande avstånd från ledningarna (dikesavstånd på 30-36 m). Detta gäller för alla grödor, både höst- och vårsådda och förändras inte över tiden. Det finns tendenser på att genomsläpplighet är högre och skrymdensiteten är lägre i marken i närheten av dräneringsledningar vilket ger antydningar om att de gamla tegelrörssystemen fortfarande fungerar. Dessa positiva effekter kvarstår så länge som 50 år efter installationen av dräneringssystemen. Inga tydliga negativa effekter på markstrukturen på grund av långa avstånd från dräneringsledningen kunde påvisas. Litteratur Andersson, S. 1954. Markfysikaliska undersökningar i odlad jord. VII. Grundförbättring, 7:114-169. Berglund, G., Håkansson, A. & Eriksson, J. 1975. Om dikesintensiteten vid dränering av åkerjord. Resultat av fältförsök med olika dikesavstånd. IV. Blekinge, Kristianstads och Malmöhus län. Stenciltryck 87. Inst. för markvetenskap, Avd. för Lantbrukets Hydroteknik, SLU, Uppsala. 69 sid. Eriksson, J. 1979. Soil functions and drainage. Proceedings of the International Drainage workshop, 16-20 May, 1978, Wageningen, The Netherlands. ILRI publication 25:180-211. Håkansson, A. 1961. Dräneringsförsök med olika dikesavstånd. Grundförbättring 14, 4-98. Kenward M.G. och Roger J.H. 1997. Small sample inference for fixed effects from restricted maximum likelihood. Biometrics, 53:983-997 Kritz, G. 1983. Såbäddar för vårstråsäd. En stickprovsundersökning. Rapport 65. Sveriges lantbruksuniversitet, Avdelningen för jordbearbetning, Uppsala. 187 sid. Messing I. och Wesström I. 2006. Efficiency of old tile drain systems in soils with high clay content - differences in the trench backfill zone versus the zone midway between trenches. Journal of Irrigation and Drainage 55:1-9. Moberg, J., 2001. Långsiktiga förändringar av jordbruksmarkens fysikaliska egenskaper en studie av 10 svenska åkermarksprofiler. Meddelanden från jordbearbetningsavdelningen, nr 37, Institutionen för markvetenskap, SLU, Uppsala. Thylén L. 1997. Consistency in yield variation and optimal nitrogen rate. Precision Agriculture 97, J.V. Stafford (Ed), UK, BIOS Scientific Publishers, pp 345-350. Winer, B. J., Brown, D. R., & Michels, K. M. (1991). Statistical principals in experimental design. (3rd ed.). New York: McGraw-Hill. SAS Institute Inc. 2004. SAS OnlineDoc 9.1.3. Cary, NC: SAS Institute Inc. StatSoft, Inc. 2005. STATISTICA (data analysis software system), version 7.1. www.statsoft.com. Resultatförmedling Wesström, I. & Bölenius, E. 2008. Long-term effects of tile drainage on soil physical properties and crop yields. In the proceedings of 10 th International Drainage Workshop of ICID, Helsinki, Finland Tallinn, Estonia, 6-11 July, 2008. Muntlig presentation vid möte för Fältforsks ämneskommitté Vatten den 4 februari 2008. Planerade muntliga presentationer vid Greppadag på Skottorps säteri, den 16 juni 2008, tema: Vatten i odlingslandskapet samt vid 10 th International Drainage Workshop of ICID, Helsinki, Finland, den 6-11 juli, 2008. 10