DRAGKRAFTSBEHOV OCH SÖNDERDELNING FÖR PLOG, KULTIVATOR OCH TALLRIKSREDSKAP VID OLIKA MARKVATTENHALTER Johan Arvidsson, Karin Gustafsson och Thomas Keller Institutionen för markvetenskap, SLU, Box 714, 75 7 Uppsala E-post: johan.arvidsson@mv.slu.se Sammanfattning Under höstarna 21 och 22 gjordes mätning av specifikt dragkraftsbehov (energiåtgång per bearbetad jordvolym) för plog, kultivator och tallriksredskap på en lätt och en styv jord på Ultuna under olika fuktighetsförhållanden. Specifika dragkraftsbehovet var lägst för plogen och högst för kultivatorn, speciellt under torra förhållanden. Det verkliga bearbetningsdupet var betydligt lägre än det inställda för kultivatorn. sredskapet var effektivast för att sönderdela jord. Mätningarna visade att för det totala dragkraftsbehovet är det verkliga bearbetningsdjupet mest avgörande. Grund plöjning är en mycket konkurrenskraftig form av reducerad bearbetning, speciellt eftersom plöjningsfri odling ofta kräver flera överfarter. Introduktion Reducerad bearbetning är ständigt aktuellt inom jordbruket för att sänka kostnader, energiåtgång och arbetsbehov i växtodlingen. Ofta menas plöjningsfri odling, d.v.s. plöjning med vändskiveplog ersätts med en grundare bearbetning med kultivator eller tallriksredskap. Det finns dock få undersökningar där man faktiskt jämfört dragkraftsbehov och energiåtgång för olika redskap. För att rätt kunna bedöma skillnader mellan olika redskap måste dragkraftsbehovet sättas i relation till hur stor jordmängd som bearbetas. Detta benämns specifikt dragkraftsbehov (kraft per bearbetad tvärsnittsarea, N/m 2 ). Bl.a. för att beräkna specifika dragkraftsbehovet startades hösten 21 ett projekt, finansierat av SLF, där plog, kultivator och tallriksredskap kördes på olika jordar och under olika fuktighetsförhållanden. Jordens uppbrytning vid bearbetning Jordens deformation vid bearbetning brukar delas upp i tre olika typer: skjuvningsbrott, sprickbildning och plastisk deformation (Figur 1). Vid skjuvningsbrott byggs kompressiva krafter upp framför t.ex. en kultivatorpinne till dess att jorden skjuvas i ett plan snett framför pinnen. Vid sprickbildning spricker jorden upp längs naturliga svaghetszoner framför pinnen. Vid plastisk deformation sker mycket liten uppbrytning av jorden som istället deformeras plastiskt runt pinnen. Liten angreppsvinkel (pinnspetsen pekar starkt framåt, fig. 1b) gynnar sprickbildning och ger lägst dragkraftbehov. Plastisk deformation är mycket energikrävande i förhållande till det arbete som uträttas. a) Körriktning b) Figur 1. Jordens deformation vid bearbetning. a)skjuvningsbrott, b)sprickbildning och c)plastisk deformation. c) 23A:1
kritiskt djup plastisk deformation Figur 2. Uppbrytning kring en kultivatorpinne, sett framifrån. Under ett visst djup, det kritiska arbetsdjupet, sker endast en plastisk deformation kring pinnen. Sett framifrån sker uppbrytningen kring en kultivatorpinne normalt i ett slags v-form (figur 2). Under ett visst djup, kallat det kritiska arbetsdjupet, sker ingen uppbrytning utan endast en plastisk deformation kring pinnen. Bearbetning under det kritiska djupet (ofta ca 12-15 cm för en kultivator) gör mycket liten nytta utan kan ses som ett slöseri med energi. Jordens bearbetbarhet och dragkraftsbehov vid olika vattenhalter Jordbearbetning innebär att jorden bryts sönder i mindre jordstycken, aggregat. Oftast eftersträvas en stor andel små aggregat, optimal storlek för att förhindra avdunstning är t.ex. en diameter av 1-2 mm. Optimal vattenhalt för bearbetning kan därmed definieras som den vattenhalt då bearbetning resulterar i störst andel små aggregat, olika undersökningar tyder på att den är kring 9 % av plasticitetsgränsen enligt Atterberg (Dexter och Bird, 2). Plasticitetsgränsen är den vattenhalt då jorden, om den rullas, spricker vid en diameter på 3 mm. Markens vattenhalt och struktur har också mycket stor betydelse för dragkraftsbehovet vid bearbetning. T.ex. visade Watts och Dexter (1994) att dragkraftsbehovet var ca dubbelt så högt i torr jämfört med fuktig jord, och 2-1 % högre i packad jämfört med opackad jord. Mätmetodik Mätningar gjordes höstarna 21 och 22 med en Valmet 66 på 1 hk med utrustning för att mäta bränsleförbrukning med mycket hög upplösning, hjulhastighet och verklig hastighet. Genom att motoreffekten kalibrerats via kraftuttaget i bromsbänk kunde den nyttiga effekten (effekt tillgänglig via drivhjulen) beräknas för en given bränsleförbrukning vid ett visst varvtal. Från denna effekt subtraherades effektförluster från slirning och rullmotstånd för att få den effekt som verkligen användes till dragkraftuttag. Mätningar gjordes med plog, kultivator och tallriksredskap på en lättare och en styvare jord på Ultuna. Körning gjordes vid olika tidpunkter på hösten för att få tre olika vattenhalter: "torrt", "fuktigt" och "blött". Körning med plog och kultivator gjordes med tre inställda arbetsdjup: 13, 17 och 21 cm (för kultivatorn motsvarar detta höjdskillnaden mellan spetsen på kultivatorpinnen och bärhjulet). Vid mätningarna bestämdes det verkliga arbetsdjupet genom att ta bort all jord som lösgjorts inom en stålram, och sedan väga denna. Dessutom sållades jorden efter bearbetning för att få fram olika aggregatstorlekar. 23A:2
Resultat När den lösa jorden tagits bort, erhölls ofta en mycket ojämn bearbetningsbotten i kultiverade led (figur 3). Detta gjorde att det verkliga bearbetningsdjupet var betydligt lägre än det inställda för kultivatorn, men inte för plogen, vilket visas i figur 4. Figur 3. Bearbetningsbotten efter kultivator på lätt jord, blöta förhållanden. 25 21.1 Verkligt arbetsdjup (cm) 2 15 1 5 7.1 12.8 8.7 17.9 9.5 6.3 13 17 21 Inställt arbetsdjup (cm) Figur 4. Inställt och verkligt (uppmätt) arbetsdjup för de olika redskapen. Specifikt dragkraftsbehov Det specifika dragkraftsbehovet (kraft per bearbetad tvärsnittsarea, d.v.s. energibehovet i förhållande till bearbetad jordvolym) för de olika redskapen på den styva leran visas i figur 5. Det var lägst för plog och störst för kultivator, speciellt under torra förhållanden. Dragkraftsbehovet ökade när jorden blev torrare. Resultaten följde samma mönster på den lätta jorden men värdena var betydligt lägre. I figur 6 visas hur specifika dragkraftsbehovet ändrades med bearbetningsdjupet. För plogen var det oberoende av djupet (vilket innebär att totala dragkraftsbehovet var direkt proportionell mot bearbetningsdjupet). För kultivatorn ökade specifika dragkraftbehovet med djupet, vilket innebär att det är mycket energikrävande att bearbeta djupt med en kultivator. 23A:3
Spec. dragkraftsbehov (knm -2 ) 35 3 25 2 15 1 5 1 Blöt Fuktig Torr Blöt Fuktig Torr Blöt Fuktig Torr 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Figur 5. Specifikt dragkraftsbehov på den styva leran, inställt djup 17 cm för kultivator och plog. Specifikt dragkraftbehov (kn m -2 ) 45 4 35 3 25 2 15 1 5 13 17 21 Inställt arbetsdjup (cm) Figur 6. Specifikt dragkraftsbehov som funktion av inställt arbetsdjup. Resultat från den styva leran under torra förhållanden. Aggregatstorleksfördelning efter bearbetning Aggregatstorleksfördelning efter bearbetning på den styva jorden visas i figur 7. Det blev genomgående större aggregat ("kokor") för plogen än för tallriksredskapet och kultivatorn. Störst andel små aggregat blev det vid bearbetning av den fuktiga jorden. Om man räknar ut aggregatens sammanlagda yta kan man också beräkna energibehovet för sönderdelning, d.v.s. hur mycket jorden sönderdelas per insatt energimängd, figur 8. Det visade sig då att körning med tallriksredskap gav den största sönderdelningen per insatt mängd energi (J/m 2 ). Aggregat > 32 mm (%) 1 8 6 4 2.1.2.3.4 Figur 7. Andel stora aggregat för de olika redskapen vid olika vattenhalter på den styva leran. Vattenhalt [g/g] 23A:4
Energi (J m -2 ) 7 6 5 4 3 2 1 Blöt Fuktig Torr Blöt Fuktig Torr Blöt Fuktig Torr Figur 8. Energibehov för sönderdelning på den styva leran. Slutsatser Mätningarna visade att dragkraftsbehovet framförallt bestäms av bearbetningsdjup. Plöjning hade lägre dragkraftsbehov än kultivator per bearbetad jordvolym. Eventuell energibesparing vid plöjningsfri odling beror alltså helt på att man bearbetar grundare, inte på att man använder andra redskap än plog. Djup bearbetning med kultivator är ofta slöseri med energi. Grund bearbetning med kultivator och tallriksredskap ger oftast en större sönderdelning av jorden än en konventionell plöjning. Detta är effektivt framförallt vid sådd av höstvete, då det oftast är viktigare att få en god sönderdelning än att luckra stora jordmängder. Dragkraftsbehovet sjönk med ökande vattenhalt medan sönderdelningen blev bäst vid den mellersta vattenhalten på leran. "Lagom är bäst", en vattenhalt strax under plasticitetsgränsen verkar vara den bästa kompromissen med tanke på både dragkraftsbehov och bearbetningsresultat. Grund plöjning kan vara en utmärkt form av reducerad bearbetning! Referenser Dexter, A.R., Bird, N.R.A., 2. Methods for predicting the optimum and the range of soil water contents for tillage based on the water retention curve. Soil Tillage Res., 57, 23-212. Watts, C.W. and Dexter, A.R. 1994. Traffic and seasonal influences on the energy required for cultivation and on the subsequent tilth. Soil Tillage Res. 31, 33-322. 23A:5