Compressive behaviour of the soil in buffer zones under different management practices in Finland

Soil structure that favours infiltration is essential for successful functioning of vegetated buffer zones. We measured bulk density, air permeability and precompression stress in a clay soil (Vertic Cambisol) and a sandy loam (Haplic Regosol) in Finland, to identify management-related changes in the physical and mechanical properties in the surface soil of buffer zones. In addition, the impact of texture on these properties was studied at depths down to 180?200 cm. Soil cores (240 cm3) were sampled from a cultivated field, from buffer zones harvested by grazing (only in a clay soil) or by cutting and removing the vegetation, and from buffer zones covered with natural grass vegetation. The samples were equilibrated at a matric potential of -6 kPa and compressed at a normal stress range of 20-400 kPa (7 h), followed by stress removal (1 h). Generally, the clay soil was more compressible than the sandy loam. Due to trampling by cattle, the young grazed buffer zone (0-3 cm) had the largest bulk density and the smallest total porosity. For the grazed sites, reduced air permeability (2.7-5.1 × 10-5 m s-1) was found, compared with that of the buffer zone under natural vegetation (15-22 × 10-5 m s-1), indicating decreased pore continuity. Although the old grazed site was easily compressed, compared with the younger site, it showed a greater resilience capacity due to the protective cover of organic residues accumulated on the soil surface.
Hydrologiselta kannalta suojavyöhykkeiden ja -kaistojen tarkoitus on pintavalunnan hillitseminen ja imeynnän eli infiltraation edistäminen. Koska maan rakenne vaikuttaa keskeisesti suojavyöhykkeiden ja -kaistojen toimintaan, tässä tutkimuksessa tarkasteltiin suojakaistojen hoitotoimenpiteistä aiheutuvia mahdollisia muutoksia maan fysikaalisiin (irtotiheys ja ilmanjohtavuus) ominaisuuksiin ja maan kokoonpuristumisominaisuuksiin. Tutkittuja hoitotoimenpiteitä olivat niitto ja niittojätteen poiskorjaaminen, laidunnus sekä alueen jättäminen luonnontilaan.Jokioisilla savimaan (Vertic Cambisol) ja Maaningalla hietamaan (Haplic Regosol) koekenttien maaprofiili tutkittiin 200 cm:n (savi) ja 180 cm:n (hieta) syvyyteen saakka, ja maanäytteet otettiin kustakin horisontista. Etenkin hietamaalla oli muokkauskerroksen alapuolella kyntöantura yhä havaittavissa 10 vuotta viljelyn lopettamisen ja suojakaistan perustamisen jälkeen. Savimaan syvemmissä, todennäköisesti märkinä läpi vuoden säilyvissä horisonteissa (90-200 cm) maan irtotiheys oli pieni (< 1,19 g cm-3) ja kokonaishuokostilavuus suuri (> 0,52 cm3 cm-3), vaikka orgaanisen hiilen pitoisuus (< 0,9 %) oli erittäin alhainen. Maan rakenne on yhä massiivinen ja hyvin heikosti kehittynyt. Suojakaistojen pintamaakerroksesta (0-3 cm) ja maaprofiilien horisonteista otetut häiriintymättömät lieriönäytteet (240 cm3) kyllästettiin ja tasapainotettiin hiekkapedillä (-6 kPa). Maan ilmanjohtavuus mitattiin ja näytteitä kuormitettiin 7 tunnin ajan pystysuoralla normaalivoimalla (20, 40, 70, 100, 200 ja 400 kPa), minkä jälkeen kuormitus vapautettiin (1 tunti). Jännitystilan ja vastaavan muodonmuutostilan välistä riippuvuutta eli maan kokoonpuristumisominaisuuksia tarkasteltiin puolilogaritmisella asteikolla toisen asteen polynomin mukaisesti sovitetun jännitys-puristumakuvaajan avulla. Maan sisäistä lujuutta eli kykyä vastustaa ulkoapäin tulevia voimia arvioitiin ns. esitiivistysasteen avulla, joka johdettiin graafisesti ns. Casagranden menetelmällä. Maaprofiilin eri horisonttien kokoonpuristuminen oli riippuvainen maalajista, ei niinkään hoitotoimenpiteistä, ja se oli huomattavasti suurempaa savimaalla kuin hietamaalla. Molemmilla maalajeilla kokoonpuristuminen väheni siirryttäessä pintamaasta pohjamaahan. Tämä voi osaltaan selittyä sillä, että veden poistuminen huokosista oli estynyt, mikä esti kokoonpuristumisen. Suojakaistojen hoitotoimenpiteistä laidunnus aiheutti epäsuotuisia muodonmuutoksia savimaan rakenteessa, mikä heijastui kaistojen heikentyneenä ilmanjohtavuutena (2,7-5,1 10-5 m s-1) luonnontilaisiin kaistoihin verrattuna (15-22 10-5 m s-1). Kauttaaltaan alhaiset esitiivistysasteet voivat osin selittyä varhaisella näytteenottoajankohdalla, jolloin maan rakenne on talven jäljiltä heikoin mahdollinen. Laiduntaminen vaikutti kuitenkin maan kokoonpuristumisominaisuuksiin. Vaikka nuoren laidunkaistan tiivistyminen oli jo tiiviimmästä alkutilanteesta johtuen vähäistä, myös puristuman kimmoinen palautuminen oli kuormituksen lakattua pientä. Vanha laidunkaista oli taas helposti tiivistyvä, mutta maan pintakerrokseen kerääntynyt orgaaninen aines lisäsi kuormituksesta aiheutuneen puristuman palautumista. Tulosten perusteella laidunnusta tulisikin välttää etenkin hiljattain perustetulla nurmella.