NAPRAVE IN POSTOPKI ZA PRIDOBIVANJE NEKATERIH MEHANSKIH LASTNOSTI TAL IN IZVEDBO PEDOLOŠKE ANALIZE TAL PO POSAMEZNIH HORIZONTIH Tone GODEŠA1, Borut VRŠČAJ2 UDK / UDC 631.431(045) 631.431:631.445 (045) izvirni znanstveni članek / original scientific article prispelo / recived: 27.10.2008 sprejeto / accepted: 19.12.2008 IZVLEČEK Fizikalne oz. mehanske lastnosti tal ključno vplivajo na skupne, uporabne karakteristike tal. Spreminjajo se z globino glede na vrsto in lastnosti posameznih horizontov in njihovo razporeditev. Prispevek predstavlja postopke in strojno opremo za vzorčenje in pridobivanje podatkov o fizikalnih in mehanskih lastnostih tal na KIS-u. Z napravo pridobivamo podatke, iz katerih izračunamo zgoraj navedene parametre mehanskih lastnosti tal. Vzporedno poteka odvzem neporušenega vzorca talnega profila s sondo premera 20 cm do globine 130 cm, ki mu sledi morfološki opis ter vzorčenje po horizontih. Podani so rezultati vzorčenja na dveh lokacijah. Ugotovljena je povezava med obravnavanimi mehanskimi lastnostmi. Ključne besede: vzorčenje tal, specifični upor tal, strižna trdnost, kot zloma tal, pedološka analiza EQUIPMENT AND PROCEDURES FOR ACQUISITION SOME SOIL MECHANICAL PROPERTIES AND UNDISTURBED SOIL CORE SAMPLING FOR MORPHOLOGICAL DESCRIPTION ABSTRACT Some physical and mechanical soil parameters crucially determine the common soil properties. They differ with depth according to the properties and the depth of individual horizons. The paper presents the procedures and equipment for the collection of physical soil information developed at Agricultural Institute of Slovenia. A computer controlled and hydraulic driven device is used to acquire data which are used to derive soil properties mentioned above. Additionally, a newly constructed drilling equipment is used to get undisturbed soil core samples with 20 cm of diameter and up to 130 cm depth which is used for morphological description and sampling of soil. Results of measurements and analysis on two locations are presented. Connections between observed soil mechanical parameters were found out. Key words: soil sampling, cone penetration resistance, shear strength, soil break angle, pedological analysis 1Kmetijski inštitut Slovenije, Oddelek za kmetijsko tehniko, Hacquetova 17, 1000 Ljubljana 2 Kmetijski inštitut Slovenije, Centralni laboratorij, Center za tla in okolje, Hacquetova 17, 1000 Ljubljana 1 UVOD Degradacija tal je rezultat različnih učinkov medsebojnega delovanja tal samih in človeških aktivnosti ter vplivov klime, reliefa in vegetacije [1]. Učinki degradacije tal vplivajo na zmanjšanje trenutne, še večkrat pa trajne rodnosti tal. Med te učinke štejemo tudi prekomerno zbijanje tal zaradi intenzivne, stanju tal neprimerne obdelave in zaradi obremenitev s težkimi stroji [2]. Zbitost posredno vpliva na parametre rodnosti tal, kot so mikrobiološka aktivnost, mineralizacija in humifikacija organske snovi, sposobnost transporta in vezave rastlinskih hranil, strukturo in stabilnost agregatov [3,4,5]. Metoda penetrometra je še danes najbolj pogosto uporabljena za določanje zbitosti in propustnosti tal, upora pri rasti korenin, učinka obdelave tal, globine in zbitosti plazine, prehodnosti površin in učinka vožnje vozil na tla. Najnovejši penetrometri omogočajo še istočasno merjenje vlažnosti tal [6] in električno prevodnost, na podlagi katere se lahko določi tudi vsebnost gline [7,8]. Izvedba strojne opreme za vzorčenje se spreminja skladno z razvojem tehnike, tako na področju mehanskih sklopov in merilne tehnike, kot na področju obdelave podatkov in vključitev le teh v prostorsko informatiko (GIS). Najpomembnejše mehanske lastnosti, ki pomagajo oceniti zbitost tal so specifični upor in strižna trdnost tal [9]. Specifični upor tal je upor pri prodiranju stožca v tla (penetration resistance), ki je linearno odvisen od stopnje zbitosti v kolikor so ostali parametri tal (predvsem vlažnost) konstantni [10]. Strižna trdnost tal je fizikalna veličina, ki neposredno vpliva na stabilnost in nosilnost tal, obenem pa je tudi eden od pokazateljev rodnosti tal, saj nanjo vpliva gostota tal, tekstura, vsebnost organske snovi, vlažnost [11]. Namen prispevka je predstaviti nova orodja in postopke za zajem in obdelavo fizikalnih podatkov tal po horizontih v okviru raziskav o občutljivosti različnih tipov tal na procese zbijanja tal. Pri zajemu podatkov združujemo tehniko standardnih pedoloških opisov in vzorčenja tal z mehaniziranimi postopki pridobivanja fizikalnih lastnosti na nivoju posameznih talnih horizontov z namenom pridobiti celovite in večnamenske podatke tal. 2 MATERIAL IN METODE 2.1 Naprava za določanje mehanskih lastnosti tal Za terensko določanje mehanskih lastnosti tal smo na Kmetijskem inštitutu Slovenije razvili večnamensko napravo, ki jo priključimo na traktor preko priključnega drogovja zadaj ali spredaj (slika 1). Na tri priključna mesta na napravi lahko namestimo različna orodja in sonde za vzorčenje. Eno priključno mesto omogoča vertikalno gibanje orodij s hodom 600 mm in možnostjo istočasne rotacije v vertikalni osi za poljuben kot. Drugi dve mesti pa omogočata vertikalno gibanje v obsegu 800 mm. Ker je naprava hidravlično gnana, lahko na priključnih mestih razvije velike sile in zato lahko uporabimo večje sonde za vzorčenje,ki zajamejo večji vzorčni volumen, kar je prednost pri meritvah nehomogenih in neizotropnih materialov. S krožno strižno ploščo (slika 2) lahko merimo kohezijo in kot notranjega trenja predvsem na površini tal, lahko pa tudi na poljubni globini. Posamezno meritev izvedemo tako, da ploščo pritisnemo in tiščimo v tla z izbrano silo in ploščo pri tem zavrtimo. Pri tem merimo silo, s katero pritiskamo, vrtilni moment in kot zasuka plošče. Izvedemo več meritev pri različnih pritisnih silah in iz izmerjenih vrednosti sil in maksimalnih momentov izračunamo kohezijo in kot notranjega trenja tal. Slika 1: Naprava za določanje mehanskih lastnosti tal Figure 1: Device for acquisition mechanical properties of soil S krilno sondo (slika 3) določamo strižno trdnost tal na poljubni globini. Krilno sondo pritisnemo v tla do izbrane globine in jo zavrtimo. Pri tem merimo vrtilni moment, ki je potreben za sukanje sonde in kot zasuka. Iz maksimalne vrednosti momenta izračunamo strižno trdnost, kot zasuka pri maksimalnem momentu pa predstavlja kot zloma tal. S stožčastimi konicami (slika 4), ki jih pritiskamo v tla pa merimo specifični upor tal. Pri tem merimo silo, ki je potrebna za prodiranje stožca v tla in pomik stožca. Iz izmerjene sile in površine čelne ploskve stožca izračunamo specifični upor tal na poljubni globini. ,fn nt V h = 25 mm - višina reber rz = 125 mm - zunanji radij plošče rn = 80 mm - notranji radij plošče Slika 2: Krožna strižna plošča Figure 2: Shear annulus h = 80 mm - višina reber sonde rz = 70 mm - radij zun. roba krila rn = 10 mm - radij notr. roba krila Slika 3: Krilna sonda Figure 3: Vane shear probe Konica oblike A (ASAE S313.3. 1999) Slika 4: Penetrometer Figure 4: Cone penetrometer probe 2.2 Naprava za jemanje neporušenih vzorčnih jeder tal Za izvajanje morfološkega opisa talnega profila smo razvili in izdelali vrtalnik za jemanje vzorčnih jeder tal premera 20 cm do globine 130 cm (slika 5). Vzorčenje poteka tako, da z vrtalno cevjo zavrtamo v tla, pri čemer se vzorec tal shranjuje v mirujočo cev. Ko dosežemo želeno ali končno globino, izvlečemo vrtalno cev iz tal, zasukamo vrtalno garnituro in izvlečemo cev z vzorcem, ki jo prenesemo v posebno ležišče, v katerem opravimo opis. Morfološki opis tal zajema določitev horizontov, barvo, strukturo, teksturo, količino in vrsto organske snovi, količino in obliko korenin, količino ter vrsto in obliko novotvorb ter količino ter vrsto, obliko in velikost skeleta. Iz vsakega horizonta vzamemo reprezentativni vzorec za standardno pedološko analizo, opravimo meritev pH in določimo obstojnost strukturnih agregatov po metodi Sekere. Slika 5: Vrtalnik za jemanje neporušenih vzorčnih jeder tal Figure 5: Device for undisturbed soil core sampling 2.3 Lokacija Za primerjavo obravnavanih karakteristik smo izbrali dve lokaciji vzorčenj (slika 6). Meritve specifičnega upora in strižne trdnosti tal pri različni intenzivnosti zbijanja so bile opravljene 12.5.2006 v Jabljah na neobdelanih tleh po jesenskem oranju. Vzorčenje in analiza talnega profila na lokaciji Jablje je bila opravljeno 12.10.2007 po spravilu koruze, na lokaciji Rakek pa 7.11.2007 na zorani njivi. Y,X: 466110, 111246 Slika 6: Lokaciji obravnavanih vzorčenj Figure 6: Sampling locations v./ Y,X : 446639, 74360 2.4 Postopek meritev Za opis talnega profila pa smo z vrtalnikom odvzeli po en vzorec na vsaki lokaciji, ob tem pa izvedli meritve specifičnega upora tal in strižne trdnosti po zgoraj opisanem postopku v osmih ponovitvah. Na parceli v Jablah smo v štirih ponovitvah izvedli tlačenje - zbijanje tal z enim, dvema, štirimi in šestnajstimi prehodi traktorja po istih kolesnicah. Skupna masa traktorja je bila 7454 kg, premer prednjih pnevmatik 1,44 m, širina 0,52 m, in tlak polnjenja 1,4 bar. Premer zadnjih pnevmatik 1,83 m , širina 0,63 m in tlak 1,5 bar. Z zgoraj opisano napravo smo izvedli meritve specifičnega upora tal s penetrometrom in strižne trdnosti s krilno sondo na vsaki od kolesnic in na nepovoženi površini med kolesnicama. 3 REZULTATI Z DISKUSIJO Tabela 1: Rezultati analize nekaterih lastnosti tal na izbranih lokacijah Table 1: Analysis results of some soil properties on selected locations TT • ^ Globina Horizont cm Glina % Grobi melj % Fini melj % Pesek % Poroznost % Vlažnost g/100cm3 Org. snov % Ob meritvah pri različnih zbitostih lok. Jablje 28,0 15,9 29,1 27 42,09 29,81 Jablje Ap 0 - 30 22,0 16,4 25 36,6 29,18 36,14 2,6 A2 30 - 65 24,4 15,4 24,6 35,6 25,57 34,71 1,6 AB 65 - 118 23,2 16,0 21,0 39,8 24,29 34,61 1,1 Gr 118 - 131 22,7 13,1 17,1 47,1 25,39 35,13 1,1 Rakek Ap 0 - 25 29,6 20,6 41,1 8,6 38,40 45,32 5,1 A2 25 - 37 30,5 17,6 41,5 10,4 42,53 44,13 4,8 A/B 37 - 63 42,0 18,3 36,2 3,5 31,78 41,35 2,3 B1 63 - 94 59,4 8,9 28,8 2,9 28,49 44,41 1,0 B2 94 - 112 60,6 8,7 23,8 6,9 1,1 Tla v Jablah vsebujejo manj gline in več peska v primerjavi s teksturo tal na lokaciji Rakek. Manjša je tudi poroznost, vsebnost organske snovi in vlažnost. Vlažnost je trenutna spremenljivka, ki je delno odvisna od teksture, poroznosti in organske snovi v tleh, vendar nanjo močno vpliva lokalno vreme. Pričakujemo, da bodo razlike v sestavi tal vplivale tudi na mehanske lastnosti - specifični upor in strižno trdnost tal. Spreminjanje specifičnega upora in strižne trdnosti skozi profil tal prikazuje slika 7. Specifični upor tal je na lokaciji Jablje po celotni globini večji kot na lokaciji Rakek. Večja razlika je v zgornjih plasteh, v Ap in A2 horizontu, nato pa se razlika zmanjšuje predvsem na račun vpliva plazine, ki je izrazito prisotna na lokaciji Rakek. Tudi strižna trdnost je na lokaciji Jablje do globine 300 mm večja, nato pa se zmanjša v primerjavi z lokacijo Rakek. Vzrok temu je manjši delež gline in večji delež peska v spodnjih plasteh tal na lokaciji Jablje. Iz diagrama lahko razberemo tudi, da sta specifični upor tal in strižna trdnost povezana, saj povečanju specifičnega upora sledi povečanje strižne trdnosti. Zanimiv rezultat da primerjava razmerja med specifičnim uporom tal in strižno trdnostjo na eni strani in kotom zloma tal pri strižnem obremenjevanju na drugi strani, kot lahko vidimo na sliki 8. 1= 200 J= ^ 250 5 300 350 500 Specifični upor tal in strižna trdnost [kPa 1000 1500 2000 2500 Slika 7: Povprečni specifični upor in strižna trdnost s 95 odstotnimi intervali zaupanja skozi profil tal na obravnavanih lokacijah Figure 7: Average penetration resistance and shear strength with 95% confidence intervals through soil profile on selected locations 200 Ü 300 Kot zloma tal [°] in razmerje: specifični upor tal/strižna trdnost 10 15 20 25 30 500 Slika 8. Prikaz kota zloma tal in razmerja med specifičnim uporom tal in strižno trdnostjo skozi profil tal na obravnavanih lokacijah. Figure 8: Soil break angle and penetration resistance - shear strength quotient through soil profile on selected locations Na posamezni lokaciji krivulja kota zloma sledi obliki krivulje razmerja specifičnega upora tal in strižne trdnosti. Oddaljenost med krivuljama, to je razmerje med eno in drugo obravnavano spremenljivko, pa je med lokacijama različna. Iz tega lahko sklepamo, da 0 5 fizikalno kemijske lastnosti vplivajo na povezavo med kotom zloma tal, strižno trdnostjo in specifičnim uporom tal. Kakšen pa je njihov vpliv, je potrebno še raziskati. 500 Specifični upor tal [kPa] 1000 1500 2000 2500 50 100 ^ 150 200 250 300 0 preh. 1 preh. 2 preh. 4 preh. 16 preh. _ Slika 9: Specifični upor tal v različno zbitih tleh Figure 9: Penetration resistance through different compacted soils Pri vožnji vozil po neutrjenih tleh se najbolj poveča specifični upor tal na površini pri prvem in drugem prehodu (slika 9). Če vozimo večkrat po istih kolesnicah, pa je vpliv nadaljnjih prehodov na globini okrog 20 cm manjši. Na večjih globinah se specifični upor tal zopet poveča. To povečanje pa je posebno škodljivo, saj je regeneracija zbitega stanja tal na teh globinah počasnejša in težja. Strižna trdnost tal [kPa] 0 20 40 60 80 100 120 140 50 „ 100 S S a in .s o 150 Ü 200 250 300 1 1 1 1 1 1 -♦-0 preh. ^ preh. -A-2 preh. HIH 4 preh. ^^ 16 preh. 69 Slika 10: Strižna trdnost skozi profil tal pri različni stopnji zbitosti Figure 10: Shear strength through different compacted soils Tudi strižna trdnost tal se s povečano zbitostjo povečuje (slika 10). Najbolj se poveča na površini in v globini pod nivojem obdelave tal. Pri večjem številu prehodov traktorja se strižna trdnost tal približuje maksimumu, ki je odvisen samo še od fizikalno-kemijskih lastnosti in trenutnega stanja tal. 0 0 0 4 SKLEPI Na podlagi rezultatov meritev lahko sklenemo, da je predstavljena večnamenska naprava za določanje mehanskih lastnosti tal primerno orodje za terenska vzorčenja mehanskih lastnosti tal in njihovo vezavo na porazdelitev horizontov po profilu tal. Kakovost meritev in hitrost pridobivanja rezultatov opravičujejo razvoj naprave za vzorčenje mehanskih lastnosti in sistema za vzorčenje neporušenega talnega vzorca, saj se podatki dopolnjujejo in omogočajo izvajanje kompleksnejših analiz. Na podlagi analize obravnavanih parametrov na dveh lokacijah ugotavljamo, da sta velikost specifičnega upora tal in strižne trdnosti skozi profil tal povezana. Ugotovili smo tudi, da obstaja povezava med razmerjem specifični upor/strižna trdnost in kotom zloma tal pri strižnem obremenjevanju. Od katerih parametrov fizikalno-kemijskih lastnosti je ta zveza odvisna in kakšna je ta odvisnost pa je potrebno še raziskati. Pri večkratnih prehodih vozila po istih kolesnicah se specifični upor tal in strižna trdnost povečujeta, najbolj na površini in pod nivojem obdelave. Največji porast se pojavi po prvih prehodih, potem pa je z vsakim prehodom porast zbitosti manjši. 5 LITERATURA 1. Barrios, M.B., Bozzo, A.A., Debelis, S.P., Pereyra, A.M., Bujan, A., Soil physical properties and root activity in a soybean second crop/maize rotation under direct sowing and conventional tillage.- Spanish Journal of Agricultural Research, 4(2006)4, p. 355362. 2. Pereira, J.O., Defossez, P., Richard, G., Soil susceptibility to compaction by wheeling as a function of some properties of a silty soil as affected by the tillage system.- European Journal of Soil Science, 58(2007)1, p. 34-44. 3. Raza, W., Yousaf, S., Niaz, A., Rasheed, M.K., Hussain, I., Subsoil compaction effects on soil properties, nutrient uptake and yield of maize fodder (Zea mays L.).- Pakistan Journal of Botany, 37(2005)4, p. 933-940. 4. Gelder, B.K., Cruse, R.M., Zhang, X.Y., Comparison of track and tire effects of planter tractors on corn yield and soil properties.- Transactions ASABE, 50(2007)2, p. 365-370. 5. Lipiec, J., Hatano, R., Quantification of compaction effects on soil physical properties and crop growth.- Geoderma, 116(2003)1-2, p. 107-136. 6. Vaz, C.M.P., Bassoi, L.H., Hopmans, J.W., Contribution of water content and bulk density to field soil penetration resistance as measured by a combined cone penetrometer-TDR probe.- Soil and Tillage Research, 60(2001)1-2, p. 35-42. 7. Domsch, H., Ehlert, D., Giebel, A., Witzke, K., J.Boess, Evaluation of the soil penetration resistance along a transect to determine the loosening depth.- Precision Agriculture, 7(2006), p. 309-326. 8. Motavalli, P.P., Anderson, S.H., Pengthamkeerati, P., Gantzer, C.J., Use of soil cone penetrometers to detect the effects of compaction and organic amendments in claypan soils.- Soil and Tillage Research, 74(2003)2, p. 103-114. 9. Boon, N.E., Yahya, A., Kheiralla, A.F., Wee, B.S., Gew, S.K., Tractor-mounted, automated soil penetrometer-shearometer unit for mapping soil mechanical properties.-Biosystems Engineering, 90(2005)4, p. 381-396. 10. Wong, J.Y., Terramechanics and Off-Road Vehicles. Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo, Elsevier, 1989, 251 p. 11. Zimbone, S.M., Vickers, A., Morgan, R.P.C., Vella, P., Field investigations of different techniques for measuring surface soil shear strength.- Soil Technology, 9(1996)1-2, p. 101-111.