Soil compaction

Soil compaction

Soil compaction is the term for the deterioration of soil structure (loss of soil features) by mechanistic pressure, predominantly from agricultural practices.

Soil compaction is a form of physical degradation resulting in densification and distortion of the soil where biological activity, porosity and permeability are reduced, strength is increased and soil structure partly destroyed. Compaction can reduce water infiltration capacity and increase erosion risk by accelerating run-off. The compaction process can be initiated by wheels, tracks, rollers or by the passage of animals.

Some soils are naturally compacted, strongly cemented or have a thin topsoil layer on rock subsoil. Soils can vary from being sufficiently strong to resist all likely applied loads to being so weak that they are compacted by even light loads. 

 Large spaces in soils are known as macro pores and are created by plant roots, burrowing creatures and shrinkage caused by the drying of wet soil. These macro pores are usually continuous and form “highways” for air and water to travel deep into the soil. To an extent, continuous macro pores determine the soil’s physical and soil biological quality. Macro pores are the most vulnerable pores to soil compaction.

The loss of macro porosity and pore continuity reduces strongly the ability of the soil to conduct water and air.

• Reduced infiltration capacity results in surface run-off, leading eventually to flooding, erosion and transport of nutrients and agrochemicals to open water.
• A poor aeration of the soil reduces plant growth and induces loss of soil nitrogen and production of greenhouse gases through denitrification in anaerobic sites.

Deformation of soil aggregates and higher bulk density increase the strength of the soil. This limits root growth which can result in a higher vulnerability of the crop to diseases. Subsoil compaction is a hidden form of soil degradation that can affect all the agricultural areas and results in gradually decreasing yields and gradually increasing problems with waterlogging.

The impact of subsoil compaction is most prominent in years with extreme dry or wet periods. Crop yield reductions of more than 35% have been measured. Subsoil compaction proves to be very persistent, even in subsoils with shrinkage and swelling or annual deep freezing. Reduced crop yields and reduced nitrogen content in crops were detected 17 years after a single compaction event with wheel loads of 50 kN or 5,000 kg.

    Areas degraded by soil compaction are increasing because wheel loads in agriculture are still increasing. Twenty years ago wheel loads of 50 kN (5000 kg) were considered very high. Nowadays wheel loads of up to 130 kN are used during the harvesting of sugar beet. Modern self-propelled slurry tankers with injection equipment with wheel loads of 90 – 120 kN are used in early spring on wet soils. Large tyres with an inflation pressure of about 200 kPa are needed to carry such high wheel loads. Even on moderate strong soil, compaction of up to 80 cm below the surface have been measured under such loads. The result is that the soil is increasingly compacted to ever-greater depth.

It is almost impossible to avoid topsoil compaction. On the other hand, tillage and natural processes can re-loosen the topsoil. Subsoil compaction is much more persistent and difficult to remove. Artificial loosening of the subsoil has proven to be disappointing. The loosened subsoil is recompacted very easily and many physical properties are strongly reduced.

Subsoil compaction should be prevented instead of being repaired or compensated. Even on weak soils, relatively high wheel loads are possible by using large tyres with low inflation pressures or well-designed tracks. Subsoil compaction during ploughing can be prevented by using improved steering systems and adapted ploughs allowing the tractor to drive with all wheels on the untilled land. It is also possible to concentrate wheel loads on permanent traffic lanes and limit the compaction to these sacrificed wheel ways. By using gantries, the sacrificed area can be limited. However, these solutions are rarely used because of short-term economical constraints, lack of awareness, and negligence because the damage to the subsoil is not readily visible. Also the limited knowledge and data on soil strength under dynamic loading makes prevention of subsoil compaction difficult. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уплотнение почвы

   Уплотнение почвы - это термин ухудшения структуры почвы (потеря свойств почвы) механистическим давлением, преимущественно в сельскохозяйственной практике.

Уплотнение почвы - форма  физической деградации, приводящей к  уплотнению и искажению почвы, где  биологическая активность, пористость и проходимость уменьшены, прочность увеличена, и структура почвы частично разрушена. Уплотнение может уменьшить объем инфильтрации воды и увеличить риск эрозии путем ускорения стока. Процесс уплотнения может быть инициирован колесами, треками, роликами или проходом животных.

Некоторые почвы уплотняются естественно, сильно цементируются или имеют тонкий слой верхнего слоя почвы на горной подпочве. Почвы могут варьироваться от достаточно тяжелых, которые противостоят всем нагрузкам, до легких, которые уплотняются при слабых нагрузках.

   Большие пространства в почвах известны как макропоры, созданные влажной почвы. Эти макропоры обычно непрерывны и формируют отверстия для воздуха и воды, чтобы перемещаться вглубь почвы. В некоторой степени, непрерывные макропоры определяют физическое и биологическое качество почвы. Макропоры являются наиболее уязвимыми порами уплотнения почвы.

Потеря макро-пористости и непрерывности пор сильно снижает способность почвы проводить воду и воздух.

• Снижение способности инфильтрации приводи к поверхностным стоком, в конечном счете, приведет к наводнениям, эрозии и переносе питательных веществ и химикатов в воду.

• Плохое проветривание почвы уменьшает рост растений, вызывает потери почвенного азота и выброс, корнями растений, парниковых газов.

Деформации грунтов и высокая насыпная плотность увеличивает прочность почвы. Это ограничивает рост корня, который может привести к более высоким уязвимостям сельскохозяйственной культуры, к болезням. Уплотнение подпочвы является скрытой формой деградации почв, что может повлиять на все сельскохозяйственные угодья и приводит к постепенному снижению урожайности, постепенно увеличиваются проблемы с подтоплением. Влияние уплотнения подпочвы является наиболее заметным в годы с чрезвычайными сухими или влажными периодами. Урожайность сокращается более чем на 35%. Уплотнение подпочвы, оказывается, очень стойким, даже в грунтах с усадкой и набуханием или ежегодным глубоким промерзанием. Снижение урожайности и пониженное содержание азота в растениях были обнаружены спустя 17 лет после одного случая уплотнения с колесной нагрузки 50 кН или 5000 кг.

Области, ухудшенные уплотнением  почвы, увеличиваются, потому что нагрузка на колеса в сельском хозяйстве по-прежнему растет. Двадцать лет назад колесо с нагрузкой 50 кН (5000 кг) считались очень большим. В настоящее время колесо с нагрузкой до 130 кН используются во время уборки сахарной свеклы. Современные самоходные цистерны для перевозки суспензий с инъекционным оборудованием с колесными нагрузками 90 - 120 кН используются ранней весной на влажных почвах. Было измерено, при таких нагрузках даже на умеренных сильных почвах уплотнение достигает до 80 см ниже поверхности. Результатом является то, что почва более уплотнена до большей глубины.

    Почти невозможно избежать уплотнения верхнего слоя почвы. С другой стороны, обработка почвы и естественные процессы могут повторно ослабить верхний слой почвы. Уплотнение подпочвы является гораздо более стойким и трудно удаляемым.

Уплотнение подпочвы должно быть предотвращено. Даже на легких почвах, относительно высокая нагрузка колеса возможна при помощи больших шин с низкими давлениями или хорошо разработанными треками. Уплотнение подпочвы во время вспахивания может быть предотвращено при помощи совершенствования систем рулевого управления и приспособлению плугов позволяющих трактору двигаться всеми колесами на необработанной  земле. Кроме того, можно сосредоточить нагрузку колеса на постоянной полосе движения и ограничить уплотнение. Принесенный в жертву участок может быть ограничен при помощи порталов. Однако эти решения используются редко из-за краткосрочных экономических ограничений, недостаточной осведомленности, и халатности, потому что повреждение подпочвы не всегда видно. Также ограниченность знаний и данных о прочности грунта при динамических нагрузках делают предотвращение уплотнения подпочвы затруднительным.