Maan kunto talvella – mukaan lukien jäätymis-sulamissyklit ja lämpötilavaihtelut eri syvyyksissä – vaikuttaa merkittävästi talvehtivien viljelykasvien selviytymiseen. Ne vaikuttavat mm. juuriston mekaanisiin vaurioihin, tuholaisten ja tautien eloonjääntiin, ravinteiden pidättymiseen ja huuhtoutumiseen sekä eroosioprosesseihin.
Tekijät, jotka vaikuttavat maan jäätymisprosessiin
Maan ja maaperän jäätymiseen vaikuttavat ensisijaisesti seuraavat tekijät:
- Ulkolämpötila
- Lumipeitteen olemassaolo tai puuttuminen
- Maaperän koostumus
- Maan kosteuspitoisuus ennen jäätymistä
Fyysiset prosessit maan jäätyessä
Veden jäätyminen on hyvin paljon tutkittu fysikaalinen ilmiö. Jäätymisen aikana veden molekyylien liike-energia vähenee niin paljon, että molekyylivoimat voittavat niiden liikkeen ja muodostavat jäykän kiteisen rakenteen. Jään muodostuessa molekyylien keskimääräinen etäisyys kasvaa, mikä johtaa jään alhaisempaan tiheyteen verrattuna nestemäiseen veteen – tästä syystä jää kelluu veden pinnalla. Tämä prosessi tapahtuu tarkasti 0 °C:ssa ja on jyrkkä olomuodon muutos nestemäisestä kiinteäksi.
Jäätyminen ja sulaminen ovat erittäin energiaintensiivisiä prosesseja – veden jähmettymisen/sulamisen latenttilämpö on 330 000 kJ/kg, kun taas veden ominaislämpökapasiteetti on 4180 J/kg°C. Jään lämpötila alkaa laskea alle 0 °C vasta, kun kaikki vesi on jäätynyt.
Maaperässä jäätymisprosessi on monimutkaisempi, koska kaikki vesi ei ole vapaata. Raskaammat, enemmän savea sisältävät maat sisältävät enemmän sitoutunutta vettä, jonka jäätyminen eroaa vapaan veden jäätymisestä. Käytännössä tämä tarkoittaa, että savipitoiset maat jäätyvät hitaammin ja jonkin verran vettä pysyy sulana kaikissa maatyypeissä koko talven ajan.
Paul-Techin mittaukset ja havainnot
Paul-Techin laaja talvikauden maaperädata tarjoaa arvokkaita näkemyksiä maan käyttäytymisestä talven aikana. Pitkäaikaiset mittauksemme paljastavat toistuvia kaavoja eri maatyypeissä. Tyypillisesti maa on kyllästetty vedellä ennen jäätymistä syksyllä, ja tämän suuren vesimäärän jäätyminen vaatii runsaasti energiaa. Koska veden jäätymislatenttilämpö on korkea, maaperän vesi toimii lämpötilapuskurina noin 0 °C:ssa. Pääasiassa routa-alueilla on havaittu seuraavia yleisiä trendejä:
Lämpötilat 8 cm ja 20 cm syvyydessä pysyvät noin 0 °C:ssa koko talven ajan, koska veden korkea jäätymispiste vaimentaa lämpötilavaihteluita. Tämä herättää kysymyksiä tuholaisten tuhoutumisen todennäköisyydestä talvipakkasten seurauksena.
Useita jäätymis-sulamissyklejä tapahtuu talven aikana, erityisesti 8 cm syvyydellä. Nämä syklit eivät merkittävästi muuta maaperän lämpötilaa, mutta voivat aiheuttaa roustetta, mikä voi vahingoittaa kasvien juuristoa. Näiden syklien aikana vesi käy läpi olomuodon muutoksia nestemäisestä kiinteäksi ja takaisin.
Maaperän lämpötila laskee alle 0 °C vain silloin, kun maa on laajalti jäätynyt. Tässäkin tapauksessa ilman lumipeitettä 8 cm syvyydessä mitattu minimilämpötila on ollut noin -4 °C.
Lumen peittäessä maan se pysyy sulana, säilyttäen 0–1 °C lämpötilan.
Tarkka arvio maan tilasta
Paras tapa määrittää, onko maaperä jäässä vai sulana, on tarkastella Paul-Techin ”saatavuus” lukemia (j), jotka perustuvat maaperän sähkönjohtavuuden suoriin mittauksiin, sekä maan vesipitoisuuskaavioita. Nämä mittaukset auttavat myös arvioimaan, kuinka suuri osa vedestä on jäätymätöntä maaperässä. Pelkkä maaperän lämpötilan mittaaminen ei anna kattavaa kuvaa maan tilasta.
Talvikauden aikana sähkönjohtavuuden ja maaperän vesipitoisuuden vaihtelut johtuvat osittaisesta veden jäätymisestä, eivätkä merkittävistä muutoksista maan kosteudessa tai johtavuudessa. Rousteen (juurivaurioiden) riski on suurempi hietamaissa, joissa on kosteutta ennen jäätymistä, ja alueilla, joissa esiintyy keväällä runsaasti jäätymis-sulamissyklejä.
Lumen peittämättömillä mailla lämpötilagradientti pinnasta 8 cm syvyyteen on lineaarinen. Esimerkiksi, jos ilman lämpötila on -10 °C, 8 cm syvyydessä lämpötila on 0 °C, ja maa on suurelta osin jäätynyt. 4 cm syvyydessä maan lämpötila olisi tällöin noin -4 °C.
Paul-Techin mittauksia hyödyntämällä viljelijät voivat ymmärtää paremmin maaperän käyttäytymistä talvella ja tehdä parempia päätöksiä viljelykasvien hallinnasta ja maaperän terveydestä.