UTILIZATION OF AGRICULTURAL AND FOREST MACHINERYIN RESEARCH AND TEACHING

Transkrypt

1 POLISH ACADEMY OF ARTS AND SCIENCES COMMISSION ON AGRICULTURAL, FORESTRY AND VETERINARY SCIENCES No UTILIZATION OF AGRICULTURAL AND FOREST MACHINERYIN RESEARCH AND TEACHING MONOGRAPH VOLUME 5 KRAKÓW 2015

2 Editorial Board Prof. William R. Allen United Kingdom of Great Britain Prof. Zdzisław Boryczko Poland Prof. Edward Kudlač Czech republic Prof. Valéria Mesingerová Slovak republic Prof. Marian Tischner Poland Prof. Józef Walczyk Poland Prof. Stefan Wierzbowski Poland Scientifie Editor Prof. dr hab. Józef Walczyk Reviewers Prof. dr hab. Piotr Budyn Prof. dr hab. Maria Walczykova Prof. dr hab. Józef Walczyk Prof. dr hab. Piotr Zalewski Dr hab. Krzysztof Słowiński Dr hab. Paweł Tylek Abstracts proofreading in English Agnieszka Gicala Publishing House PAU, ul. Sławkowska Kraków Copyright by Polish Academy of Arts and Sciences Cracow 2015 ISSN Polska Akademia Umiejętności Kraków 2015 Editor sheets.printing sheets Issue 300 copies Oficyna Wydawniczo-Drukarska Secesja Kraków, ul. Sławkowska 17

3 POLISH ACADEMY OF ARTS AND SCIENCES No. 22 COMMISSION ON AGRICULTURAL, FORESTRY AND VETERINARY SCIENCES RETENTION PROPERTIES OF PEAT SUBSTRATE IN HIKO V-120SS AND V-265 NURSERY CONTAINERS 1 Abstract Controlling the plant watering process in container nurseries by using the parameters of water balance may be an important part of the process of seedling cultivation optimisation and of adaptation of the production technology to the requirements of quality nursery stock. One of the elements of the study was to determine the optimal parameters of capillary water capacity of the substrate by selecting the appropriate density of the substrate in selected models of nursery containers of the BCC AB company (Hiko V120SS and V-265). Analysed were: the the volume and the rate of outflow of water from the substrate in nursery containers of the BCC AB technological line. The analysed substrate was peat substrate with an admixture of perlite (5%) of varying density. The study used a specially designed measurement and control unit, consisting of an automatic weather station, a precision laboratory scale of the WLC 10 / A2 type made by the RADWAG company, a system for fixing the production containers, a container to capture the seepage water, a measurement flask as well as a portable computer, which automatically saved the measurements. The results indicated the existence of a relationship between the density of the test peat substrate and its retention properties, and thus the possibility to regulate capillary capacity using this parameter. Keywords: retention, density, water storage capacity, container nursery WŁAŚCIWOŚCI RETENCYJNE SUBSTRATU TORFOWEGO W KONTENERACH SZKÓŁKARSKICH HIKO V-120SS I V-265 Streszczenie Kontrola procesu nawadniania roślin w szkółkach kontenerowych z wykorzystaniem parametrów bilansu wodnego może stanowić ważny element procesu optymalizacji hodowli sadzonek i dostosowania technologii produkcji do wymagań jakościowych materiału szkółkarskiego. Jednym z elementów prowadzonych badań było określenie optymalnych parametrów kapilarnej pojemności wodnej podłoża, poprzez dobór odpowiedniego za- 1 Authors: Mariusz KORMANEK, Grzegorz DURŁO, Krystyna JAGIEŁŁO-LEŃCZUK, Stanisław MAŁEK, Jacek BANACH, Katarzyna DUDEK, Józef BARSZCZ. Agricultural University in Cracow rlkorm@cyf-kr.edu.pl

4 22 M. Kormanek, G. Durło, K. Jagiełło-Leńczuk, S. Małek, J. Banach, K. Dudek, J. Barszcz gęszczenia substratu w wybranych modelach kaset szkółkarskich firmy BCC AB (Hiko V120SS oraz V-265). Oceniono zależność pojemności wodnej od zmian parametrów podłoża szkółkarskiego. Wykonano analizę objętości oraz tempa odpływu wody z podłoża w kasetach szkółkarskich przygotowanych na linii technologicznej BCC AB. Analizowanym podłożem był substrat torfowy z domieszką perlitu (5%) o różnym zagęszczeniu. W badaniach wykorzystano specjalnie w tym celu skonstruowane stanowisko kontrolno- -pomiarowe, składające się z automatycznej stacji meteorologicznej, precyzyjnej wagi laboratoryjnej typu WLC 10/A2 firmy RADWAG, układu do mocowania kaset produkcyjnych, pojemnika do przechwytywania przesączającej się wody, kolby miarowej, a także komputera przenośnego, w którym automatycznie zapisywały się pomiary. Uzyskane wyniki wskazały na istnienie związku między zagęszczeniem badanego substratu torfowego a jego właściwościami retencyjnymi, a tym samym na możliwość kształtowania pojemności kapilarnej przy użyciu tego parametru. Słowa kluczowe: szkółka kontenerowa, retencja, zagęszczenie, pojemność wodna Wstęp Produkcja sadzonek z zakrytym systemem korzeniowym w kontenerach wymaga stosowania specjalnie skomponowanych substratów. Substraty te mają bowiem istotny wpływ na wartość hodowlaną sadzonek [Banach i in. 2013; Bilderback i in. 2005; Szabla i Pabian 2003; Strojny 2003]. Warunkiem udanej produkcji są przede wszystkim właściwości powietrzno-wodne substratu oraz jego skład chemiczny. Substrat odpowiedni do kontenerowej hodowli sadzonek powinien mieć kapilarną pojemność wodną w zakresie 65 75% objętości, pojemność powietrzną w zakresie 20 30% objętości, zaś porowatość ogólną 85 95% [PN-78/G-98016, Strojny 2003, Szabla i Pabian 2003]. Takie parametry substratu umożliwiają systemowi korzeniowemu sadzonki wystarczający dostęp do powietrza, wody oraz składników mineralnych. Innym czynnikiem, poza składem substratu, który może modyfikować stosunki powietrzno wodne, jest jego zagęszczenie (gęstość objętościowa) w poszczególnych celach, związane z objętością podłoża wypełniającego poszczególne cele kontenera szkółkarskiego. Zagęszczenie substratu może wpływać również na czas, w którym woda może w celach być zatrzymywana w podłożu. Im więcej wody i im dłużej woda pozostanie w celach (mniej jej przesiąknie przez substrat), tym mniejsze będzie zapotrzebowanie na wodę, która może być dostarczana wskutek naturalnego opadu lub sztucznie przez system nawadniania. W celu określenia właściwości powietrzno-wodnych substratu wykonuje się analizę według normy PN-EN 13041, jednak ta metoda nie jest doskonała. Komórki w kontenerze mają z reguły różną objętość i kształt, zwężają się ku dołowi i mogą mieć różny przekrój, np. kołowy, czworokątny lub wielokątny. Przy wyznaczaniu właściwości fizycznych substratu zwykle nie bierze się także pod uwagę różnego poziomu jego zagęszczenia w poszczególnych celach. Według zaleceń zawartych w tej normie odsączanie wody z podłoża odbywa się po ustawieniu cylindrów na piasku, z dodatkowo umieszczoną od spodu cylindra bibułą filtracyjną, co może wpłynąć na proces od-

5 Retention properties of peat substrate in Hiko V-120SS and V-265 nursery containers 23 sączania wody. To zjawisko nie występuje naturalnie na polach produkcyjnych, gdyż kontenery szkółkarskie nie mają kontaktu z podłożem, ponieważ są ustawione na metalowym stelażu. W literaturze fachowej związanej z tym zagadnieniem nie znaleziono informacji dotyczących wyznaczania krzywych przebiegu odsączania wody z podłoża znajdującego się w kontenerach szkółkarskich. W związku z tym jako cel badań przyjęto wyznaczenie parametrów fizycznych charakteryzujących podłoże najczęściej stosowane w szkółkach kontenerowych, tj. torfu z domieszką perlitu (5%) oraz wykreślenie krzywych odsączania wody z tego podłoża, ale zagęszczanego w różnym zakresie. Do badań wykorzystano szwedzkie kontenery Hiko V-120SS oraz V-265. Materiały i metody Kontenery szkółkarskie napełniono podłożem na automatycznej linii szwedzkiej firmy BCC AB, przystosowanej do pracy z substratem torfowym. W badaniach zastosowano dwa typy kontenerów: Hiko V120SS z 40 celami, każda o pojemności 120 cm 3 (wysokość 10,9, długość 35,2 i szerokość 21,6 cm) oraz Hiko V265 z 28 celami o objętości 265 cm 3 (wysokość 15,0, długość 35,2 cm, szerokość 21,6 cm) (ryc. 1). Napełnianie kontenerów substratem na linii technologicznej odbywało się w module napełniającym (ryc. 2) zaś zagęszczenie substratu w poszczególnych celach reguluje się przez [Instrukcja obsługi ]: a) ustawienie wysokości zespołu palców zagęszczających z tworzywa dociskających substrat, względem górnej płaszczyzny kontenera, b) wybór liczby dociśnięć palców zagęszczających (pojedyncze lub podwójne), który odbywa się w sterowniku linii dla tego modułu, c) zmianę prędkości przesuwu kontenerów w module podającym poprzez zmianę nastaw zaworów zwrotnych podawacza, d) zmianę intensywności wibrowania stołu wibracyjnego, po którym przesuwa się taśmociąg z kontenerami w module napełniającym pokrętłem na tablicy sterowniczej linii. a b Ryc. 1. Kasety Hiko V-120SS (a), V-265 (b), wykorzystane w badaniach (źródło: bccab.com)

6 24 M. Kormanek, G. Durło, K. Jagiełło-Leńczuk, S. Małek, J. Banach, K. Dudek, J. Barszcz Ryc. 2. Moduł napełniający substratem kontenery szkółkarskie na linii BCC AB, stosowanej w Gospodarstwie Szkółkarskim Nędza (fot. M. Kormanek) W badaniach wykorzystano dwa sposoby regulacji modułu, tj. wysokość położenia zespołu zagęszczającego oraz liczbę ruchów wykonywanych przez palce zagęszczające. Nie uwzględniono zmiany (zwiększania) intensywności wibrowania, jak również wzrostu szybkości przemieszczania się kontenerów po stole wibracyjnym, gdyż znacznie wydłużyłoby to czas napełniania kontenerów, a tym samym obniżyło wydajność linii. Doświadczenie wykonano stosując kombinację różnych położeń zespołu zagęszczającego, tj.: a) standardowe ustawienie stosowne w obiekcie szkółkarskim przy napełnianiu kaset kontenerów oznaczenie ST, b) obniżony zespół zagęszczający o 1 cm, dla kasety 120 cm 3 i 1,25 cm, dla kasety 265 cm 3 OB1, c) obniżony zespół zagęszczający o 2 cm dla kasety 120 cm 3 i 2,5 cm dla kasety 265 cm 3 OB2, jak również zmieniając liczbę ruchów wykonanych przez zestaw palców zagęszczających, tj.: a) z pojedynczym ruchem P1, b) z podwójnym ruchem P2.

7 Retention properties of peat substrate in Hiko V-120SS and V-265 nursery containers 25 Ryc. 3. Schemat stanowiska pomiarowego: 1 podstawa wagi, 2 podstawa kuwety, 3 waga laboratoryjna WLC 10/A2, 4 stelaż mocowania kontenera szkółkarskiego, 5 kuweta zbierająca odsącz, 6 kontener, 7 przewód odpływowy, 8 cylinder do pomiaru odsączu Uzyskano łącznie 6 kombinacji (STP1; STP2; OB1P1; OB1P2; OB2P1; OB2P2) różnych ustawień zespołu do napełnienia kontenerów, co pozwoliło przygotować sześć różnych wariantów zagęszczenia substratu. Dla każdego wariantu zastosowano dwa powtórzenia (I i II), czyli razem przygotowano 24 kontenery, tj. po 12 dla V-120SS i V-265. Cały materiał doświadczalny przygotowano w hali technologicznej Gospodarstwa Szkółkarskiego Nędza w Nadleśnictwie Rudy Raciborskie (RDLP Katowice). Dla wszystkich wariantów w pierwszym powtórzeniu (I) dla obydwu typów kaset, wykonano pomiar przesączania się wody przez substrat i wyznaczano czas, po którym nastąpiło odsączenie wody grawitacyjnej. Odsączanie wody z substratu wypełniającego kontenery wykonano po wcześniejszym jego maksymalnym nasączeniu w celu wyrównania poziomu wilgotności we wszystkich celach. Nasączanie odbywało się w pojemnikach z wodą i trwało 12 godzin. Pomiary wykonano na specjalnie skonstruowanym stanowisku roboczym (ryc. 3), które składało się z dwuczęściowego, aluminiowego statywu, umieszczonego na szali wagi laboratoryjnej. Pod kontenerem zamocowano kuwetę z tworzywa sztucznego, wyposażoną w odpływ o średnicy 3 mm. Taka konstrukcja statywu pozwoliła na uniezależnienie wskazań wagi od zmian ciężaru kuwety. Woda odprowadzana była za pomocą silikonowo-kauczukowego drenu do laboratoryjnej menzurki pomiarowej o objętości 500 cm 3. Na stanowisku ustawiono wagę WLC 10/A2 firmy Radwag, o zakresie pomiaru do 10 kg i dokładności do ±0,1 g. Ten model wyposażony jest w interfejs szeregowy typu RS232, co umożliwiło transfer danych pomiaro-

8 26 M. Kormanek, G. Durło, K. Jagiełło-Leńczuk, S. Małek, J. Banach, K. Dudek, J. Barszcz wych do komputera, który odbywał się w czasie rzeczywistym. Wstępną analizę danych prowadzono w programie POMIAR-WIN wersja 1.0 firmy Radwag. Program pozwala na odczyt wskazań wagi zgodnie z zadanym krokiem czasowym. W trakcie pomiarów zastosowano 10 -sekundowe interwał pomiarowy. Za moment całkowitego odsączenia się wody grawitacyjnej przyjęto moment ustabilizowania się wskazań wagi. Jeżeli w ciągu więcej niż 2 minuty nie zanotowano zmiany wskazania o 0,1 g, uznawano, że woda z dolnej części cel odsączyła się całkowicie [Maciak i Liwski 1995]. Substrat w kontenerach przygotowany w drugim powtórzeniu (II) również zanurzono w pojemnikach z wodą, a następnie odsączano przez czas wyznaczony w trakcie pomiarów dla I powtórzenia. Następnie pobierano substrat z każdej celi w celu określenia jego masy. W dalszej kolejności substrat suszono w temperaturze 105 C przez 24 godzin i ponownie zważono. Na losowo wybranych próbkach substratu, po ich wcześniejszym zmieleniu, określono gęstość fazy stałej D (g cm 3 ) na podstawie różnicy masy wody z substratem i masy wody, w znanej objętości. Na podstawie uzyskanych wyników wyliczono porowatość ogólną P (%), kapilarną pojemność wodną w % objętości P WKV (%) oraz niekapilarną pojemność wodną w % objętości P WNV, równą pojemności powietrznej w % objętości P p (%) [Oleksynowa i in. 1993]. Wyniki Przykładowe krzywe odsączania wody z substratu w kasetach V-120SS i V-265 dla wariantu STP1 przedstawiono na rycinie 4. Spadek masy okazał się bardzo wyraźny w ciągu pierwszych dwóch minut, a następnie zmiany były niewielkie. Proces odsączania wody grawitacyjnej, polegający na ustabilizowaniu wagi kontenera z substratem, w zależności od wariantu pomiarowego trwał od 21,9 do 24,5 minuty modelu V-120SS i od 20,0 do 22,4 minuty dla V-265 (ryc. 5). Wartości te były zbliżone dla analizowanych wariantów zagęszczania, szczególnie jeśli chodzi o substrat wypełniający kontener V-265. Przy porównaniu parametrów fizycznych substratu dla obydwu typów kontenerów najwyższa wartość kapilarnej pojemności wodnej P WKV wystąpiła dla wariantu OB1P2, czyli przy obniżeniu modułu zagęszczającego o 1 cm dla kaset V-120SS, i o 1,25 cm dla kaset V-265 oraz przy podwójnym ruchu palców zagęszczających. Wartość P WKV kształtowała się odpowiednio 67,7 oraz 66,53%, przy zalecanym poziomie od 65 do 75%. Wysoka wartość tego parametru spowodowała spadek niekapilarnej pojemności wodnej P WNV, równej pojemności powietrznej P p do poziomu 23,1 (V-120SS) i 25,1% (V-265), przy zalecany poziomie od 20 do 30% (ryc. 5, tab. 1). Dalsze obniżanie układu zagęszczającego do wariantu OB2 spowodowało obniżenie się kapilarnej pojemności wodnej. W tym wariancie wystąpił także znaczny przyrost masy substratu (dla OB2P2 o 121,4% dla V 120SS i 125,8 dla V 265) potrzebnego do napełnienia pojedynczych cel w kontenerach, co zwiększa koszty produkcji.

9 Retention properties of peat substrate in Hiko V-120SS and V-265 nursery containers 27 Ryc. 4. Przykładowy przebieg odsączania wody z substratu w kontenerach V-120SS i V-265 dla wariantu STP1 Ryc. 5. Czas potrzeby na odsączenie wody grawitacyjnej z substratu w kasetach V-120SS i V-265

10 28 M. Kormanek, G. Durło, K. Jagiełło-Leńczuk, S. Małek, J. Banach, K. Dudek, J. Barszcz Ryc. 6. Zmiana pojemności wodnej substratu w kasetach V-120SS i V-265 w zależności od wariantu doświadczalnego Tabela. 1. Wartości analizowanych parametrów fizycznych substratu w kasetach V-120 i V-265 w zależności od wariantu doświadczalnego Wariant doświadczalny Porowatość ogólna P (%) Gęstość objętościowa D 2 (g cm 3 ) Substrat w komórce (%) Kapilarna pojemność wodna P WKV (%) Niekapilarna pojemność wodna P WNV (%) Kaseta V-120 STP , STP , OB1P , OB1P , OB2P , OB2P , Kaseta V-265 STP , STP , OB1P , OB1P , OB2P , OB2P ,

11 Retention properties of peat substrate in Hiko V-120SS and V-265 nursery containers 29 Podsumowanie i wnioski Nawadnianie sadzonek na polach produkcyjnych w szkółce kontenerowej wymaga szczególnej uwagi, gdyż substrat stosowany do napełniania kontenerów charakteryzuje się stosunkowo małą kapilarną pojemność wodną, przy jednocześnie znacznej pojemności powietrznej [Szabla i Pabian 2003]. Ustalenie wszystkich składowych bilansu wodnego wymaga zatem ciągłej kontroli parametrów związanych między innymi z wielkością intercepcji oraz tempem przesychania substratu. Rezultaty uzyskane w niniejszej pracy w dużej mierze odpowiadają na aktualne problemy związane z kontenerową technologią produkcji sadzonek, co więcej wprowadzają istotny element do optymalizacji wykorzystania wody, jakim jest wielkość przesiąku, co pozwala na ocenę strat wynikających z możliwości retencyjnych układu. Analiza uzyskanych danych pomiarowych wykazała, że czasy odsączania wody grawitacyjnej przy zmianie zagęszczenia były bardzo zbliżony do siebie. Dla kontenerów V-120SS kształtował się w zakresie od 21,9 do 24,5 minuty, zaś dla modelu V-256 wyniósł od 20,0 do 22,4 minuty. Wraz z obniżaniem zespołu zagęszczającego oraz zwiększaniem liczby ruchów palców zagęszczających, następował przyrost zwięzłości substratu w celach w obydwu typach kontenerów, przy czym w kasecie V-120SS przyrosty zwięzłości były wyższe. Uzyskane rezultaty wskazały, że najwyższy poziom wilgotności po odsączeniu się wody grawitacyjnej utrzymywał się niezależnie od typu kontenera w wariancie oznaczonym symbolem OB1P2. Zarówno kapilarna, jak i niekapilarna pojemność wodna przyjmowały w tym wariancie wartości optymalne. W celu uzyskania optymalnych parametrów powietrzno-wodnych substratu moduł zagęszczający na linii BCC AB przy napełnianiu kontenerów V-120SS należałoby obniżyć w stosunku do standardowego (ST) o 1 cm i o 1,25 cm dla V-265 oraz dla obydwu typów kontenerów zastosować podwójny ruch palców zagęszczających. Wielu badaczy zajmowało się wpływem zagęszczenia podłoży szkółkarskich na wzrost sadzonek gatunków drzew leśnych. Między innymi Zahreddine i in. [2004] zauważyli, że czasem konieczne jest zwiększanie zagęszczenia podłoża, aby uzyskać sadzonki o lepszych parametrach. Ten wniosek sformułowali na podstawie badań, w których sucha masa sadzonek sosny czarnej rosnącej na podłożu zagęszczanym (przedział od 0,71 do 1,01 g cm 3 ) była większa w porównaniu do substratu niezagęszczonego. Podobnie Kormanek i in. [2013] wykazali, że wraz ze wzrostem zagęszczenia substratu torfowego sadzonki sosny zwyczajnej były wprawdzie mniejsze, ale zwiększała się ich sucha masa oraz grubość w szyjce korzeniowej. Z kolei Maupin i Struve [1997] stwierdzili, że istnieje pewna graniczna wartość zagęszczenia (1,75 g cm 3 ), powyżej której u sadzonek dębu czerwonego następowało ograniczenie wzrostu. Zbliżoną wartość progową (1,7 g cm 3 ) uzyskali Conlin i van den Driessche [1996] dla sadzonek Pinus contorta. Wyniki uzyskane w prezentowanych badaniach wskazały na istotny wpływ zagęszczenia podłoża szkółkarskiego na proces zatrzymywania wody przez substrat tor-

12 30 M. Kormanek, G. Durło, K. Jagiełło-Leńczuk, S. Małek, J. Banach, K. Dudek, J. Barszcz fowy, który jest stosowany najczęściej w kontenerowej produkcji sadzonek gatunków liściastych i iglastych. Ten rezultat może być wytłumaczeniem odmiennego wzrostu sadzonek gatunków drzew rosnących na podłożach szkółkarskich o różnym poziomie zagęszczenia, uzyskanych w badaniach cytowanych powyżej, w których nie analizowano tego parametru. Źródło finansowania Badania zostały wykonane w ramach tematu Optymalizacja produkcji sadzonek z zakrytym systemem korzeniowym w wybranych szkółkach kontenerowych (temat nr ER /14) finansowanego przez Państwowe Gospodarstwo Leśne Lasy Państwowe. Literatura Conlin T.S.S., van den Driessche R Short term effects of soil compaction on growth of Pinus contorta seedlings. Canadian Journal of Forest Research, 26: Instrukcja obsługi napełniacza substratu BCC Wydawnictwo BCC AB Landskrona. s. 15. Kormanek M., Banach J., Ryba M Wpływ zagęszczenia podłoża w kontenerach szkółkarskich na parametry wzrostowe sadzonek sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.). Leśne Prace Badawcze, 74 (4): Maciak F., Liwski S Ćwiczenia z torfoznawstwa. Wydawnictwo SGGW. s Maupin C., Struve D.K Red oak transplanting to different bulk density soils have similar water use characteristics. Journal of Arboriculture, 23: Oleksynowa K., Tokaj J., Jakubiec J., Przewodnik do ćwiczeń z gleboznawstwa i geologii. Wydawnictwo AR Kraków. s PN EN 13041: Środki poprawiające glebę i podłoża uprawowe. Oznaczanie właściwości fizycznych. Gęstość objętościowa suchej próbki, pojemność powietrzna, pojemność wodna, kurczliwość i porowatość ogólna. Polski Komitet Normalizacyjny. PN 78/G 98016: Torf ogrodniczy. Polski Komitet Normalizacyjny. Strojny Z Podłoże w pojemnikowej produkcji szkółkarskiej. Szkółkarstwo, 4: Szabla K., Pabian R Szkółkarstwo kontenerowe. Nowe technologie i techniki w szkółkarstwie leśnym. Centrum Informacyjne Lasów Państwowych. s Zahreddine, H.G., D.K Struve, Quigley M Growing Pinus nigra seedlings in Spinout-treated containers reduces root malformation and increases regrowth potential. Journal of Environmental Horticulture, 22: