Kontrollü Trafik Uygulanan Tarlalarda Toprak SıkıĢmasının Ölçümü için Traktöre Asılabilen Toprak Penetrometresinin GeliĢtirilmesi Mahdi AHANI 1, Ömer ERTUĞRUL, Sina HAGHIGHAT SHISHVAN 1 Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Tarım Makinaları Anabilim Dalı, Bornova-Ġzmir ahani_mahdi@yahoo.com ÖZET: Toprak sıkıģması veya taban taģı dünyanın pek çok yerinde önemli bir sorundur. Tekerleğin sıkıģtırma etkisi sonucu toprağın yapısal olarak bozulması ürün geliģimine ve kök büyümesine olumsuz yönde etki etmektedir. Kontrollü trafik, ürün alanları ile trafik alanlarının birbirinden ayrılmasını sağlayan bir toprak sıkıģması yönetimi yöntemidir. Bu amaçla kullanılan ölçüm sistemleri kontrollü trafik alanlarının koģullarına uygun olmalıdır. SıkıĢmıĢ katmanın yeri, görsel belirleme, hacim ağırlık ölçümleri, toprak radarları veya toprak penetrometreleri yardımıyla belirlenebilir. Bu yöntemler arasında, toprak penetrometreleri ile yapılan ölçümler çabuk, kolay ve tutarlı sonuçlar verdiğinden daha çok tercih edilmektedir. Bu çalıģmada, traktöre asılabilen altı ayarlanabilir penetrometre çubuğu ile donatılmıģ bir penetrometre tasarlanmıģ, üretilmiģ ve toprağın dayanıklılık profilini ortaya koymak amacıyla denemeleri gerçekleģtirilmiģtir. Anızlı ve pullukla sürülmüģ alanlarda sulama öncesi ve sonrası gerçekleģtirilen denemelerde traktöre asılabilen toprak penetrometresi, bir el penetrometresi ile karģılaģtırılmıģtır. Her iki penetrometreden elde edilen veriler arasındaki tahminleme katsayısı anızlı ve pullukla sürümüģ toprak için sırasıyla, R 2 = 0.97 ve R 2 = 0.96 (sulama öncesi) ve R 2 = 0.96 ve R 2 = 0.94 (sulama sonrası) olarak bulunmuģtur. Ayrıca her iki penetrometreden dört koģulda da elde edilen koni indeks verileri arasında önemli bir fark görülmemektedir (p %5). Sonuç olarak, geliģtirmesi yapılan traktöre asılabilen toprak penetrometresinin, toprak sıkıģmasının belirlenmesinde, özellikle kontrollü trafik uygulanan tarım alanlarında kullanılabileceği söylenebilir. Anahtar kelimeler: Toprak sıkıģması, Kontrollü trafik, traktöre asılabilen penetrometre Development of a Tractor-Mounted Soil Cone Penetrometer to Measuring Soil Strength on Controlled Traffic Fields Abstract: Soil compaction or hardpan is a significant problem in many soils in the world. Soil structural deterioration from wheel compaction can adversely affect crop developement and root growth. Controlled traffic is a compaction management method, which permanently separates traffic zones and crop zones within a field. Accordingly sampling systems that are used in controlled traffic fields, must be mached with conditions of the fields. The location of the compacted layer has been quantified by using visual observations, bulk density measurements, ground penetrating radars, and soil cone penetrometers. Among these methods, soil cone penetrometers are mostly accepted method since they give a quick, easy and accurate assessment of the soil compaction. In this study, a tractor-mounted soil cone penetrometer with six adjustable-probes designed, constructed and used to determine soil strength profiles quickly and easily. The tractor-mounted soil cone penetrometer tested and evaluated in comparison with a hand pushed penetrometer. The penetration tests were carried out on plowed and stubbly soils, by both mentioned systems. Coefficient of determination between tractor-mounted soil cone penetrometer data and hand pushed penetrometer data was determined to be R 2 = 0.97 and R 2 = 0.96 (before irrigation) and R 2 = 0.96 and R 2 = 0.94 (next of irrigation), for stubbly and plowed soil respectively. Also, the cone index data obtained from both mentioned penetrometer were not significant on both soil at confidence level of 5%. So, tractor-mounted soil cone penetrometer could use in numerous studies especially for obtaining soil strength information on controlled traffic fields. Keywords: Soil compaction, Controlled traffic, Tractor-mounted penetrometer GĠRĠġ Tarımsal üretim, tarlada kullanılan araçların trafiği ile yakından ilgilidir. Tarımda kullanılan traktör ve biçerdöverlerin tekerlekleri, hayvanlar ve toprak iģleme aletleri, uyguladıkları dıģ kuvvetlerle toprağı bastırmakta ve sıkıģtırmaktadırlar. Bu kuvvetler, toprak mukavemeti (penetrasyon direnci), hacim ağırlığı, gözeneklilik ve gözenek boyutu gibi fiziksel özellikleri 199
etkilemektedir (Anonim, 1994). Toprakta sıkıģma sonucu, penetrasyon direnci ve hacim ağırlığı artmakta, gözeneklilik oranı, hava ve su hareketini büyük oranda sağlayan makro gözeneklerin boyutları küçülmektedir. Tarla trafiği, özellikle giderek artan traktör ve biçerdöver ağırlıkları nedeniyle tüm dünyada toprağı sıkıģtıran en önemli etken haline gelmiģtir (Porterfield and Carpenter, 1986). Toprak sıkıģması ile ilgili en önemli endiģe, sıkıģmanın verime olan etkisidir (Vorhees et al., 1985). Artan sıkıģma ile beraber toprağın havalanması, infiltrasyon hızı ve özellikle bitki köklerinin geliģmesi azalmaktadır. Tohum yatağı hazırlığı ile bitkinin iyi geliģeceği uygun bir toprak ortamı hazırlanırken, sıkıģma durumu mutlaka göz önünde bulundurulmalı, sıkıģmayı azaltacak tedbirler alınmalıdır. Toprak sıkıģması kontrol ve belirleme yöntemleri, giderek geliģtirilmektedir. Dünya çapında toprak sıkıģması kontrolü ve azalması için geliģtirilen yeni stratejilerden birisi kontrollü tarla trafiği uygulama yöntemidir (Monroe et al., 1989; Schafer et al., 1992). Kontrollü trafik, trafik Ģeritlerini ve ürün yetiģtirilen alanları (tohum yatağını) birbirinden belirgin bir Ģekilde ayıran bir yöntemdir. Kontrollü trafik yönteminde, trafik Ģeritleri üzerinde sert bir zemin oluģmakta, ekim ve hasat iģlemlerinde zamanlılık oranı ve çeki etkinliği artırılmakta, yakıt tüketimi azaltılmaktadır. Bitki yetiģen alanlarda ise tekerleklerin sıkıģtırma etkisinin yok edilmesi nedeniyle infiltrasyon artmakta, kök geliģimi olumlu etkilenmekte ve bitkilerin besin maddelerinden yararlanma oranı ile verim artmaktadır. Bununla beraber kontrollü trafik uygulanan tarlalarda toprak sıkıģıklığını ölçmek için cihazlar geliģtirilmelidir. Toprak sıkıģmasının ölçme cihazları arasında toprak penetrometresi, doğru veriler verdiği ve kolayca kullanılabileceği için daha fazla tercih edilmektedir (Clark, R.L. 1999). Toprak sertliğini belirlemede kullanılan koni indeksi Toprak Penetrometresi ile ölçülür. Traktöre bağlanabilen toprak penetrometreleri hidrolik ve elektriksel gücü kullandığından, toprağa batma derinliğinin yüksek olması, sert topraklarda kullanılabilmesi ve standart bir batma hızı uygulanabilmesi nedeniyle el penetrometrelerine göre daha elveriģlidir (Wilford et al., 1972). Kontrollü trafik uygulanan tarlalarda toprak sertliğini doğru ve kısa sürede ölçmek için, özellikle toprak sertliğinin yüksek olduğu koģullarda, çoklu ayarlanabilir penetrometre çubukları ile donatılmıģ, traktörün iz geniģliğine uyumlu olan bir toprak penetrometresi gerekmektedir. Bu geliģtirilmiģ alet ile tarlada bitki sıralarına zarar vermeden toprağın penetrasyon direncini kolayca ölçmek mümkün olacaktır. MATERYAL ve YÖNTEM Kontrollü trafik koģullarında çalıģabilecek Ģekilde dizayn edilen penetrometre cihazı; mekanik, hidrolik ve elektronik olmak üzere üç kısımdan oluģmaktadır. GeliĢtirilen cihaz (ġekil 1) ile toprağın penetrasyon direncinin aynı anda altı noktada ve 45 cm derinliğe kadar elde edilmesi sağlanmaktadır. ġekil 1. Penetrometre genel görünüģü Mekanik kısım ġekil 2 de görüldüğü gibi çatı, penetrometre çubukları, koni uçlar, taģıyıcı ve üçnokta askı düzeninden oluģmaktadır. TaĢıyıcı bir taraftan penetrometre çubuklarına ve diğer taraftan çift etkili hidrolik silindire bağlıdır. Çatının tasarımı ve imal edilmesinde kategori 2 traktörlerinin üç-nokta askı sistemi (cihazın taģıması için), penetrometre çubuklarının uzunluğu, taģıyıcı ve eklenen parçaların boyutu ve traktörün iz geniģliği dikkate alınmıģtır. Çatının genel boyutları yükseklik, geniģlik ve derinlik 200
olarak 190 * 140 * 70 cm dir. Penetrometre çubuklarının 100 cm lik bir mesafede, ekim sıraları üzerinde 10 cm lik aralıklarla ölçüm yapabilecek Ģekilde ayarlanabilir olmak üzere taģıyıcının tasarımı yapılmıģtır (ġekil 3). Penetrometre çubukları ve konilerin tasarımı ASAE standartlarına göre yapılmıģ olup 30 0 uç açılı, 120 ve 323 mm 2 taban alanlı (toprağın sertliğine bağlı olarak) konik bir uca sahiptir (ASAE Standard 2001). etkili silindirin üst ya da alt kısmına gönderilir. Toprağa batma kuvvetinin ayarlanması için basınç kontrol valfi, standart sabit hızı (30mms -1 ) sağlamak için akıģ kontrol valfi kullanılmaktadır. Hidrolik yağ akıģının sağlandığı hortumlar, uçlarındaki hızlı kavrama ile traktör arasındaki hidrolik güç çıkıģ prizlerine kolayca takılıp sökülebilmektedir. TaĢıyıcı Ayarlanabilir profiller ġekil 3. TaĢıyıcı yapı görünüģü Trafik Ģeritleri Hidrolik silindir Üç nokta-askı sistemi Penetrometre çubukları ġekil 2. Penetrometre Ģematik görünüģü Penetrometre batma hızı 30 mm s -1 dir (Anonim,1994: ASAE Standard 2001). Koni indeksi, konik ucun toprağa batırılması sırasında toprağın gösterdiği direnç kuvvetinin koni taban alanına bölünmesi ile hesaplanmaktadır. Penetrometre çubuklarının aģağı yukarı hareketini ve toprağa batmasını sağlamak için Massey Ferguson 285 model traktörün hidrolik sisteminde yer alan, çift etkili ve 50 cm lik kursa sahip olan bir hidrolik silindir kullanılmaktadır. Traktörün hidrolik sisteminin üstünde bulunan yön kontrol valfi ile basınçlı yağ, isteğe bağlı olarak, çift Elektronik kısmı çubuklara bağlı olan kuvvet ölçerler, derinlik ölçer ve veri toplama (sinyal iģleme ve değerlendirme) birimlerinden oluģmaktadır. Dikey olarak yerleģtirilmiģ olan kuvvet ölçerler ile toprağın direnç kuvveti ölçülmektedir. Bu kuvvet ölçerler bir taraftan taģıyıcıya ve diğer taraftan penetrometre çubuklarına bağlıdır. S tipi DBBP-1000 model kuvvet ölçerler 1000 N a kadar çeki veya basıyı ölçebilmektedir. Penetrometre ucunun toprağa batma derinliğini ölçmek amacıyla DP-500D model (LVDT yöntemine dayanan) 0-50 cm uzama aralığında çalıģan bir derinlik ölçer kullanılmıģtır. Sinyal iģleme ve değerlendirme ünitesi olarak Data Taker firmasının ürettiği DT800 veri toplama ve kontrol sistemi kullanılmıģtır. Sinyal iģleme değerlendirme ünitesinin çalıģmasında firma tarafından uygulanmıģ program kullanılarak strateji oluģturulmuģ ve verilerin hangi sırada okunarak depolanacağı kontrol edilmiģtir. Derinlik ölçer ve kuvvet ölçerlerden gelen sinyaller, veri depolama ünitesi ve ona bağlı olan bilgisayar ile traktör kabininin içinde değerlendirilebilmektedir. Denemeler iki farklı toprak koģulunda (anızlı ve pullukla sürülmüģ) ve iki farklı nemde (sulamadan önce ve sulamadan sonra) gerçekleģtirilmiģtir. Sulamadan önce anızlı ve pullukla sürülmüģ alandaki farklı derinliklerde(10, 20, 30 ve 40 cm) yapılan ölçümlerden elde edilen ortalama nem düzeyleri sırasıyla % 9.2 ve % 8.45 iken sulama sonrası nem 201
düzeyleri % 21.2 ve 18.41 e yükselmiģtir. 45 cm derinlikte gerçekleģtirilen, traktöre asılabilen penetrometre ve Rimik CP40II model el penetrometresinin kullanıldığı denemeler sonucu elde edilen veriler T-test istatistiksel analiz yöntemi kullanılarak, karģılaģtırılmıģtır. SONUÇLAR ve TARTIġMA Denemelerden elde edilen verilerin analizi ve el penetrometresi ile traktöre bağlanabilen penetrometrenin koni indekslerinin iliģkisine (korelasyonuna) ait incelemelerde elde edilen sonuçlar: Anızlı toprakta sulamadan önce ve sulamadan sonra sırasıyla R 2 =0.97 ve R 2 =0.96 Pullukla sürülmüģ toprakta sulamadan önce ve sulamadan sonra sırasıyla R 2 =0.96 ve R 2 =0.94 T-test istatistiksel analiz sonucunda %5 önem düzeyinde her dört koģulda da el penetrometresi ile traktöre bağlanan penetrometre koni indekslerinin arasında önemli fark görülememiģtir (ġekil 4).t-testi sonuçları anızlı toprakta, sulamadan sonra yapılan deneme için Çizelge 1 de gösterilmektedir. Diğer koģullar için de benzer sonuçlar bulunmuģtur. Ayrıca %1 önem düzeyinde de fark görülmemiģtir. Çizelge 1. Anızlı Toprak Sulama Sonrası (% 21,2 toprak neminde) t-testi sonuçları grubun ortalama değerlerinden elde edilmiģtir. Toprak denemelerinde toprak koģullarının zamana bağlı değiģimleri nedeniyle denemelerin hızlı bir Ģekilde yapılması gerekmektedir. GeliĢtirilen cihazla denemelerin daha kısa bir zamanda yapılması mümkün olmuģtur. Dolayısıyla traktöre bağlanabilen penetrometre ile elde edilen sonuçların daha güvenilir olduğu düģünülmektedir. ġekil 4. Ġki farklı penetrometre için anızlı toprakta, % 21,2 toprak neminde elde edilen toprak direnci değerleri Yapılan tarla denemeleri sonrası elde edilen sonuçlara göre, traktöre bağlanan toprak penetrometresinin, kontrollü trafik uygulanan tarlalara uygun özellikte olduğu, el penetrometresine göre çok daha kısa sürede, güvenilir sonuçlar elde etme yeteneği nedeniyle daha elveriģli olduğu söylenebilir. KAYNAKLAR Anonim. 1994. Conservation Tillage Systems and Management. Midwest Plan Service, Agricultural and Biosystems Engineering Department, Iowa State University, Ames, IA. ASAE Standards S313.3.2006. Soil cone penetrometer. ASAE St. Joseph, MI 49805 Clark, R.L. 1999. Evaluation of potential to develop soil strength maps using a cone penetrometer. ASAE Paper 99-3109. St. Joseph, Mich.: ASAE. Traktöre bağlanabilen toprak penetrometresi ile her denemede 45 cm derinlikte, 6 çubuk aracılığıyla 6 grup veri elde edilmiģtir. Her koģulda 10 deneme yapıldığı için elde edilen koni indeksi eğrileri 60 Monroe, G.E., Burt, E.C., Wood, R.K., Taylor, J.H. 1989. Building and Testing Traffic Lanes for Controlled-Traffic Farming. Transactions of theasae Vol. 32(2): 355-360. 202
Porterfield, J.W., Carpenter, T.G. 1986. Soil Compaction: An Index of Potential Compaction for Agricultural Tires. Transactions of the ASAE Vol. 29(4): 917-922. Schafer, R.L., Johnson, C.E., Koolen, A.J., Gupta, S.C., Horn, R. 1992. Future Research Needs in Soil Compaction. Transactions of the ASAE Vol. 35(6): 1761-1770. Vorhees, W.B., Evans, S.D., Warnes, D.D. 1985. Effect of Preplant Wheel Traffic on Soil Compaction, Water Use and Growth of Spring Wheat. Soil Sci. Soc. Am. J., Vol 49: 215-220. Wilford, J.R., D.B. Wooten and F.E. Fulgham. 1972. Tractor mounted field penetrometer. Transaction of the ASAE, 15(2): 226-227. 203