Grzegorz PĊczkowski, Andrzej ĩyromski, Stanisław Kostrzewa
Instytut Kształtowania i Ochrony ĝrodowiska, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
WstĊp
Obserwacja dynamiki wilgotnoĞci gleb jest zwykle elementem badaĔ słuĪącym okreĞlonemu celowi. Kryteria, którym powinna odpowiadaü zastosowana aparatura, zaleĪą od specyfiki badaĔ. NajwiĊksze wymagania stawia siĊ w badaniach prowadzonych na potrzeby parametryzacji oĞrodka glebowego. Obecnie znanych jest wiele metod, które ogólnie moĪna podzieliü na bezpoĞrednie i poĞrednie, innym istotnym podziałem z punktu widzenia ingerencji w profil glebowy są metody destruktywne (bezpoĞrednie) i niedestruktywne. SpoĞród metod poĞrednich najczĊĞciej spotykane na Ğwiecie to metody oparte na pomiarach właĞciwoĞci elektrycznych oĞrodka glebowego, m.in. FDR (oparta o frekwencjĊ impulsu elektromagnetycznego w oĞrodku), TDR (zmiana czasu trwania impulsu elektromagnetycznego w oĞrodku), ADR (pomiar zmiany amplitudy generowanej fali w czasie), TDT (pomiar propagacji impulsu elektromagnetycznego). W Instytucie Kształtowania i Ochrony ĝrodowiska wykorzystuje siĊ powszechnie aparaturĊ pomiarową Instytutu Agrofizyki PAN w Lublinie opartą o metodĊ reflektometrii domenowo-czasowej (TDR) [MALICKI 1980;
MALICKI, SKIERUCHA 1989; DANE i in. 2002].
Celem pracy było porównanie wyników pomiarów przeprowadzonych metodą TDR i metodą grawimetryczną suszarkowo-wagową. W opracowaniu skupiono siĊ na glebach terenów górskich o znacznej zawartoĞci czĊĞci szkieletowych.
Materiał i metody badaĔ
G. PĊczkowski, A. ĩyromski, S. Kostrzewa 142
Obiekt badawczy połoĪony jest w rejonie Sudetów ĝrodkowych obejmujących Ğrodkową – sudecką nieckĊ tektoniczną z szeregiem pasm górskich zróĪnicowanych budową geologiczną i urzeĨbieniem. W zespole geologicznym tego obszaru wyróĪnia siĊ podłuĪna strefa obniĪeĔ z wystąpieniami górnej kredy i otaczające ją z obu stron starsze elementy róĪnorodnych serii skalnych. Stare Bogaczowice naleĪą do pogórza niskiego z resztkami zrównaĔ czĊĞciowo okrytych osadami pochodzącymi ze zlodowaceĔ. Gleby obiektu utworzone są z glin stokowych i eluwialnych na wychodniach osadowych. Na obiekcie doĞwiadczalnym Stare Bogaczowice wystĊpują gleby bielicowe najczĊĞciej o składzie granulometrycznym glin ciĊĪkich i Ğrednich.
Profile glebowe są płytkie, siĊgające od 0,8 do 1,2 m z duĪą zawartoĞcią czĊĞci szkieletowych, w tym takĪe kamieni od 15% do 35,7%, zalegające na rumoszu skalnym.
WłaĞciwoĞci fizyczne gleb wywierają duĪy wpływ na kształtowanie siĊ stosunków wodnych na danym obszarze.
Podstawą dla szczegółowej charakterystyki gleb obiektu Stare Bogaczowice oraz analizy ich właĞciwoĞci były badania wykonane w 6 reprezentatywnych warstwach profili glebowych wytypowanych na podstawie składu granulometrycznego i zawartoĞci frakcji szkieletowej. WskaĨnikiem stanu zagĊszczenia utworów glebowych najczĊĞciej przyjmowanym jest ich gĊstoĞü objĊtoĞciowa, która w glebach mineralnych moĪe wynosiü 0,75–1,90 g⋅cm-3, niekiedy wiĊcej. OkreĞlenie gĊstoĞci gleb górskich jest trudne do wykonania ze wzglĊdu na duĪą iloĞü czĊĞci szkieletowych i kamieni, a róĪnice w otrzymanych wynikach mogą dochodziü do 40–50%. Mimo pewnych przybliĪeĔ moĪna stwierdziü, Īe na obiekcie Stare Bogaczowice najluĨniejsze są warstwy wierzchnie, na gruntach ornych, a ich gĊstoĞü objĊtoĞciowa wynosi od 1,37 g⋅cm-3 w dziale 2 do 1,42 g⋅cm-3. WartoĞci gĊstoĞci objĊtoĞciowej rosną wraz z głĊbokoĞcią profilu. Istotną wielkoĞcią, która charakteryzuje panujące stosunki powietrzno-wodne w profilu glebowym jest porowatoĞü. ZaleĪy ona od głĊbokoĞci zalegania warstw, składu granulometrycznego, struktury, fauny i flory oraz od uprawy.
PorowatoĞü badanych gleb w wierzchnich warstwach wynosi 45,1% objĊtoĞci w dziale 1 do 46,2% i maleje wraz z głĊbokoĞcią zalegania warstw.
Wyniki i dyskusja
Analizie poddano gleby o róĪnej grupie mechanicznej, które posiadały zróĪnicowaną zawartoĞü frakcji szkieletowej > 1 mm (tab. 2). Wyniki pomiarów uwilgotnienia z wybranych profili pomierzonych za pomocą dwóch metod - su-szarkowo-wagowej (grawimetrycznej) oraz TDR (reflektometrii domenowo-czasowej) wykorzystano przy ustaleniu zaleĪnoĞci korelacyjnych. Punkty pochodzące z pomiarów wyrównano metodą najmniejszych kwadratów. JednoczeĞnie ustalono współczynniki korelacji r. W wyniku przeprowadzonych analiz przy pomocy programu Statistica otrzymano równania regresji opisujące zaleĪnoĞci obu analizowanych metod (rys. 1, tab. 1).
Tabela 1; Table 1 Równania regresji i współczynniki korelacji (r) dla analizowanych przypadków
Regression equations and correlation coefficients (r) for the analysed cases Dział
ANALIZA PRZYDATNOĝCI METODY TDR ... 143 2
3 9 11 12
glp gs gc gc gsp
22,8 29,6 30,2 31,1 15,0
y = 2,0518 + 0,94466*x y = 0,8020 + 0,96953*x y = 2,8872 + 0,87760*x y = 3,6247 + 0,83680*x y = 7,5236 + 0,66376*x
0,9944 0,9801 0,9899 0,9755 0,9198
G. PĊczkowski, A. ĩyromski, S. Kostrzewa 144
ANALIZA PRZYDATNOĝCI METODY TDR ... 145
G. PĊczkowski, A. ĩyromski, S. Kostrzewa 146
ANALIZA PRZYDATNOĝCI METODY TDR ... 147 W kaĪdym z profili stwierdzono zaleĪnoĞü bardzo silną (współczynnik korelacji r
> 0,9), najniĪszą wartoĞü współczynnika r uzyskano dla gliny Ğredniej pylastej o zawartoĞci czĊĞci > 1 mm 15,0% (r = 0,9198). Inni autorzy, porównując opisane metody, uzyskali zbliĪone rezultaty. Oleszczuk w badaniach otrzymał współczynnik r na poziomie 0,998 [OLESZCZUK i in. 1998]. Wyniki pomiarów przeprowadzone w dolinie Odry przez ŁyczkĊ równolegle obiema metodami wykazały wystĊpowanie duĪej zgodnoĞci uzyskanych wyników pomiarów, najniĪsze współczynniki korelacji uzyskano dla pomiarów w grupie gleb - glina lekka i glina lekka pylasta, jednak we wszystkich przypadkach osiągano współczynniki korelacji o wartoĞciach powyĪej 0,9 [TOPP i in.
1980; REN i in. 1999; ŁYCZKO i in. 2000] dla grup mechanicznych od piasków do glin ciĊĪkich uzyskali współczynniki r w zakresie 0,9622-0,9664.
Wnioski
Badania wykazały, Īe metoda reflektrometrii domenowo-czasowej daje podobne wyniki w porównaniu z metodą grawimetryczną.
1. NajniĪszą wartoĞü współczynnika korelacji uzyskano w przypadku pomiarów dla gliny Ğredniej pylastej o zawartoĞci 15,0% czĊĞci > 1 mm.
2. Analiza i porównanie uzyskanych wyników badaĔ oraz osiąganie współczynnika korelacji r na wysokim poziomie wskazują na wystĊpowanie zaleĪnoĞci bardzo silnych w obu metodach.
3. Z uwagi na niedestruktywny pomiar przy uĪyciu metody TDR oraz dokładnoĞü i szybkoĞü pomiaru, metoda ta w utworach o podobnych właĞciwoĞciach moĪe znaleĨü zastosowanie.
Literatura
DANE J.H., TOPP G.C. 2002.The soil solution phase, w: Methods of soil analysis. J.H.
Dane, G.C. Topp (red.). Part 4: Physical methods, Chapter 3. Soil Science Society of Americal, Inc., Madison, WI.
ŁYCZKO W., OLSZEWSKA B., PŁYWACZYK L. 2000. Porównanie metody TDR oraz metody suszarkowo-wagowej do okreĞlania uwilgotnienia róĪnych typów gleb w Dolinie Odry.
Zesz. Nauk. AR we Wrocławiu 385, InĪ. ĝrod. XI: 111-119.
MALICKI M. 1980. Przegląd metod pomiaru wilgotnoĞci gleb i ocena ich przydatnoĞci w badaniach polowych. Problemy Agrofizyki 31: 51 ss.
MALICKI M., SKIERUCHA W.M. 1989. A manually controlled TDR soil moisture meter operating with 300 ps rise-time needle pulse. Irrigation Science 10: 153-163.
OLESZCZUK R., BRANDYK T., SZATYŁOWICZ J. 1998. Analiza moĪliwoĞci zastosowania metody TDR do pomiaru uwilgotnienia w glebie torfowo-murszowej. Zesz. Probl. Post.
Nauk Rol. 458: 263-274.
REN T., NOBORIO K., HORTON R. 1999. Measuring soil water content, electrical con-ductivity, and thermal properties with a thermo-time domain reflectometry probe. Soil Sci. Soc. Am. J. 63:450–457.
G. PĊczkowski, A. ĩyromski, S. Kostrzewa 148
TOPP G.C., DAVIS J.L., ANNAN A.P. 1980. Electomagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines. Water Resour. Res. 16: 574–582.
Słowa kluczowe: pomiary, wilgotnoĞü gleby, metoda TDR, metoda suszarkowo-wagowa
Streszczenie
W pracy przedstawiono badania wykonane dla porównania wyników pomiarów uwilgotnienia gleby uzyskanych metodą TDR i metodą grawimetryczną suszarkowo-wagową. Badania wykonano w glebach terenów górskich o znacznej zawartoĞci czĊĞci szkieletowych. W wyniku przeprowadzonych analiz przy pomocy programu Statistica stwierdzono zaleĪnoĞü bardzo silną (współczynnik korelacji r > 0,9), najniĪszą wartoĞü współczynnika r uzyskano dla gliny ciĊĪkiej o zawartoĞci czĊĞci > 1 mm 31,2% (r = 0,9198). Obserwowane niewielkie róĪnice w pomierzonych wartoĞciach uwilgotnienia obiema metodami, których przyczyną mogła byü zmiennoĞü przestrzenna właĞciwoĞci gleby oraz zmiany gĊstoĞci gleby na przestrzeni czasu, a takĪe dokładnoĞü zastosowanego urządzenia pomiarowego i temperatura gleby. Z uwagi na niedestruktywnoĞü, dokładnoĞü i szybkoĞü pomiaru przy uĪyciu metody TDR, technika ta w podobnych utworach moĪe znaleĨü zastosowanie.
ANALYSIS OF PRACTICABILITY OF TDR METHOD (TIME DOMAIN REFLECTOMETRY) FOR THE MEASUREMENT
OF SOILS WITH HIGH CONTENT OF SKELETON FRACTIONS Grzegorz PĊczkowski, Andrzej ĩyromski, Stanisław Kostrzewa
Institute of Environmental Development and Protection, University of Environmental and Life Sciences, Wrocław
Key words: measurement, soil moisture, time domain reflectometry, versus gravimetric method
Summary
The studies were conducted to compare results of measurements of soil humidity attained due to the TDR and gravimetric methods. Sub-mountain area soils with significant content of skeleton parts were analyzed. In the result of analyses performed by Statistica program a very strong dependence was found (correlation coefficient r >
0.9) the lowest value coefficient r was attained for heavy clay with the content of parts >
1 mm 31.2% (r = 0.9198). There were observed insignificant differences between the measured values of humidity done with these two methods. The reason of these differences could be the spatial variability of properties of soil and changes of soil density in time as well as an accuracy of the used installation and soil temperature.
Considering non - destructiveness, accuracy and speed of measure using the TDR method such a technique can be used in the similar formations.
ANALIZA PRZYDATNOĝCI METODY TDR ... 149
Dr inĪ. Grzegorz PĊczkowski
Dr hab. inĪ. Andrzej ĩyromski, prof. UP Prof. dr hab. Stanisław Kostrzewa
Instytut Kształtowania i Ochrony ĝrodowiska Uniwersytet Przyrodniczy
Pl. Grunwaldzki 24 50-363 WROCŁAW
ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĉPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 528: 149-155