W E N A N T Y O L S Z T A
B A D A N IA N A D W P Ł Y W E M Z W IE R C IA D Ł A W O D Y G R U N TO W E J I T R A N S P IR A C J I N A U K Ł A D W IL G O T N O Ś C I
W P R O F IL U G L E B Y T O R FO W O -M U R S ZO W E J M E T O D Ą M O D E L O W A N IA S Y M U L A C Y J N E G O Pracow n ia F izy k i G leb M eliorow an ych IM U Z w Lu blin ie
W S T Ę P
Źródłem zasilania roślin w wodę są opady oraz podsiąk z poziomu zwierciadła w ody gruntowej przez nie nasyconą strefę profilu glebo wego. Zjawisko podsiąku oraz pobór w ilgoci przez rośliny są uzależnio ne poza właściwościami gleby przede wszystkim od głębokości wody gruntowej, rozmieszczenia korzeni oraz wielkość parowania i transpi ra c j i.
Przedm iotem badań była symulacja jednowym iarowego ruchu wody w strefie nie nasyconej przy ustalonym poziomie wody gruntowej oraz stałej transpiracji. W yn iki badań uzyskane z symulacji obejmują: dy namikę i układ wilgotności w profilu gleby w zależności od głębokości lustra w ody gruntowej, transpiracji i czasu oraz zależność m iędzy opty malnym poziomem lustra wody gruntowej a transpiracją.
P R Z E G L Ą D L IT E R A T U R Y
D o s t ę p n o ś ć w o d y g l e b o w e j d l a r o ś l i n . W warunkach klim atycznych naszego kraju wilgotność gleby jest jednym z podstawo wych elem entów determinujących wzrost, rozwój i plonowanie roślin. Rozważając problem dostępności w ody glebow ej zwraca się uwagę na ilości w ody i siłę wiążącą ją w glebie (ssanie). Pobór w ody przez roś liny będzie tym trudniejszy, im wyższe będzie ssanie wody glebowej. Eksperymentalne obserwacje wskazują, że przy ssaniu około 15 at (pF 4,2) woda nie jest dostępnna dla rośli, jest to tzw. dolna granica do stępności. Górną granicę, pow yżej której gleba jest nadmiernie w ilg o t na, określa się w oparciu o zawartość powietrza w glebie, która dla roś lin łąkowych powinna wynosić 6-10% objętości gleby (pF 1,7). Ilość
wody związanej przez glebę m iędzy pF 4,2 i pF 1,7 oraz wartościami pośrednimi (pF -2^. ;pF 2,5, pF 3,0) można wyznaczyć z krzyw ych pF
[
2
,
8
].
O p t y m a l n y p o z i o m w o d y g r u n t o w e j . Określenie opty- malnego poziomu w ody gruntowej jest trudne. Ogólnie wyróżnia się dwa skrajne poziomy w ody gruntowej: górny dopuszczalny, um ożliwia jący właściwe natlenienie w arstw y korzeniow ej, oraz dolny dopuszczal ny, w yw ołu jący k rytyczn y stan wilgotności gleby (pF 2,7-3,0). Dość trudno jest określić optym alny poziom wody, uzależniony od rodzaju gleby i pokryw y roślinnej. Czynnikami determ inującym i położenie o p ty malnego zwierciadła w ody gruntowej są: aeracja, wymagania wodne roślin, charakterystyka wodna gleby, przewodnictwo, ewapotranspiracja, warunki klimatyczne, rozmieszczenie korzeni oraz gatunek i odmiana rośliny [1]. N iew ielkie obniżenie zwierciadła w ody gruntowej może w y wołać znaczny spadek podsiąku, co w efekcie prowadzi do wysychania warstw gleby.
W pracy podjęto próbę określenia optymalnego poziomu w ody grun tow ej, którego przekroczenie może w yw ołać przesuszenie górnej w ar stwy profilu.
R u c h w o d y w s t r e f i e n i e i n a s y c o n e j. P rzep ływ wody w
glebie nie nasyconej q opisywany jest równaniem:
№
q = f c ( 8 ) ^
-(
1)
gdzie:
© — wilgotność gleby (cm8 H 20 na cm8 gleby),
к (0 ) — przewodnictwo kapilarne (cm. s” 1),
№
— gradient potencjału wilgotności.
dz
Po wprowadzeniu równania ciągłości przepływu z uwzględnieniem pobierania wody przez korzenie S:
0 0 dq â t frz i otrzym am y równanie: - S (2) æ & m [ k i 0 ) » z l - s (3) Jest to równanie różniczkowe drugiego rzędu typu parabolicznego,
um ożliwiające obliczenie wartości funkcji 0 {z, t), tj. wilgotności 0
w czasie t w punkcie oddalonym o z od początku układu.
W ielu autorów podało sposób numerycznego rozwiązania tego rów nania przy wykorzystaniu maszyny liczącej [3].
l i n y . W cyklu rozw ojow ym rośliny ważną funkcję odgryw a wzrost oraz aktywność korzeni. P raw ie cała ilość w ody pobierana z gleby przez korzenie jest następnie oddawana przez rośliny do atm osfery drogą transpiracji. P rzez roślinę woda przepływa stosunkowo swobodnie, utrudnienie w ystępuje głównie na powierzchni korzeni oraz na po wierzchni liści.
Zjawisko dopływu w ody do korzeni jest jeszcze mało poznane [6], a badania ograniczone. M o l z [4] wprowadzić propozycję podziału sy stemu korzeniowego na strefę „e fe k tyw n ą ” i „ak tyw n ą” , zależnie od
poboru w ilgoci w okresie w egetacji. K o w a l i k i Z a r a d n y {3]
analizując dopływ w ody do korzeni przyjm ują zrównoważony bilans wodny roślin, czyli:
t L (4)
E a =
J
J
s
(z. t) dz dt0 0
gdzie:
E a — transpiracja (w cm),
jS (zy t) — jednostkowy pobór w ody z gleby przez rośliny (w cm8cm“ 8 s“ 1) jako funkcje głębokości w profilu glebow ym z oraz czasu t,
L — głębokość rizosfery (w cm).
Dla celów praktycznych można przyjąć, że rozpatruje się stały p rzy dział czasu, na przykład 1 dobę, i w tedy wartość S uśrednia się dla tego okresu; wówczas mamy:
L
E a = At • j S (z) dz (5)
0 gdzie:
E a — to średnia wartość transpiracji aktualnej dla okresu At.
M odel M olza określa wartość *S jako funkcję głębokości z, czasu t
oraz ilości i rozmieszczenia korzeni aktywnych. P rzy ję to to w modelu
jako wskaźnik do obliczeń ilości w ody E a , (która może być przyjęta przez
system korzeniowy.
S C H E M A T M O D E LU
W systemie nawodnień podsiąkowych ważne jest określenie opty malnego poziomu w ody gruntowej, który uzupełniałby ubytki w ilgoci 7 profilu na parowanie.
Obliczenia przepływ u pionowego w strefie nie nasyconej wykonano dla sześciu zróżnicowanych poziomów w ody gruntowej oraz przy różnej wielkości transpiracji — bez udziału opadów. W ielkość parowania z po wierzchni gleby równa się zeru. Dane do symulacji obejmują: transpi- rację, k rzyw e pF, przewodnictwo kapilarne, gęstość korzeni, początko w y układ wilgotności profilu, porowatość gleby, głębokość zwierciadła
wody gruntowej oraz układ warstw w profilu. W yn ik i obliczeń uzyska ne z modelu obejmują: dynamikę wilgotności na głębokości 5-10 cm dla zróżnicowanych wartości transpiracji i w ody gruntowej, układ w il gotności w profilu w zależności od głębokości lustra w ody i transpiracji oraz zależności funkcyjne optymalnego poziomu lustra w ody od w ie l kości rozchodów na transpirację. Symulację kontynuowano aż do mo mentu ustalenia się w glebie warunków równowagi (20 dni).
Fizyczny schemat modelu SMUCĘ W oraz opis num eryczny wraz z charakterystyką parametrów glebow ych i schematem blokowym pro gramu na maszynę liczącą podano w innej pracy [5]. W niniejszej za mieszczono w yniki niektórych rozwiązań uzyskanych z obliczeń .nume rycznych. Badania przeprowadzono dla gleby torfowo-m urszowej M t II, występującej na obiekcie doświadczalnym IM U Z w Sosnowicy.
O M Ó W IE N IE W Y N IK Ó W
S y m u l a c j a d y n a m i k i w i l g o t n o ś c i g l e b y w z a l e ż n o ś c i o d t r a n s p i r a c j i . Gdy analizuje się dostępność w ody gle bowej, to na ogół w yróżniam y dwie wielkości: połową pojemnść w od ną (pF 2,0) oraz wilgotność odpowiadającą wodzie trudno dostępnej (pF 2,9). Polow a pojemność wodna przyjm owana jako górna granica zatrzym ywania łatwo dostępnej w ody dla roślin, punkt zaś odpowiada jący pF 2,9 — jako granica dolna.
Celem tej pracy było ustalenie takiego poziomu w ody gruntowej, który m ógłby zabezpieczyć możliwość utrzym ywania się w w arstwie korzeniowej wilgotności w granicach polowej pojemności wodnej. W tym
Rys. 1. Dynam ika w ilgotności (W C ) w w arstw ie 5-10 cm w zależności od transpi- ra c ji (E V ) p rzy ustalonym poziom ie w od y gru ntow ej na głębokości 60 cm w czasie
20 dni sym ulacji
Sim ulated dynam ie w ater content (W C ) in peat soil (5-10 cm depth) as a function of évapotranspiration (EV), w ith no rain fall, and constant w ater table depth
celu wykorzystując model SM U CEW uzyskano przebieg dynamiki w il gotności w strefie .nie nasyconej dla określonych poziomów w ody grun tow ej przy zróżnicowanej wartości transpiracji.
W obliczeniach przyjęto poziom w ody gruntowej na głębokościach: 40, 60, 70, 80, 90 i 100 cm, oraz wielkość transpiracji: 2, 4, 5, 6, 8 i 10 mm/dpbę.
Na rys. 1 pokazano dynamikę wilgotności gleby na głębokości 5- 10 cm jako funkcji transpiracji przy głębokości lustra w ody 60 cm. Symulację rozpoczęto przy wilgotności profilu odpowiadającej polowej pojemności wodnej, określonej według Z a w a d z k i e g o i O l s z t y [9]. Jak widać dla E V = 2 mm/dobę wilgotność gleby na głębokości 5- -10 cm osiągnęła stan równowagi po około 7 dniach symulacji, dla E V = 4 mm/dobę — po 9 dniach, zaś dla EV = 6 mm/dobę — po 10 dniach. Dla transpiracji równej 8 mm/dobę gleba osiągnęła stan równowagi po około 20 dniach, zaś dla E V = 1 0 mm/dobę w górnej 5-10-centym etrowej warstwie profilu nie ustalił się stan równowagi w czasie symulacji, osiągając w 20 dniu wilgotności 0,40 cm8/cm3 (pF 2,9), co odpowiada wodzie trudno dostępnej. Podobne obliczenia wykonano dla pozostałych stanów wody gruntowej. Rysunek 2 przedstawia dynamikę wilgotności gleby na głębokości 5-10 cm dla lustra wody na głębokości 90 cm.
Rys. 2. D ynam ika w ilgotności (W C ) w w arstw ie 5-10 cm w zależności od transpi- ra cji (E V ) przy ustalonym poziom ie w od y gru ntow ej na głębokości 90 cm w czasie
20 dni sym ulacji
Sim ulated dynam ie w ater content (W C ) in peat soil (5-10 cm) as a function of évapotranspiration (E V ) w ith no ra in fa ll and constant w ater table depth (90 cm)
Układ wilgotności w profilu w 20 dniu symulacji p rzy głębokości w ody gruntowej 60, 80, 90 i 100 cm podano na rys. 3 i 4. Jak widać, rozkład wilgotności w profilu przy ustalonym poziomie w ody grunto wej jest wyraźnie uzależniony od wielkości transpiracji.
Znaczne zróżnicowanie wilgotności występuje w warstw ie korzenio w ej 0-20 cm i mniejsze dla głębszych warstw profilu. Różnice te są większe dla poziomu w ody na głębokości 90 i 100 cm (rys. 4). P rz y w y
-Rys. 3. Układ w ilgotności (W C ) w profilu w 20 dniu sym ulacji przy zróżn icow a nych rozchodach na transpirację (E V ) dla ustalonego lustra w od y na głębokości
a— 60 cm , b — 80 cm
Sim ulation o f w ater content (W C ) distribution a fter 20 days in a p ro file o f peat soils as a function of évapotranspiration, w ith no rain fall, fo r a contant grou ndw a
ter table depth a — 60 cm , b — 80 cm
Rys. 4. Układ w ilgotności (W C ) w profilu w 20 dniu sym ulacji przy zróżn icow a nych rozchodach na transpirację (E V ) dla ustalonego lustra w od y na głębokości
a — 90 cm , fc> — 100 c m
Sim ulation of w ater content (W C ) distribution after 20 days in a p rofile o f peat soil as a function of évapotranspiration w ith no rainfall, fo r a constant grou ndw a
ter table depth a — 90 cm , b — 100 cm
sokim zaleganiu wód gruntowych (do 100 cm) układ wilgotności w pro filu zależy więc bardzo wyraźnie od wielkości ewapotranspiracji oraz od położenia zwierciadła wody. W yn iki tych badań posłużyły do okreś lenia tzw. optymalnego poziomu w ody gruntowej.
O p t y m a l n y p o z i o m w o d y g r u n t o w e j . Podstawą do
określenia optymalnego poziomu w ody gruntowej było założenie, że w il gotność w 5-10-centym etrowej w arstwie odpowiadać powinna w p
rzy-Rys. 5. Zależność m iędzy optym alnym położeniem w od y gruntow ej a transpiracją: (EV). W ilgotność w w arstw ie 5-10 cm odpowiada
1 — p F 2, 2 — p F 2,15
Sim ulated relation betw een optimum w ater table depth and évapotranspiration (E V ) rate fo r w ater content in the 5-10 cm layer corresponding w ith
1 — p F 2, 2 — p F 2,15
bliżeniu polow ej pojemności. W rozważanym przypadku p rzyjęto dwie wilgotności w arstw y korzeniow ej: połową pojemność wodną (pF 2) oraz wilgotność odpowiadającą pF 2,15. Uzyskaną z sym ulacji zależność m iędzy optym alnym poziomem w ody gruntowej a transpiracją przed stawiono na rys. 5.
Jeżeli wielkość parowania dobowego wynosi np. 4 mm, to optym al na głębokość lustra wody, zapewniająca warstwie 5-10 cm wilgotność odpowiadającą pF 2 (dla badanej gleby), wynosi 55 cm, dla utrzymania zaś w warstwie korzeniowej wilgotności odpowiadającej pF 2,15 po ziom lustra wody powinien być na głębokości około 70 cm. N ależy jednak dodać, że tzw. optym alny poziom w ody gruntowej z punktu widzenia polow ej pojemności wodnej może być niekorzystny z punktu widzenia natlenienia gleb y oraz je j nośności w zględem maszyn i zwierząt.
P O D S U M O W A N IE I W N IO S K I
Przedstawione w yniki badań wyjaśniają, jak należy interpretować rozkład wilgotności gleby jako funkcji głębokości wody. Operowanie zwierciadłem wody gruntowej jako wskaźnikiem stanu wilgotności gleby w okresie suszy jest bardzo ogólne i można go wiązać tylko z tak
zwa-nym „optym alzwa-nym ” położeniem zwierciadła w ody gruntowej, przy któ rym rozchody na parowanie uzupełniane są w całości przez efektyw n y podsiąk kapilarny (rys. 5). Przekroczenie tzw. optymalnego poziomu lustra w ody powoduje spadek podsiąku, gleba więc stopniowo wysycha w czasie (zależnie od wielkości transpiracji), począwszy od polowej po jemności (pF 2,0), przez wilgotność odpowiadającą dolnej granicy w ody dostępne (pF 2,9), aż do całkowitego wysuszenia gleby (pF 4,2) (rys. 2).
Przeprowadzone badania dotyczą ustalonych warunków przepływu. Brak jest jeszcze porównania danych obliczeniowych z doświadczalnymi. Przedstawiona praca ilustruje zjawisko ruchu wody w strefie profilu glebowego, może więc być pomocna w dalszych badaniach polow ych
i modelowych nad gospodarką wodną gleb.
L IT E R A T U R A
[1] F e d d e s R. A .: W ater, heat and crop growth. W ageningen 1971. [21 K o w a l i k P.: Zarys fiz y k i gruntów. Gdańsk 1973 [skrypt P.G.].
13] K o w a l i k P., Z a r a d n y H.: Sim ulation m odel of the soil w ater dynamics fo r layered soil p ro file w ith fluctuating w ater table and w ater uptake by roots. J. o f H yd rologica l Sciences, 5, 1978, 2.
[4] M o l z F. J.: Interaction of w ater uptake and root distibution. A m er. Soc. Agron. J. 63, 1971, 608-610.
[5] O l s z t a W.: Sym ulation of dynam ic soil moisture under conditions o f con stant évapotranspiration and constant w ater table depth. Zesz. probl. Post. Nauk rol. 1977, 197.
16] The soil — Root In terfa ce Symposium, O xford 1978 [streszczenie refera tó w — B iblioteka IM U Z Falenty].
[7] Z a r a d n y H., K o w a l i k P.: R ozw iązania równań pionow ego przepływ u w o d y w gruntach i glebach nie nasyconych. Arch. H ydrot. 18, 1971, 2, 3. [8] Z a w a d z k i S.: L a b oratoryjn e oznaczanie zdolności reten cyjn ych u tw orów
glebow ych. W iad. IM U Z , 11, 1970, 2.
[9] Z a w a d z k i S., O l s z t a W.: Określenie polow ej pojem ności w odnej w opar ciu o k rzy w e pF (w druku).
В. О Л Ы Н Т А И С С Л Е Д О В А Н И Я П О В Л И Я Н И Ю З Е Р К А Л А Г Р У Н Т О В Ы Х ВОД И Т Р А Н С П И Р А Ц И И Н А С И С Т Е М У В Л А Ж Н О С Т И В П Р О Ф И Л Е Т О Р Ф Я Н О -М У Р Ш Е В О Й П О Ч В Ы П О М Е Т О Д У С И М У Л И Р О В А Н Н О Г О М О Д Е Л И Р О В А Н И Я Лаборатория ф изики мелиорированных почв, Институт мелиорации и зелён ы х угодий в Лю бли не Р е з ю м е Источником влаги д ля растений являю тся атмосферные осадки, а такж е кап иллярны й подъем с горизонта зеркала грунтовбй воды сквозь ненасыщ ен
ную зону почвенного профиля. К ап и лля р н ы й подъем и потребление влаги рас тениями зависит, кроме свойств почвы, прежде всего от глубин ы грунтовы х вод, густоты и распределения корней и от величины испарения и транспирации. Предметом испытаний я в ля ла сь сим уляция одномерного движения влаги в ненасыщенной зоне при залож енном (данном) горизонте грунтовой воды и при неизменной транспирации. В результате исследований, п олучен ны х при симуляции, охваты вали: ди намику и режим влаж ности в почвенном проф иле в зависимости от глубины зеркала грунтовой воды, траспирации и дли тельности симуляции, а такж е функционную зависимость оптимального горизонта зеркала воды от величины расхода на транспирацию. Статья поясняет на примере теоретические аспекты движения воды в не насыщенной зоне почвенного проф иля и может быть полезна при ведении д а л ь нейших полевы х исследований, служ ащ и х м оделью в области водного режима почв. W . O L S Z T A IN V E S T IG A T IO N S C O N C E R N IN G T H E E F F E C T OF T H E G R O U N D W A T E R T A B L E A N D T R A N S P IR A T IO N O N T H E M O IS T U R E D IS T R IB U T IO N IN T H E P R O F IL E OF P E A T -M U C K S O IL S B Y T H E S IM U L A T IO N M O D E L L IN G M E TH O D
Lab ora tory o f Physics o f Reclaim ed Soils, Institute fo r Land Reclam ation and Grassland Farm ing,
Branch D ivision in Lu blin
S u m m a r y
The moisture supply of the crop is provided by precipitation, soil moisture storage and upward flo w o f w ater from the w ater tably through unsaturated porus media. The flo w o f w ater in unsaturated soil and uptake of moisture by the root system is determ ined by the texture and structure o f the soil, w ater table depth, root density and avapotranspiration.
The ob jective o f thes investigations was the simulation o f one-dim ensional w ater m ovem ent in unsaturated zone under conditions o f constant évapotranspira tion and constant w ater table depth.
Th e rêsults o f this sim ulation are: dynam ic and distibution o f w ater content in the soil p ro file as a funcion o f groundw ater level, évapotranspiration and time, and "o p tim a l” w ater table as a function o f évapotranspiration. The simulation was run 21 days until "steady state” conditions w ere reached.
T h eoretical aspects o f unsaturated flo w of w ater trought the soil are discussed in this w ork, w hich can be made use of in the continuation of fie ld and sim ula tion investigations of the w a ter econom y of soils.
D r W en an t y Olszta Instytut Mel ioracji i U ż y t k ó w Zielonych Lublin, al. P K W N 29
