JOLANTA KOMISAREK
ZMIENNOŚĆ CZASOWA ZAWARTOŚCI WODY
W STREFIE KORZENIENIA ROŚLIN
W GLEBIE PŁOWEJ ZACIEKOWEJ OPADOWO-GLEJOWEJ
TEMPORAL VARIABILITY OF WATER CONTENT
IN THE PLANT ROOTING ZONE OF HAPLIC GLOSSUDALFS
Katedra Gleboznawstwa i Rekultywacji, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
A b s t r a c t : T h e sp a tia l stru ctu re o f so il m o istu re and its c h a n g e s in tim e is both c a u se and
co n se q u cn cc o f v eg eta tio n . T he tem poral variab ility o f soil m oisture content in the root zon e w as in v estig a ted . T he in v e stig a tio n s w ere carried out on H aplic G lo s su d a lfs, lo ca ted on hill slo p e and d e v e lo p ed from glacial till o f undulating ground m oraine. S o il m oisture m easurem ents w ere perform ed u sin g neutron probe, T rim e - FM T ube Probe as w e ll as FD R probe. Soil m oisture data at unsaturated z o n e and depth o f ground water level w ere c o llected every tw o or four w eek s from 1992 to 2 0 0 6 . Tem poral patterns o f soil m oisture content in the root zo n e were estim ated by PC A (Principal C om p onent A n a ly sis) and geo sla tistica l a n a ly ses. T he PC A an aly sis has sh ow n that so il m oisture dyn am ics in the root zone is con trolled by the ch an ges in water flu x es (i.e. p recip itation and év ap otransp iration), w h ereas depth o f ground w ater lev el is not in flu en ced . R esu lts sh o w e d strong temporal structure in the soil m oisture across the root zon e. The soil m oisture content is tem porally correlated from w eek 36. at the depth o f 20 cm to 43 w eek s at the depth 100 cm .
S ło w a k lu c z o w e : dyn am ik a w o d y g leb o w e j, g leb y p ło w e z a ciek o w e o p a d o w o -g le jo w c , z m ie n
n o ść c z a s o w a u w ilg o tn ie n ia g leb , a n aliza g e o sta ty sty c z n a
K e y w ords: soil m oisture d y n a m ics, H aplic G lo ssu d a lfs, tem poral variab ility o f so il m oisture,
g e o s ta tis tic a l a n a ly s is
W STĘP
W warunkach glebow o-klim atycznych Niżu Polskiego obserw uje się wyraźne cykliczne przcsychanie gleb w sezonie wegetacyjnym i ich naw ilżanie w okresie jesienno-zimowym [Komisarek 2000; Spychalski 1998; Marcinek, Komisarek 2000]. Głębokości przesychania gleb i wyczerpywanie wody łatwo dostępnej dla roślin w trakcie ich wzrostu są związane zarówno z położeniem gleb na stoku, ich zdolnościami retencyjnymi w strefie korzenienia, jak również ze strumieniem dopływu wody do gleby, któiy w obrębie wyniesień dennomorenowych określany jest głównie prze/ ' nady atm osferyczne. R elief jest tym czynnikiem, który decyduje zarówno o głębokości
Zmienność czasowa zawartości wody w strefie korzenienia roślin 131
zalegania zwierciadła wód gruntowych, jak również o rozrządzie wód opadowych. W glebach występujących na wyniesieniach dennomorencwych obserwuje się nie tylko głębiej zalegające zwierciadło wód gruntowych, ale również straty wody opadowej na skutek spływów powierzchniowych [Szafrański 1993; Marcinek i in. 1994], a także głębsze przesychanie gleb. Stąd też gleby te charakteryzują się zazwyczaj opadowo- retencyjnym reżimem wodnym i występują w nich największe niedobory wody łatwo dostępnej dla roślin.
W dobie usilnych prac nad zrównoważonym wykorzystaniem zasobów glebowych zrozumienie i przewidywanie dynamiki wody glebowej (zmienności czasowej) ma istotne znaczenie praktyczne w wielostronnym użytkowaniu terenów rolniczych [Bouma 1984, 1989; Campbell 1985; Marcinek 1992; Kabat i in. 1995], w tym między innymi przy określaniu wpływu odwodnienia terenu na skutek górnictwa odkrywkowego lub innych antropogenicznych przekształceń na przesuszenie środowiska przyrodniczego.
W pracy niniejszej przedstawiono wyniki badań nad zmiennością czasową zawar tości wody w strefie korzenienia roślin w glebie płowej zaciekowej opadowo-glejowej, zlokalizowanej na wyniesieniu dennomorenowym.
MATERIAŁY I METODY
Badania nad dynam iką uwilgotnienia gleb prowadzono w układzie topohydro- sekwencyjnym, w mikrozlewni rolniczej na terenie RSGD Przybroda. Mikrozlewnia ta zlokalizowana jest w południowej części Równiny Szamotulskiej, we wschodniej części Pojezierza Poznańskiego (rys. 1). Pod względem geomorfologicznym tworzy ją falista wysoczyzna dennomorenowa zlodowacenia wisły fazy poznańskiej [Starkel 1987]. Materiałami macierzystymi gleb w obrębie mikrozlewni są węglanowe gliny zwałowe, znacznie spłaszczone i odwapnione w poziomach wierzchnich. Wierzchołki wyniesień dennomorenowych są w różnym stopniu zerodowane powierzchniowo.
R Y SUN EK I . Lokalizacja terenu badań FIGURE l. Location o f investigated area
Pomiary uwilgotnienia gleb wykonywano w punktach stacjonarnych, przy pomocy sondy neutronowej w dwóch powtórzeniach oraz sond profilowych TDR i FDR, w okresie od czerwca 1992 do końca 2006 roku, w odstępach dwu- lub czterotygod niowych. Obok pomiarów uwilgotnienia gleb wykonywano pomiary głębokości zalegania zwierciadła wód gruntowych. W pedonach reprezentatywnych, w punktach stacjo narnych oznaczono krzywe wodnej retencyjności gleb (krzywe pF) metodami „Multi- step” [Van Dam i in. 1994] oraz komór ciśnieniowych Richardsa w zakresie ciśnień do 1 bara, natomiast w zakresie niskich potencjałów - metodą prężności pary wodnej nad roztw orem kw asu siarkow ego [Kłute 1986]. U zyskane krzyw e z pom iarów laboratoryjnych w yrów nyw ano przy pom ocy num erycznego pakietu RETC [van Genuchten i in. 1991].
C zasow ą zm ienność uw ilgotnienia gleb w strefie nienasyconej określono przy zastosowaniu metod geostatystycznych, w których podstawową funkcją jest funkcja semiwariancji [W aniek i in. 1986]:
gdzie: у - wartość funkcji semiwariancji, n(k) - liczba par obserwacji, z(x.) - wartość cechy pomierzonej w czasie x, z(x.+k) - wartość cechy pomierzonej w czasie х.+к, к - krok czasowy.
Zależności pom iędzy wartościami semiwariancji a skorelowanym i przedziałami czasowymi określono za pomocą programu Va r io v in 2.21 [Pannatier 1996], a izolinie
zmienności czasowej zawartości wody w strefie korzenienia roślin wykreślono przy pomocy programu Surfer v. 8.01 (Golden Software). Zmienność czasową uwilgot nienia gleb określono przy pomocy modelu sferycznego:
gdzie: C() - wielkość zmienności losowej, С - zmienność systematyczna, a - czas, w jakim skorelowane jest uwilgotnienie gleby.
W celu ustalenia związków pomiędzy retencją wody w glebie a głębokością zalegania zwierciadła wód gruntowych oraz ilością opadów i wielkością ewapotranspiracji (ETR) przeprowadzono analizę składowych głównych (PCA) wykorzystując pakiet Statistica v. 7,1 (StatSoft).
WYNIKI I DYSKUSJA
Pomimo iż badane gleby płowe zaciekowe opadowo-glejowe zajm ują najwyższe położenie w reliefie, to w poziomach luvic i glossic oraz w stropowej części poziomu argillic występują cechy zubożeń redoksymorficznych. W profilu są one identyfikowane
Zmienność czasowa zawartości wody w strefie korzenienia roślin 133
morfologicznie w postaci plam o nasyceniu barwy 2 lub mniejszym, a poziom argillic zalega nie głębiej niż 75 cm poniżej powierzchni terenu, [Marcinek i in. 2008]. Gleby te powszechnie występują zarówno na pojezierzu poznańskim [Marcinek, Komisarek 2004], jak również w pozostałej części Niżu Polskiego.
Analizowana gleba płowa zaciekowa opadowo-glejowa wykazuje uziamienie średnio- ziamistego piasku gliniastego w poziomie powierzchniowym ochric, gliny średnio- piaszczystej w poziomach luvic i glossic, przechodzącej w glinę lekką w poziomie argillic (tab. 1). To duże zróżnicowanie w zawartości frakcji ilastej w profilu pomiędzy poziomami eluwialnymi a iluwialnymi oraz znaczne zagęszczenie w tych ostatnich sprawiają, że okresowo dochodzi do stagnowania opadowych wód perkolacyjnych w stropowej części poziom u argillic, co w efekcie prowadzi do pow staw ania plam zubożeń redoksymorficznych w poziomach nadległych (luvic i glossic). Należy tutaj zaznaczyć, że oddziaływanie zwierciadła wód gruntowych na profil glebowy, a przede wszystkim na strefę korzenienia roślin (1 m) jest niewielkie. W piętnastoletnim okresie pomiarowym zwierciadło wód zalegało tylko dziewięciokrotnie płycej niż 100 cm p.p.t i miało to miejsce w roku 1994 w okresie od stycznia do kwietnia oraz w marcu w 2000 i 2002 r. Średnie miesięczne głębokości zalegania zwierciadła wód gruntowych dla okresu pom iarow ego przedstawiono na rysunku 2. Z danych tych wynika, że najpłycej zwierciadło wód gruntowych zalega w kwietniu i maju (średnio około 200 cm p.p.t.). Natom iast od czerwca do listopada obserwuje się stopniowe obniżanie zalegania wód, średnio do głębokości około 300 cm p.p.t., po czym od grudnia następuje jego odbudowa. W ponad połowie pomiarów (>150-krotnie) zwierciadło wód gruntowych zalegało od 225 do 300 cm p.p.t.
O tym, że zwierciadło wód gruntowych nie ma większego wpływu na dynamikę wody glebowej, wyrażonej w postaci retencji wody w strefie korzenienia roślin i to zarówno w 50-, jak i 100-centymetrowej warstwie gleby, świadczy przeprowadzona
TABELA 1. Skład granulo metryczny oraz stałe w odno-gleb ow e TABLE. 1. Soil texture and soil water retention parameters P o ziom Hori zon G łębok. Depth
Procentowa zawartość frakcji o średnicy [mm]
Percentage o f soil fractions at diameter [mm] Grupa granulo me tryczna Soil texture Pc fc ® p p w ® W T W cm 2 , 0 - 0 ,0 5 - < 0 ,0 2 < 0 ,0 0 2 P N -R - U S D A M g/m 3 m3/rrf3 0 ,0 5 0 ,0 0 2 0 4 0 3 3 1975
PI - gleba płowa zaciekowa opadowo-glejowa - Hap lie Glossudalfs
Ap 0 -2 8 76 18 16 6 PGś LS 1,67 0 ,3 6 5 0 ,2 2 0 0,071 E lte 2 8 -4 1 74 20 18 6 GŚP SL 1,74 0 ,3 4 0 0 ,2 1 8 0 ,0 4 6 E2teg 4 1 -5 0 72 21 20 7 GŚP SL 1,74 0 ,3 4 5 0 ,1 9 8 0 ,0 4 7 E/B 5 0 -6 0 65 23 27 12 GŚP fSL 1,72 0 ,3 5 0 0 ,2 5 3 0 ,0 9 6 B ltg 6 0 -7 2 60 23 33 17 GL SL 1,71 0 ,3 5 5 0 ,2 6 3 0 ,0 9 4 B2tg 7 2 -9 9 60 21 30 19 GL fSL 1,80 0 ,3 2 3 0 ,2 8 8 0 ,1 1 0 B3tg 9 9 -1 0 8 62 20 31 18 GL fSL 1,84 0 ,3 1 0 0,241 0 ,0 9 9 C kg 1 0 8 -1 3 0 65 20 29 15 GŚP fSL 1,86 0,301 0 ,2 2 7 0 ,1 0 0 - gęstość objętościowa gleby suchej - bulk density, fQ - współczynnik porowatości ogólnej - total porosity, © ppw - wilgotność polowej pojemności wodnej - field water capacity, 0 wyw - wilgotność trwałego więdnięcia — permanent wilting point
R Y SU N EK 2. Średnie m ie sięczne głębokości zalegania zwierciadła wód gruntowych FIGURE 2. Mean depth o f ground water occurrence
analiza składowych głównych (rys. ЗА). Z analizy tej wynika, że retencja wody w strefie korzenienia roślin związana jest w większym stopniu z w ielkością ewapo- transpiracji i z ilością opadów niż z głębokością zalegania zwierciadła wód gruntowych. Ponadto z analizy tej wynika (rys. 3B), że uwilgotnienie strefy korzenienia w analizowanej glebie można podzielić na cztery wyraźne i w miarę jednorodne okresy, uwzględniając przebieg opadów i wielkość ewapotranspiracji. Pierwszy jednorodny okres uwilgotnienia strefy korzenienia występuje w miesiącach: styczeń i luty. Drugi okres stanowią dwa kolejne miesiące - marzec i kwiecień, a trzeci - maj i czerwiec. Czwarty okres występuje
RYSUNEK 3. Wyniki analizy składow ych głów nych (PCA): A zmienne: RET 0 -5 0 retencja w od y w 50 cm warstw ie gleby, RET 0 100 retencja w ody w warstw ie 100 cm, ZW G - zw ierciadło wód gruntowych. ETR ewapotranspiracja, В zm iennych przypadków - m iesięcy
1-1 ( iiJRE 3. Results o f principal com ponent analysis (PCA): A variable: RET 0 - 50 - water storage in 50
c m soil depth, RET 0 100 water storage in 100 cm soil depth, Opady precipitation, ETR - évapotranspiration, В cases months
RYSUNEK 4. Zmiany w czasie zawartości wody (0 , nr'- m ') w strefie korzenienia roślin FIGURE 4. Changes in time o f soil water content (0 , nr'- m 3) in rooting zone
w trakcie nawilżania silnie przesuszonej gleby, tj. od września do grudnia. Natomiast najbardziej zmienne uwilgotnienie obserwowane jest w miesiącach: lipiec i sieipicń i różni się ono istotnie od wydzielonych okresów, przez co należy uwilgotnienie w tych miesiącach traktować jako wartości odstające - mało przewidywalne.
Cykliczne zmiany uwilgotnienia gleby w strefie korzenienia się roślin bardzo dobrze odzwierciedlono na rysunku 4. Cykłiczność ta objawia się wyczerpywaniem wody łatwo dostępnej ze strefy korzenienia w okresie od trzeciej dekady marca lub pierwszej dekady kwietnia do trzeciej dekady sierpnia lub pierwszej dekady września. Następnie rozpoczyna się okres odbudowy stanów retencji. M aksymalne uwilgotnienie strefy korzenienia obserwuje się w miesiącach: styczeń i luty. Największe zmiany w uwilgotnieniu obserwuje się w poziomie uprawnym. Wilgotność gleby w tym poziomie kształtowała się najczęściej poniżej 0,15 mJ- m-3, natomiast w poziomie argillic od 0,225 do 0,250 m3* m"3. Ażeby jednak móc realnie ocenić zmienność czasową zawartości wody dostępnej dla roślin w glebie, należy ją rozpatrywać na tle stałych wodno-glebowych, a przede wszystkim na tle polowej pojemności wodnej [Marcinek i in. 1997]. Stąd też, pomimo iż w środko wej części profilu glebowego obserwuje się dość wysokie zawartości wody, to jednak wartości te są dużo niższe od polowej pojemności wodnej. Pomimo szybkiego wyczer pywania się wody łatwo dostępnej dla roślin w sezonie wegetacyjnym w badanej glebie, z przeprowadzonej analizy geostatystycznej wynika, że zmiany uwilgotnienia zachodzą stopniowo, wykazując dużą zmienność systematyczną i małą zmienność losową. Zmien ność czasową zawartości wody można opisać przy pomocy modelu slirycznego. Na rysunku 5 przedstawiono semiwariogramy zmienności czasowej uwilgotnienia gleb w strefie korzenienia roślin, a w tabeli 2 parametry zmienności. Z danych tych wynika, że dynamika uwilgotnienia gleb skorelowana jest w czasie od 36 tygodni na głębokości 20 cm do 43 tygodni na głębokości 100 cm.
Analizując szczegółowo pojedyncze dane pomiarowe można wyróżnić okresy oraz strefy maksymalnego i minimalnego uwilgotnienia w profilu glebowym. W okresie jesiennym oraz wczesnowiosennym można zaobserwować występowanie wody grawita
cyjnej w poziomach luvic oraz glossic. Taki rozkład uwilgotnienia związany jest bowiem z zalegającym niżej, dobrze ukształtowanym poziomem argillic charakteryzującym się dużą gęstością objętościową i małą zawartością makro- oraz mezopor. Natomiast w okresie od lipca do sierpnia w poziomach ochric oraz luvic zawartość wody utrzymy
wana jest niejednokrotnie z siłami - 1500
TABELA 2. Parametry zmienności czasow ej uwilgotnienia gleby
TABLE 2. Parameters o f soil moisture temporal variability
kPa i mniejszymi. Poziomy te, ze względu na niewielką zawartość materii organicznej i frakcji ilastej, wykazują małe zdolności retencyjne, co sprawia, że retencjonowana I woda ulega szybko wyczerpaniu. Silne
j przesuszanie rzędu - 1000 kPa obserwo-
! wane jest również w poziomach argillic w
j miesiącach: sierpień i wrzesień i dotyczy
j ono najczęściej stropowej części poziomu. Tak głębokie przesychanie gleb obserwo wane było w W ielkopolsce nie tylko na Pojezierzu Poznańskim [M arcinek i in. 1994; Komisarek 2000; Komisarck, Koz łowski 2005], ale również w obrębie Rów niny Kościańskiej [Spychalski 1998].
136 J. Komis arek
(m^rrï3)2
к (tygodnie - w eek s) к (tygodnie - w eek s)
(m**nV3)2
к (tygodnie - w eek s) к (tygodnie - w eek s)
( mm)
к (tygodnie - w eek s)
R Y SU N EK 5. Semiwariogramy zm ienności czasowej uw ilgotnienia gleb w strefie korzenienia roślin FIGURE 5. Sem ivarogram s o f temporal variability o f soil moisture content in root zone
WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonych 15-letnich badań nad dynamiką uwilgotnienia gleby płowej zaciekowej opadowo-glejowej sformułowano następujące wnioski:
1. Obserwuje się cykliczne, głębokie i szybkie przesychanie gleb w sezonie wegetacyj nym i powolną odbudowę retencji w okresie zimowym.
2. W glebach tych dynamika wody glebowej w strefie korzenienia roślin zdeterminowana jest wielkością ewapotranspiracji i opadów, a oddziaływanie wód gruntowych w la
tach normalnych jest nieistotne.
3. Zmiany zawartości wody w glebie skorelowane są w czasie 36, 37, 38, 40 i 43 tygodni odpowiednio na głębokościach 20, 40, 60, 80 i 100 cm.
4. W poziomie zaciekowym glossic obserwuje się okresowe występowanie wody sta- gnującej na stropowej części poziomu argillic, co związane jest zarówno z budową morfologiczną gleby, jak również z jej właściwościami fizycznymi.
LITERATURA
BO U M A J. 1984: Estimation moisture related land qualities for land evaluation. W: Land U se Planning Techniques and P olicies. S S S A Spec. Pub. N o. 12, Madison.
B O U M A J. 1989: U sin g soil survey data for quantitative land evaluation. Adv. Soil Sei. 1 7 7-213. C AM PBELL G. S. 1985: Soil physics with basic. Transport model for soil-plant system . Dev. in Soil Sei
14: 150 ss.
KABAT P., M A R SH A LL B., VAN D EN BROEK B. J., V O S J., VAN K EU LEN (eds) 1995: M odelling and parametrization o f the soil-plant-atm osphere system . A com parison o f potato growth m odels. W ageningen Pers.: 513 ss.
KLUTE A. 1986: Water retention. Laboratory methods. W: M ethods o f soil analysis. A gronom y M on o
graph 9: 6 3 5 -6 6 0 .
K OM ISAREK J. 2000: K ształtow anie się w łaściw ości gleb płow ych i czarnych ziem oraz chem izm u w ód gruntowych w katenie falistej moreny dennej Pojezierza Poznańskiego. Wyd. A R Poznan, Rozp.
Nauk. 307: 142 ss.
KOM ISAREK J., KOZŁOW SKI M. 2005: Zastosowanie sym ulacyjnego m odelu SWAP do ocen y bilan su w odnego gleby płowej zaciekowej falistej moreny dennej Pojezierza Poznańskiego. Rocz. AR Pozn.
365, Melior. Inż. Srod. 26: 2 2 3 -2 3 1 .
M ARC INEK J. 1992: Parametryzacja środowiska gleb ow ego w aspekcie gospodarki wodnej gleb. P ro
blem y agrofizyki 67: 2 0 -5 2 .
M A RC INEK j., K O M ISA R EK J. 2000: W pływ naturalnych warunków drenażu gleb na ich reżim wodny. Rocz. AR Pozn. 317, Roln. 56: 7 9 -8 8 .
M ARC INEK J . , K OM ISA R EK J. 2004: Antropogeniczne przekształcenia gleb Pojezierza Poznańskie go. Wyd. A R Poznań: 118 ss.
M ARC INEK J., SPY C H A LSK I M., K OM ISAREK J. 1994: Dynam ika w od y w glebach autogenicz- nych i sem ihydrogenicznych w układzie toposekw encyjnym falistej moreny dennej Pojezierza Po znańskiego. Rocz. AR Poznań 268: 131-145.
M ARC INEK J., K OM ISA R EK J., B E D N A R E K R., М ОСЕК A., PIAŚCIK H., SK IB A S. 2008: S y s tematyka gleb Polski. Wyd. V. Wyd. UP w Poznaniu (w druku).
PANNATIER 1996: VARIOW IN. Software for spatial data analysis in 2D . Springer Verlag: 9 Iss. SPYC HA LSK I M. 1998: Gospodarka wodna wybranych gleb uprawnych Pojezierzy Poznańskiego i
L eszczyńskiego. Rocz. AR w Poznaniu 284: 122 ss.
STARKEL L. 1987: Przeglądowa mapa geom orfologiczna Polski w skali 1 : 500 000. Inst. Geogr. Przestrz. Zagosp. PAN, Warszawa.
SZA FR A Ń SK I C. 1993: Gospodarka wodna gleb terenów bogato rzeźbionych i potrzeby ich melioracji.
138 J. Komis arek
VAN D A M J.C., STRICKER J.N.M ., DROOGERS R 1994: Inverse method to determine soil hydraulic functions from multi-step outflow experiments. S oil Sei. Soc. Am. J. 58: 6 4 7 -6 5 2 .
VA N G E N U C H T E N M. TH ., LEIJ F. J., YATES S. R. 1991: The RETC code for quantifying the hydraulic functions o f unsaturated soils. U S. EPA. E P E /6 0 0 /2 -9 1/065: 1-8 5 .
W ARRICK A. W., M Y ER S D. E., N IELSEN D. R. 1986: G eostatistical m ethods applied to soil science. W: M ethods o f soil analysis, Part 1. Physical and m ineralogical m ethods. (2* Edition), M adison
A gron om y M onograph 9: 5 3 -8 2 .
Dr hab. Jolanta Komis arek, prof. nadzw. Katedra Gleboznawstwa i Rekultywacji
Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu ul. Piątkowska 94, 60-649 Poznań e-mail: jolakom@up.poznan.pl
