ZMIENNOή PRZESTRZENNA TEMPERATURY W PRZYPOWIERZCHNIOWEJ WARSTWIE GLEBY P OWEJ NA ZBOCZU LESSOWYM. B. Usowicz, J. Rejman

Transkrypt

1 Acta Agrophysica, 2000, 34, ZMIENNOŒÆ PRZESTRZENNA TEMPERATURY W PRZYPOWIERZCHNIOWEJ WARSTWIE GLEBY P OWEJ NA ZBOCZU LESSOWYM B. Usowicz, J. Rejman Instytut Agrofizyki im. B. Dobrzañskiego, Polska Akademia Nauk ul. Doœwiadczalna 4, P.O. Box 201, Lublin 27 usowicz@demeter.ipan.lublin.pl S t r e s z c z e n i e.w pracy przedstawiono wyniki pomiarów temperatury gleby w warstwie przypowierzchniowej prowadzone wzd³u zbocza lessowego. Badano przestrzenn¹ zmiennoœæ temperatury w zale noœci od sposobu u ytkowania gleby. Stwierdzono, e roœliny znacz¹co modyfikowa³y rozk³ad temperatury gleby w przypowierzchniowej warstwie. Badania wykaza³y, e temperatury gleby na obiekcie z jêczmieniem i owsem, za wyj¹tkiem pocz¹tkowego stadium rozwojowego roœlin (do wysokoœci cm), by³y ni sze ani eli na obiekcie bez roœlin. Temperatura na obiekcie z roœlinami waha³a siê od 14 do 26,8 o C, a na obiekcie bez roœlin od 15 do 30,7 o C. Wspó³czynniki zmiennoœci na obiekcie z roœlinami zawiera³y siê w zakresie od 2,5 do 9,4%, natomiast na obiekcie bez roœlin od 3,0 do 11,1%. S³owa kluczowe:rozk³ad temperatury gleby, zmiennoœæ przestrzenna temperatury gleby, geostatystyka, zbocze lessowe WSTÊP W badaniach agroklimatycznych, z regu³y wykorzystywane s¹ pomiary punktowe, które nastêpnie odnoszone s¹ do ca³ego badanego obszaru [3,5]. W nielicznych pracach poruszany jest problem przestrzennego zró nicowania temperatury [4,10], przy czym badania te prowadzone s¹ g³ównie na terenach p³askich. Jedynie pojedyncze prace odnosz¹ siê do warunków cieplnych i wilgotnoœciowych w terenach urzeÿbionych [1,9]. Uwzglêdnienie w badaniach zmiennoœci przestrzennej jest tym bardziej istotne, i w urzeÿbionym terenie lessowym, stwierdzono du ¹ przestrzenn¹ zmiennoœæ pokrywy glebowej, zwi¹zan¹ z wystêpowaniem w warstwie ornej ró nych poziomów genetycznych [8]. Powoduje to du ¹ zmiennoœæ podstawowych w³aœciwoœci fizycznych, które mog¹ wp³ywaæ na stosunki wilgotnoœciowe i termiczne gleby. Celem przeprowadzonych badañ by³o okreœlenie przestrzennego zró nicowania temperatury w warstwie przypowierzchniowej gleby na przyk³adzie zbocza lessowego.

2 190 B. USOWICZ, J. REJMAN METODYKA Pomiary temperatury przeprowadzono w przypowierzchniowej warstwie (0-1 cm) gleby p³owej wytworzonej z lessu (Orthic Luvisols) w Bogucinie (P³askowy Na³êczowski). Warstwy orna zawiera³a 2% czêœci piaszczystych, 65% pylastych, 23% i³u pylastego oraz 11% i³u koloidalnego, 1,8% próchnica, a ph w KCl - 5,3. Wed³ug klasyfikacji Turskiego [8] by³a to gleba s³abo zerodowana. Pomiary temperatury gleby prowadzono wzd³u poletek erozyjnych z roœlinami (mieszanka jêczmienia i owsa) oraz utrzymywanych stale w czarnym ugorze [7]. Poletka by³y usytuowane na zboczu o wystawie pó³nocnej i nachyleniu 12%. Pomiary temperatury prowadzono w wzd³u zbocza w odstêpach wynosz¹cych 1 m. Punkty pomiarowe w liczbie 84 tworzy³y siatkê prostok¹tn¹ o wymiarach 20x24 m. Kszta³t siatki zosta³ wymuszony wymiarami poletek erozyjnych. Poletka utrzymywane w czarnym ugorze (o zró nicowanej d³ugoœci) by³y otoczone mieszank¹ z boków i od góry, w dolnej czêœci poletek znajdowa³y siê natomiast instalacje zbieraj¹ce sp³yw powierzchniowy i zmyw gleby, umiejscowione w pasie trawy. Schemat punktów pomiarowych przedstawiono na Rys. 1. Do pomiarów temperatury u yto termometrów pó³przewodnikowych, natomiast do pomiarów wilgotnoœci sond TDR [6]. Pomiary rozpoczêto od i kontynuowano je w odstêpach tygodniowych do (³¹cznie w 11 okresach). Pomiary wykonywano miêdzy godzin¹ 10 i 11-t¹. Pola temperatur by³y estymowane w oparciu o metodê krigingu [2] Poletka: - z roœlinami - bez roœlin - punkt pomiarowy Odleg³oœæ, m Odleg³oœæ, m Rys. 1. Schemat punktów pomiarowych w Bogucinie. Fig. 1. Arrangement of mesurement points in Bogucin

3 ZMIENNOŒÆ PRZESTRZENNA TEMPERATURY GLEBY 191 WYNIKI BADAÑ I DYSKUSJA Charakterystyka opadów i temperatury powietrza Ca³kowita suma opadów w okresie od 8.05 do wynosi³a 169,7 mm. Podczas prowadzenia pomiarów mo na wyró niæ 4 okresy zró nicowane pod wzglêdem wystêpowania opadów: (1) od 8.05 do z sum¹ opadów 7,3 mm; (2) od do ,5 mm; (3) od 2.06 do 16,06-0,8 mm oraz (3) od do ,9 mm (Rys. 2a). Œrednia temperatura dobowa powietrza w ca³ym okresie pomiarowym wynosi³a 14,8 o C, z œrednimi temperaturami - minimaln¹ 9,5 o Ci maksymaln¹ 22,4 o C. Przebieg temperatury przedstawiono na Rys. 2b. Charakterystyka wilgotnoœci w przypowierzchniowej warstwie gleby Zmierzone œrednie wartoœci wilgotnoœci oraz wartoœci odchylenia standardowego przedstawiono na Rys. 2c. Wilgotnoœæ w przypowierzchniowej warstwie gleby na obiekcie z roœlinami waha³a siê od 15,6 do 30,1% v/v, natomiast na obiekcie bez roœlin, od 21,9 do 31,3% v/v. Najwiêksze zró nicowanie miêdzy poszczególnymi obiektami stwierdzono po d³u szym okresie bez opadów i wynosi³o ono 7,4% v/v ( ). Charakterystyka temperatury w przypowierzchniowej warstwie gleby Pomiary temperatury rozpoczêto po wschodach roœlin. W dniu roœliny mia³y wysokoœæ 5-6 cm, od osi¹gnê³y maksymalne stadium rozwojowe (wysokoœæ roœlin cm), natomiast w dniu stwierdzono wy³o enie mieszanki pod wp³ywem opadów deszczu. Wartoœci temperatury gleby oraz parametry statystyczne przedstawiono w Tabeli 1. Temperatura œrednia na ca³ym polu w okresie pomiarów wynosi³a 22,90 o C, na obiekcie z roœlinami 21,46 o C, a na czarnym ugorze 24,20 o C. Wspó³czynniki zmiennoœci dla ca³ego obiektu zawiera³y siê w zakresie od 4,1do 13,5%, na obiekcie z roœlinami od 2,5 do 9,4% oraz na obiekcie bez roœlin od 3,0 do 11,1%. Dla 8-miu z 11-tu terminów pomiarowych, wspó³czynniki zmiennoœci by³y wiêksze na obiekcie bez roœlin. W dwóch pierwszych terminach pomiarowych, œrednia temperatura na obiekcie z roœlinami by³a nieznacznie wy sza w porównaniu do obiektu bez roœlin (0,5 i 1,6 o C). W nastêpnych terminach sytuacja by³a odwrotna, a ró nice œrednich temperatur zawiera³y siê w przedziale od 1,7 do 5,2 o C.

4 192 B. USOWICZ, J. REJMAN a c Suma opadów, mm Dzieñ roku b Temperatura, 0 C Dzieñ roku Wilgotnoœæ, %v/v A B Dzieñ roku Rys. 2. Opady dobowe (a), dobowa temperatura powietrza (wartoœci œrednie, minimalne oraz maksymalne) (b), oraz wilgotnoœæ w przypowierzchniowej warstwie gleby (A- obiekt z roœlinami, B- obiekt bez roœlin) (c). Fig. 2. Rainfall amount (a), daily air temperature (average, minimum and maximum) (b), and soil water content in the surface layer (A - plants, B- fallow) (c).

5 ZMIENNOŒÆ PRZESTRZENNA TEMPERATURY GLEBY 193 Tabela 1.Parametry statystyczne temperatury gleby w warstwie przypowierzchniowej ( o C) Table 1.Statistic parameters of temperature on the soil surface ( o C) Parametr Data/Dzieñ roku Wszystkie dane Œrednia Odch.std. Wsp.zm. Asymetria Kurtoza 15,2 0,62 4,1-0,14 1,75 27,9 2,68 9,6-0,06 1,62 28,0 2,12 7,6 0,67 2,13 19,4 1,77 9,1 0,41 2,30 14,8 0,99 6,7 0,30 1,58 25,5 2,82 11,1 0,47 1,85 24,3 2,64 10,9 0,12 1,65 Mieszanka Œrednia Odch.std. Wsp.zm. Asymetria Kurtoza 15,5 0,53 3,4-0,37 2,18 28,7 2,70 9,4-0,36 1,75 26,8 1,14 4,3 1,11 4,57 18,0 0,88 4,9-0,21 3,78 14,0 0,35 2,5 0,49 2,20 23,0 0,70 3,0 0,24 3,15 22,0 1,04 4,7 0,22 2,72 Czarny ugór Œrednia Odch.std. Wsp.zm. Asymetria Kurtoza 15,0 0,59 3,9 0,22 1,44 27,1 2,41 8,9 0,08 1,46 29,2 2,16 7,4-0,12 1,55 20,7 1,36 6,6 0,13 1,52 15,7 0,66 4,2-0,79 2,64 27,9 1,87 6,7-0,13 2,50 26,7 1,30 4,9-0,03 1, ,2 3,78 13,4 0,65 1,99 25,6 1,94 7,6 1,97 8,71 30,7 3,40 11,1-0,09 1, ,4 1,70 7,3-0,01 1,30 22,0 0,94 4,3 2,58 11,05 24,9 0,87 3,5-2,54 10, ,1 2,98 13,5 0,40 1,66 19,5 0,87 4,5 2,42 11,03 24,7 1,88 7,6-0,30 2, ,5 1,90 8,4-0,10 1,42 21,0 1,29 6,1 2,20 8,49 24,1 0,73 3,0-1,78 7,98

6 194 B. USOWICZ, J. REJMAN Analiza statystyczna wykaza³a wystêpowanie asymetrii w rozk³adzie temperatury na poszczególnych obiektach. Na obiekcie z roœlinami zaobserwowane przejœcie z asymetrii ujemnej na dodatni¹, natomiast na obiekcie bez roœlin, odwrotnie. Zmianê asymetrii mo na wi¹zaæ ze wzrostem roœlin i ograniczeniem dop³ywu energii cieplnej do gleby. Wiêksze rozmycie rozk³adu (kurtozê) temperatury stwierdzono na polu z roœlinami. Rozk³ad przestrzenny temperatury dla 4 wybranych terminów pomiarowych przedstawiono na Rys. 3. W pierwszym terminie pomiarowym, zró nicowanie temperatury by³o niewielkie, natomiast nieznaczny jej spadek w œrodkowej czêœci pola w tym przypadku mo na wi¹zaæ z wiêksz¹ wilgotnoœci¹ gleby [9]. W terminach 8 maj czerwiec 1997 T, o C 16 czerwiec lipiec 1997 Rys. 3. Przestrzenny rozk³ad temperatury (T, o C) w przypowierzchniowej warstwie gleby. Fig. 3. Spatial distribution of soil temperature (T, o C) in surface layer.

7 ZMIENNOŒÆ PRZESTRZENNA TEMPERATURY GLEBY 195 nastêpnych, stwierdzono znaczne ró nice temperatur miêdzy obiektami, przy czym szczególnie wyró nia³a siê górna czêœæ obiektu bez roœlin. Zauwa yæ mo na tu wyraÿny wzrost temperatury, bêd¹cy wynikiem otoczenia poletek przez roœliny. Natomiast od strony instalacji zbieraj¹cych sp³yw powierzchniowy mo na zaobserwowaæ spadek temperatury, który wynika raczej z braku os³ony roœlinnej od tej strony, ani eli zró nicowania wilgotnoœci [9]. WNIOSKI Przeprowadzone badania wykaza³y, e: 1. Zmiennoœæ przestrzenna temperatury w przypowierzchniowej warstwie gleby by³a uzale niona od sposobu jej u ytkowania. Stwierdzono, e roœliny znacz¹co modyfikowa³y rozk³ad temperatury gleby. 2. Na obiekcie z roœlinami temperatura gleby wykazywa³a mniejsze i bardziej równomierne zró nicowanie ani eli na obiekcie utrzymywanym w czarnym ugorze. Z tego wzglêdu punktowy pomiar temperatury mo e byæ bardziej reprezentatywny dla pola z roœlinami, ani eli bez roœlin. 3. W pocz¹tkowym stadium rozwoju roœlin, temperatura gleby na obiekcie z roœlinami by³a wy sza od temperatury na obiekcie utrzymywanym w czarnym ugorze, natomiast w póÿniejszych fazach rozwojowych by³a ona ni sza. Spadek ten by³ zwi¹zany z ograniczeniem dop³ywu energii cieplnej do powierzchni gleby przez okrywê roœlinn¹.

8 196 B. USOWICZ, J. REJMAN PIŒMIENNICTWO 1. Borowiec J.: Zmiennoœæ warunków cieplnych i wilgotnoœciowych w profilu glebowym w ró nych elementach uprawnego zbocza lessowego. Klimat pola uprawnego. III Sympozjum Naukowe. Pu³awy, , Gamma Design Software. GS+ v beta. Geostatistics for the environmental Sciences Ko³odziej J., Galant H., Liniewicz K.: The course of temperature in the soil layer from 0 to 100 cm deep with differentiated soil plant cover. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln., 396, 57-61, Kossowski J.: Próba okreœlenia przestrzennego zró nicowania temperatury gleby na polu uprawnym. Zesz. Post. Probl. Post. Nauk Roln., 315, , Kossowski J.: The differentation of temperature in arable layer under the influence of soil compaction. Zesz. Post. Probl. Post. Nauk Roln., 396, 75-80, Malicki M.: A reflectometric (TDR) meter of moisture content in soils and other capillary-porous materials. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln., 388, , Rejman J., Usowicz B., Dêbicki R.: Source of errors in predicting silt soil erodibility with USLE. Polish J. Soil Sci., 32(1), 13-22, Turski R., S³owiñska-Jurkiewicz A., Paluszek J.: Wp³yw erozji na fizyczne w³aœciwoœci gleb wytworzonych z lessu. Roczn. Glebozn., 38(1), 37, Usowicz B., Rejman J.: Spatial distribution of topsoil water content along a loess hillslope transect. Int. Agrophysics, 2000, (w druku). 10. Usowicz B., Walczak R.: Investigations and analyses of spatial variability of soil temperature. Int. Agrophysics, 6, 43-53, 1992.

9 ZMIENNOŒÆ PRZESTRZENNA TEMPERATURY GLEBY 197 SPATIAL DISTRIBUTION OF TEMPERATURE IN SURFACE LAYER OF GREY-BROWN PODZOLIC SOIL ALONG LOESS HILLSLOPE B. Usowicz, J. Rejman Institute of Agrophysics, Polish Academy of Sciences, Doœwiadczalna 4, P.O. Box Lublin, 27, Poland, SUMMARY Results of soil temperature measurements along loess hillslope are presented in the paper. Spatial distribution of temperature in the soil surface layer was studied in dependence on type of soil management. Results showed that plants modified significantly the distribution of soil temperature. Soil temperature on a site with oats and barley was lower than on a site without plants, excluding the first phase in plant development (up to the plant height of cm). Generally, soil temperature on a site with plants was in the range from 14 to 26.8 o C, and on a site without plants from 15 to 30.7 o C. Values of variability coefficients were in the range from 2.5 to 9.4%, and from 3.0 to 11.1%, on a site with plants and without them, respectively. K e y w o r d s:distribution of soil temperature, spatial variability of soil temperature, geostatistics, loess slope.