OCENA WYSOKOŚCI PODSIĄKU KAPILARNEGO W WYBRANYCH PROFILACH GLEB RÓWNINY SĘPOPOLSKIEJ

Transkrypt

1 ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2007 z. 519: OCENA WYSOKOŚCI PODSIĄKU KAPILARNEGO W WYBRANYCH PROFILACH GLEB RÓWNINY SĘPOPOLSKIEJ Daniel Szejba 1, Ireneusz Cymes 2, Jan Szatyłowicz 1 Katedra Kształtowania Środowiska, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Katedra Melioracji i Kształtowania Środowiska, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Wstęp W produkcji rolniczej szczególne znaczenie ma utrzymanie właściwego połoŝenia zwierciadła wody gruntowej, ze względu na uzupełnienie zapasu wody w strefie korzeniowej roślin poprzez podsiąk kapilarny. W celu właściwej regulacji stosunków powietrzno-wodnych w glebie, niezbędna jest znajomość zjawisk zachodzących w strefie areacji profilu glebowego. Szczególne znaczenie ma intensywność zasilania i związana z nią wysokość, do jakiej dociera podsiąk kapilarny. Wysokość ta przy załoŝonych rozchodach wody na ewapotranspirację zaleŝy od przewodności wodnej gleby w strefie areacji, która jest parametrem funkcji zaleŝnym od wilgotności lub ciśnienia ssącego gleby [BRANDYK 1990; BRANDYK i in. 1993; KOWALIK 2006]. Celem niniejszej pracy jest określenie wysokości podsiąku kapilarnego przy róŝnym rozchodzie wody na ewapotranspirację w charakterystycznych profilach glebowych Równiny Sępopolskiej. Materiał i metody badań Równina Sępopolska połoŝona jest w północno-wschodniej Polsce i wg podziału administracyjnego znajduje się w województwie warmińskomazurskim, w obrębie gruntów miasta Lidzbark Warmiński i wsi Koniewo. PrzewaŜająca część gleb Równiny Sępopolskiej wytworzona została z iłów zastoiskowych i glin zwałowych. Omawiane gleby charakteryzują się duŝą urodzajnością, tak więc funkcją tego terenu jest głównie produkcja rolnicza (grunty orne 53%, łąki i pastwiska 23,3%). Do badań wybrano sześć charakterystycznych profili glebowych, reprezentujących następujące typy gleb: czarne ziemie wytworzone z gliny średniej pylastej na ile (Dgsp30i), czarne ziemie wytworzone z gliny cięŝkiej (Dgc), gleby brunatne wytworzone z gliny lekkiej pylastej na glinie średniej pylastej podścielonej iłem (Bglp30gsp120i), gleby brunatne wytworzone z gliny średniej pylastej na glinie cięŝkiej

2 D. Szejba, I. Cymes, J. Szatyłowicz 320 (Bgsp30gc), gleby brunatne wytworzone z gliny lekkiej na glinie średniej (Bgl30gs) oraz gleby brunatne wytworzone z gliny cięŝkiej pylastej na ile (Bgcp30i) [CYMES 2002]. Do obliczenia wysokości podsiąku kapilarnego, w zaleŝności od ciśnienia ssącego i rozchodów wody na ewapotranspirację, wykorzystano rozwiązanie numeryczne zaleŝności dla warstwowanych profili glebowych przedstawione przez WESSELING A [1991]: n z = m h j = 1 i= 11+ K q [ ] ( havi ) gdzie: z wysokość na której występuje ciśnienie wody glebowej (h) przy ustalonej gęstości strumienia wody (q), (cm), n liczba warstw profilu glebowego, m liczba przedziałów obliczeniowych, q gęstość strumienia wody (cm d -1 ), h ciśnienie ssące wody glebowej (cm), K przewodność wodna gleby przy stanie niepełnego nasycenia (cm d -1 ), h avi średnia wartość ciśnienia ssącego wody glebowej w i-tym przedziale. Rozwiązanie tej zaleŝności było moŝliwe przy znajomości funkcji przewodności wodnej gleby, którą obliczono z równania van Genuchtena w kombinacji z modelem Mualema [MUALEM 1978; VAN GENUCHTEN 1980]: ( h) n m [ 1+ α h ] α h n m [ 1 ] ( + + α h 2) n 1 K K (2) = s L gdzie: α, m, n parametry opisujące kształt krzywej retencyjności wodnej, przy czym: α (cm -1 ), n (-), m = 1 1/n (-), K s współczynnik filtracji (cm d -1 ), L parametr glebowy uwzględniający krętość i stopień kontaktu porów glebowych (-). Charakterystykę zdolności retencyjnych gleb wyznaczono w sposób bezpośredni metodą bloku pyłowego [ZAWADZKI 1973] oraz metodą komór ciśnieniowych [KLUTE 1986]. W celu wyznaczenia parametrów α, m, n, opisujących kształt krzywej retencyjności wodnej, wykorzystano równanie VAN GENUCHTENA [1980]: r s r n ( 1+ α h ) m 2 (1) Θ Θ Θ = Θ + (3) gdzie: θ wilgotność aktualna (cm cm -3 ), θ s wilgotność przy stanie pełnego nasycenia (cm cm -3 ), θ r wilgotność resztkowa (cm cm -3 ).

3 OCENA WYSOKOŚCI PODSIĄKU KAPILARNEGO Występujący w równaniu (2) parametr L został obliczony na podstawie równania WÖSTENA i in. [1999]: * L = 0, , C 0,03544 ρ b C + 0,00283 ρ 2 0, OM b S + 0,0488 ρ L + 10 = ln 10 L gdzie: C udział frakcji < 0,002 mm (%), S udział frakcji od 0,002 do 0,05 mm (%), OM udział substancji organicznej (%), ρ b gęstość gleby (g cm -3 ). b 2 0,2316 ln OM ( OM) (4) L * (5) Udział poszczególnych frakcji oraz substancji organicznej dla rozpatrywanych profili glebowych został przedstawiony w tabeli 1. Tabela 1; Table 1 Średnia dla profilu zawartość frakcji oraz substancji organicznej w rozpatrywanych profilach glebowych Average grain size percentage and organic matter content for considered soil profiles Opis profilu Soil profile description Grupa mechaniczna (mm) Grain size (mm) 0,05-0,002 < 0,002 Substancja organiczna Organic matter content % % % Dgsp ,4 Bglp30gsp ,8 Bgsp30gc ,0 Bgl30gs ,8 Dgc ,9 Bgcp30i ,3 Wartości współczynnika filtracji (K s ) wyznaczono za pomocą metody studzienkowej [VAN BEERS 1958; STĄPEL 1982]. W tabeli 2 zestawiono parametry występujące w równaniach (2) i (3). Równanie (1) zostało wykorzystane w programie CAPSEV, opracowanym przez WESSELING A [1991], umoŝliwiającym obliczenie wysokości podsiąku kapilarnego (z), w zaleŝności od ciśnienia ssącego wody glebowej (h) i rozchodów wody na parowanie terenowe (q). Obliczenia podsiąku kapilarnego przeprowadzono dla wielkości rozchodu w zakresie od 0 do 6 mm d -1. W obliczeniach przyjęto, Ŝe strefa korzeniowa roślin występuje do głębokości 25 cm, a zwierciadło wody gruntowej znajduje się na głębokości 100 cm poniŝej poziomu terenu.

4 D. Szejba, I. Cymes, J. Szatyłowicz 322 Tabela 2; Table 2 Wartości parametrów funkcji Mualema-van Genuchtena opisującej właściwości retencyjne i przewodność wodną gleby przy stanie niepełnego nasycenia w charakterystycznych warstwach profili glebowych Values of the Mualem-van Genuchten model parameters describing soil moisture retention characteristics and unsaturated hydraulic conductivity function for characteristic layers of the soil profiles Opis profilu Soil profile description Warstwa Layer θ s θ r α n L K s (cm) (cm 3 cm -3 ) (cm 3 cm -3 ) (cm -1 ) - - (cm d -1 ) Dgsp , , , ,7980 2, ,4737 0, , , , , , , ,7284 Bglp30gsp , , , ,8411 0, , , , , , , , ,5914 Bgsp30gc , , , ,3718 0, , , , , , , , ,9991 Bgl30gs , , , , , , , , , , , , ,9783 Dgc , , , ,7327 1, , , , , , , , ,2859 Bgcp30i , , , , , , , , , , , , ,2935 θ s wilgotność przy stanie pełnego nasycenia; saturated water content (cm cm -3 ) θ r wilgotność resztkowa; residual water content (cm cm -3 ) K s współczynnik filtracji; saturated hydraulic conductivity (cm d -1 ) α, n parametry opisujące kształt krzywej retencyjności wodnej; empirical constants affecting the shape of the retention curve - α (cm -1 ), n (-) L parametr glebowy; soil parameter (-) Wyniki i dyskusja Obliczone wysokości podsiąku kapilarnego przy załoŝonym zwierciadle wody na głębokości 100 cm zostały przedstawione na rysunku 1. Ciśnienie ssące gleby odpowiadające polowej pojemności wodnej są uzaleŝnione od gatunku gleby. Orientacyjne wartości ciśnień ssących przy uwilgotnieniu odpowiadającemu polowej pojemności wodnej przyjęto za ŚLUSARCZYKIEM [1979]: dla glin lekkich - (profile Bglp30gsp i Bgl30gs) 140 cm, dla glin średnich (profile Dgsp i Bgsp30gc) 200 cm oraz dla glin cięŝkich (profile Dgc i Bgcp30i) 316 c.

5 OCENA WYSOKOŚCI PODSIĄKU KAPILARNEGO Rys. 1. Fig. 1. Obliczona wysokość podsiąku kapilarnego z(q,h) przy połoŝeniu zwierciadła wody gruntowej na głębokości 100 cm poniŝej poziomu terenu w profilach: a) Dgsp, b) Bglp, c) Bgsp30gc, d) Bgl30gs, e) Dgc, f) Bgcp30i Calculated height of capilary rise z(q,h) for 100 cm ground water depth in soil profiles: a) Dgsp, b) Bglp, c) Bgsp30gc, d) Bgl30gs, e) Dgc, f) Bgcp30i

6 D. Szejba, I. Cymes, J. Szatyłowicz 324 Zakładając we wszystkich rozpatrywanych profilach warstwę strefy korzeniowej od 0 do 25 cm, najlepszymi warunkami podsiąkania wody charakteryzuje się profil Bgcp30i. Strefa korzeniowa roślin zasilana jest natęŝeniem przepływu równym 6 mm d -1. Nieco gorszymi warunkami podsiąku charakteryzuje się profil Dgc, gdzie strefa korzeniowa roślin zasilana jest z intensywnością do 3 mm d -1. Zastanawiającym jest, Ŝe o ile profil Bgcp30i ma największą spośród rozpatrywanych profili wartość współczynnika filtracji (18,46 cm d -1 ), o tyle profil Dgc charakteryzuje się bardzo niską wartością, równą 1,61 cm d -1. Drugą grupę stanowią gleby, w których warstwa 0 25 cm, przy ciśnieniu ssącym odpowiadającym polowej pojemności wodnej, jest zasilana natęŝeniem przepływu od 0,5 do 1,0 mm d -1. Są to profile Bgl30gs i Dgsp. Podobnie jak w przypadku dwóch pierwszych profili, występuje tutaj zróŝnicowanie współczynnika filtracji. Dla profilu Bgl30gs wynosi on 12 cm d -1, natomiast dla profilu Dgsp równy jest 2,48 cm d -1. Trzecią grupę stanowią gleby, w których podsiąk kapilarny przy załoŝonym zwierciadle wody gruntowej nie dociera do głębokości 25 cm poniŝej powierzchni terenu. W przypadku profilu Bglp30gsp120i wysokość podsiąku przy przepływie równym 0,5 mm d -1 dociera do głębokości 75 cm poniŝej powierzchni terenu. Natomiast w profilu 360 Bgsp30gc podsiąk kapilarny dociera do głębokości 88 cm poniŝej powierzchni terenu. W rozpatrywanym przypadku obydwa profile glebowe charakteryzują się bardzo niskimi wartościami współczynnika filtracji, poniŝej 1 cm d -1. Rozpatrywane gleby, w których występuje najwyŝszy podsiąk kapilarny, to gleba brunatna wytworzona z gliny cięŝkiej pylastej na ile oraz czarna ziemia wytworzona z gliny cięŝkiej. Drugą grupę gleb, w których strefa korzeniowa jest zasilana ze zwierciadła wody gruntowej z natęŝeniem 0,5 1 mm d -1 stanowi: gleba brunatna wytworzona z gliny lekkiej na glinie średniej oraz czarna ziemia wytworzona z gliny średniej pylastej na ile. Trzecią grupę gleb, gdzie podsiąk kapilarny nie dociera do strefy korzeniowej roślin, stanowią: gleba brunatna wytworzona z gliny lekkiej pylastej na glinie średniej pylastej podścielonej iłem oraz gleba brunatna wytworzona z gliny średniej pylastej na glinie cięŝkiej. MoŜna zauwaŝyć, Ŝe gleby charakteryzujące się wysokim podsiąkiem kapilarnym zostały wytworzone z glin cięŝkich. Jednak gleba wytworzona z gliny średniej pylastej na glinie cięŝkiej charakteryzuje się bardzo słabymi właściwościami podsiąku kapilarnego. MoŜna stąd sądzić, Ŝe bardzo istotne znaczenie ma zróŝnicowanie oraz układ poszczególnych warstw w profilach glebowych. Podsumowanie i wnioski Na obiekcie badawczym występuje znaczne zróŝnicowanie moŝliwości zasilania strefy korzeniowej roślin przez wody gruntowe - od gleb o bardzo dobrych właściwościach zasilających strefę korzeniową o natęŝeniu przepływu równym 6 mm d -1 (profil Bgcp30i) ze zwierciadła wody gruntowej na głębokości 100 cm, do gleb o maksymalnej wysokości podsiąku kapilarnego 88 cm poniŝej powierzchni terenu (profil Bgsp30gc). Wysokość podsiąku kapilarnego, a takŝe jego intensywność jest zjawiskiem bardzo złoŝonym i zaleŝy od wielu czynników. MoŜna do nich zaliczyć skład granulometryczny gleby, współczynnik filtracji, zawartość substancji organicznej oraz szereg parametrów mających

7 OCENA WYSOKOŚCI PODSIĄKU KAPILARNEGO wpływ na właściwości hydrauliczne i retencyjne gleby. Bardzo istotna jest budowa poszczególnych warstw oraz ich układ w profilu glebowym. Literatura BRANDYK T Podstawy regulowania uwilgotnienia gleb dolinowych. Rozprawa habilitacyjna. Wyd. SGGW-AR, Warszawa: BRANDYK T., BRANDYK T., SKĄPSKI K Ocena wysokości podsiąku kapilarnego w kilku profilach mad rzecznych. Rocz. Gleb. XLIV(1/2): CYMES I Znaczenie małych zbiorników wodnych dla retencji wody i biogenów w zlewni zmeliorowanej. Praca doktorska. Katedra Melioracji i Kształtowania Środowiska. Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie: 26. KLUTE A Water retention: laboratory methods. Method of soil analysis. Part 1. Physical and mineralogical methods. Agronomy Monograph 9: KOWALIK P.J Drainage and capillary rise components in water balance of alluvial soils. Agricultural Water Management 86: MUALEM Y Hydraulic conductivity of soil: Unified approach to the statistical models. Soil Sci. Am. J. 42: STĄPEL Z Metoda wyznaczania współczynnika filtracji gleb mineralnych do określania rozstawy drenów. Biblioteczka Wiadomości IMUZ 63: ŚLUSARCZYK E Określanie retencji uŝytecznej gleb mineralnych dla prognozowania i projektowania nawodnień. Melioracje rolne. Biuletyn Informacyjny 3: VAN BEERS W.F.J The auger hole method. Institute for Land Reclamation and Improvement, Wagenningen. Bull. 1: VAN GENUCHTEN M.Th A Closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 44: WESSELING J.G CAPSEV: steady state moisture flow theory; program description; user manual. Wageningen, SC, Report 37: 51. WÖSTEN J.H.M., LILLY A., NEMES A., LE BAS C Development and use of a database of hydraulic properties of European soils. Geoderma 90: ZAWADZKI S Laboratoryjne oznaczanie zdolności retencyjnych utworów glebowych. Wiadomości Instytutu Melioracji i UŜytków Zielonych XI(2): Słowa kluczowe: podsiąk kapilarny, gleby brunatne, czarne ziemie Streszczenie W pracy określono wysokość podsiąku kapilarnego przy róŝnym rozchodzie wody na ewapotranspirację w charakterystycznych profilach glebowych Równiny Sępopolskiej. Badaniami objęto czarne ziemie wytworzone z gliny średniej pylastej oraz z gliny cięŝkiej i gleby brunatne wytworzone z gliny lekkiej pylastej na glinie średniej pylastej podścielonej iłem; gliny średniej pylastej na glinie cięŝkiej; gliny lekkiej na glinie średniej oraz gliny cięŝkiej pylastej na

8 D. Szejba, I. Cymes, J. Szatyłowicz 326 ile. Do obliczenia wysokości podsiąku kapilarnego w zaleŝności od ciśnienia ssącego i rozchodów wody na ewapotranspirację, wykorzystano zaleŝność dla warstwowanych profili glebowych. Wśród badanych profili glebowych, najlepsze warunki podsiąkania wody w glebie wykazują profile charakterystyczne dla gleb brunatnych wytworzonych z gliny cięŝkiej pylastej na ile oraz czarne ziemie wytworzone z gliny cięŝkiej. Przy załoŝonym zwierciadle wody gruntowej 100 cm poniŝej powierzchni terenu, strefa korzeniowa roślin zasilana jest z największą intensywnością wynoszącą do 6 mm d -1. Najmniejszą intensywnością zasilania, a tym samym niewielką wysokością podsiąku kapilarnego, charakteryzują się profile glebowe charakteryzujące glebę brunatną wytworzoną z gliny lekkiej pylastej na glinie średniej pylastej podścielonej iłem oraz gleba brunatna wytworzona z gliny średniej pylastej na glinie cięŝkiej. Wysokość podsiąku kapilarnego wynosi od kilku do kilkunastu centymetrów przy minimalnym natęŝeniu przepływu 0,5 mm d -1. Przeprowadzona analiza wykazała, Ŝe intensywność zasilania strefy korzeniowej roślin, a takŝe wysokość podsiąku kapilarnego jest zjawiskiem bardzo złoŝonym i zaleŝnym od wielu czynników. MoŜna do nich zaliczyć skład granulometryczny gleby, przewodność wodna przy stanie pełnego i niepełnego nasycenia oraz zawartość substancji organicznej. EVALUATING THE HEIGHT OF CAPILLARY RISE IN SELECTED SOIL PROFILES ON SĘPOPOLSKA PLAIN Daniel Szejba 1, Ireneusz Cymes 2, Jan Szatyłowicz 3 1 Department of Environmental Improvement, Warsaw Agricultural University, Warszawa 2 Department of Land Reclamation and Management, The University of Warmia and Mazury, Olsztyn Key words: capillary rise, eutric cambisols, mollic gleysols Summary The study aimed at determination of capillary rise height due to different evapotranspiration intensity in characteristic Sępopolska Plain soil profiles. The research covered the mollic gleysols created by clay loam or clay and eutric cambisols created by sandy clay loam over clay loam and clay, clay loam over clay, sandy loam over clay loam and silty clay over clay. The relation ship for layered soil profiles was used to calculate the height of capillary rise due to pressure head and evapotranspiration amount. Among investigated soil profiles, eutric cambisols soil profiles created by silty clay over clay and mollic gleysols created by clay showed the best conditions for capillary rise. The root zone was supplied with 6 mm d -1 intensity at ground water table assumption of 100 cm below soil surface. Eutric cambisol soil profile created by sandy loam over clay loam and clay loam over clay characterized the lowest supply intensity and the same minor height of capillary rise. The height of capillary rise equals from several to tens centimeters above the ground water at minimum flow intensity 0.5 mm d -1. Conducted analysis showed that the supply intensity of root zone as well as the height of capillary rise are a very complex phenomenon which de-

9 OCENA WYSOKOŚCI PODSIĄKU KAPILARNEGO pends on many factors such as soil granulometric composition, saturated and unsaturated hydraulic conductivity and organic matter content. Dr inŝ. Daniel Szejba Katedra Kształtowania Środowiska Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego ul. Nowoursynowska WARSZAWA