Nowe spojrzenie na cele i potrzeby wodnych melioracji w Polsce Prof. dr hab. Janusz Ostrowski ITP Falenty

Transkrypt

1 Nowe spojrzenie na cele i potrzeby wodnych melioracji w Polsce Prof. dr hab. Janusz Ostrowski ITP Falenty Warszawa,

2 Polska szkoła diagnostyki powietrzno- wodnych warunków w glebach mineralnych 1. Antagonistyczny charakter fazy ciekłej i gazowej w glebie 2. Rola tlenu w środowisku glebowym i w procesie wegetacji roślin 3. Tlenki żelaza jako akumulator tlenu w glebie i wskaźnik natlenienia gleb 4. Procesy oksyredukcyjne i zmiany morfologicznego oblicza gleb są wskaźnikiem stosunków powietrzno-wodnych

3 Kształtowanie morfologicznych cech gleby przez czynnik wodny

4 Rolniczo-produkcyjne aspekty wodnych melioracji 1. Dotychczasowy paradygmat wodnych melioracji korekta uwilgotnienia gleb i dostosowanie stosunków wilgotnościowych do potrzeb maksymalnego plonowania roślin uprawnych. 2. Środki techniczne w odniesieniu do gleb mineralnych: drenowanie gleb podmokłych deszczowanie gleb suchych

5 Środowiskowe aspekty wodnych melioracji Rozwój badań doskonalących kształtowanie warunków powietrzno-wodnych w glebach uprawnych wykazał potrzebę modyfikacji dotychczasowego paradygmatu melioracji. Jego podstawę stanowią następujące tezy: 1. Roślina uprawna ginie od niedoboru tlenu a nie od nadmiaru wody w glebie oraz od niedoboru wody a nie od namiaru tlenu 2. Niedobór lub nadmiar tlenu w glebie spowodowany czynnikiem wodnym powoduje jej hydrooksygeniczną degradację 3. Melioracje wodne nie tylko optymalizują warunki uprawy roślin lecz także chronią glebę przed hydrooksygeniczną degradacją

6 Schemat pobierania tlenu przez korzenie w środowisku glebowym 1. Korzeń pobiera tlen rozpuszczony w wodzie (roztworze glebowym) z otaczającej go błonki wodnej 2. Wyrównanie koncentracji (nasycenia) roztworu odbywa się poprzez przenikanie do błonki wodnej atomów tlenu z powietrza glebowego 3. W przypadku pełnego nasycenia gleby wodą zapasy dostępnego tlenu są ograniczone do ilości O rozpuszczonej w roztworze 2 glebowym 4. Po jego wyczerpaniu korzeń obumiera a mikroorganizmy sięgają po tlen zakumulowany w fazie stałej gleby

7 Stan natlenienia gleb 1. Miernikiem stanu natlenienia gleby jest potencjał redoks E h. Waha się on od +700mV w glebach dobrze natlenionych do -400mV w warunkach pełnej anaerobiozy 2. Przyjęto, że granicą niedotlenienia gleby jest wartość E h = +300mV odpowiadającą redukcji trójwartościowego żelaza do dwuwartościowego co wywołuje w glebie stan toksyczności dla roślin uprawnych 3. Czas w ciągu którego potencjał redoks spada do +300mV jest różny u poszczególnych gleb i stanowi parametr oksydoredukcyjnej odporności gleb 4. Czas spadku E h do +300mV w temp. 20 C oznaczono t 300 i przyjęto jako wskaźnik oksydoredukcyjnej odporności gleb

8 Skutki hydrooksygenicznej degradacji gleb 1. Wyczerpanie zapasu tlenu w glebie w warunkach nadmiernego uwilgotnienia powoduje rozwój procesów chemicznej redukcji tlenowych związków azotu, fosforu, manganu i żelaza, co powoduje niszczenie jej mineralnego komponentu i zagrożenie emisją do atmosfery podtlenku azotu groźnego gazu cieplarnianego 2. Nadmierne napowietrzenie gleby w warunkach ograniczonego uwilgotnienia dynamizuje proces mineralizacji substancji organicznej zmniejszając zawartość próchnicy w glebie i aktywując emisję do atmosfery dwutlenku węgla jako głównego produktu tego procesu

9 Melioracyjne przeciwdziałania hydrooksygenicznej degradacji gleb 1. Zapobieganie wyczerpaniu zasobów tlenu w roztworze glebowym poprzez przyspieszenie odpływu z gleby wody grawitacyjnej do systemu odwadniającego i napowietrzeniu profilu gleby. 2. Utrzymanie optymalnego uwilgotnienia gleby przeciwdziałającego nadmiernej mineralizacji substancji organicznej przy użyciu systemu nawadniającego z uwzględnieniem bieżących potrzeb zużycia wody przez rośliny uprawne. 3. Parametryzacja systemów melioracyjnych spełniających powyższe wymagania.

10 Parametryzacja hydrooksygenicznej degradacji gleb 1. Określenie oksydoredukcyjnej odporności gleb (czasu t 300 w którym zużywa się tlen rozpuszczony w roztworze glebowym całkowicie zalanej gleby). 2. Określenie czasu w którym odcieka grawitacyjnie woda z całkowicie zalanej gleby i osiągnięty zostanie stan nasycenia odpowiadający polowej pojemności wodnej T ppw 3. Hydrooksygeniczna degradacja wystepuje w przypadku spełnienia warunku T ppw >t 300

11 Modelowanie wrażliwości gleb na hydrooksygeniczną degradację 1. Opracowanie modelu dynamiki ruchu wody w glebie w oparciu o wzory van Genuchtena umożliwiającego wyliczanie czasu w którym całkowicie nasycona wodą gleba osiągnie stan PPW w poszczególnych warstwach diagnostycznych - wskaźnik samonatlenienia się gleb T ppw 2. Opracowanie modelu oceny wrażliwości gleb na hydrooksygeniczną degradację według wzoru t 300 D ho = T ppw i zdefiniowanie czterostopniowej oceny. 3. t 300 -T ppw jako nowy parametr kalibracji sieci odwadniającej

12 Grupowanie gleb według ich wrażliwości na hydrooksygeniczną degradację N gleby niewrażliwe na hydrooksygeniczną degradację, w których w całym profilu wskaźnik D ho 1 MW gleby mało wrażliwe na hydrooksygeniczną degradację, w których warunek D ho <1 uzupełniony jest w jednej z diagnozowanych warstw W glebywrażliwe na hydrooksygeniczną degradację, w których warunek D ho <1 występuje w dwóch warstwach BW gleby bardzo wrażliwe na hydrooksygeniczną degradację, w których warunek D ho <1 występuje we wszystkich diagnozowanych warstwach profilu gleby

13 Mapa wrażliwości gleb na hydrooksygeniczną degradację

14 Aeracja gleb i niedobory wodne roślin uprawnych 1. Rośliny zużywają wodę głównie poprzez transpirację korzystając ze zgromadzonych w glebie zapasów wody dostępnej, zasilanych przez opady lub podsiąk kapilarny 2. Zużycie wody zależy od rozwoju rośliny, poziomu produkcji biomasy i wysokości uzyskiwanych plonów płodów rolnych 3. W warunkach ograniczania zasilania gleby wodą w okresach bezopadowych mogą wystąpić niedobory wody względem zapotrzebowania rozwijających się roślin i nasilenie procesów mineralizacji substancji organicznej 4. Parametryzacja niedoborów wodnych roślin uprawnych jest podstawą kalibracji systemów nawadniających

15 Modelowanie zużycia wody przez rośliny i prognozowanie niedoborów wodnych 1. Szacowanie niedoborów wodnych o określonym prawdopodobieństwie wystąpienia według metody bilansu wodnego warstwy korzeniowej gleby ujęto w model CROPDEF 2. Prognoza polega na wyznaczeniu trendu na podstawie wieloletnich danych o opadach i ewapotranspiracji z uwzględnieniem pozimowych zapasów wody w glebie, jej zdolności retencyjnej i współczynników zużycia wody w przedziałach dekadowych przez poszczególne rośliny 3. Sumaryczne niedobory wodne są różne dla różnych roślin i gleb na których są uprawiane oraz zależą od długości okresu wegetacyjnego uprawianej rośliny. Różnicuje je również przestrzenna zmienność opadów, nasłonecznienia i ciśnienia oraz temperatury

16 Parametryzacja niedoborów wodnych na potrzeby ich kartograficznej prezentacji 1. Niedobory wodne 11 najczęściej uprawianych roślin obliczono w dwóch prawdopodobieństwach wystąpienia dla gleb potencjalnie przydatnych do ich uprawy w 50 punktach określonych współrzędnymi geograficznymi położenia stacji meteorologicznych 2. Dla potrzeb transformacji przestrzennych danych punktowych zastosowano 40-milimetrowe przedziały, stanowiące wartości graniczne wyznaczające rozgraniczające izolinie 3. Poprzez komputerowe przetwarzanie danych zrealizowano opracowanie map niedoborów wodnych i zaprezentowano je w atlasie

17 Mapa niedoborów wodnych dla buraka cukrowego prawdopodobieństwo 20%

18 Metodyczne problemy warunkujące wdrożenie nowych rozwiązań melioracyjnych 1. Opracowanie zasad kalibrowania sieci drenarskiej z uwzględnieniem wskaźnika t 300 -T PPW 2. Uwzględnienie szczegółowej zmienności powierzchniowej retencyjności gleb w kalibrowaniu systemów nawadniających 3. Metodyka badań odporności oksydoredukcyjnej hydrofizycznych charakterystyk i wrażliwości gleb na hydrooksygeniczną degradację w skali szczegółowej.

19