2 Instytut InŜynierii Ochrony Środowiska, Politechnika Lubelska ul. Nadbystrzycka 40, Lublin

Transkrypt

1 Acta Agrophysica, 005, 5(), WIELKOŚCI EWAPOTRANSPIRACJI WSKAŹNIKOWEJ W ZALEśNOŚCI OD WARUNKÓW SIEDLISKOWYCH Jan Szajda, Dariusz Kowalski, Wenanty Olszta Instytut Melioracji i UŜytków Zielonych, ul. Głęboka 9, 0-6 Lublin kajtek@resetnet.pl Instytut InŜynierii Ochrony Środowiska, Politechnika Lubelska ul. Nadbystrzycka 40, 0-68 Lublin S t r e s z c z e n i e. W pracy przedstawiono wyniki obliczeń ewapotranspiracji wskaźnikowej za pomocą wzoru Penmana w modyfikacji francuskiej na podstawie wartości elementów meteorologicznych mierzonych równolegle w siedlisku wilgotnym (zmeliorowane torfowisko) i posusznym (grunty orne na obrzeŝu torfowiska) oraz charakterystykę liczbową związku funkcyjnego dekadowych wartości tej ewapotranspiracji. Charakterystyka ta moŝe być wykorzystana do oceny dekadowych wartości ewapotranspiracji wskaźnikowej w siedliskach wilgotnych na podstawie analogicznych wartości obliczonych za pomocą wzoru Penmana dla siedlisk posusznych. S ł o wa kluczowe: ewapotranspiracja wskaźnikowa, warunki siedliskowe WSTĘP Ewapotranspiracja wskaźnikowa stanowi ekwiwalent wodny bilansu radiacji, obliczany za pomocą zalecanego do stosowania w Polsce wzoru Penmana w modyfikacji francuskiej [5]. Ekwiwalent ten niezbędny do oceny potrzeb wodnych roślin uzaleŝniony jest od czynników meteorologicznych. Wartość tych czynników róŝnicuje się w zaleŝności od warunków siedliskowych [,], a w szczególności od uwilgotnienia gleb [6,7]. Brak danych o klimacie lokalnym zróŝnicowanych pod względem uwilgotnienia siedlisk erodowanych i pobagiennych powoduje, Ŝe jego wpływ na wartość czynników meteorologicznych i wielkość ewapotranspiracji wskaźnikowej w tych siedliskach jest z konieczności pomijany. Zachodzi zatem potrzeba oceny wielkości ewapotranspiracji wskaźnikowej w siedliskach wilgotnych w oparciu o dane meteorologiczne, ze stacji zlokalizowanych w sąsiedztwie siedlisk, głównie okresowo posusznych i posusznych.

2 78 J. SZAJDA i in. W pracy przedstawiono wyniki obliczeń ewapotranspiracji wskaźnikowej za pomocą wzoru Penmana w modyfikacji francuskiej na podstawie wartości elementów meteorologicznych mierzonych równolegle w siedlisku wilgotnym (zmeliorowane torfowisko) i posusznym (grunty orne na obrzeŝu torfowiska) oraz charakterystykę liczbową związku funkcyjnego dekadowych wartości tej ewapotranspiracji. Charakterystyka ta moŝe być wykorzystana do oceny dekadowych wartości cwapotranspiracji wskaźnikowej w siedliskach wilgotnych na podstawie analogicznych wartości obliczonych za pomocą wzoru Penmana dla siedlisk posusznych. MATERIAŁ I METODY Podstawę pracy stanowiły wyniki badań w centralnej części Polesia Lubelskiego i regionu Kanału Wieprz-Krzna, prowadzonych w latach 974 i 975 równolegle w stacji meteorologicznej i w stacji lizymetrycznej w Sosnowicy [6]. Stacja meteorologiczna o współrzędnych Ψ = 5 o '0", λ = o 04'48" oraz wysokości 64,7 m n.p.m., zlokalizowana jest na obrzeŝu torfowiska w siedlisku posusznym [4,6,8]. W stacji tej prowadzono pomiary temperatur powietrza, ciśnienia pary wodnej, wilgotności względnej i niedosytów wilgotności powietrza, kierunków i prędkości wiatru oraz zachmurzenia zgodnie z metodyką zalecaną przez IMGW. Stacja lizymetryczna połoŝona jest na zmeliorowanym torfowisku, uŝytkowanym jako łąka. Charakter gleb występujących na tym torfowisku wskazuje, Ŝe jest to siedlisko wilgotne [4,6,8]. W stacji tej analogicznie jak w stacji meteorologicznej prowadzono pomiary temperatur powietrza, ciśnienia pary wodnej, wilgotności względnej i niedosytów wilgotności powietrza. Pomiary te oraz usłonecznienie w stacji IMGW we Włodawie wykorzystano do obliczeń ewapotranspiracji wskaźnikowej w siedlisku wilgotnym i posusznym za pomocą wzoru Penmana w modyfikacji francuskiej [5]: ET 0 = N {[G o ( a)(0,09 + 0, F' T F' + 0,65 T S S ) σ T 4 (0, e )(0,0 + 0,90)] S 0 S 0 0,65 +0,6(e w e)( + 0,4v) } () ' + 0,65 gdzie: N liczba dni w dekadzie, ET 0 ewapotranspiracja wskaźnikowa (mm dekada - ), G o średnia suma dzienna promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery (cal cm - doba - ), a albedo równe 0,0 (średnie w okresie wegetacyjnym), S suma dekadowa wartości usłonecznienia (h), F T

3 WIELKOŚCI EWAPOTRANSPIRACJI WSKAŹNIKOWEJ 79 S o suma dekadowa wartości usłonecznienia astronomicznie moŝliwego (h), σ stała Stefana Boltzmana równa,8 0-7 (cal cm doba - K - ), T temperatura powietrza (K), e średnie w danym okresie ciśnienie pary wodnej(hpa), e w średnie w danym okresie ciśnienie nasyconej pary wodnej przy temperaturze powietrza T (hpa), F T współczynnik równy średniemu nachyleniu krzywej związku e w = f(t), v średnia w badanym okresie czasu (N dekad) prędkość wiatru mierzona na wysokości 0 m (m s - ). Do obliczeń wykorzystano podane w formie stabelaryzowanej [5] wartości promieniowania całkowitego na górnej granicy atmosfery G o oraz astronomicznej długości dnia S o w zaleŝności od szerokości geograficznej Ψ = 5 o '0", wyraŝenia (0,56 0,08 e ) w zaleŝności od pręŝności pary wodnej e, wyraŝeń σ T 4 ; e w = f(t) oraz członów F' T 0,65 i 0,6 w zaleŝności od temperatury T. 59 F' T + 0,65 F T ' + 0,65 Podstawę oceny wpływu warunków siedliskowych na wielkość ewapotranspiracji wskaźnikowej stanowiła określona statystycznie charakterystyka liczbowa związku funkcyjnego dekadowych wartości tej ewapotranspiracji w siedlisku wilgotnym i posusznym []. Związek funkcyjny wyraŝony zaleŝnością tych wartości badano za pomocą analizy wielokrotnej. Do określenia zaleŝności wykorzystano program STATISTICA 5.0. Program ten oblicza równolegle równania regresji krzywoliniowej (/y = a + bx), logarytmicznej (y = log(a + bx)), wykładniczej (y = ab x ) i prostoliniowej (y = a + bx), współczynniki korelacji (r) oraz wartości testu istotności F. Jako ostateczną postać zaleŝności przyjęto równanie prostoliniowe, którego parametry, takie jak wartość współczynnika korelacji i testu istotności F najdokładniej przedstawiały związek funkcyjny tych wartości w obydwu siedliskach. WYNIKI I DYSKUSJA Charakterystykę warunków meteorologicznych w okresie badań w siedlisku wigotnym (sw) i posusznym (sp) ograniczono do wartości dekadowych tych czynników, które są niezbędne do obliczeń ewapotranspiracji wskaźnikowej za pomocą wzoru (). Wartości tych czynników zestawiono w tabeli. Wskazują one, Ŝe uwilgotnienie siedlisk wywiera wpływ na wielkość temperatury powietrza oraz ciśnienia pary wodnej. Wpływ ten w siedlisku wilgotnym w stosunku do siedliska posusznego uwidacznia się na ogół niŝszą temperaturą powietrza oraz na ogół wyŝszą wartością ciśnienia pary wodnej, co potwierdza wyniki badań przedstawionych w innej pracy [7]. Przyczyną tego jest większe zuŝycia ciepła na parowanie wody w siedlisku wilgotnym, co jest zgodne z wynikami badań innych autorów [,,6].

4 740 J. SZAJDA i in. Tabela. Promieniowanie słonecne (Go), usłonecznienie (S), temperatura powietrza (T), ciśnienie pary wodnej (e) oraz prędkość wiatru (v) w siedlisku posusznym (sp) i wilgotnym (sw) w latach 974 i 975 w Sosnowicy Table. The solar radiation (G o ), sunshine (S), air temperature (T), vapour pressure (e) and wind velocity (v) in dry (sp) and moist (sw) sites, during 974 and 975 in Sosnowica Rok Year Miesiąc Month IV V VI VII VIII IX IV V VI VII VIII IX Dekada Decade Go S 7,5 8,6 4,4, 8,9 6,7 6,4 6, 7,4 6,0 6,6 5,9 8, 8, 7,8 6,6 8,,9,8,0 5,4 6,6 9, 5,7, 9 8 8,6 8, 4,9 0,6 9,, 8,8 8,5 6,8 T E sp sw sp sw 6,8 6,7 6,7 6, 4, 4,6 4,6 4,8 6,4 6,4 7,7 7,9 9, 9, 9,8 0,,0,6 8,8 9,6,7,6 0, 0,8,6,,7,7 4,4 4,,6,4 6,7 6, 4,6 4,8 4,6 4,6,4,8 7, 6,9 6,5 6, 6, 6,6 5,4 5,9 7, 7,4 6, 6,4 8,5 8,6 8, 8,5 6,6 6,7 6,8 6, 6,6 6,4 5, 5,,5,,,,,8,,8 8, 5,0 7,5,8 8,5,5,0 7,8 8,8 9,, 7, 9,6 6, 7,9 5, 5, 5,0 8, 5,5 7,8,8 8,6,4, 7,6 8,8 8,9 0,8 6,7 8,7 5,8 7,5 4, 4,4 4,6 8,0 7, 8,, 5,,,8 6, 6,9 5, 7, ,8 4,8 5,0,8,, 9,4 7,5 9,, 5,4 0,, 6, 7,4 5,6 8, 6,4 7,9 4,8 5,6,,9,9 v 4,9 5, 5,0,6,6,6 4,,6,4 5,0,7 4,0,9,,9,7,6, 4, 8,5,4,,, 4,,,8,4, 4,,8,5,8,4,4,5

5 WIELKOŚCI EWAPOTRANSPIRACJI WSKAŹNIKOWEJ 74 Wyniki obliczeń ewapotranspiracji wskaźnikowej ET o za pomocą wzoru () w siedlisku posusznym ET osp i wilgotnym ET osw wskazują (tab. ), Ŝe jej sumy dekadowe są najmniejsze w kwietniu i wrześniu a największe w czerwcu i lipcu, podobnie jak wartości temperatury, ciśnienia pary wodnej i innych elementów meteorologicznych (tab. ). ZróŜnicowanie to potwierdza istnienie ścisłego związku pomiędzy wielkością ewapotranspiracji wskaźnikowej a wartością czynników meteorologicznych [5,6]. Ewapotranspiracja wskaźnikowa w siedlisku posusznym ET 0sp i wilgotnym ET 0sw róŝni się wielkością. Dekadowe wartości ET 0sp są na ogół wyŝsze, zarówno w roku 974, jak i w roku 975, a jej sumy dla okresu wegetacji (IV-IX) są większe odpowiednio 0 i 0 mm. Przyczyną tego jest zróŝnicowanie wartości czynników meteorologicznych w tych siedliskach (tab. ), spowodowane ich odmiennym uwilgotnieniem [7]. Wynika stąd, Ŝe warunki siedliskowe wywierają znaczący wpływ na wielkość ewapotranspiracji wskaŝnikowej. Tabela. Dekadowe wartosci ewapotranspiracji wskaźnikowej w latach 974 i 975 w siedliska posusznym (ET osp ) i wilgotnym (ET osw ) obliczone z równania () Table. Decade values of index evapotranspiration in 974 and 975 in dry (ET osp ) and moist (ET osw ) sites, calculated by equation () Miesiąc Month Dekada Decade ET osp ET osw ET osp ET osw IV V VI VII VIII IX 4, 8,,6 0, 9,4 5,8,0,7 8,7 5,4 4, 5,,4,6 9,0 5, 8,0 0,4 5, 8,4 0,8 7, 7,0,9,, 7,5 4,6,9 5,0,,5 0, 4,7 7,8 0,5 9,6 9,,5 4, 4,9, 5,7 8,0 45,6 48,0 47,,5 4,0,9 8,6 6,7 4,0 9,4 5, 9, 9,4 4, 4,8,5 5,8 40,6 44,5 47,8 44,5, 4,,0 7,4 4,,4 7,6 Suma Sum 57, 57,0 594,9 574,5

6 74 J. SZAJDA i in. WIELKOŚCI EWAPOTRANSPIRACJI WSKAŹNIKOWEJ W ZALEśNOŚCI OD WARUNKÓW SIEDLISKOWYCH Jako podstawę oceny wpływu warunków siedliskowych na wielkość ewapotranspiracji wskaźnikowej przyjęto dekadowe jej wartości w siedlisku posusznym ET osp i wilgotnym ET osw (tab. ) oraz obliczoną statystycznie zaleŝność tych wartości, wyraŝoną równaniem: ET 0sw =,5 +,0097 ET 0sp () gdzie: ET 0sw dekadowa wartość ewapotranspiracji wskaźnikowej w siedlisku wilgotnym (mm), ET 0sp dekadowa wartość ewapotranspiracji wskaźnikowej w siedlisku posusznym (mm). ZaleŜność () uzyskano przy 4 stopniach swobody. Charakteryzują ją bardzo wysoka wartość współczynnika korelacji r = 0,990 i testu istotności F = 680,5 oraz błąd standardowy estymacji S =,6. Graniczne wartości r α i F α odczytane z tablic Elandt [] wynoszą r α = 0,48 oraz F α = 7,44 i są mniejsze od uzyskanych z obliczeń. Omawiana zaleŝność jest zatem wysoce istotna. Tabela. Dekadowe wartosci ewapotranspiracji wskaźnikowej w latach 974 i 975 w siedliska wilgotnym (ET osw ) obliczone z równania () oraz z równania () Table. Decade values of index evapotranspiration in 974 and 975 in moist site (ET osw ), calculated by equations () and () Miesiąc Month IV V VI VII VIII IX Dekada Decade ET osw () ET osw () ET osw () ET osw () 5, 8,4 0,8 7, 7,0,9,, 7,5 4,6,9 5,0,,5 0, 4,7 7,8 0,5, 7,4 0,7 9, 8,6 5,0,,9,9 4,6,4 4,,6,8 8, 4, 7, 9, 5, 9, 9,4 4, 4,8,5 5,8 40,6 44,5 47,8 44,5, 4,,0 7,4 4,,4 7,6 8,6 8, 0,6, 4,, 4,8 7, 44,9 47, 46,4,7 4,, 7,8 5,8, 8,4

7 WIELKOŚCI EWAPOTRANSPIRACJI WSKAŹNIKOWEJ 74 W tabeli zestawiono dekadowe wartości ewapotranspiracji wskaźnikowej obliczone dla siedliska wilgotnego na podstawie czynników meteorologicznych zmierzonych w tym siedlisku (równanie ) oraz w siedlisku posusznym (równanie ). Obliczone na podstawie tych danych odchylenie przeciętne oraz średni błąd standardowy [] wartości obliczonych z równań () i () okazało się bardzo małe. Odchylenie to wyniosło 0,6, natomiast średni błąd standardowy,496. ZaleŜność () moŝe być zatem wykorzystana do oceny dekadowych wartości ewapotranspiracji wskaźnikowej w siedlisku wilgotnym na podstawie analogicznych wartości obliczonych z równania () dla siedliska posusznego. UmoŜliwia ona wykorzystanie ogólnie dostępnych danych meteorologicznych w siedliskach posusznych do oceny ewapotranspiracji wskaźnikowej w braku tych danych dla siedliskach wilgotnych. WNIOSKI. Wyniki równoległych badań przeprowadzonych w latach 974 i 975 w Sosnowicy w siedlisku wilgotnym (zmeliorowane torfowisko) i posusznym (grunty orne na obrzeŝu torfowiska), wskazują na istotny wpływ warunków siedliskowych na wielkość ewapotranspiracji wskaźnikowej obliczonej za pomocą wzoru Penmana w modyfikacji francuskiej. Wpływ ten uwidacznia się mniejszą o 0-0 mm ewapotranspiracją wskaźnikową w siedlisku wilgotnym w stosunku do siedliska posusznego.. W pracy podano charakterystykę liczbową związku funkcyjnego dekadowych wartości ewapotranspiracji wskaźnikowej obliczonych za pomocą wzoru Penmana w modyfikacji francuskiej dla siedliska wilgotnego i posusznego. Charakterystyka ta moŝe być wykorzystana do oceny dekadowych wartości tej ewapotranspiracji w siedliskach wilgotnych na podstawie analogicznych wartości obliczonych dla siedlisk posusznych. PIŚMIENNICTWO. Elandt R.: Statystyka matematyczna w zastosowaniu do doświadczalnictwa rolniczego. PWN, 56-55, Konopko S.: Wpływ grądowienia na zróŝnicowanie klimatu lokalnego w dolinie górnej Noteci. Wiadomości IMUZ, XV,, 99-0, Molga M.: Meteorologia rolnicza. PWRiL, Warszawa, Okruszko H.: Zasady rozpoznawania i podziału gleb hydrogenicznych z punktu widzenia potrzeb melioracji. Bibl. Wiad. IMUZ, 56, Roguski W., Sarnacka S., Drupka S.: Instrukcja wyznaczania potrzeb i niedoborów wodnych roślin uprawnych i uŝytków zielonych. IMUZ Falenty, Mater. Instr. 56, Szajda J.: Roślinne i glebowo-wodne wskaźniki ewapotranspiracji łąki na glebie torfowomurszowej. Falenty IMUZ, Rozprawa habilitacyjna, 997.

8 744 J. SZAJDA i in. 7. Szajda J., Kowalski D., Olszta W,: Ocena wpływu warunków siedliskowych na zmiany mikroklimatu. Acta Agrophysica, 5(), , Szuniewicz J., Churska Cz., Churski T.: Potencjalne hydrogeniczne siedliska wilgotnościowe i ich zróŝnicowanie pod względem dyspozycyjnych zapasów wody uŝytecznej. Bibl. Wiad. IMUZ, 79, 69-0, 99. THE VALUES OF INDEX EVAPOTRANSPIRATION IN DEPENDENCE ON SITE CONDITIONS Jan Szajda, Dariusz Kowalski,Wenanty Olszta Institute of Land Reclamation and Grassland Farming, ul.głęboka 9, 0-6 Lublin kajtek@resetnet.pl Institute of Environment Protection Engineering, Lublin University of Technology ul. Nadbystrzycka 40, 0-68 Lublin Ab s t r a c t. The paper presents the results of calculations of index evapotranspiration basing on Penmann formula with French modification. The calculations were made basing on investigations of meteorological elements, realized in parallel in a moist (peat-land with land reclamation system) and a dry site (arable zone at the periphery of peat-land). The authors present also numerical characteristics of functional relations of decade values of evapotranspiration. These characteristics can be used for the estimation of decade values of index evapotranspiration in moist sites, basing on analogous values calculated by Penmann formula for dry sites. K e y wo r d s : index evapotranspiration, site conditions