Spłukiwanie na zróżnicowanych litologicznie

Transkrypt

1 VII Zjazd Geomorfologów Polskich kraków 2005 Spłukiwanie na zróżnicowanych litologicznie użytkowanych rolniczo stokach roztocza środkowego 1. Wstęp Spłukiwanie odgrywa istotną rolę w modelowaniu rzeźby użytkowanych rolniczo obszarów o dużych spadkach i deniwelacjach (Gerlach 1966, Słupik 1973, Smolska 1993, Gil 1999), a jego natężenie zależy m.in. od litologii utworów powierzchniowych (Józefaciuk i in. 1979). Regionem o znacznym zróżnicowaniu geologiczno-morfologicznym jest Roztocze Środkowe (Tomaszowskie) z wierzchowiną położoną na wysokości m n.p.m. i deniwelacjami osiągającymi często 100 m i więcej. Podłoże stanowią tu górnokredowe gezy i opoki, odsłaniające się w wielu miejscach na powierzchni. Niektóre stoki pokrywają osady plejstoceńskie: piaski różnej genezy oraz płaty lessów. W dnach dolin zalegają częściowo zwydmione piaski plejstoceńskie oraz holoceńskie aluwia (Maruszczak 1972, Buraczyński 1997). Litologia różnicuje pokrywę glebową. Na gezach i opokach występują gleby brunatne i rędziny, na piaskach gleby bielicoziemne, natomiast na lessach gleby brunatnoziemne z przewagą gleb płowych. Na holoceńskich aluwiach tworzą się mady (Turski 2002). Roztocze jest regionem nieco chłodniejszym i wilgotniejszym od sąsiednich obszarów. Na Roztoczu Tomaszowskim średnia roczna temperatura powietrza wynosi ok. +7,0 o C, okres wegetacyjny trwa przeciętnie 205 dni. Stosunkowo krótki jest okres bez przymrozków, a pokrywa śnieżna utrzymuje się przez ok. 90 dni w roku. Średnia roczna suma opadów jest zróżnicowana ( mm), przy czym znaczna jest ilość opadów burzowych. Przeciętnie 18 dni w roku wykazuje sumy dobowe opadu powyżej 10 mm (Kaszewski i in. 2002).

2 390 Warunki naturalne niezbyt sprzyjają rolnictwu. W zlewni górnego Wieprza, głównej rzeki mezoregionu, grunty orne i lasy zajmują po 42% powierzchni. W okolicy Guciowa, w otulinie Roztoczańskiego Parku Narodowego, lasy zajmują 56% powierzchni, natomiast grunty orne tylko 22% (Rodzik i in. 2004a). Areał pól jest rozdrobniony, przeważają wąskie działki o uprawie wzdłużstokowej, ciągnące się od dna doliny po wierzchowinę. 2. Cel i metody badań Pomiary spłukiwania w Roztoczańskiej Stacji Naukowej UMCS w Guciowie prowadzono na trzech użytkowanych rolniczo stokach, w celu określenia wielkości i zróżnicowania procesów spłukiwania w zależności od litologii. Pola, własność miejscowych rolników, użytkowane są przez nich jako grunty orne pod zasiew zbóż. Zapewnia to naturalne warunki uprawy, jednak utrudnia dobór stoków o zbliżonych parametrach. Poza tym, demontaż urządzeń pomiarowych podczas prac polowych powoduje luki w pomiarach (brak danych z trzech opadów o sumach mm). Ponadto w sezonach 2002/03 i 2003/04 nie prowadzono pomiarów na odłogowanym stoku gezowym. Stoki pomiarowe na zboczu doliny Wieprza wyznaczono od garbów do niecek zboczowych (ryc. 1). Mają one zbliżone nachylenie, ekspozycję od NE do NW i wy- Ryc. 1. Położenie badanych stoków w rejonie Roztoczańskiej Stacji UMCS w Guciowie

3 Spłukiwanie na zróżnicowanych litologicznie użytkowanych rolniczo stokach pukło-wklęsły kształt. Przy orce prowadzonej równolegle lub nieco skośnie do spadku, gleba jest w znacznym stopniu erodowana w górnym (wypukłym) odcinku, a w dolnym namywana. Stoki różnicuje przede wszystkim typowa dla tego obszaru litologia oraz długość. Na stoku gezowym, o długości 107 m i nachyleniu do 9 o, poziom orno-próchniczny stanowi glina lekka z okruchami gezy, a profil glebowy wykazuje cechy rędziny. Stok piaszczysty ma długość 64 m i nachylenie do 9 o, a poziom orno-próchniczny stanowią w górnym odcinku piaski luźne do piasku pylastego w części dolnej. Stok lessowy ma 35 m długości i nachylenie sięgające 12 o ; poziom orno-próchniczny stanowi pył zwykły lub słabo ilasty. Pomiary spłukiwania rozpoczęto w maju 1999 roku za pomocą zmodyfikowanych łapaczy (worków) Słupika (Słupik 1973, Smolska 1993). Na każdym ze stoków zamontowano trzy łapacze w obrębie jednego pola: w odcinku górnym (wypukłym), środkowym (o jednostajnym nachyleniu) i dolnym (wklęsłym) według metody T. Gerlacha (1966), zakładając, że każde urządzenie zbiera osad z pasa stoku o szerokości 0,5 m od działu Tab. 1. Wielkość spłukiwania w sezonach rocznych na zróżnicowanych litologicznie stokach w Guciowie * pominięto okres 6.III III.2004 (pole odłogowane).

4 392 wodnego do miejsca położenia. Wysuszony osad ważono, a wynik dzielono przez pole powierzchni nadległego pasa stoku. Łapacze opróżniano, poza okresem zimy i wczesnej wiosny, do 2000 r. raz w miesiącu, potem częściej. Wyniki pomiarów zestawiono dla nierównych okresów rocznych, kończących się zanikiem pokrywy śnieżnej i spływu ablacyjnego. Podobnie zestawiono wysokości opadów na podstawie danych ze stacji UMCS (tab. 1). 3. Wyniki badań Sześcioletni okres badań był przeciętny pod względem sumy opadów (średnia roczna 636,9 mm), jednak obfitował w ulewy, zimowe odwilże i roztopy. Suma opadów przekraczających 10 mm na dobę stanowiła 46% całej sumy, a w najbardziej mokrych latach 2000/01 i 2002/03 nawet 56% i 61%. Warunki pogodowe oraz w mniejszym stopniu struktura upraw, były przyczyną znacznej zmienności natężenia spłukiwania, zarówno sezonowej, jak i z roku na rok. Na wszystkich badanych stokach najmniejsze spłukiwanie rejestrowano na ogół w okresie późnej jesieni, zimy i przedwiośnia, z wyjątkiem roku 2002/03, wyróżniającego się ilością, a także intensywnością zimowych odwilży i wiosennych roztopów. Maksymalna wielkość spłukiwania za okres zimy i przedwiośnia 2002/2003 wystąpiła u podstawy zaoranego jesienią stoku lessowego (2,35 t/ha), natomiast na obsianym żytem stoku piaszczystym zanotowano 1,6 t/ha (w części górnej). Różnica ta, spowodowana głównie strukturą upraw spowodowała, że w roku 2002/03, jako jedynym, spłukiwanie było większe na lessach, niż na piaskach (ryc. 2). Maksymalną wielkość spłukiwania (5,02 t/ha) po serii kilku letnich ulew ( ) zmierzono w środkowym odcinku stoku piaszczystego z przyoraną Ryc. 2. Wielkość spłukiwania w sezonach rocznych na zróżnicowanych litologicznie stokach w Guciowie (na podstawie pomiarów u podnóża stoku)

5 Spłukiwanie na zróżnicowanych litologicznie użytkowanych rolniczo stokach facelią (motylkowe). Na obsianym owsem stoku lessowym odnotowano wówczas tylko 0,63 t/ha. Z kolei jednorazowy opad 39,6 mm ( ) o maksymalnym natężeniu 1 mm/min. spowodował spłukiwanie 2,12 t/ha na obsianym jęczmieniem stoku lessowym oraz 2.09 t/ha na obsianym żytem stoku piaszczystym. Roczne wielkości spłukiwania na użytkowanych rolniczo stokach były bardzo zróżnicowane (ryc. 1), szczególnie na stoku piaszczystym ( kg/ha), a na ugorowanym stoku gezowym zostały nawet zredukowane do wielkości poniżej 10 kg/ha (tab. 1). Średnie roczne z całego okresu w poszczególnych odcinkach wszystkich badanych stoków mieściły się w granicach kg/ha, przy czym największe odnotowano na stoku piaszczystym, natomiast najmniejsze na gezowym. Natężenie spłukiwania wyraźnie rosło w dół stoku lessowego, tendencja ta słabiej zaznaczyła się na stoku gezowym, natomiast na stoku piaszczystym natężenie spłukiwania zdecydowanie malało w dół stoku. Bezwzględna ilość spłukiwanego materiału rosła w dół każdego ze stoków, wraz ze wzrostem jego długości. 4. Dyskusja Przedstawione powyżej zróżnicowanie wielkości spłukiwania dobrze wyjaśnia diagram Hjulströma, obrazujący graniczne prędkości potrzebne do uruchomienia i akumulacji ziaren o różnej średnicy (vide Klimaszewski 1978). Frakcja piaszczysta, szczególnie o średnicy 0,1-0,3 mm jest łatwiej uruchamiana, ale również łatwiej osadzana niż frakcja pylasta. Tłumaczy to przeciwstawny kierunek natężenia spłukiwania w dół stoku na piaskach i lessach, a w sumie najsilniejszą degradację górnego odcinka stoku piaszczystego, co jest typową sytuacją dla tego typu krótkich, wypukło-wklęsłych stoków (Smolska 2002). Duże różnice w wielkościach spłukiwania pomiędzy poszczególnymi odcinkami stoków podczas pojedynczych zdarzeń wskazują, że proces ten zachodzi na niewielką odległość. Strefy erozji sąsiadują bezpośrednio ze strefami akumulacji, a transport materiału w dół stoku odbywa się drogą redepozycji (Gil 1999, Rejman, Usowicz 2002; Smolska 2002, Święchowicz 2002). W świetle uzyskanych wyników i przedstawionych powyżej zależności, piaski, szczególnie drobno- i średnioziarniste piaski luźne przedstawiają się jako osady najbardziej podatne na spłukiwanie, bardziej niż pyły, a więc także lessy, zawierające dodatkowo znaczną domieszkę frakcji ilastych. Wyniki te są zgodne z rezultatami (zupełnie zapomnianymi) badań podatności różnych gleb na rozmywanie, uzyskanymi przez E. Ślusarczyka (1967). Są natomiast rozbieżne z danymi, uzyskanymi na specjalnie skonstruowanych poletkach doświadczalnych w IUNG w Puławach (Józefaciuk i in. 1979, Nowocień i in. 2002), na których największe natężenie spłukiwania wystąpiło na glebach pylastych (lessy), a najmniejsze na glebach piaszczystych (piaski luźne). Tak zasadnicze rozbieżności mogą wynikać z niedostosowania warunków laboratoryjnych do naturalnych, np. długości stoku, która w przypadku stoków krótkich różnicuje wielkość spłukiwania (Rejman, Usowicz 2002). Można także przypuszczać, że parametry symulowanego deszczu nie odpowiadają deszczom ulewnym (zbyt mała energia kropel?). Wskazuje na to fakt, że piaski uruchamiane były na większą skalę podczas opadów o dużej wydajności, które decydują o wielkości spłukiwania (vide Święchowicz 2005).

6 394 Na wyjątkową podatność piasków na erozję burzową wskazują także wcześniejsze obserwacje (Uggla i in. 1961, Kostrzewski i in. 1989, Rodzik i in. 2004b). Przedstawione wyniki badań potwierdzają także ogólnie znaną ochronną rolę roślinności (Klimczak 1993, Święchowicz 2002). Ugorowanie i odłogowanie pól dobrze zabezpiecza przed spłukiwaniem nawet gleby piaszczyste (Stępniewski i in. 1999). Wobec coraz powszechniejszego porzucania pól uprawnych i naturalnej sukcesji roślinnej w otulinie Roztoczańskiego Parku Narodowego (Furtak, Someya 1997), obszar zagrożony erozją gleb szybko się zmniejsza. 5. Wnioski Pomiary spłukiwania, wykonywane w warunkach naturalnych na zróżnicowanych litologicznie, użytkowanych rolniczo stokach, potwierdzają związek między wielkością spłukiwania a litologią podłoża. Spośród trzech rodzajów stoków, największe spłukiwanie wystąpiło na stoku piaszczystym, mniejsze na lessowym, a najmniejsze na gezowym z poziomem orno-próchnicznym o właściwościach gliny lekkiej. Na wielkość spłukiwania decydujący wpływ ma charakter opadów atmosferycznych i użytkowanie terenu. Erodobilność piasków zaznacza się najbardziej podczas intensywnych opadów burzowych, szczególnie na początku i przy końcu sezonu wegetacyjnego, gdy okrywa roślinna słabo zabezpiecza glebę. Ugorowanie i odłogowanie stoków redukuje spłukiwanie do wartości minimalnych. Kierunek natężenia spłukiwania jest wyrazem podatności erozję i osadzanie frakcji dominującej. Rośnie ono w dół stoku na stoku lessowym, natomiast maleje na piaszczystym, na którym transportowane są największe ilości materiału, ale na najkrótsze odległości. Literatura Buraczyński J., 1997, Roztocze. Budowa rzeźba krajobraz, Zakł. Geogr. Regionalnej UMCS, Lublin, Furtak T., Someya T., 1997, Zmiany struktury użytkowania ziemi w otulinie Roztoczańskiego Parku Narodowego, Przegl. Przyrodn., 8, 1, Gerlach T., 1966, Współczesny rozwój stoków w dorzeczu górnego Grajcarka (Beskid Wysoki), Prace Geogr. 52, IG PAN, ss Gil E., 1999, Obieg wody i spłukiwanie na fliszowych stokach użytkowanych rolniczo w latach , Zesz. IGiPZ PAN, 60, Józefaciuk Cz., Józefaciuk A., Naklicki J., 1979, Przyczynek do badań nad podatnością gleb na erozję wodną, Pam. Puł., Prace IUNG, 71, Kaszewski B., Czerniawski M., Mucha B., 2002, Klimat, [w:] J. Buraczyński (red.), Roztocze środowisko przyrodnicze, Wyd. Lubelskie, Lublin, Klimaszewski M., 1978, Geomorfologia, PWN, Warszawa, ss

7 Spłukiwanie na zróżnicowanych litologicznie użytkowanych rolniczo stokach Klimczak R., 1993, Spłukiwanie na obszarach o zróżnicowanym użytkowaniu przebieg i rola we współczesnym środowisku morfogenetycznym (Zlewnia Młyńskiego Potoku, Pomorze Zachodnie), Zeszyty Naukowe PAN: Człowiek i środowisko, 6, Kostrzewski A., Klimczak R., Stach A., Zwoliński Z., 1989, Morphologic effects of heavy rainfall (24 May, 1983) over relief features of the scarpland in the middle Parsęta valley West Pomerania, Poland, Quaest. Geogr., Spec. Issue, 2, Maruszczak H., 1972, Wyżyny Lubelsko-Wołyńskie, [w:] M. Klimaszewski (red.), Geomorfologia Polski, 1, PWN, Warszawa, Nowocień E., Podolski B., Wawer R., 2002, Badania ilościowe podatności różnych gatunków gleb na erozję wodną w warunkach symulowanego deszczu, Zesz. Probl. Post. Nauk Rol., 487, Rejman J., Usowicz B., 2002, Ocena erozji wodnej gleb lessowych oparta na pomiarach poletkowych, Przegl. Nauk., Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 11, 2 (25), Wyd. SGGW, Warszawa, Rodzik J., Furtak T., Stępniewska S., Stępniewski K., 2004, Charakterystyka punktów badawczych i zlewni cząstkowych, [w:] A. Świeca (red.), Przyrodnicze uwarunkowania dynamiki obiegu wody i natężenia transportu fluwialnego w zlewni górnego Wieprza, Wyd. UMCS Lublin, Rodzik J., Górnikowska M., Terpiłowski S., 2004, Młode rozcięcia erozyjne w rezerwacie Szwajcaria Podlaska, [w:] R. Dobrowolski, S. Terpiłowski (red), Stan i zmiany środowiska geograficznego wybranych regionów wschodniej Polski, Wyd. UMCS, Lublin, Słupik J., 1973, Zróżnicowanie spływu powierzchniowego na fliszowych stokach górskich, Dokum. Geogr. 1, Smolska E., 1993, Rola spłukiwania w dostawie materiału do transportu fluwialnego w obszarze młodoglacjalnym (na przykładzie górnej Szeszupy) wstępne wyniki badań, Zeszyty Naukowe PAN Człowiek i środowisko, 6, Smolska E., 2002, Erozja powierzchniowa gleb na Pojezierzu Suwalskim i niektóre jej uwarunkowania klimatyczno-topograficzne, [w:] Erozja gleb i transport rumowiska rzecznego, Zakopane, Stępniewski K., Gawrysiak L., Rodzik J., 1999, Wstępne wyniki spływu i spłukiwania w Roztoczańskiej Stacji Naukowej UMCS, [w:] Dynamika procesów stokowych i fluwialnych, Warsztaty Geomorfologiczne Jeleniewo k. Suwałk, Ślusarczyk E., 1967, Zagadnienie podatności gleb i gruntów na żłobienie przez wodę, Pam. Puł., 27, 1-9. Święchowicz J., 2002, The Influence Of Plant Cover And Land Use On Slope-Channel Decoupling In A Foothill Catchment: A Case Study From The Carpathian Foothils, Southern Poland, Earth Surface Processes and Landform, 27(5), Święchowicz J., 2005, Rola opadów w przekształcaniu stoków i den dolin pogórskich, [w:] R.K. Borówka (red.), Plejstoceńskie i holoceńskie przemiany środowiska przyrodniczego Polski, Oficyna IN PLUS, Szczecin, Turski R., 2002, Gleby, [w:] J. Buraczyński (red.), Roztocze środowisko przyrodnicze, Wyd. Lubelskie, Lublin, Uggla H., Mirowski Z., Nożyński A., Rytlewski J., 1961, Z badań nad erozją burzową gleb piaszczystych Pojezierza Mazurskiego, Roczn. Glebozn., 10, 1,

8 396 Krzysztof Stępniewski Roztoczańska Stacja Naukowa Instytut Nauk o Ziemi UMCS Guciów Zwierzyniec Jan Rodzik Instytut Nauk o Ziemi Uniwersytet Marii-Curie-Skłodowskiej al. Kraśnicka 2 c,d Lublin