OCENA EWAPOTRANSPIRACJI RZECZYWISTEJ UŻYTKÓW ZIELONYCH NA PODSTAWIE PLONU AKTUALNEGO

Transkrypt

1 WODA-ŚRODOWISKO-OBSZARY WIEJSKIE 2006: t. 6 z. 1 (16) WATER-ENVIRONMENT-RURAL AREAS s Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach, 2006 OCENA EWAPOTRANSPIRACJI RZECZYWISTEJ UŻYTKÓW ZIELONYCH NA PODSTAWIE PLONU AKTUALNEGO Jan SZAJDA Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach Słowa kluczowe: ewapotranspiracja rzeczywista, plon aktualny, użytki zielone S t r e s z c z e n i e Wyniki badań lizymetrycznych ewapotranspiracji rzeczywistej ET i plonów łąki 3-kośnej (nawożonej w ilości 270, 540, 660 kg NPK ha 1 w czystym składniku), łąki 6-kośnej (nawożonej 660 kg NPK ha 1 ) i systematycznie ciętej runi (270 kg NPK ha 1 ), prowadzonych w latach na Polesiu Lubelskim, dowodzą, że na kształtowanie się rzeczywistych wartości ET istotny wpływ ma plon aktualny q, czyli ilość powietrznie suchej masy roślinnej jaka urosła od początku przyrostu do danej chwili. Określone w pracy zależności ET = f(q) w okresach IV V, VI VII, VIII IX mogą być wykorzystane do oceny rzeczywistych wartości ET użytków zielonych na podstawie mierzonego, obliczonego lub szacowanego plonu aktualnego q. WSTĘP Ewapotranspiracja rzeczywista ET ekosystemów łąkowych jest definiowana jako ilość wody zużytej na ewaporację E z powierzchni gleby i wody oraz transpirację T roślin w danych warunkach meteorologicznych i glebowych, danym sposobie użytkowania i poziomie zaopatrzenia w składniki pokarmowe oraz danym stanie uwilgotnienia gleby. Charakteryzuje ona zatem zapotrzebowanie roślin łąkowych na wodę, zależne od czynników meteorologicznych, stanu pokrywy roślinnej i uwilgotnienia gleby. Adres do korespondencji: doc. dr hab. J. Szajda, Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach, ul. Głęboka 29/2, Lublin; tel. +48 (81) , kajtek@resetnet.pl

2 404 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 6 z. 1 (16) Ocena rzeczywistej wartości ET ekosystemów łąkowych polega najczęściej na obliczeniu ewapotranspiracji wskaźnikowej ET o na podstawie wybranych wzorów oraz zastosowaniu dekadowych współczynników biologicznych k lub roślinnych k c i glebowo-wodnych k s [ŁABĘDZKI, SZAJDA, SZUNIEWICZ, 1995]. Rzeczywistą wartość ET można również określić na podstawie plonu końcowego Q [ŁABĘDZKI, 1997; MISZTAL, 1985, 2000; OLSZTA, 1981; SZAJDA, OLSZTA, 2000]. Plon końcowy Q, przyjmowany jako przyrost suchej masy roślinnej w okresie odrostu łąki i pastwiska, nie odzwierciedla zmienności aktualnej masy roślin q w czasie t [KO- WALIK, 1976; DE WITT, 1969] oraz wpływu tej zmienności na wartość ET, wyraźnie różną w przypadku różnego czasu narastania t: 1 dekady (systematycznie cięta ruń), 3 dekad (pastwisko kwaterowe) i 6 dekad (łąka 3-kośna) [SZAJDA, 1997, 2001]. Plon aktualny q, stanowiący ilość powietrznie suchej masy roślinnej jaka urosła od początku przyrostu do danej chwili, może być mierzony (wycinanie prób), obliczany [KOWALIK, 1976; OLSZTA, 1981; SZAJDA, OLSZTA, 2000; DE WITT, 1969] lub szacowany. Jest zatem łatwym do oceny i prostym w stosowaniu parametrem rzeczywistych wartości ET, niezbędnym do określenia optymalnego poziomu wody gruntowej, zapewniającego zrównoważony rozwój ekosystemów łąkowych [NYC, 1985; SZAJDA, OLSZTA, 2002; SZAJDA, OLSZTA, KOWALSKI, 2003a,b; 2004]. Literatura naukowa na temat związków funkcyjnych między rzeczywistą wartością ET a plonem aktualnym q jest bardzo szczupła [KOWALIK, 1976; DE WITT, 1969]. Celem niniejszej pracy jest zatem określenie zależności rzeczywistych wartości ET użytków zielonych od plonów aktualnych q, jako podstawy oceny optymalnego poziomu wody gruntowej, zapewniającego zrównoważony rozwój ekosystemów łąkowych. MATERIAŁ I METODY BADAŃ Podstawę pracy stanowiły wyniki badań lizymetrycznych dekadowych wartości ewapotranspiracji rzeczywistej ET i plonów końcowych Q zróżnicowanych częstością koszenia (łąka 3-kośna, łąka 6-kośna symulująca pastwisko kwaterowe, ruń 18-kośna symulująca pastwisko intensywnie wypasane) i poziomem nawożenia. Łąka 3-kośna i 6-kośna były nawożone 270 kg NPK ha 1 (120 kg N, 60 kg P, 90 kg K); 540 kg NPK ha 1 (240 kg N, 120 kg P, 180 kg K) i 660 kg NPK ha 1 (240 kg N, 180 kg P, 240 kg K), a ruń 18-kośna 270 kg NPK ha 1. Badania prowadzono w latach na Polesiu Lubelskim w Sosnowicy [SZAJDA, 1997]. Badana łąka została założona na głębokiej glebie torfowo-murszowej, wytworzonej ze średnio rozłożonego torfu turzycowiskowego na torfie szuwarowym, podścielonym torfem mechowiskowym i gytią detrytusowo-glonową. Budowa stratygraficzna profilu glebowego, stan zaawansowania procesu murszenia oraz właściwości fizyczno-wodne dają podstawy do określenia badanej gleby jako

3 J. Szajda: Ocena ewapotranspiracji rzeczywistej użytków zielonych MtIIbb oraz zaliczenia jej do prognostycznego kompleksu wilgotnościowo-glebowego B wilgotnego [OKRUSZKO, 1988]. Zmienność opadów, temperatury, niedosytu wilgotności powietrza, ciśnienia pary wodnej i prędkości wiatru w okresie badań była duża. Przyczyniło się to do występowania lat suchych i mokrych oraz wywarło wpływ na kształtowanie się ilości plonu i wielkości ewapotranspiracji rzeczywistej [SZAJDA, 1997]. Z dynamiki zmian głębokości zwierciadła wody gruntowej na łące i stanów wody w Kanale Wieprz-Krzna w latach ekstremalnych wynika, że łąka jest zasilana dopływem gruntowym. Dodatkowo występuje zasilanie boczne z Kanału. Zasilanie to powoduje, że głębokość wody gruntowej na łące wynosi od 6 do 92 cm. Udział tego zasilania w pokrywaniu ewapotranspiracji w roku suchym (1975) wyniósł 622 mm. Takie zasilanie pokrywa w całości niedobory wody, liczone jako różnica między ewapotranspiracją a opadem. W takich warunkach wilgotność gleby w warstwie korzeniowej była zbliżona do polowej pojemności wodnej oraz zapewniała maksymalne plonowanie Q max i maksymalną ewapotranspirację ET(Q max ) badanych użytków zielonych [SZAJDA, 1997; 2001]. W świetle danych z literatury [KOWALIK, 1976; SZAJDA, OLSZTA, 2000; DE WITT, 1969] wpływ czynników meteorologicznych i wilgotności gleby na wielkość ET i plon Q jest zbliżony. Dodatni lub ujemny wpływ tych czynników powoduje odpowiednio wzrost lub spadek, zarówno plonów, jak i ewapotranspiracji. Do określenia zależności ewapotranspiracji rzeczywistej użytków zielonych od plonów aktualnych q wykorzystano zmierzone dekadowe sumy ET oraz plony końcowe Q łąki 3-kośnej, 6-kośnej i runi 18-kośnej. W tym celu przyjęto plony końcowe runi 18-kośnej Q jako plon aktualny q łąki 3-kośnej i 6-kośnej wiosną po ruszeniu wegetacji oraz na początku poszczególnych odrostów, plony końcowe łąki 6-kośnej Q jako plony aktualne q po zakończeniu przyrostu łąki 6-kośnej i w czasie przyrostu łąki 3-kośnej, natomiast plon końcowy łąki 3-kośnej Q jako plon aktualny q po zakończeniu jej przyrostu. Rzeczywiste wartości ET (mm d 1 ) oraz odpowiadające im wielkości q wykorzystano do określenia zależności ET = f(q) w okresach IV V, VI VII, VIII IX. Do określenia zależności statystycznych ET = f(q) wykorzystano program STATGRAPHICS 5.0. Dla każdego z rozpatrywanych okresów wyznaczono równania regresji prostoliniowej (y = a + bx), krzywoliniowej (1/y = a + bx), logarytmicznej (y = log(a + bx)) i wykładniczej (y = ab x ) oraz współczynniki korelacji r, wartości statystycznego testu istotności F i błąd standardowy oceny S. Istotność uzyskanych zależności oceniano przez porównanie współczynników korelacji r z wartościami krytycznymi r 0,01 na poziomie istotności α = 0,01 oraz wartości testu F z wartościami F 0,01 odczytanymi z tablic [ELANDT, 1964]. Przyjmowano, że zależność jest istotna, gdy r > r 0,01, a F > F 0,01. W pracy podano zależności, w których uzyskano największe wartości r i F. Podano dla nich również odczytane z tablic wartości r 0,01, F 0,01 oraz obliczone wielkości S.

4 406 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 6 z. 1 (16) WYNIKI BADAŃ I ICH DYSKUSJA Szczegółową charakterystykę plonów Q oraz średnich dekadowych wartości ET podano w innych pracach [SZAJDA, 1997; 2001]. W niniejszej pracy ograniczono się do podania wartości średnich z lat , z roku suchego (1975) i mokrego (1980) dla łąki 3-kośnej i 6-kośnej, nawożonych 660 kg NPK ha 1 (tab. 1) oraz wartości średnich z lat , z roku suchego (1983) i mokrego (1985) dla łąki 3-kośne nawożonej 540 kg NPK ha 1 i 270 kg NPK ha 1 oraz 18-kośnej nawożonej 270 kg NPK ha 1 (tab. 2). Tabela 1. Plon końcowy Q (t ha 1 ) i ewapotranspiracja rzeczywista ET (mm) użytków zielonych; Sosnowica, Table 1. Final yield Q (t ha 1 ) and actual evapotranspiration ET (mm) for grasslands; Sosnowica, years Okres Period Odrost łąki Outgrowth Q ET 3-kośnej 3-cut meadow 6-kośnej 6-cut meadow a b a b I 0,93 52,5 I II 4,78 1,80 172,0 69,9 III 2,17 82,0 II IV 5,68 2,37 269,0 89,5 V 2,33 92,1 III VI 3,35 0,76 198,8 44,3 Razem Total 13,81 10,36 639,8 430,3 Rok suchy I 0,91 65,4 Dry year I II 5,35 1,74 239,5 71,6 (1975) III 1,67 53,3 II IV 7,07 2,71 344,3 141,4 V 3,71 138,3 III VI 6,11 1,19 391,9 81,2 Razem Total 18,53 11,93 975,7 551,2 Rok mokry I 0,31 31,7 Wet year I II 4,25 2,21 147,7 84,5 (1980) III 1,61 66,3 II IV 5,82 1,62 215,0 68,5 V 0,98 47,4 III VI 1,92 0,46 99,8 25,3 Razem Total 11,99 7,19 462,5 323,7 Objaśnienia: a łąka 3-kośna nawożona 660 kg NPK ha 1, b łąka 6-kośna nawożona 660 kg NPK ha 1. Explanations: a 3-cut meadow fertilized with 660 kg NPK ha 1, b 6-cut meadow fertilised with 660 kg NPK ha 1.

5 J. Szajda: Ocena ewapotranspiracji rzeczywistej użytków zielonych Tabela 2. Plon końcowy Q (t ha 1 ) i ewapotranspiracja rzeczywista ET (mm) użytków zielonych; Sosnowica, Table 2. Final yield Q (t ha 1 ) and actual evapotranspiration ET (mm) for grasslands; Sosnowica, years Okres Period Odrost Q ET Outgrowth c d e c d e I 4,90 4,03 2,25 154,8 149,0 107,0 II 5,03 4,18 2,91 232,3 226,0 162,2 III 3,18 2,68 2,02 171,2 164,2 122,8 Razem Total 13,11 10,89 7,18 558,3 539,2 392,0 Rok suchy I 7,91 6,08 2,06 229,9 185,1 86,0 Dry year II 5,75 3,80 3,17 319,4 272,1 197,1 (1983) III 4,09 2,62 1,97 212,5 185,0 117,0 Razem Total 17,75 12,5 7,20 761,8 642,2 400,1 Rok mokry I 5,47 3,97 3,42 155,7 158,9 133,0 Wet year II 4,33 2,91 1,73 175,3 177,0 139,6 (1985) III 2,40 2,80 1,88 145,9 162,6 130,0 Razem Total 12,20 9,68 7,03 476,9 498,5 402,9 Objaśnienia: c łąka 3-kośna nawożona 540 kg NPK ha 1, d łąka 3-kośna nawożona 270 kg NPK ha 1, e ruń 18-kośna nawożona 270 kg NPK ha 1 (suma z 6 cięć w każdym pokosie). Explanations: c 3-cut meadow fertilised with 540 kg NPK ha 1, d 3-cut meadow fertilised with 270 kg NPK ha 1, e sward growth (18-cuts) (a sum of 6 cuts in each swath) fertilised with 270 kg NPK ha 1. Plonowanie i ewapotranspiracja łąki 6-kośnej nawożonej 660 kg NPK ha 1 w stosunku do łąki 3-kośnej nawożonej taką samą dawką NPK (tab. 1) oraz runi 18-kośnej nawożonej 270 kg NPK ha 1 w stosunku do łąki 3-kośnej nawożonej taką samą dawką NPK (tab. 2) są znacznie mniejsze na skutek większej częstości koszenia i mniejszej masy nadziemnej. Zróżnicowanie to potwierdza ścisły związek między ilością plonu a wartością ewapotranspiracji, co wykazano w badaniach KOWALIKA [1976], ŁABĘDZKIEGO [1997], MISZTALA [2000], OLSZTY [1981] i DE WITA [1969]. Plonowanie i ewapotranspiracja łąki 3-kośnej nawożonej 270, 540, 660 kg NPK ha 1 i łąki 6-kośnej nawożonej 660 kg NPK ha 1, określone w warunkach, kiedy uwilgotnienie gleby nie ogranicza zużycia wody przez rośliny, różnicują się w zależności od warunków meteorologicznych i stanu pokrywy roślinnej. Są one największe w latach suchych, a najmniejsze w mokrych. Przyczyną tego jest mniejsze zachmurzenie, a tym samym większe promieniowanie słoneczne w latach suchych [KOWALIK, 1976]. Plonowanie i ewapotranspiracja systematycznie ciętej runi przyjmują zbliżone wartości zarówno podczas lat suchych, jak i mokrych, a także w całym okresie badań (tab. 2). Dzieje się tak na skutek wyeliminowania wpływu plonu na ewapotranspirację rzeczywistą runi przez systematyczne cięcie.

6 408 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 6 z. 1 (16) a ET = 1, ,7462q r = 0,8283 ET, mm. d q, t. ha ET, mm. d b ET = 1, ,5820q r = 0, q, t. ha c ET = 0, ,5160q r = 0,7583 ET, mm. d q, t. ha -1 Rys. 1. Zależność rzeczywistych wartości ewpotranspiracji ET od plonów aktualnych q: a w okresie IV V, b w okresie VI VII, c w okresie VIII IX Fig. 1. Relationship between the actual level of evapotranspiration ET and current yields q: a in the period from April to May, b in the period from June to July, c in the period from August to September

7 J. Szajda: Ocena ewapotranspiracji rzeczywistej użytków zielonych Podstawą określenia zależności ET = f(q) dla okresów IV V, VI VII, VIII IX były rzeczywiste wartości ET (mm d 1 ) z wybranych z lat następujących dekad: łąka trzecie dekady maja, lipca i września; pastwisko trzecie dekady kwietnia, maja, czerwca, lipca, sierpnia i września; ruń systematycznie cięta wiosną po ruszeniu wegetacji, po każdym wypasie pastwiska, po każdym skoszeniu łąki oraz określone w tych dekadach plony aktualne q. Rzeczywiste wartości ET użytków zielonych są najmniejsze na początku przyrostu masy plonu i rosną wraz z przyrostem plonu (rys. 1). Rozkład rzeczywistych wartości ET oraz plonów aktualnych q uzasadnia prostoliniowy charakter omawianych zależności oraz wskazuje na znaczny ich rozrzut, co znajduje odbicie w określonych statystycznie największych wartościach współczynników korelacji r, testu F oraz błędu S (rys. 1, tab. 3) [ELANDT, 1964]. Rozkład ten jest zgodny z wynikami badań OLSZTY [1981] i DE WITTA [1969]. Wyznaczone dla omawianych okresów prostoliniowe zależności ET = f(q) są wysoce istotne (r > r 0,01 oraz F > F 0,01 ). Zależności te charakteryzują znacznie większe współczynniki korelacji r oraz nieznacznie większy błąd standardowy S niż krzywoliniowe zależności k c = f(q) [SZAJDA, 1997] i k c (q max ) [SZAJDA, 2004] podane dla analogicznych okresów. Wynika stąd, że w okresach IV V, VI VII, VIII IX plon aktualny w podanych przedziałach wielkości q (tab. 3) jest najlepszym parametrem rzeczywistych wartości ET. WNIOSKI 1. Na kształtowanie się rzeczywistych wartości ET istotny wpływ ma plon aktualny q, stanowiący ilość powietrznie suchej masy roślinnej, jaka urosła od początku przyrostu do danej chwili. 2. Określone w pracy zależności ET = f(q) dla okresów IV V, VI VII, VIII IX mogą być wykorzystane do oceny rzeczywistych wartości ET użytków zielonych na podstawie mierzonego, obliczonego lub oszacowanego plonu aktualnego w podanych przedziałach jego wartości. Wartości te są niezbędne do oceny optymalnego poziomu wody gruntowej, zapewniającego zrównoważony rozwój ekosystemów łąkowych.

8 410 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 6 z. 1 (16) LITERATURA ELANDT R., Statystyka matematyczna w zastosowaniu do doświadczalnictwa rolniczego. Warszawa: PWRiL ss KOWALIK P., Podstawy teoretyczne agrohydrologii Żuław. Acta Tech. Gedan. nr 11 ss. 94. ŁABĘDZKI L., Potrzeby nawadniania użytków zielonych uwarunkowania przyrodnicze i prognozowanie. Rozpr. Habil. Falenty: Wydaw. IMUZ ss ŁABĘDZKI L., SZAJDA J., SZUNIEWICZ J., Ewapotranspiracja upraw rolniczych terminologia, definicje i metody obliczeń. Mater. Instr. nr 33. Falenty: Wydaw. IMUZ ss. 15. MISZTAL A., Zależności ewapotranspiracji górskich użytków zielonych od wybranych czynników klimatycznych i plonu (na podstawie badań lizymetrycznych). Wiad. IMUZ t. 15 z. 2 s MISZTAL A., Odpływ wody i ewapotranspiracja w warunkach zróżnicowanego rolniczego użytkowania gleby górskiej w rejonie Małych Pienin. Rozpr. Habil. Falenty: Wydaw. IMUZ ss NYC K., Sterowanie zasobami retencji gruntowej w dolinach rzek nizinnych. Zesz. Nauk. AR Wroc. nr 53 Rozpr. s OKRUSZKO H., Zasady podziału gleb hydrogenicznych na rodzaje oraz łączenia rodzajów w kompleksy. Rocz. Gleb. t. 39 nr 1 s OLSZTA W., Badania dynamiki uwilgotnienia gleb, wzrostu traw i prognozowanie nawodnień metodą modelowania matematycznego. Falenty: IMUZ rozpr. habil. ss SZAJDA J., Roślinne i glebowo-wodne wskaźniki ewapotranspiracji łąki na glebie torfowomurszowej. Rozpr. Habil. Falenty: Wydaw. IMUZ ss. 62. SZAJDA J., Sezonowe współczynniki roślinne do oceny ewapotranspiracji maksymalnej użytków zielonych na podstawie parowania z lustra wody. Woda Środ. Obsz. Wiej. t. 1 z. 1(1) s SZAJDA J., Dekadowe współczynniki roślinne do oceny ewapotranspiracji maksymalnej użytków zielonych na podstawie wzoru Penmana i plonu aktualnego. Woda Środ. Obsz. Wiej. t. 4 z. 1(10) s SZAJDA J., OLSZTA W., Influence of sucking pressure of soil water on evapotranspiration and meadow yielding. W: The role of physical and physicochemical properties of soils in functioning of ecosystems. Acta Agroph. nr 35 s SZAJDA J., OLSZTA W., Wykorzystanie poziomu wody gruntowej jako wskaźnika uwilgotnienia gleby torfowo-murszowej w warunkach różnej ewapotranspiracji. Woda Środ. Obsz. Wiej. t. 2 z. 2(5) s SZAJDA J., OLSZTA W., KOWALSKI D., 2003a. Klimatyczne i glebowo-wodne wskaźniki środowiska odwodnionych ekosystemów torfowiskowych w aspekcie zrównoważonego rozwoju. Acta Agroph. nr 89 vol. 1(4) s SZAJDA J., OLSZTA W., KOWALSKI D., 2003b. Optymalny poziom wody gruntowej jako czynnik zrównoważonego rozwoju zmeliorowanych użytków zielonych. Wiad. Melior. nr 4 s SZAJDA J., OLSZTA W., KOWALSKI D., Regulation of water relations as a factor in the sustained development of peat ecosystems under land reclamation. W.: Teka commission of protection and formation of natural environment. Pol. Acad. Sci. Branch Lublin vol. 1. WIT DE C. T., On water and crop. Syllabus Int. Course Soil Sci. Wageningenn: IAC.

9 J. Szajda: Ocena ewapotranspiracji rzeczywistej użytków zielonych Jan SZAJDA EVALUATION OF ACTUAL GRASSLAND EVAPOTRANSPIRATION BASED ON CURRENT YIELD Keywords: actual evapotranspiration, actual yield, grasslands S u m m a r y Results of lysimetric studies on actual evapotranspiration ET and final yields Q of a meadow (fertilised with 270, 540 and 660 kg NPK ha 1 in pure component), pasture (fertilised with 660 kg NPK ha 1 ) and systematically cut sward (270 kg NPK ha 1 ) carried out in the period in Polesie Lubelskie showed that the actual ET was significantly influenced by current yield q, i.e. the amount of air dry plant mass that grew from the onset of growth to a given date. Relationship ET = f(q) determined in the present study for the periods April May, June July, Aug Sept can be used to evaluate the actual ET values for grasslands on the basis of current levels of yield q measured, calculated or estimated. Recenzenci: doc. dr hab. Leszek Łabędzki prof. dr hab. Stanisław Łojewski prof. dr hab. Krzysztof Nyc Praca wpłynęła do Redakcji r.

10 Tabela 3. Rzeczywiste wartości ewapotranspiracji użytków zielonych ET (mm d 1 ) jako funkcja plonu aktualnego q (t ha 1 ) Table 3. Actual evapotranspiration values of grasslands ET (mm d 1 ) as a function of the current yield q (t ha 1 ) Okres Period Postać zależności Formula of the relationship Przedział wartości q Range of values q Df R r 0,01 F obl F 0,01 S IV V ET = 1, ,7462 q 0,01 8, ,8283 0, ,11 7,01 1,14 VI VII ET = 1, ,5819 q 0,18 8, ,7864 0, ,07 6,96 0,93 VII IX ET = 0, ,5160 q 0,22 6, ,7583 0, ,63 7,04 0,62 Objaśnienia: Df liczba stopnia swobody; r współczynnik korelacji; r 0,01 wartość krytyczna r, gdy a = 0,01; F obl wartość testu istotności; F 0,01 wartość F, gdy a = 0,01; S błąd standardowy oceny. Explanations: Df degrees of freedom; r correlation coefficient; r 0.01 critical value of r at a = 0.01; F obl calculated value of F; F 0.01 value of F at a = 0.01; S standard error of estimate.