ZMIENNOŚĆ WYBRANYCH CECH GLEBY W SKALI POLA I GMINY*

ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LV NR 1 WARSZAWA 2004: 237-247 BOGUSŁAW USOWICZ, MIECZYSŁAW HAJNOS, ZOFIA SOKOŁOWSKA, GRZEGORZ JÓZEFACIUK, GRZEGORZ BOWANKO, JAN KOSSOWSKI, JERZY USOW ICZ1 ZMIENNOŚĆ WYBRANYCH CECH GLEBY W SKALI POLA I GMINY* VARIABILITY OF CHOSEN SOIL PROPERTIES IN A FIELD A N D COMMUNE SCALE Instytut Agrofizyki, Polska Akademia Nauk; 1Centrum Astronomii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika Abstract: This paper presents exemplary results of statistical and geostatistical analysis, as well as an estimation of spatial distribution of soil granulometric fractions and ph soil in the area of one cultivated field and in the whole Trzebieszów commune (Lublin Province). Soil samples from 0-1 0 cm layer were collected in points located either in regular network (field) or in random network (commune). It was stated that in both areas examined, significant but differentiated variability of soil characteristics, as well as spatial dependence of their values occur. The contents of sand, silt and clay fractions (57, 32 and 11% in average, respectively) were similar both for the commune and the field areas, however the dispersion of these values were higher for the commune area (especially in the case of sand fraction). Values of ph indicated high soil acidity, somewhat smaller in the commune than in the field area (4.7 and 4.2, respectively). Estimated spatial distributions of granulometric fractions and ph values within both objects (maps) showed distinct conjunction among them. For the commune area mostly latitudal arrangement of changes in soil parameters was observed. Słowa kluczowe: przestrzenna zmienność, skład granulometryczny, ph gleby. Key words: spatial variability, granulometric composition, ph soil. WSTĘP Podstawowe cechy gleb w skali kraju, regionu lub danej jednostki administracyjnej dokumentowane są na mapach glebowych o różnym stopniu generalizacji [Białousz 1966; Dobrzański, Piszczek 1948; Dobrzański, Malicki 1950; Musierowicz 1961; Stawiński i inni 1999; Stępniewska i inni 1996; Truszkowska 1966; Turski i inni 1993; *Pracę wykonano w ramach projektu badawczego No. 6 P06H 029 20 finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach 2001-2003.

238 В. Usowicz i inni Walczak i inni 2002], a także - choć w mniejszym zakresie - przez banki danych [Gliński i inni 1991; Kowaliński i inni 1979; Truszkowska 1992]. Pozwalają one wnioskować o większej lub mniejszej zmienności glebowej na danym obszarze. Zmienność właściwości gleby występująca w obrębie pola uprawnego [Baranowski i inni 1994; Usowicz i inni 1995; Usowicz 2001] jest często zaniedbywana nie tylko przez rolników, ale i naukę. Z reguły, gleba na danym polu traktowana jest jako homogeniczna, co pozwala na ograniczenie zbadania jej cech fizycznych i chemicznych do jednego punktu pomiarowego, a jednocześnie sugeruje ujednolicenie wszelkich zabiegów rolniczych na tym polu. Podejście takie sprawia, iż w zakresie badań zmienności przestrzennej cech gleby - jak dotąd - nie ma znaczących opracowań naukowych. Najmniej poznana jest zmienność przestrzenna właściwości środowiska glebowego w sensie opisu matematyczno-fizycznego, a ponadto nie jest wystarczająco rozróżniana naturalna i antropogeniczna składowa zmienności przestrzennej gleb [Brus 1993; Mc Bratney, Webster 1983; Papritz 1993; Usowicz Ł., Usowicz B. 2002; Webster, Burgess 1984]. Wśród cech gleby można wyróżnić stosunkowo stabilne (mało zmienne w czasie) oraz dynamiczne, zmieniające się wraz z wystąpieniem czynników zewnętrznych (uprawa gleby, warunki meteorologiczne). Cechą stabilną gleby jest jej skład granulometryczny, skład mineralogiczny i gęstość fazy stałej; do zmiennych w czasie należy ph czy zawartość materii organicznej (zwłaszcza na polach uprawnych), a jako przykład cechy o dużej dynamice można wymienić wilgotność gleby. W niniejszej pracy przedstawiono zmienność przestrzenną wybranych cech gleby na terenie gminy Trzebieszów, powiat łukowski, województwo lubelskie, na podstawie danych uzyskanych w trakcie badań prowadzonych w latach 2001-2003. Przeprowadzone analizy (metodami statystycznymi i geostatystycznymi) dotyczyły składu granulometrycznego i odczynu gleby (ph) w warstwie powierzchniowej w obrębie całego obszaru gminy oraz wybranego pola uprawnego. Dokonano również estymacji rozkładu przestrzennego tych cech oraz określono błąd estymacji. OBIEKT BADAŃ Gmina Trzebieszów położona jest w środkowej części Równiny Łukowskiej, stanowiącej mezoregion Niziny Południowopodlaskiej [Ostrowski 1966]. Teren jest tu płaski, o deniwelacjach nieprzekraczających na ogół 10 m, z płytkimi i często podmokłymi dolinami rzek (Krzna Południowa i Północna). Równinę budują w znacznym procencie rozmyte pokrywy sandrowe, toteż przeważają tu gleby wytworzone z piasków luźnych, słabogliniastych, naglinowych i gliniastych [Turski, Uziak, Zawadzki 1993]. Warunki klimatyczne (stosunki termiczne i opadowe) rejonu badań charakteryzują dane wieloletnie ( 1956-1995) z pobliskich Siedlec. Średnia roczna temperatura powietrza wynosiła tu 7,3 C; średnia temperatura miesiąca najcieplejszego (lipiec) 17,7 C, a najchłodniejszego (styczeń) -3,5 C. Roczna suma opadów kształtowała się na poziomie 537 mm, z której na okres wegetacyjny (IV-IX) przypadało ponad 64%. Należy jednak dodać, że w ciągu rozpatrywanych lat obserwowano znaczne wahania wartości tych elementów meteorologicznych: średnia roczna temperatura powietrza notowana była w przedziale od 5,5 do 8,9 C, roczna suma opadów od 418 do 721 mm, a suma opadów w okresie wegetacyjnym od 224 do 530 mm.

Zmienność wybranych cech gleby wskali pola i gminy 239 W opisie warunków środowiskowych obiektu badań - obszaru gminy Trzebieszów - należy podkreślić wybitnie rolniczy jej charakter. Użytki rolne obejmują 80,5% powierzchni gminy, z czego na grunty orne przypada 62,3%, a na użytki zielone 18,2% powierzchni [Witek 1981]. Lasy zajmują tylko 13,5% powierzchni, przy czym największy kompleks leśny znajduje się w części południowo-wschodniej gminy. MATERIAŁ I METODY Próbki glebowe na obszarze gminy oraz na wybranym polu były pobierane wyłącznie z warstwy ornej pól uprawnych w okresie letnim. Rozmieszczenie punktów pomiarowych na terenie gminy było nieregularne, natomiast w obrębie pola - w siatce regularnej (rys. 1). Analizy próbek glebowych dokonano metodami powszechnie stosowanymi w gleboznawstwie. Skład granulometryczny określono metodącasagrande a w modyfikacji Prószyńskiego; ph gleby metodą elektrometryczną (w H20 i w KC1), przy użyciu phmetru firmy Radiometer-Copenhagen. Dla każdego obiektu (gmina, pole) określono podstawowe parametry statystyczne, tj. wartość średnią, standardowe odchylenie, współczynnik zmienności (CV), wartość maksymalną i minimalną oraz wartości charakteryzujące rozkład danej cechy, tj. skośność i kurtozę. Przestrzenną charakterystykę rozpatrywanych danych przeprowadzono metodami geostaty stycznymi. Geostatystyka bazuje na obserwacjach, że obok punktu, któremu przypisana jest określona wartość pewnej zmiennej, występują punkty o podobnych wartościach, przez to wartości te muszą być ze sobą skorelowane. Podstawą obliczeń w geostatystyce jest funkcja wariogramu, a dokładniej połowa wartości oczekiwanej z różnic wartości zmiennej Z(x) w punkcie x i w oddalonym od niego o wektor h wartości zmiennej Z(x+h). Semiwariogram przedstawia zatem przestrzenne lub czasowe zachowanie danej RYSUNEK 1. Rozmieszczenie punktów pomiarowych na terenie gminy Trzebieszów (po lewej) i wybranym polu uprawnym (punkt 5;6,5 [m] ma współrzędne: 22 34 ' 05,037 ÀE; 51 59' 13,441 <pn) FIGURE 1. The location of measurements points in the Trzebieszów commune area (on the left) and selected cultivated field (coordinates of point 5;6.5 [m] are: 22 34' 05,037 ^E; 51 59' 13,441" (pn)

240 В. Usowicz i inni zmiennej w aspekcie losowym i strukturalnym. Semiwariogram y(xrx 7) jest definiowany jako połowa wariancji z różnicy zmiennych losowych {Z(x])-Z(x2)} [Pannatier 1994; Webster 1985; Webster, Burgess 1984]: Eksperymentalny semiwariogram -y(/z) dla odległości h obliczany jest z równania: gdzie: N(h) oznacza liczbę par punktów odległych o h. Równanie to ilustruje zróżnicowanie odchyleń wartości danej cechy czy wielkości fizycznej z od jej trendu w zależności od odległości między punktami pomiarowymi. Do empirycznie wyznaczonego semiwariogramu dopasowywane są znane funkcje matematyczne (liniowa, sferyczna, eksponencjalna itd.), które mogą być następnie wykorzystywane do analizy przestrzennej (czasowej) autokorelacji lub do wizualizacji przez estymację rozpatrywanej wielkości fizycznej w przestrzeni metodą krigingu zwyczajnego [Englund, Sparks 1988; Pannatier 1994]. WYNIKI Dane pomiarowe z obszaru gminy i pola przeanalizowano pod kątem wykrycia trendu w rozkładzie przestrzennym badanych cech gleby. W przypadku pola stwierdzono, że parametry równań wskazują na znikomy trend malejący w jednym, a rosnący w drugim kierunku. W obrębie gminy obserwowano niewielki trend rosnący dla zawartości piasku, malejący zaś dla zawartości pyłu i iłu oraz wartości ph. W przypadku obu obiektów można zatem przyjąć, że rozpatrywane cechy spełniają warunek stacjonamości lub kwasi-stacjonarności wymagany przy analizie geostatystycznej. Analizowane gleby cechowały się dużą zawartością frakcji piasku, średnio około 60% (tab. 1). Pyłu było o połowę mniej niż piasku, iłu zaś sześciokrotnie mniej, przy czym proporcje te były podobne dla obszaru gminy i dla pola.wartości ph [KC1] wskazywały na dużą kwasowość gleby, nieco mniejszą dla gminy (średnio 4,7) niż pola (4,2). Generalnie, rozstęp wartości analizowanych cech gleby był znaczny tak na polu, jak i w gminie. Spośród frakcji granulometrycznych największy rozrzut wartości wykazywała zawartość piasku, najmniejszy - iłu, przy czym największe różnice między polem a gminą stwierdzono dla frakcji piasku. Rozrzut wartości ph był dwukrotnie większy dla gminy niż pola. Współczynnik zmienności poszczególnych frakcji granulometrycznych kształtował się odwrotnie jak wartości średnie, tj. największy był dla iłu (ponad 40%), a najmniejszy dla piasku (14-18%). Współczynnik zmienności ph gleby na wybranym polu był dwukrotnie mniejszy niż dla gminy. Parametry rozkładu statystycznego wartości frakcji granulometrycznych wskazują, że występowała nieznaczna prawostronna asymetria rozkładu (z wyjątkiem zawartości pyłu na obszarze

Zmienność wybranych cech gleby w skali pola i gminy 241 TABELA 1. Parametry statystyczne zawartości frakcji granulometrycznych i ph w warstwie gleby 0-10 cm na obszarze gminy Trzebieszów i wybranego pola uprawnego TABLE 1. Statistical parameters of granulometric fraction content and ph values in 0-10 cm layer of soil within the Trzebieszów commune area and a selected cultivated field Parametr Parameter Gmina - Commune % zawartość frakcji % content of fractions ph [KCl] Pole - Field % zawartość frakcji % content of fractions ph [KC1] 1-0,1 [mm] 0,1-0,02 [mm] <0,02 [mm] 1-0,1 [mm] 0,1-0,02 [mm] <0,02 [mm] Liczba punktów Number of points 214 214 214 214 50 50 50 50 Średnia - Mean 59,6 29,0 11,4 4,7 54,7 34,5 10,8 4,18 Odchylenie standardowe Standard deviation Wspófczyn zmienności Coefficient of variation 10,9 7,9 4,9 0,82 7,6 6,7 4,8 0,38 18,1 27,4 42,8 17,7 13,8 19,5 44,4 9,0 Asymetria - Skewness 0,614-0,53 0,564 0,972 0,005 0,273 1,377 1,688 Kurtoza - Kurtosis 2,954 3,03 3,37 2,98 2,618 2,213 5,1 6,616 Minimum - Minimum 38 6 1 3,52 39 22 4 3,75 Mediana - Median 58 30 11 4,37 55,5 33 9,5 4,09 Maksimum - Maximum 89 44 28 6,91 72 49 26 5,69 gminy), a wartości kurtozy były zbliżone do rozkładu normalnego (z wyjątkiem zawartości iłu na polu). W przypadku wartości ph, asymetria była prawostronna, kurtoza dla gminy była zbliżona do normalnej, a na polu rozkład był bardziej smukły. Analiza geostatystyczna wykazała występowanie przestrzennej zależności rozpatrywanych cech gleby na obu obiektach. Wyższe wartości semiwariancji zanotowano dla gminy niż pola (rys. 2). Przy rozpatrywaniu wartości semiwariancji dla poszczególnych frakcji, najwyższe okazały się dla zawartości piasku, a najniższe dla iłu (co jest zbieżne z wartościami odchylenia standardowego tych frakcji). Zakres przestrzennej zależności frakcji granulometrycznych w przypadku gminy był zbliżony (wynosił ok. 0,03 ), a na wybranym polu zróżnicowany (od 80 m dla zawartości piasku do 15 m dla iłu). Przestrzenna zależność wszystkich cech gleby opisywana była modelem sferycznym. Zakres przestrzennej zależności wartości ph gleby na obszarze gminy wynosił ok. 0,03 (model eksponencjalny), a na polu był nieokreślony, ze względu na liniowy charakter semiwariancji.

242 В. Usowicz i inni RYSUNEK 2. Semiwariogramy i dobrane matematyczne modele zawartości frakcji granulometrycznych: a) piasku, b) pyłu, c) iłu oraz ph (d) dla gminy i pola FIGURE 2. Semivariograms and estimated mathematical models of soil fraction content: a) sand, b) silt, c) clay and d) ph for the commune and the field Przestrzenne rozkłady badanych cech gleby wyestymowane przy wykorzystaniu uzyskanych modeli semiwariogramów i metody krigingu zwyczajnego przedstawiono na rysunku 3 (gmina) i 4 (pole). W rozkładach przestrzennych zawartości frakcji na obszarze gminÿ widoczne jest wyraźne ich powiązanie oraz generalnie równoleżnikowy

Zmienność wybranych cech gleby w skali pola i gminy 243 T T 1 г r i 1--------!--------1--------i--------1--------1-------- 22.45 22.50 22.54 22.59 22.63 Odległość-D istance [*] i Г 1 i 1-------1------- 1------- [--------1------- 1------- 1 r~ 1 2 2.4 5 2 2.5 0 2 2.5 4 2 2.5 9 2 2.6 3 O d leg ło ść - D ista n c e [ ] RYSUNEK 3. Wyestymowane rozkłady zawartości piasku i pyłu w warstwie powierzchniowej gleby na obszarze gminy (w układzie współrzędnych geograficznych) FIGURE 3. Estimated distributions of sand and silt content in top layer of soil in the commune area (in geographical coordinates) układ zmian. Zawartość piasku była najwyższa w części środkowej gminy, pyłu i iłu w części północnej i południowej. Podobny układ zmian można zauważyć w rozkładzie wartości ph. Należy dodać, że błąd estymacji wszystkich cech gleby na obszarze próbkowania nie przekraczał 10% wartości, a w pobliżu miejsc pobierania próbek był rzędu 2%.

244 В. Usowicz i inni f Г~ 1 г T 1 T ~ ï Г Г Г 1------- 22.45 22.50 22.54 22.59 22.63 O dległość - D istance [ ] O dległość - D istan ce [ ] RYSUNEK 3 (kont.). Wyestymowane rozkłady zawartości iłu i wartości ph w warstwie powierzchniowej gleby na obszarze gminy (w układzie współrzędnych geograficznych) FIGURE 3 (cont.). Estimated distributions of clay content and ph values in top layer of soil in the commune area (in geographical coordinates)

Zmienność wybranych cech gleby w skali pola i gminy 245 Odległość Odległość Odległość Odległość Distance [m] Distance [in] Distance [m] Distance [m] RYSUNEK 4. Wyestymowane rozkłady zawartości piasku, pyłu i iłu oraz wartości ph w warstwie powierzchniowej gleby na polu uprawnym FIGURE 4. Estimated distributions of sand, silt and clay content and ph values in top layer of soil on cultivated field

246 В. Usowicz i inni Znaczne zróżnicowanie w rozkładach przestrzennych zawartości frakcji granulometrycznych oraz wartości ph zaobserwowano również w przypadku wybranego pola; mimo iż jego powierzchnia wynosiła tylko 1ha i można było spodziewać się większej jednorodności występującej tu gleby (rys. 4). Świadczy to o celowości pobierania większej liczby próbek przy określaniu właściwości (cech) gleby na danym polu i konieczności wyznaczania rozkładu przestrzennego tych cech. WNIOSKI 1. Podjęta w pracy próba oceny zmienności przestrzennej zawartości frakcji granulometrycznych oraz odczynu (ph) gleby na obiektach o różnej skali powierzchni (gmina, pole uprawne) przeprowadzona przy zastosowaniu metod geostatystycznych wykazała, że w obu przypadkach występuje wyraźna i zróżnicowana zmienność wartości, jak i przestrzenna ich zależność. 2. Spośród frakcji granulometrycznych największym rozrzutem (semiwariancją) charakteryzowała się zawartość piasku, najmniejszym - iłu, przy czym większy rozrzut zanotowano na obszarze gminy niż pola. Wartości ph były wyższe również w glebach obszaru gminy. Kształt przestrzennej zależności frakcji granulometrycznych opisywany był modelem sferycznym, ph - modelem eksponencjalnym, a zakresy przestrzennej zależności były związane głównie ze skalą obiektu. 3.Wyestymowane na podstawie punktowych pomiarów rozkłady przestrzenne (mapy) rozpatrywanych cech gleby ukazują ich zróżnicowanie na obu obiektach i mogą stanowić podstawę do wydzielenia obszarów wymagających stosowania różnych zabiegów agrotechnicznych (np. sposobu uprawy, wapnowania czy nawożenia). 4. Przeprowadzone badania wskazują, że na etapie rozpoznawania zmienności cech gleby (zwłaszcza stabilnych) konieczna jest duża liczba punktów pomiarowych. Jednakże, rozpoznanie takie pozwoli ustalić niezbędną (optymalną) liczbę pobieranych próbek przy określaniu zmienności również innych cech gleby (mniej stabilnych i dynamicznych), dostosowaną do skali obiektu i zmienności gleby. LITERATURA BARANOWSKI P., KOSSOWSKI J., USOWICZ B. 1994: Spatial variability of soil water content in cultivated fields. Zesz. Probl Post. N auk Roln. 405: 9-19. BIAŁOUSZ S. 1966: Soil map of Poland according to FAO legend with different number of soil mapping units. Proc. Land Information System, Hannover. BRUS D.J. 1993: Incorporating models of spatial variation in sampling strategies for soil. PhD Thesis, Wageningen Agricultural University, The Netherlands: 211 ss. DOBRZAŃSKI В., PISZCZEK J. 1948: Mapa gleb powiatu mieleckiego. Ann. UMCSs.B 3: 15-31. DOBRZAŃSKI B., MALICKI A. 1950: Gleby województwa krakowskiego i rzeszowskiego. Ann. UMCS s.в 4: 117-134. ENGLUND E., SPARKS A. 1988: Geostatistical Environmental Assessment Software. Environmental Monitoring Systems Laboratory Office of Research and Development, U.S. Environmental Protection Agency, Las Vegas, NV 89193-3478. GAMMA DESIGN SOFTWARE GS+ v. 3.06.5 beta. 1998: Geostatistics for the environmental sciences.

Zmienność wybranych cech gleby wskali pola i gminy 247 GLIŃSKI J., OSTROWSKI J., STĘPNIEWSKA Z., STĘPNIEWSKI W. 1991 : Bank próbek glebowych reprezentujących gleby mineralne Polski. Probl. Agrofizyki 6 6 : 1-57. KOWALIŃSKI S., TRUSZKOWSKA R., KOWALKOWSKI A., OSTROWSKI J. 1979: Bank informacji o środowisku glebowym BIGLEB. Rocz. Glebozn. 30(1): 73-84. Mc BRATNEY A.B., WEBSTER R. 1983: How many observations are need for regional estimation of soil properties. Soil Sei. 135 (3): 177-183. MUSIEROWICZ A. (red.) 1961 : Mapa gleb Polski w skali 1:300 000. Wyd. Geologiczne, Warszawa. OSTROWSKI J. 1966: Nizina Południowopodlaska. Przegl. Geogr. 38, 3: 393-406. PANNATIER Y. 1994: Variowin 2.1. Program for geostatistical analysis. University of Lousanne. PAPRITZ A.J. 1993: Estimating temporal change of soil properties. PhD Thesis, Swiss Federal Institute of Technology, Zurich: 166 ss. STAWIŃSKI J., GLIŃSKI J., OSTROWSKI J., STĘPNIEWSKA Z. 1999: Mapa powierzchni właściwej gleb ornych Polski. IA PAN Lublin - IMUZ Falenty. STĘPNIEWSKA Z., STĘPNIEWSKI W., GLIŃSKI J., OSTROWSKI J. 1996: Atlas oksydoredukcyjnych właściwości gleb ornych Polski. IA PAN Lublin - IMUZ Falenty. TRUSZKOWSKA R. 1966: Kompleksy gleb o zbliżonej przydatności rolniczej. W: Dziedzic F., Dąbrowski P. (red.) Atlas rolniczy Polski. Wyd. Geologiczne, Warszawa. TRUSZKOWSKA R. 1992: Wojewódzki bank informacji o środowisku glebowo-roślinnym i czynnikach mu zagrażających: BIGLEB-WO. Pr. Kom. PTG 117. TURSKI R., UZIAK S., ZAWADZKI S. 1993: Środowisko przyrodnicze Lubelszczyzny - Gleby. LTN, Lublin: 1-107. USOWICZ B. 2001 : Ocena zmienności wybranych cech gleby przy różnym układzie i liczbie próbkowań. Acta Agrophysica 57: 147-158. USOWICZ B., BARANOWSKI P., KOSSOWSKI J. 1995: Spatial distribution of some physical quantities characterizing soil structure state in cultivated fields. Pol. J. Soil Sei. 28/1: 19-27. USOWICZ Ł.B., USOWICZ B. 2002: Spatial variability of soil particle size distribution in Poland. 17 World Congress of Soil Science, 14-20 August 2002, Bangkok, Thailand, Symposium no.48, Paper 274: 1-10. WALCZAK R., OSTROWSKI J., WITKOWSKA-WALCZAK В., SŁAWIŃSKI C. 2002: Spatial characteristics of water conductivity in the surface level of Polish arable soils. Int. Agrophysics 16, 3: 239-247. WEBSTER R. 1985: Quantitative Spatial Analysis of Soil in the Field. Advances in Soil Sei. 3: 1-70. WEBSTER R., BURGESS T.M. 1984: Sampling and bulking strategies for estimating soil properties in small regions. J. Soil Sei. 35: 127-140. WITEK T. (red.) 1981 : Waloryzacja rolniczej przestrzeni produkcyjnej Polski według gmin. IUNG, Puławy: 1-416. doc. dr hab. Bogusław Usowicz Instytut Agrofizyki, Polska Akademia Nauk ul. D oświadczalna 4, 20-290 Lublin 27 e-mail: Usowicz@ demeter. ipan. lublin.pl