Acta Agrophysica, 1999, 23, 143-148 ILOŚCIOWY OPIS PRZENOSZENIA GLEBY I WODY W PROCESIE EROZJI WODNEJ J. Rejman, B. Usowicz Instytut Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego Polska Akademia Nauk, ul. Doświadczalna 4, 20-290 Lublin 27 E-mail: rejman@demeter.ipan.lublin.pl Streszczenie: W pracy przedstawiono metodyczne aspekty pomiaru ilości gleby i wody przenoszonych w procesie erozji wodnej. Przeprowadzone badania wykazały, że dla prawidłowego opisu tego procesu niezbędne jest prowadzenie pomiarów erozji wodnej na poletkach o zróżnicowanej długości. Zaproponowany sposób interpretacji danych pozwala na dokładniejszą ocenę ilości gleby i wody przemieszczonej z danej powierzchni oraz ilości materiału glebowego podlegającej sedymentacji, jak i ilości wody podlegającej infiltracji i ewaporacji w obrębie pola uprawnego. Słowa kluczowe: erozja gleby, gleba lessowa, model USLE WSTĘP Dla weryfikacji i doskonalenia modeli prognozowania procesów erozji wodnej niezbędne jest ilościowe określenie spływu powierzchniowego i przenoszonego wraz z nim materiału glebowego po każdym opadzie deszczu. Ocena natężenia erozji polegająca na analizie transportu materiału glebowego w ciekach wodnych nie daje pełnej oceny erozji gleby w obrębie samej zlewni, zwłaszcza przy krótkotrwałym spływie lub gdy wody powierzchniowe nie są odprowadzane poza obręb zlewni [2]. Do oceny przemieszczenia gleby w obrębie zlewni można natomiast wykorzystać metodykę modelu USLE, która zakłada prowadzenie pomiarów erozji na poletkach o długości 22,1 m, wydzielonych od pozostałej części pola [6]. Badania przeprowadzone na glebie lessowej Wyżyny
144 J. REJMAN, B. USOWICZ Lubelskiej oraz obliczenia w oparciu o model USLE wykazały jednak duże rozbieżności między danymi eksperymentalnymi i wartościami prognozowanymi z modelu [3]. W związku z tym konieczna stała się adaptacja modelu do warunków klimatyczno-glebowych Polski. Przyjęto, że pomiary erozji na poletkach o zróżnicowanej długości i otrzymane dane mogą stanowić odpowiednią bazę do modyfikacji i weryfikacji założeń modelu USLE. Celem przeprowadzonych badań była próba ilościowego opisu przenoszenia gleby i wody w trakcie procesu erozji wodnej w oparciu o dane z poletek o zróżnicowanej długości utrzymywanych w czarnym ugorze. MATERIAŁY I METODY Doświadczenie polowe zostało założone na glebie płowej wytworzonej z lessu w Bogucinie (20 km na północ od Lublina - Wysoczyzna Nałęczowska) w 1997 roku. Gleba ta według klasyfikacji Turskiego i in. [5] została określona jako słabo zerodowana i charakteryzowała następującymi właściwościami: 2 % piasku, 67% pyłu, 11% iłu koloidalnego, 1,8% substancji organicznej oraz ph w KCl 5,3. Poletka o długości 20 m (2 poletka), 10 m i 5 m oraz szerokości 3 m założono na zboczu o nachyleniu 12%. W dolnej części poletek założono instalacje zbierające spływ powierzchniowy i zmyw gleby. Celem określenia powierzchni zbiorczej dla spływu powierzchniowego i przenoszonych ilości zmywanej gleby, od pozostałej części pola, jak również między sobą poletka zostały oddzielone folią wkopaną na 10 cm. Pomiary erozji wodnej prowadzono w odstępach tygodniowych. Ilość przemieszczonego materiału glebowego (zmywu gleby) określano na podstawie objętości mieszaniny wody i gleby zebranej z poletka oraz stężenia tej mieszaniny. Stężenie mieszaniny określano w oparciu o pobraną próbę, po rozdzieleniu jej na fazę stałą (suchą masę gleby) i fazę płynną (woda). W okresie od 12.05.97 do 11.09.97 pomiary erozji przeprowadzono w 13 okresach pomiarowych. Parametry opadu wyznaczono na podstawie zapisów pluwiografu i pomiarów deszczmierza, umieszczonych obok poletek erozyjnych. Energię kinetyczną opadu wyliczono według Browna i Fostera [1]. WYNIKI I DYSKUSJA W okresie od 12.05.97 do 11.09.97 suma opadów wynosiła 323,3 mm (w tym opad efektywny o intensywności cząstkowej powyżej 5 mm h -1-183,7 mm), wskaźnik erozyjności opadów EI30 1175 MJ mm ha -1 h -1, energia kinetyczna
OPIS PRZEMIESZCZANIA GLEBY I WODY W PROCESIE EROZJI 145 opadu 53,68 MJ ha -1. Ilościowe zestawienie zmywu gleby w tym okresie przedstawiono w Tabeli 1. Tabela 1. Przemieszczonie gleby oraz spływ powierzchniowy z poletek (dla poletka o powierzchni 60 m 2 wartość średnia z dwu poletek), Bogucin, 1997 Table 1. Soil loss and runoff (for 60 m 2 plot the average value from 2 plots), Bogucin, 1997 Parametr erozji Powierzchnia poletka, m 2 Zmyw gleby kg/poletko kg m -2 Spływ powierzchniowy dm 3 /poletko dm 3 m -2 15 30 60 73,10 4,87 286,7 19,11 129,75 4,33 273,1 9,10 133,95 2,23 320,2 5,34 Z danych przedstawionych w Tabeli 1 wynika, że zarówno zmyw gleby, jak i spływ powierzchniowy w przeliczeniu na jednostkę powierzchni maleje wraz ze wzrostem powierzchni poletek, czyli przy tej samej ich szerokości (3 m) wraz z długością poletek. Należy zaznaczyć, iż w podobny sposób jak wartości sumaryczne układały się również dane z poszczególnych okresów pomiarowych. Tymczasem wieloletnie dane amerykańskie, stanowiące podstawę empirycznego modelu USLE, wskazują, że jednostkowy zmyw gleby powinien wzrastać wraz z długością poletka, które może być traktowane zamiennie z długością zbocza [6]. Uważa się, że zwiększenie zmywu jednostkowego gleby wraz z długością zbocza wynika ze zwiększonego znaczenia spływu powierzchniowego w procesie odrywania i przenoszenia gleby [4]. Podstawę modelu USLE stanowią dane zmywu gleby otrzymane na poletku standardowym o długości 22,1 m, zlokalizowanym na zboczu o nachyleniu 9%. Zmyw gleby z poletek o innej długości lub zlokalizowanych na zboczu o innym nachyleniu jest przeliczany przy pomocy równań empirycznych do zmywu z poletka standardowego. Co więcej, zmyw gleby z poletka standardowego stanowi podstawę wyznaczenia wskaźnika podatności gleby na erozję (K) tego modelu, definiowanego jako iloraz rocznego zmywu gleby do rocznej wartości wskaźnika erozyjności opadu i spływu powierzchniowego (EI 30 ). Wartość wskaźnika K jest uznawana za wielkość stałą i charakterystyczną dla określonej gleby.
146 J. REJMAN, B. USOWICZ Wyniki uzyskane na obiekcie w Bogucinie wskazują, że interpretacja danych nie może być oparta na podstawowym kryterium modelu USLE jakim jest poletko standardowe. Co więcej otrzymane wyniki sugerują, że należy je interpretować inaczej aniżeli w modelu USLE. W każdym z okresów pomiarowych największy jednostkowy zmyw gleby zaobserwowano na poletkach o długości 5 m, natomiast ogólna ilość zmytej gleby była większa na poletkach o długości 10 i 20 m. Sugeruje to: (1), że zmyty materiał glebowy został zebrany nie z całej powierzchni poletek większych, lecz jedynie z tej ich części, która jest położona bliżej instalacji zbierających oraz: (2), że ilość gleby zebrana na poletku najmniejszym powinna być zbliżona do ilości gleby zebranej z tej samej powierzchni poletek większych. Przyjmując za bazę wartości jednostkowego zmywu gleby zaobserwowane na poletku najmniejszym oraz ilości gleby przemieszczone z poletek większych możliwe staje się obliczenie powierzchni, z której zebrano materiał glebowy. Powierzchnia ta podzielona przez szerokość poletek określa efektywną odległość, z której zbierany był materiał glebowy. Postępując podobnie z danymi spływu powierzchniowego, możliwe staje się obliczenie efektywnej odległości transportu wody po powierzchni gleby. W Tabeli 2 przedstawiono przykład analizy danych. z okresu od 23 do 25.06.1997, w którym wystąpiły 2 opady (16,7 i 2,8 mm), zaś wskaźnik EI 30 wyniósł odpowiednio 55,0 i 2,8 MJ mm ha -1 h -1. Dane przedstawione w Tabeli 2 oznaczają, że podczas opadu pewna ilość gleby oraz spływu powierzchniowego została zebrana z określonej odległości zbocza (poletka). Bynajmniej nie oznacza to, że na pozostałej powierzchni (odległości zbocza) nie zachodziły procesy erozyjne. Wprost przeciwnie, należy wyraźnie podkreślić, że proces erozji występował na całej powierzchni z podobną intensywnością, z tym, że poza wyznaczoną odległością efektywną (długością zbocza), materiał glebowy podlegał sedymentacji, a spływ powierzchniowy - infiltracji oraz parowaniu. Procesy te zachodziły również wewnątrz powierzchni określonej przez efektywną odległość przenoszenia, aczkolwiek przeważał tu proces transportu wody i materiału glebowego. Dla 13 okresów pomiarowych w roku 1997, średnia odległość przenoszenia gleby zawierała się od 4,38 do 15,63 m (z wartością średnią 9,01 m), zaś spływu powierzchniowego od 2,46 do 8,49 m (z wartością średnią 4,99 m). Oznacza to, że w warunkach glebowo-klimatycznych Lubelszczyzny, w procesie erozji przeważa transport na bliskie odległości zarówno spływu powierzchniowego, jak i materiału glebowego.
OPIS PRZEMIESZCZANIA GLEBY I WODY W PROCESIE EROZJI 147 Tabela 2. Przykład wyliczenie parametrów erozji wodnej w oparciu o dane z okresu 23-25.06.1997 Table 2. Calculation of water erosion parameters on the basis of the data from 23-25.06.1997 Parametr Poletko, m 2 60 60 30 15 Zmyw gleby z poletka, kg/poletko 2,318 1,993 1,399 1,043 Jednostkowy zmyw gleby, kg m -2 0,039 0,033 0,047 0,070 Maksymalny jednostkowy zmyw gleby, kg m -2 0,070 Rzeczywista powierzchnia zbiorcza, m 2 33,11 28,47 19,98 Efektywna odległość przenoszenia materiału glebowego, m 11,04 9,49 6,66 Średnia odległość efektywna, m 9,06 Odchylenie standardowe 2,22 Spływ powierzchniowy z poletka, dm 3 /poletko 72,7 62,5 38,2 34,0 Jednostkowy spływ powierzchniowy, dm 3 m -2 1,21 1,04 1,27 2,27 Maksymalny jednostkowy spływ powierzchniowy, dm 3 m -2 2,27 Rzeczywista powierzchnia zbiorcza, m 2 32,03 27,53 16,83 Efektywna odległość przenoszenia spływu, m 10,68 9,18 5,61 Średnia odległość efektywna, m 8,49 Odchylenie standardowe 2,60 Przyjęcie takiego sposobu analizy danych jest wprawdzie obarczone błędem wynikającym z oparcia analizy o daną jednostkową (maksymalną wartość jednostkową), jednak w zamian uzyskujemy istotną informację o przebiegu procesu erozyjnego, a mianowicie informację o wielkości powierzchni zbiorczych, z których odprowadzany jest materiał glebowy i spływ powierzchniowy, co umożliwia wyliczenie efektywnej odległości przemieszczenia. WNIOSKI Przeprowadzone badania i zaproponowany sposób interpretacji danych doświadczalnych umożliwia określenie: 1. Ogólnej ilości gleby i spływu powierzchniowego podlegającej erozji, która jest równa maksymalnej jednostkowej wartości zmywu gleby i spływu powierzchniowego; 2. Efektywnych odległości biorących udział w przenoszeniu spływu powierzchniowego oraz materiału glebowego, pozwalających na:
148 J. REJMAN, B. USOWICZ wyliczenie ilości materiału glebowego oraz spływu powierzchniowego przenoszonego w procesie erozji poza obręb poletka (pola uprawnego) wyliczenie ilości materiału glebowego podlegającego sedymentacji oraz wody podlegającej infiltracji i parowaniu w obrębie poletka (pola uprawnego) PIŚMIENNICTWO 1. Brown L.C., Foster G.R.: Storm erosivity using idealised intensity distributions. Transactions of the ASAE, 30, 370-386, 1987. 2. Mazur Z., Pałys S.: Natężenie erozji wodnej w małych zlewniach terenów lessowych Wyżyny Lubelskiej w latach 1986-1990. Erozja gleb i jej zapobieganie. Wydawnictwo Akademii Rolnicza w Lublinie, 63-77, 1991. 3. Rejman J., Turski R., Paluszek J.: Spatial amd temporal variations in erodibility of loess soil. Soil & Tillage Res., 46, 61-68, 1998. 4. Römkens M.J.M.: The soil erodibility factor: A perspective. [in:] Soil erosion and conservation (ed. by S.A. El-Swaify, W.C.Moldenhauer, A.Lo):, Soil Conservation Society of America, Ankeny, Iowa, 445-461, 1985. 5. Turski R., Słowińska-Jurkiewicz A., Paluszek J.: Wpływ erozji na fizyczne właściwości gleb wytworzonych z lessu. Roczniki Gleboznawcze, 38, 1, 37-49, 1987. 6. Wischmeier W.H., Smith D.D.: Predicting rainfall erosion losses. USDA Agric. Handb. 537. U.S. Gov. Print. Office, Washington D.C, 1-58, 1978. QUANTITATIVE DESCRIPTION OF WATER AND SOIL TRANSPORT IN PROCESS OF WATER EROSION J. Rejman, B. Usowicz Institute of Agrophysics, Polish Academy of Sciences Str. Doświadczalna 4, 20-290 Lublin 27, Poland SUMMARY Paper presents methodological aspects of measurements of soil and runoff in process of water erosion. Results of field experiment showed the necessity of monitoring of soil erosion on plots of different length for reliable description of the process. Proposed in the paper, the way of data interpretation enables to determine the amounts of soil and water loss from plot (field) and the amounts of soil sedimentation and water infiltrated and evaporated inside plot (field). Keywords: soil erosion, loess soil, USLE model