ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE T.LIV NR 3/4, WARSZAWA 1993: 33-44 JA R O S Ł A W K A S Z U B K IE W IC Z, B R O N IS Ł A W G IE D R O JĆ PRZEPUSZCZALNOŚĆ WODNA GLEB DNA STAWÓW RYBNYCH W REJONIE MILICZA NA DOLNYM ŚLĄSKU In sty tu t G leb o zn aw stw a i O chrony Ś ro dow iska R olniczego A kadem ii R olniczej w e W ro cław iu W S T Ę P Gleby wyścielające dno stawów rybnych podlegają stałemu oddziaływaniu wody. Ich uwilgotnienie w poziomach zalegających przy powierzchni dna przez cały czas jest bliskie maksymalnej pojemności wodnej. W tych warunkach ruch wody nasycającej glebę jest ruchem w strefie nasyconej i odbywa się pod wpływem działania sił grawitacji. Ruch ten, określany jako przesączanie [10] lub filtracja, może być opisany przez prawo Darcy ego. Współczynnik К występujący we wzorze nazywany jest przewodnictwem hydraulicznym [8] lub współczynnikiem przepuszczalności. Wartość tego współczynnika zależy od objętości i ukształtowania przestrzeni makroporów [2, 3]. Dla wielu gleb nie określono jednoznacznej relacji między wielkością makroporowatości a przepuszczalnością [4]. Niektórzy autorzy próbują wprowadzać dodatkowe parametry opisujące przestrzeń makroporową gleb, takie jak ciągłość i krętość [ Я organizacja przestrzeni porowej [7], czy też rozkład średnic porów glebowych [9], które mają wpływ na przepuszczalność wodną. Oprócz wzajemnego układu porów różnej wielkości odgrywa także rolę ich kształt oraz to, czy przyjmują one formę cylindrycznych kanałów, szczelin czy też pęknięć [4, 9 ]- Celem pracy było ustalenie związków między porowatością i składem granulometrycznym a przepuszalnością gleby. Wybór gleb piaszczystych jako obiektu badań umożliwia stosowanie prawa Darcy'ego [11, 12]. Prowadzenie jednocześnie badań gleb wyścielających dno stawów rybnych oraz gleb położonych w ich pobliżu na terenie lasów lub będących w uprawie polowej
34 J. Kaszubkicwicz, В. Giedrojć pozwoliło na ocenę wpływu niektórych procesów związanych z długotrwałym wysokim uwilgotnieniem na wymienione uprzednio parametry fizyczne gleby [5, 6]. METODYKA Badania prowadzono na terenach Państwowego Gospodarstwa Rybackiego Stawno, leżącego w kompleksie stawów milickich. W latach 1988-1990 przebadano 25 profilów gleb z dna stawów rybnych oraz 11 profilów porównawczych z terenów bezpośrednio przylegających do stawów. Odsłonięte profile z dna stawów zaliczono do typu: 5 - do gleb bielicowych, 5 - do gleb glejowych i pseudoglejowych, 5 - do gleb brunatnych, 3 profile do gleb płowych, 2 - do gleb mułowych, 3 - do mad rzecznych i jeden profil do gleb torfowo-murszowych. Profile gleb przylegających do stawów zaliczono do typu: 4 - gleb brunatnych, 3 - gleb płowych, 2 profile do mad rzecznych oraz po jednym profilu do gleby bielicowej i gleby glejowej. W wymienionych profilach oznaczono parametry pomocnicze, mianowicie: skład granulometryczny, porowatość całkowitą i zróżnicowaną oraz zawartość żelaza ruchomego, przy czym posłużono się metodami ogólnie stosowanymi w gleboznawstwie. Zasadniczym analizowanym parametrem był współczynnik przepuszczalności wodnej Kio, gdzie indeks 10 oznacza sprowadzenie wartości do standardowej temperatury 10 C. Współczynnik ten badano przy użyciu aparatu konstrukcji Zawadzkiego [13]. Stosowano cylinderki o pojemności 100cm3 i wysokości 5 cm. Wartośćspadku hydraulicznego i wynosiła 3 cm/cm. Pomiarów dokonywano w 5 powtórzeniach, odrzucając pojedyncze wyniki odbiegające od pozostałych i wyciągając średnią z wyników powtarzalnych. Pojedynczy pomiar kontynuowano do momentu, gdy przepływ wody przez cylinderki ustablizował się, nie krócej jednak niż 104 s. W niektórych przypadkach stanu stabilizacji nie udawało się osiągnąć, wtedy pomiar przerywano po 24 godzinach. Współczynnik przepuszczalności obliczano stosując klasyczne równanie Darcy ego: Aß/Д/ = K io ( Vs) gdzie: АО - ilość przesączonej wody w czasie At, S - powierzchnia przekroju cylinderka. Łącznie przeanalizowano 89 poziomów gleb z dna stawów oraz 41 poziomów z gleb przylegających do stawów, co stanowi dostatecznie bogaty materiał do analizy statystycznej. O M Ó W IE N IE W Y N IK Ó W Badane gleby charakteryzowały się w większości lekkim i bardzo lekkim składem granulometrycznym. W przypadku gleb z dna stawów 69 poziomów
Przepuszczalność gleb dna stawów 35 było wykształconych z piasków luźnych, 12 z piasków słaboglianiastych, a pozostałe 8 z różnych utworów od piasku luźnego pylastego do gliny średniej py las tej. Podobnie w przypadku gleb przylegajatcych do stawów rybnych: 32 poziomy to piaski luźne, 3 poziomy - piaski słabogliniaste, a pozostałe to różne utwory od piasku luźnego pylastego do gliny średniej pylastej. Wpływ uziarnienia na współczynnik przepuszczalności starano się wyrazić jednym parametrem liczbowym. Drogą prób stwierdzono, że najlepiej do tego nadają się następujące parametry: 1) sumaryczna zawartość frakcji <0,1 mm (parametr ), 2) suma zawartości frakcji <0,02 mm oraz 1/3 zawartości frakcji od 0,02 do 0,1 mm (parametr Y, wykorzystywany także przy ustalaniu rozstawy drenów). Wymienione parametry wyraźnie ujemnie korelują ze współczynnikiem przepuszczalności. Współczynniki korelacji wynoszą: w przypadku pierwszego parametru 7?r=-0,7214 dla gleb przylegających do stawów (między stawami) i R ^=-0,6794 dla gleb z dna stawów (rys. 1 i 2). Linie (rys. 1 i 2) opisujące uśrednioną zależność przepuszczalności wodnej od uziarnienia przebiegają odmiennie w przypadku gleb przylegających do stawów oraz w przypadku gleb z dna stawów. Wskazuje to na spadek przepuszczalności utworów zalegających pod dnem stawów w stosunku do analogicznych pod względem uziarnienia utworów znajdujących się w pobliżu stawów. W celu statystycznego potwierdzenia tego spostrzeżenia znaleziono metodą regresji liniowej równanie wyrażające związek między zawartością frakcji pyłowych i ilastych (parametr ) a współczynnikiem przepuszczalności wodnej wszystkich poziomów gleb z dna stawów i gleb przy stawach rozpatrywanych łącznie. Równanie to ma postać: ^10=17,0833 ' 9828 (1) Następnie obliczono różnicę między zmierzonymi i obliczonymi za pomocą wzoru (1) wartościami współczynnika przepuszczalności wodnej, osobno dla poziomów gleb z dna stawów i osobno dla gleb przylegających do stawów. Stosując test /-Studenta stwierdzono, że wartość średnia uzyskanej w ten sposób zmiennej jest dla gleb z dna stawów istotnie wyższa, niż wartość średnia dla gleb z pobliża stawów. Różnica ta wynosiła 2,2157* 10 9 cm/s i była istotna na poziomie istotności cx=0,001, co potwierdza wyrażone poprzednio przypuszczenie. Oprócz związków ze składem granulometrycznym podjęto próbę oceny wpływu porowatości na wartość współczynnika przepuszczalności wodnej K\o. Próbowano ustalić, które frakcje porów glebowych są odpowiedzialne za przepływ wody w strefie nasyconej oraz czy zjawisko to przebiega podobnie w przypadku gleb z dna stawów i otaczających stawy. W tym celu analizowano nowe parametry: из, ujo, U3Q} U3oo) U3000 -będące ilorazami parametru przez procentową
Rys. la. Współczynniki filtracji różnych poziomów profilów gleb z dna stawów Fig. la. Filtration coefficient of some horizons of pond soils profiles J. Kaszubkiewicz, B. G iedrojć
Gleby międzystawowe oglęjenie pozostałe poziomy Przepuszczalność gleb dna stawów Rys. Ib. W spółczynniki filtracji różnych poziom ów profilów gleb między staw am i w funkcji param etru Fig. lb. Filtration coefficient of some horizons from the soil situated between the ponds as a function of param eter u>
''-О Ос J. Kaszubkiewicz, B. Giedrojć Rys. 2a. W spółczynniki filtracji różnych poziomów profilów gleb z dna staw ów w funkcji parametru Y Fic. 2a. Filtration coefficient of some horizon pond soils profiles as a function of param eter Y,
Przepuszczalność gleb dna stawów Rys. 2b. W spółczynniki filtracji różnych poziomów gleb: między staw ami w funkcji parametru Y Fig. 2b. Filtration coefficient of some horizons from the soil situated between the ponds as a function of param eter Y Oj VO
40 J. Kaszubkicwicz, В. Giedrojć zawartość porów o średnicy większej niż podana w indeksie danego parametru (w um), vj?, vio, V3o, V300y V3000 -będące ilorazami parametru Y przez procentową zawartość poszczególnych rodzajów porów. Następnie badano korelacje pomiędzy opisanymi parametrami a współczynnikiem Kio (rys. 3 i 4) W przypadku gleb z dna stawów stwierdzono, że najwyższe współczynniki korelacji uzyskuje się po zastosowaniu parametrów uio oraz vio, odpowiednio R(uio)= -0,7471 i R{yió) -0,7454 (rys. 3 i 4). Równania wyrażające omawiane związki mają postać : oraz Kio = 0,8 8 1 6 U1 0 'S5S2 (2) Kio = 0,5 3 9 8 v io 0' 7634 (3) Oznacza to, że woda przemieszczająca się w glebie pod wpływem grawitacji związana jest siłami mniejszymi od pf 2,48. Nieco odmienne wyniki uzyskano dla gleb położonych pomiędzy stawami. W tym przypadku najniższe były współczynniki korelacji obliczone z użyciem parametrów из oraz v? odpowiednio /?(и?) =- 0,7874 i R (v?)= - 0,7874, a więc uwzględniających objętość wszystkich porów o średnicach większych niż 3 iim( rys. 3 i 4 ). Stosowane równania mają tym razem postać: oraz K w = 1,1181 и з (т4 (4) Kio = 0,5 8 3 7 V30'538'1 (5) W tym przypadku przepływająca woda związana była silami mniejszymi niż pf 3.0 Istnienie tego typu różnic nie jest łatwe do wytłumaczenia. Być może, odgrywa tu rolę ewentualny brak ciągłości i większa krętość porów o średnicach z przedziału 3-10 \im w glebach z dna stawów. Dodatkowo całość próby gleb z dna stawów wykazywała obniżoną w stosunku do gleb z pobliża stawów porowatość w przypadku porów o średnicy większej niż 3000 im oraz od 10 do 30 j.un, a także dla wszystkich porów większych od 3 Lim rozpatrywanych łącznie. W celu ustalenia ewentualnego wpływu procesów glebowych na przepuszczalność wodną stosowano następujące postępowanie: redukowano wpływ składu granulometrycznego danego poziomu poprzez obliczanie różnicy pomiędzy zmierzonym współczynnikiem przepuszczalności a jego wartością wynikajacą ze wzorów podanych na rysunku la dla gleb z dna stawów oraz na rysunku 2a dla gleb otaczających stawy.
Przepuszczalność gleb dna stawów 41 gleby stawowe pond soils gleby międzystawowe soils between the ponds Rys. 3. Wielkość współczynnika korelacji R dla różnych parametrów u Fig. 3. The value of correlation coefficient R for a different parameters и Następnie otrzymane wyniki rozpatrywano pod kątem poziomów genetycznych, których dotyczyły, i dokonywano porównania stosując test t-studenta dla różnicy wartości średnich (diagram 1). W przypadku gleb z dna stawów obniżoną przepuszczalność wodną wykazywały poziomy oglejone. Podwyższoną przepuszczalnością cechowały się natomiast nie zmienione przez procesy glebotwórcze warstwy pochodzenia aluwialnego. W tej ostatniej grupie duży rozrzut zacierał jednak statystyczną wartość wyników. W przypadku gleb położonych między stawami pojawiła się podobna tendencja, a dodatkowo zaobserwowano tu obniżenie przepuszczalności w poziomach (B) gleb brunatnych. Wszystkie wyniki w tej grupie odznaczały się mniejszą statystyczną istotnością ze względu na mniejszą liczebność próby.
42 J. Kaszubkiewicz, В. Giedrojć gleby stawûwe pona soils iy. gleby międzystawem^e soils betweeh the ponds Rys. 4. Wielkość współczynnika korelacji R dla różnych parametrów v Fig. 4. The value of correlation coefficient R for a different papamcters WNIOSKI Przeprowadzone badania pozwalają na sformułowanie kilku interesujących wniosków. Częściowo stanowią one potwierdzenie faktów znanych z literatury przedmiotu, częściowo natomiast, szczególnie w odniesieniu do gleb z dna stawów, mają one charakter oryginalny. 1. Współczynnik przepuszczalności wodnej gleb zależy od ich uziarnienia, przy czym w przypadku gleb z dna stawów i otaczających stawy zależności te mają nieco inny charakter. 2. Na przepuszczalność wywiera także wpływ porowatość gleb. W glebach dna stawów istotną rolę odgrywają pory o średnicach większych od 10 Jim, natomiast w glebach otaczających stawy pory o średnicach większych od 3 kum. 3. Gleby zalegające pod dnem stawów wykazują w stosunku do gleb porównawczych obniżoną zawartość porów większych od 3 jim i jednocześnie mniejszą przepuszczalność wodną. 4. Wpływ na współczynnik przepuszczalności wodnej ma prawdopodobnie nie tylko całkowita objętość porów, ale także stopień ich ciągłości i krętości.
Przepuszczalność gleb dna stawów 43 POZIOMY GEfETYCZNE ВДВ) C#D w G Ai + A2, A3 В Д В ) H - C.D W Ф G necmy GENETYCZNE A, ВДВ) C,D G A, + A 2, A j B,(B ) C,D G Diagram 1. Diagram pokazuje, które poziomy gleb: a- z dna stawów, b- między stawami różnią się istotnie pod względem wartości współczynnika przepuszczalności + różnica jest istotna na poziomie a=0.05 różnica istotne na poziomie a=0,10 - różnica nieistotna Diagram show s the significant and not significant differences of filtration coefficient: a- of pond soils profiles, b- from the soil situated between the ponds + significance level a=0.05 significance level a = 0.10 - difference not significant 5. Obecność procesów glejowych wpływa w sposób istotny na zmniejszenie przepuszczalności wodnej. LITERATURA [1] Hall B.C., 1984: M o d ellin g o f soil pores as tubes using gas perm eab ilities, gas diltusivities and w ater release. J. Soil S ei.nr 34: 101. [2] Beven K., G erm an P. :1982 : M acropores and w ater How in soils. W ater Res. nr 18: 1311. [3] Blackw ell P.S., R ingrose-voase A. J., Jayaw ardane N. S., Olsson K. A., M ckcnzic D. C., M ason W. K., 1990: T he use o f air-filled porosity and intrin sic p erm eab ility to air to ch aracterize stru c tu re o f m acro p o re sp a ce and saturated hydrau lic co n d u ctiv ity o f clay soils. J. Soil S ei., nr 41: 215. [4] Douglas J. T., 1986: M a cro p o ro sity and perm eab ility o f som e soil cores from E n gland and F rance. G eoderm a 37: 221. [5] G iedrojć В., K aszubkiew icz J., 1990a: W łaściw ości fizyczne i ch em iczn e n iek tó ry ch g leb dna sta w ó w ry b n y ch w rejo n ie M ilicza. Z esz. N auk. A R W ro cław, 189, 34, 59. [6] G iedrojć B., K aszubkiew icz,]., 1990b: O kreślen ie w łaściw ości fizycznych i ch em iczn y ch gleb y dna sta w o w e g o w różnych kateg o riach staw ó w. Z esz. N auk. A R W ro claw, M e lio racje 40. [7] G roenevelt P. M., Kay B.D., G rant C. D., 1984: Physical assessm en t o f soil w ith resp ec t to ro oting potential. G eoderm a 34: 101. [8] K irkcham D., Powers W. L., 1968: A dvanced soil phisycs. W iley Interscience, N ew Y ork.
44 J. KciszubkievAcz, В. Giedrojć [9] M a rs h a ll T. J., 1958: A relatio n sh ip betw een p erm eab ility and size d istrib u tio n o f pores. Soil S ei. 9, 1. [10] R o d e A., 1956: W oda w gleb ie. P W R il, W arszaw a. [11] S c h e id e g g e r A. E., 1960: T h e p hysics o f flow through porous m edia. M acm ilian C o., N ew Y ork. [12] S w a r tz e n d r u b e r D., 1968: A p p licab ility o f D a rc y s law. G eoderm a 32, 11. [13] Z a w a d z k i S., 1958: A new ap p aratu s for testin g soil perm eab ility. A nn. U M C S, S ec. E, 13. J. K aszu b k iew icz, B. G ied ro jć W ATER PERMEABILITY OF SOILS FROM FISH PONDS OF MILICZ REGION AT LOWER SILESIA In stitu te o f Soil S cien ce and A gricultural E n v iro n m en t P rotectio n A gricultural U niversity o f W roclaw S U M M A R Y The results of investigation on permeability coefficient of bottom ponds soils and soils situated nearby ponds are described in the paper. The relation between permeability and granulometric composition of soils and its porosity was investigated. It was stated that porosity and permcabilty of pond soils are lower than of soils situated between ponds. It was found the relations between water permeability parameters and granulometric composition of soils. The soil permeability depended on pores of ф> 10 \im content in the case of pond soils and the pores of ф> 3 лт content in the case of soils situated nearby ponds. It was a Iso proved that gley processes decreased significantly the water permeability of soils under investigation. Dr Jarosław Kaszubkiewicz Praca wpłynęła do redakcji w kwietniu 1991 r. Instytut Gleboznastwa i Ochrony Środowiska Rolniczego Akademia Rolnicza we Wrocławiu 50-157 W rocław, Grunwaldzka 53