ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 528: 55-61 OPTYMALNE ODWODNIENIE GLEB ŁĄKOWYCH W ŚWIETLE BADAŃ MODELOWYCH Edmund Kaca 1, Wiesława Kasperska-Wołowicz 2 1 Instytut Melioracji i UŜytków Zielonych w Falentach 2 Wielkopolsko-Pomorski Ośrodek Badawczy w Bydgoszczy, Instytut Melioracji i UŜytków Zielonych w Falentach Wprowadzenie Realizacja optymalnych odwodnień wymaga przerwania odpływu wody ze zmeliorowanego obszaru w momencie, gdy zwierciadło wody gruntowej w łanie osiągnie określony ( optymalny ) poziom. Zbyt wczesne zatrzymanie odpływu nie likwiduje stanów nadmiernego uwilgotnienia gleby, zaś zbyt późne powoduje wzrost prawdopodobieństwa wystąpienia suszy glebowej w późniejszym okresie. Celem pracy jest wyznaczenie takiej głębokości odwadniania łąk, nazywanej normą rolnośrodowiskową odwodnień [KACA i in. 2003], której odpowiada największa wartość średniej z rocznych sum czasów trwania dostatecznego uwilgotnienia korzeniowej warstwy gleby, albo teŝ najmniejsza suma wartości średniej z rocznych sum czasów trwania nadmiernego i średniej z rocznych sum czasów trwania niedostatecznego uwilgotnienia gleby. Jest to norma, którą zgodnie z jej nazwą, powinno się przestrzegać m.in. w przypadku łąk, na których realizuje się programy rolnośrodowiskowe. Osiągnięcie takiego celu pracy wiąŝe się z koniecznością przeprowadzenia badań nad wpływem głębokości odwodnień na czas występowania stanów nadmiernego, niedostatecznego i dostatecznego uwilgotnienia korzeniowej warstwy gleby. Przyjęto, Ŝe nadmiernemu uwilgotnieniu korzeniowej trzydziestocentymetrowej warstwy gleby odpowiada nie więcej niŝ 6% obj. powietrza, zaś niedostatecznemu - wartość wskaźnik pf > 3. W pozostałych przypadkach gleba znajduje się w warunkach dostatecznego uwilgotnienia. Materiał badawczy Materiał badawczy, metodyka i wyniki badań Do badań wytypowano glebę torfowo-murszową średnio zmurszałą rodzaju MtIIcb, uŝytkowaną dwukośnie i połoŝoną w otwartej, płaskiej dolinie górnej Noteci w kompleksie Łąk Łabiszyńskich, w bezpośrednim sąsiedztwie Kanału Górnonoteckiego. Gleba ta, średnio zmurszała w wierzchniej warstwie, do głębokości 55 cm podścielona jest torfem silnie rozłoŝonym, a do głębokości 90 cm - torfem szuwarowym średnio
56 E. Kaca, W. Kasperska-Wołowicz rozłoŝonym. Gleba powstała w siedliskach pobagiennych na skutek melioracji i wieloletniego uŝytkowania, jest okresowo mokra, po osuszeniu i nawodnieniu wilgotna, a bez nawodnień okresowo nadmiernie przesycha. Łąki na tym obszarze są zmeliorowane, uŝytkowane kośnie. Siedlisko łąkowe jest zasilane wodami gruntowymi z Kanału Górnonoteckiego oraz systemem rowów w czasie prowadzenia nawodnień podsiąkowych. Wiosną i w czasie nawodnień poziom wody gruntowej podnosi się do 40-50 cm od powierzchni terenu. W okresie suchym woda gruntowa spada na głębokość 90-100 cm. Zmurszenie gleby powoduje w okresie posuchy atmosferycznej przesychanie poziomu darniowego do wilgotności niedostępnej dla traw, gdy lustro wody gruntowej utrzymuje się na głębokości około 60-80 cm. Jest to siedlisko podsiąkowo-posuszne. Gatunki roślin tam występujące są charakterystyczne dla siedlisk suchych, okresowo silnie nawilŝanych i świeŝych (z udziałem kupkówki pospolitej, tymotki łąkowej, kłosówki wełnistej, babki lancetowatej, gęsiówki piaskowej, krwawnika pospolitego, mniszka pospolitego). Dolina Noteci, w której połoŝony jest obiekt badawczy, naleŝy do obszarów kraju o najmniejszej rocznej sumie opadów atmosferycznych. Metodyka badań Podstawę badań stanowiło modelowanie matematyczne kształtowania się uwilgotnienia korzeniowej warstwy gleby pod wpływem odwodnienia, ewapotranspiracji i opadów deszczu. Do obliczeń symulacyjnych wykorzystano model matematyczny opracowany przez autora [KACA 1999; KACA i in. 2003]. Model był kalibrowany w oparciu o wyniki obserwacji lizymetrycznych prowadzonych w 2002 roku na stacji IMUZ we Frydrychowie w dolinie Noteci górnej. Przebieg i wyniki kalibracji omówiono w pracy KACA i in. [2003]. Symulacje wykonano nie tylko dla warunków klimatycznych regionu Noteci górnej, lecz równieŝ dodatkowo dla warunków reprezentowanych przez 16 stacji meteorologicznych w kraju (1-Koszalin, 2-Bielnik, 3-Biebrza, 4-Chojnice, 5-Szczecin, 6-Frydrychowo, 7-Poznań, 8-Warszawa, 9-Zielona Góra, 10-Łódź, 11-Sosnowica, 12-Wrocław, 13-Opole, 14-Częstochowa, 15-Zamość, 16-Kraków, 17-Rzeszów). Do badań symulacyjnych wykorzystywano dane meteorologiczne z okresu wegetacyjnego (IV-IX) w latach 1970 1995. Na podstawie wyników symulacji przebiegu zawartości powietrza oraz pf w korzeniowej warstwie gleby wykonano, dla kaŝdej stacji meteorologicznej i kaŝdego roku, obliczenia rocznych sum czasów trwania charakterystycznego uwilgotnienia: nadmiernego (nadm), niedostatecznego (ndst) i dostatecznego (dost), tej warstwy gleby, w warunkach czterech głębokości odwodnienia: na głębokość zerową (z o = 0), równą minimalnej (z 1 = 25 cm), średniej (z 2 = 40 cm) i maksymalnej (z 3 = 70 cm) normy odwodnienia. Następnie wyniki tych obliczeń posłuŝyły do wykonania map rozkładu na terenie Polski średnich z rocznych sum czasów trwania charakterystycznych stanów uwilgotnienia, a takŝe do sporządzenia statystycznych rozkładów wartości rocznych sum czasów trwania charakterystycznego uwilgotnienia dla całego kraju. Wyniki badań Syntetyczne wyniki badań modelowych zostały przedstawione na rys. 1 i 2. Rysunek 1 zawiera mapę rozkładu na terenie Polski średnich z rocznych sum czasów trwania nadmiernego (rys. 1a), niedostatecznego (rys. 1b) i dostatecznego (rys. 1c) uwilgotnienia badanej gleby, w warunkach jej odwadniania na głębokość z o, z 1, z 2 i z 3.
OPTYMALNE ODWODNIENIE GLEB ŁĄKOWYCH... 57 Rys. 1. Średnie z rocznych sum czasów trwania (w % okresu wegetacji) uwilgotnienia a) nadmiernego, b) niedostatecznego, c) dostatecznego korzeniowej warstwy gleby MtIIcb, w przypadku jej odwadniania na głębokość z 0, z 1, z 2 lub z 3 w warunkach opadowego zasilania gleby w wodę. Przykład oznaczeń: 01 - numer stacji meteorologicznej (01- Koszalin). 55; 73; 69; 51 średnie z rocznych sum czasów trwania uwilgotnienia dostatecznego przy odwadnianiu na głębokość: z 0 = 0; z 1 = 25; z opt = 40; z 3 = 70 cm [KACA i in. 2003] Fig. 1. Means of the annual sums of the time periods (in % of the growing season) of moisture a) excessive, b) insufficient, c) sufficient in the root zone of the MtIIcb soil, in the case of its draining to a depth of z 0, z 1, z 2 or z 3 and rainfall feeding. Example of notations: 01 the number of meteorological post (01- Koszalin). 55; 73; 69; 51 means of the annual sums of time periods of the sufficient soil moisture at the draining to a depth: z 0 = 0; z 1 = 25; z opt = 40; z 3 = 70 cm [KACA et al. 2003]
58 E. Kaca, W. Kasperska-Wołowicz z o, z 1, z 2 i z 3 objaśnienia jak w rys. 1; explanations see Fig. 1 Rys. 2. Statystyczne rozkłady wartości rocznych sum czasów trwania (w % okresu wegetacji) nadmiernego (nadm), dostatecznego (dost) i niedostatecznego (ndst) uwilgotnienia gleby torfowo-murszowej MtIIbc na obszarze Polski w przypadku jej odwadniania na głębokość z 0, z 1, z 2 lub z 3 w warunkach opadowego zasilania w wodę. Krzywe przebiegają przez wartości medialne Fig. 2. Statistical distribution of mean annual sums of the time periods (in % of the growing season) of excessive (nadm), sufficient (dost) and insufficient (ndst) moisture of the peat-moorsh soil MtIIbc over the area of Poland in the case of its draining to a depth z 0, z 1, z 2 and z 3 and rainfall feeding. Curves run through median values Na rysunku 2 zamieszczono statystyczne rozkłady wartości rocznych sum czasów trwania charakterystycznych wilgotności korzeniowej warstwy gleby w warunkach analizowanych głębokości odwadniania. Zaznaczono wartość medialną (środkową, drugi kwartyl), wartości pojawiające się z wartościami mniejszymi z częstością 25% i częstością 75% (pierwszy i trzeci kwartyl) oraz zakres zmienności wartości rocznych sum czasów trwania. Przez wartości medialne przeprowadzono krzywe, charakteryzujące zaleŝność wartości medialnych od głębokości odwadniania. Dyskusja wyników badań Warunki wilgotnościowe korzeniowej warstwy gleby łąkowej zaleŝą od głębokości odwadniania (rys. 1). Na całym obszarze kraju, wraz ze wzrostem głębokości odwodnień, maleją średnie z rocznych sum czasów trwania nadmiernego uwilgotnienia gleby (rys. 1a) i rosną średnie z rocznych sum czasów trwania niedostatecznego uwilgotnienia (1b). W przypadku czasów dostatecznego (optymalnego) uwilgotnienia (rys. 1c), średnie te rosną wraz z głębokością odwadniania, osiągają wartość maksymalną przy odwadnianiu na głębokość z 1, a następnie maleją. Oznacza to, Ŝe głębokość z 1 moŝe być uznana za normę rolnośrodowiskową odwodnień gleby torfowomurszowej o średnim stopniu zmurszenia i opadowym zasilaniu w wodę. Odwadnianie tego rodzaju gleby torfowo-murszowej na tę głębokość jest najbardziej korzystne. Średnie z rocznych sum czasów trwania charakterystycznego uwilgotnienia korzeniowej warstwy gleby wykazują zróŝnicowanie przestrzenne, wynikające ze
OPTYMALNE ODWODNIENIE GLEB ŁĄKOWYCH... 59 zróŝnicowania przestrzennego warunków klimatycznych (rys. 1). Przy odwadnianiu na głębokość z 1 średnia z sum czasów trwania dostatecznego uwilgotnienia wynosi około 80% okresu wegetacji dla rejonu południowo-wschodniej Polski (obszar zaznaczony na rys. 1c), (stacje meteorologiczne w Zamościu, Rzeszowie, Krakowie oraz Częstochowie) i w Biebrzy oraz około 60% dla rejonu zachodniej Polski z rejonem Noteci górnej (stacje w Szczecinie, Poznania, Zielonej Górze i Frydrychowie) oraz w Bielniku na śuławach. Oznacza to, Ŝe róŝnice średnich między miejscowościami nie przekraczają wartości 20-30%. NaleŜy podkreślić, Ŝe stosując ten typ optymalnego odwodnienia nie jesteśmy w stanie ustrzec się przed niedostatkiem, a nawet przed nadmiarem wilgotności w warstwie korzeniowej (rys. 2). MoŜna przypuszczać, Ŝe w najlepszych warunkach pogodowych na południowym wschodzie Polski przez około 20% okresu wegetacji roślin wilgotność korzeniowej warstwy gleby będzie nieodpowiednia, głównie niedostateczna. Jeszcze mniej korzystna sytuacja wystąpi na zachodzie i w centrum Polski. Średnio, trzy razy na cztery lata wystąpi niedostatek wilgotności w glebie, mogący trwać do 40% okresu wegetacji, a w najgorszych warunkach pogodowych (na zachodzie i w centrum Polski) niedostatek wilgoci moŝe trwać nawet przez 80% okresu wegetacji. W celu zmniejszenia ryzyka niekorzystnego uwilgotnienia korzeniowej warstwy gleby, oprócz optymalnego odwodnienia, naleŝy stosować uzupełniające nawodnienia wodą doprowadzaną z zewnątrz obiektu. W tym przypadku naleŝy się spodziewać, Ŝe średnio w wieloleciu trzy razy na cztery lata wystąpi nadmiar wilgotności w glebie, który nie powinien przekraczać 10% okresu wegetacji roślin. Wnioski Przeprowadzone badania nad wpływem głębokości odwodnienia ekstensywnie uŝytkowanej łąkowo gleby torfowo-murszowej (o średnim stopniu zmurszenia) na czasy trwania nadmiernego, dostatecznego i niedostatecznego uwilgotnienia korzeniowej warstwy gleby upowaŝniają do sformułowania następujących wniosków: 1. Na czas trwania nadmiernego, niedostatecznego i dostatecznego uwilgotnienia korzeniowej warstwy gleby zasilanej w wodę tylko opadową ma istotny wpływ głębokość odwadniania. Wpływ ten jest w małym stopniu zróŝnicowany zmiennością warunków klimatycznych Polski. 2. Istnieje taka głębokość odwadniania, przy której osiąga się najlepsze uwilgotnienie korzeniowej warstwy gleby - najwyŝszą wartość średnią z rocznych sum czasów trwania dostatecznego uwilgotnienia korzeniowej warstwy gleby. Głębokość tę nazywa się normą rolnośrodowiskową odwodnień. 3. Najkorzystniejsze uwilgotnienie korzeniowej warstwy gleby torfowo-murszowej o średnim stopniu zmurszenia, w przypadku opadowego zasilania jej w wodę, powstaje w wyniku odwodnień na głębokość równą minimalnej normie odwodnienia z 1 = 25 cm. 4. W polskich warunkach klimatycznych, stosując odwodnienia na głębokość minimalnej normy odwodnienia z 1, nie moŝna ustrzec się przed niedostatkiem wilgotności w warstwie korzeniowej. Dla poprawy stanu uwilgotnienia gleby konieczne jest doprowadzanie wody z zewnątrz obiektu.
60 E. Kaca, W. Kasperska-Wołowicz Literatura KACA E., ŁABĘDZKI L, CHRZANOWSKI S., CZAPLAK I, KASPERSKA-WOŁOWICZ W. 2003. Gospodarowanie zapasami wody uŝytecznej gleb torfowo-murszowych w warunkach regulowanego odpływu w róŝnych regionach agroklimatycznych Polski. Wyd. IMUZ, Falenty. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie. Rozprawy Naukowe i Monografie 9: 118 ss. KACA E. 1999. Modelowanie nawodnień podsiąkowych. Wyd. IMUZ, Falenty. Biblioteczka Wiadomości IMUZ 93: 115 ss. Słowa kluczowe: głębokość odwodnienia, norma rolnośrodowiskowa odwodnień Streszczenie W pracy zbadano wpływ głębokości odwodnienia ekstensywnie uŝytkowanej łąkowo gleby torfowo-murszowej na czasy trwania charakterystycznych stanów uwilgotnienia korzeniowej warstwy gleby w warunkach opadowego zasilania w wodę. Badania realizowano z wykorzystaniem skalibrowanego i zweryfikowanego modelu matematycznego w oparciu o dane z 17 stacji meteorologicznych w Polsce w latach 1970-1995. Głębokość odwadniania miała istotny wpływ na czasy trwania nadmiernego, dostatecznego i niedostatecznego uwilgotnienia gleby. Wpływ ten był w małym stopniu modyfikowany zmiennością warunków klimatycznych Polski. Wyznaczono głębokość odwadniania, której odpowiadała największa wartość średniej z rocznych sum czasów trwania dostatecznego uwilgotnienia. Głębokość ta, przy której osiąga się najlepsze uwilgotnienie korzeniowej warstwy gleby, nazywana jest normą rolnośrodowiskową odwodnień. Jest ona równa minimalnej normie odwodnienia z 1, wynoszącej 25 cm dla gleby torfowo-murszowej o średnim stopniu zmuszenia. W warunkach klimatycznych Polski oprócz optymalnego odwodnienia na głębokość z 1 konieczne jest uzupełniające nawodnienie, wodą doprowadzoną z zewnątrz obiektu, w celu zmniejszenia ryzyka niekorzystnego uwilgotnienia korzeniowej warstwy gleby. OPTIMUM DRAINAGE OF MEADOW SOILS ACCORDING TO MODELLING RESEARCH Edmund Kaca 1, Wiesława Kasperska-Wołowicz 2 1 Institute for Land Reclamation and Grassland Farming (IMUZ), Falenty 2 Regional Research Centre IMUZ, Bydgoszcz Key words: draining depth, agro-environmental draining norm Summary The influence of draining depth of extensively used peat-moorsh soil at times of duration of characteristic soil moisture in the root layer was examined in the investigation. The analyzed soil was fed with the rainfall water. The investigation was realized on the basis of the data from 17 meteorological stations in Poland in 1970-1995
OPTYMALNE ODWODNIENIE GLEB ŁĄKOWYCH... 61 and using calibrated and verified simulation model. The depth of draining had an essential influence on the time of duration of excessive, sufficient and insufficient soil moisture content. This influence was to a little degree modified by the variability of climatic conditions in Poland. The drainage depth, which corresponded with the largest value of mean of the annual sums of the time periods with the sufficient soil moisture was established. This depth which guarantees the best moisture content in the root zone is termed the agro-environmental draining norm. This depth is equal to the minimum draining norm z 1 and it is equal to 25 cm for the peat-moorsh moderately mineralized soil. In the climatic conditions of Poland, except optimum draining to the depth z 1, the supplementary irrigation from the outside the object is necessary. The aim is to decrease the risk of the unfavourable moisture content in the root layer of the soil. Prof. dr hab. Edmund Kaca Instytut Melioracji i UŜytków Zielonych w Falentach ul. Hrabska 3 05-090 RASZYN e-mail: E.Kaca@imuz.edu.pl