Erozja

Erozja a modele Erozją (łac. erosio - wygryzanie, żłobienie) nazywamy naturalne zjawisko mechanicznego niszczenia powierzchni skorupy ziemskiej, zarówno skał jak i gleb, poprzez różne czynniki zewnętrzne oraz towarzyszące temu zjawisku przenoszenie produktów erozji. Erozja wodna może występować pod rożnymi postaciami. W warunkach produkcji rolnej szczególnego znaczenia nabiera erozja wywołana opadami deszczu (ablacja), rozumiana jako spłukiwanie luźnej, wierzchniej warstwy terenu (zwłaszcza cząstek gleby) przez spływającą wodę. Wraz z unoszonymi cząstkami gleby następuje utrata materii organicznej oraz składników biogennych, co prowadzi do zubożenia gleby. Z tego względu niektóre zaawansowane modele wzrostu i rozwoju roślin (EPIC, DSSAT, CROPSYST) zawierają moduły pozwalające symulować proces erozji.

Intensywność erozji Erozja gleby spowodowana przez wodę występuje na całym świecie, ale szczególnie uwidacznia się w regionach o dużych i intensywnych opadach. Jej końcowym efektem jest utrata górnej warstwy gleby, którą nie jest łatwo zastąpić. Intensywność procesu erozji uwarunkowana jest podatnością gleby na erozję, czynnikami topograficznymi, przebiegiem warunków klimatycznych oraz czynnikami agrotechnicznymi.

Średnie roczne straty zmytej gleby w warunkach polskich zestawione z obliczeniami Fourniera (1960) dla różnych kontynentów 715 t/km2 - Afryka 701 t/km2 - Ameryka Południowa i Antyle 610 t/km2 - Azja 491 t/km2 - Ameryka Północna i Środkowa 273 t/km2 - Australia 280 t/km2 - Karpaty Fliszowe (Maruszczak, 1991) 84 t/km2 - Europa 76 t/km2 - Polska (Józefaciukowie, 1992) 2,7 t/km2 - Niziny Środkowopolskie (Maruszczak, 1991).

Najważniejsze z nich to: skład granulometryczny gleby zawartość substancji organicznej nachylenie zbocza długość zbocza kształt zbocza czynniki atmosferyczne (wielkość i natężenie opadu, wielkość kropel deszczu) pokrycie terenu czynniki agrotechniczne (stopień pokrycia terenu przez rośliny, dobór roślin (płodozmian), okresowy brak upraw (ugór), kierunek uprawy i siewu, bruzdy, ślady po przejazdach kół, zagęszczenie gleby)

USLE Model USLE - Uniwersalne Równanie Strat Glebowych/Universal Soil Loss Equation [Wischmeier 1959] symuluje średnią roczną stratę gleby w wyniku erozji wodnej. Jest to model empiryczny oparty na dużej liczbie danych eksperymentalnych, zebranych z małych poletek. Model USLE służy do przewidywania długoterminowego wpływu sposobu użytkowania gruntów na wielkość erozji gleby i jest w różnych modyfikacjach (RUSLE, MUSLE) szeroko wykorzystany w wielu częściach świata, a jego algorytmy wykorzystywane są w modelach roślinnych (np. EPIC, CropStyst).

Podstawę modelu USLE stanowią dane dotyczące zmywu gleby otrzymane na poletku standardowym o długości 22,1 m, zlokalizowanym na zboczu o nachyleniu 9%. Podstawowym elementem czasu rozważanym w modelu USLE jest okres jednego roku. Jedyny czynnik równania, analizowany w krótszym przedziale czasowym stanowi okrywa roślinna (3 etapy rozwoju). Z uwagi na duże zróżnicowanie parametrów oddziałujących na erozję w ciągu roku, poprawiona wersja USLE czyli model RUSLE uwzględnia analizę krótszych elementów czasowych - okresy miesięczne oraz 15-dniowe [Rejman 2006].

Podstawowe równanie modelu USLE

Erozyjność Warunki klimatyczne opisuje parametr (R = Rr+Rs), w którym zawiera się potencjalna zdolność opadu do wywołania erozji określana jest jako erozyjność. Kiedy krople deszczu padają bezpośrednio na glebę, praktycznie cała energia jest zużywana na niszczenie agregatów glebowych, zagęszczenie górnej warstwy ziemi i rozbryzg cząstek gleby. Erozyjność opadu (Rr) jest parametrem związanym z energia kinetyczną opadu, która jest uzależniona od ilości i intensywności opadu. Energię kinetyczną opadu burzowego "E" wykorzystuje się do obliczenia wskaźnika erozyjności opadu.

Energia kinetyczna opadu burzowego i wskaźnik erozyjności

Erozyjność deszczów w ciągu roku – Rr jest sumą erozyjności poszczególnych deszczów erozyjnych – Rrj. Do opadów erozyjnych wg kryterium USLE zalicza się te, których warstwa opadu zebrana przez czas trwania wynosi P ≥ 0,5 cala, tj. P ≥ 12,7 mm oraz o mniejszej warstwie jeśli: Imax ≥ 0,25 cala/15 min tj. Imax > 6,3 mm/15 min. Erozyjność spływów roztopowych (Rs) szacować można jedynie orientacyjnie, gdyż dotychczas nie opracowano metodyki oceny tego parametru. Niektórzy autorzy za wartość Rs przyjmują 1/10 sumy opadu mm z okresu od 1.XII do 31.III (Gliński 2005).

Erozyjność w Polsce a USA Przegląd metod obliczania erozyjności opadu przedstawili Lal i Elliot [1994], w naszych warunkach – wykorzystanie danych z automatycznych stacji pomiarowych do obliczeń erozyjności opadu – Licznar i Rojek [2002]. Rejman [2006] wskazuje na odmienność warunków klimatycznych Polski i USA. Opady w środkowowschodniej części USA charakteryzują się bardzo wysokimi rocznymi wartościami wskaźnika erozyjności (EI30), od 1200 do 7000 MJ mm ha-1 h-1, niekiedy dochodzącymi do 8000 MJ mm ha-1 h-1. Dla porównania, roczna suma wskaźnika erozyjności, wyznaczona na podstawie bezpośrednich obliczeń dla 8 stacji pomiarowych na terenie Polski, zawiera się w przedziale od 426 do 968 MJ mm ha-1 h-1 z maksymalnymi wartościami w rejonach pogórzy.

Erodowalność Wartość wskaźnika K (erodowalność) jest uznawana za wielkość stałą i charakterystyczną dla określonej gleby. Jego wartość zależy głównie od składu granulometrycznego gleby i zawartości w niej materii organicznej. Erodowalność oznacza właściwość gleby przejawiającą się jej reakcją na działanie wody poprzez redukcję tempa infiltracji i zmniejszanie szorstkości powierzchni gleby wskutek rozmywania agregatów glebowych. Konsekwencją tej redukcji jest zwiększenie ryzyka spływu powierzchniowego oraz odłączanie cząstek gleby i ich transport w wyniku spływu powierzchniowego.

Przykładowe wartości współczynnika K (US) Przykładowe wartości współczynnika K (US)* (erodowalność gleby) w zależności od rodzaju gleby i zawartości materii organicznej [Stone i Hilborn 2000]

Długość i nachylenie stoku W modelu USLE parametr opisujący morfologię powierzchni terenu składa się z dwóch członów: długości stoku (L) i nachylenia (S), i jest odpowiedzialny za dynamikę procesu erozji. Badania amerykańskie wskazują, że wielkość jednostkowa erozji wzrasta wraz z długością poletka (zbocza). Tym niemniej, w ostatnich latach pojawiają się prace badawcze prowadzone na obiektach o różnej długości, wskazujące, że większe wartości jednostkowe występują na poletkach krótszych [Le Bissonnais i in. 1995, Rejman 2006]. Rolnik może wpłynąć na wielkości współczynnika LS np. poprzez terasowanie zboczy.

W przypadku braku tablic, wartość tego współczynnika można oszacować na podstawie równania [Stone i Hilborn 2000]:

Roślinność Wielkość współczynnika C w równaniu USLE jest uzależniona jest od gatunku uprawianej rośliny oraz od sposobu podstawowej uprawy roli i stanowi ich iloczyn (C = Ca x Cb). Dobór uprawianych roślin, ich rozmieszczenie na stoku, stosowanie uproszczeń i modyfikacji uprawy roli, mogą przyczynić się do obniżenia wartości wymienionych współczynników, a przez to zmniejszenia procesu erozji. Przykładowe wartości zamieszczono w tabelach 23 i 24.

Wielkość współczynnika P zależy między innymi od sposobu zagospodarowania zbocza na kierunku wykonywanych zabiegów. Przykładowe wartości oparte na badaniach amerykańskich podano w tabeli 25.

Modele USLE, RUSLE I MUSLE służą do szacowania (symulacji) wielkości masy zmytej gleby w skali roku lub miesiąca, natomiast celem modeli nowej generacji (CREAMS, DEM, EROSION 2D/3D, EUROSEM, KINEROS, LISEM, WEPP) jest szacowanie erozji wodnej podczas pojedynczych zdarzeń erozyjnych. Inną grupę stanowią modele symulujące obieg składników pokarmowych czy zanieczyszczenie wód spowodowane erozją. Należą do nich: AGNPS, EPIC, GLEAMS i OPUS [Skidimore i van Donk 2003]

Pytania kontrolne Przedstaw jego determinanty procesu erozji na przykładzie modelu USLE. Omów wpływ sposobu uprawy i gatunku uprawianych roślin na wielkość erozji w modelu na przykładzie modelu USLE. Dlaczego zaawansowane modele roślinne uwzględniają proces erozji, podaj ich przykłady?

Zadania Oblicz wartość współczynnika topograficznego LS dla stoku o długości 100 m i nachyleniu 3 i 5 % - porównaj wyniki. Wykorzystując model USLE oblicz roczny zmyw gleby ze stoku o powierzchni 1 ha, o długości 100 m i średnim nachyleniu stoku wynoszącym 5%. Obliczenia wykonaj dla kukurydzy na ziarno, rzepaku i pszenicy ozimej uprawianych systemem bezorkowym na glebie gliniastej o zawartości próchnicy poniżej 2%. Parametr R = 50, pozostałe współczynniki znajdują się w tabelach. Porównaj wielkość zmywu. Oblicz roczny zmyw gleby dla danych zawartych w zadaniu 2 przy płużnym systemie uprawy roli. Porównaj wyniki uzyskane w zadaniu 2 i 3.