Dynamika půdní vlhkosti za extrémních srážkových situací Dynamic of soil moisture during extremely precipitation totals

Transkript

1 Dynamika půdní vlhkosti za extrémních srážkových situací Dynamic of soil moisture during extremely precipitation totals T. STŘEDA, V. VLČEK and J. ROŽNOVSKÝ Český hydrometeorologický ústav, Kroftova 43, Brno, Česká republika ( Abstract The results of soil moisture monitoring on clayey-loam soil under maize canopy are described in the paper. The observation has been carried out in experimental area of Mendel university agriculture enterprise in Žabčice near Brno in maize growing area since VIRRIB detectors for measurement of volumetric moisture content are steadily placed in land with grain maize monoculture. The measurement has been proceeded in depth of 20, 50 and 70 cm horizontally and 10 to 40 cm vertically. The data registration period is one hour. The influence of abnormally high precipitation total during the winter 2005/2006 and during the summer months during the year 2006 were registered. In those periods the longtime lasting episodes with soil moisture above full water capacity were found out. Also significant influence of high level of underground water to moisture regime in whole area was evinced. Úvod Různé scénáře vývoje klimatu se liší v odhadech míry změny sledovaných meteorologických prvků. Shodují se však v otázce zvýšení variability a četnosti výskytu extrémních povětrnostních jevů. V oblasti atmosférických srážek byla v posledních letech zaznamenána zejména změna jejich distribuce, když byl zaznamenán posun rozdělení směrem k vyšším srážkovým úhrnům (Kalvová et al., 2002). Za extrémní jsou považovány buď srážky přívalové, charakteristické velkou intenzitou a krátkou dobou trvání anebo srážky s malou intenzitou a dlouhou dobou trvání. První typ vyvolává povodňové stavy na malých povodích a způsobuje erozní jevy v důsledku rychlého odtoku vody z povodí. Druhý typ vyvolává nízké odtoky z povodí do naplnění podpovrchových horizontů infiltrací, poté dochází rovněž ke vzniku povodňových stavů (Hrádek, Kuřík, 2002). Při delším trvání deště nebo při několika deštích následujících v krátkém časovém rozmezí může dojít k plnému nasycení půdy. Důsledkem je okamžitý odtok všech dešťových vod, při kterém může dojít ke vzniku eroze a k vytvoření povodňového stavu (Sedláčková, 2007). Kyselý, Kakos a Pokorná (2003) uvádí na základě analýzy dlouhodobé řady v Praze-Klementinu od poloviny 19. století do 80. let 20. století rostoucí trend výskytu vícedenních srážkových extrémů v letním pololetí. V zimním pololetí zaznamenali trend opačný. V posledních čtyřiceti letech uvádí trend nevýrazný, v zimě spíše rostoucí a v létě mírně klesající. Z extrémních srážkových úhrnů zaznamenaných v ČR uvádějí Klímová et. al. (2001) jako čtyřiadvacetihodinové absolutní maximum 345 mm, dosažené na stanici Bedřichov Nová Louka (780 m n. m.). Při povodni v roce 1997 se v nejhůře postižených oblastech pohyboval maximální červencový úhrn srážek okolo 800 mm. Během povodně v srpnu 2002 přesáhly srážkové úhrny v jižních Čechách 400 mm. Při červnové povodni na Dyji v roce 2006 činil čtyřiadvacetihodinový srážkový úhrn na srážkoměrné stanici Slavonice 159 mm, apod. (Sklenář, 2007). Změnami časové a prostorové variability výskytu extrémních srážek a přívalových povodní na Moravě (Bílé Karpaty) od 19. století do roku 2005 se zabývali Prosová, Štěpánek (2006). Překonání 200leté srážky v období zjistili na stanicích Bojkovice, Luhačovice a Strážnice v prvním 40letí. U sledovaných stanic potom stanovili pravděpodobnost překonání denní srážky nad 100 mm jednou za 200 let. Mimo zmíněné důsledky v podobě povodní a eroze mají extrémní srážkové úhrny značný vliv také na pěstování zemědělských plodin. Kromě extrémních situací se obsah vody v půdě pohybuje mezi hydrolimity bod vadnutí a polní vodní kapacita. Bod vadnutí je definován jako nejnižší půdní vlhkost, při které jsou rostliny ještě schopné z půdy získávat vláhu. Polní vodní kapacita je stav, kdy jsou kapilární póry plně zaplněny vodou. Po překročení optimálního rozpětí (dlouhodobém převlhčení půdy) dochází k hromadění pro kořeny toxického CO 2 v půdě, anaerobnímu stresu pletiv (hypoxii) a uhnívání kořenů rostlin.

2 Dynamiku zmn pdní vlhkosti v prbhu roku popisují nap. Novák et al. (2002). Roní chod vlhkosti pdy se vyznauje výrazným nárstem na poátku roku (leden až bezen). V tomto období je minimální evapotranspirace a infiltrace se omezuje pouze na krátká období tání snhové pokrývky. Do pdy se najednou dostává velké množství vody a dochází k rychlému nasycení. Vysychání pdy po takové saturaci trvá ádov týdny a v jeho prbhu staí i slabší srážky k optovnému nasycení. Nejvyšších hodnot potom dosahuje vlhkost pdy zpravidla v jarních msících (bezen až kvten). Období minimální vlhkosti pdy potom koreluje s nejteplejší ástí roku (letní msíce). Nejvlhí msíce (kvten až íjen) jsou zárove nejteplejší a vlhkost pdy je tak ovlivována intenzivním výparem, respektive evapotranspirací. Infiltrace srážkové vody je v tomto období kontinuální a pda ji tak mže snadno transportovat. K pesycení pdy vodou mže v tomto období dojít zejména pi opakovaných pívalových srážkách. Pro úspšné pstování zemdlských plodin uvádí Antal (2000) udržení optimální vlhkosti v koenové zón v prbhu celé vegetace s drazem na kritická (suchá nebo nadmrn vlhká) období. V dlouhodobém pokusu zjistil možnost regulace vlhkostního režimu pd agrotechnickými opateními, zejména osevním postupem a obdláváním pdy. Z pohledu osevních postup na vlhkost pdy uvádí Antal, Igaz, Špánik (2003) negativní vliv monokultur na vlhkostní režim pdy. Vlivem agrotechniky a porostu na zásobu vody v ornici tžkých pd (fluvizem glejová) se zabývali Ivano et al. (2000, 2003). Ve všech hodnocených letech konstatují o 4,10 až 5,78 % vyšší obsah vody pi použití bezorebné technologie ve srovnání s klasickou agrotechnikou. Špánik, Repa (1999) uvádí u kukuice ve fázi tvorby klasu pokles pdní vlhkosti v hloubce 10 cm v prmru o 16 % hmot., v hloubce 0,5 m o 13 % hmot. Materiál a metodika Popis zájmové lokality Pokusná plocha se nachází na pokusném pozemku Mendelovy zemdlské a lesnické univerzity v Brn v katastru obce Žabice (20 km jižn od Brna). Rovinatý pozemek je situován v niv eky Svratky v prmrné nadmoské výšce okolo 184 m n. m. eka Svratka a její pravostranný pítok íka Šatava výrazn ovlivují hydrický režim pd v oblasti. Podle agroklimatického lenní (Kurpelová, Coufal, ulík, 1975) je lokalita azena do makrooblasti teplé, oblasti velmi teplé, podoblasti pevážn suché, okrsku s pevážn mírnými zimami. Z hlediska zemdlské kategorizace se jedná o kukuinou výrobní oblast. Roní teplotní normál v období iní 9,2 C, roní srážkový normál 483 mm. Srážkov nejbohatšími msíci jsou v Žabicích podle normálu kvten s 62,8 mm, erven s 68,6 mm, ervenec s 57,1 mm a srpen s 54,3 mm srážek. Pdní pomry Zrnitostn tžká pda, fluvizem glejová (FLq), je vytvoena na holocénních, vápenitých nivních usazeninách. Prakticky celý profil je jílovitohlinitý (49,3 58,3 % jílnatých ástic), v hloubce okolo 50 cm se potom vyskytuje zrnitostn tžší úsek, který je jílovitý (69,4 % jílnatých ástic). Pdní profil je pod stálým vlivem podzemní vody, což má za následek intenzivní glejový proces, jehož intenzita s hloubkou roste. Redoximorfní znaky jsou patrné již od hloubky 70 cm. Odbr neporušených vzork na fyzikální analýzy byl provádn do Kopeckého válek ve tech opakováních z každé hloubky. Obsah jílnatých ástic byl stanoven pipetovací metodou rovnž ve tech opakováních. Bod vadnutí byl stanoven dopotem dle Váši (1959). Výsledky pdních analýz jsou uvedeny v Tab. 1.

3 Tab. 1 Pdní hydrolimity monitorované pdy Hloubka [cm] Plná vodní kapac. [% obj.] Retenní vodní kapac. [% obj.] Bod vadnutí [% obj.] 10 45,09 27,41 18,94 49, ,29 26,32 18,79 49, ,93 26,65 18,79 49, ,83 26,53 19,69 52, ,67 34,26 24,82 69, ,42 32,58 21,52 58, ,79 32,18 21,50 58,32 Obsah jílnatých ástic [%] Monitorování pdní vlhkost K monitorování pdní vlhkosti jsou používána elektromagnetická idla VIRRIB s dataloggerem. Snímae registrují objemovou vlhkost pdy v hloubce 20, 50, 70 cm a vertikáln orientované idlo mí prmrnou vlhkost pdy v hloubce 10 až 40 cm pod povrchem. Údaje jsou zaznamenávány v hodinovém kroku. Mící rozsah pístroje se pohybuje od 5 do 50 % objemové vlhkosti, s pesností mení ± 1 %. Lokalizace idel na pokusné ploše a situaní plán jsou uvedeny na Obr. 1. Obr. 1 Pokusná plocha. Situaní plán. Mapový podklad: zdroj GEODIS Mení meteorologických prvk K mení teploty vzduchu je používán elektronický registrátor HOBO (výrobce Onset Computer, USA) s intervalem mení 15 minut. Z namených hodnot byly spoítány denní prmty. idlo je stabiln umístno do výšky 5 cm nad povrchem pdy. Dvodem je vtší vypovídací hodnota pízemní teploty pro rostliny než teplota mená ve 2 m nad povrchem. Srážky jsou monitorovány automatickým lunkovým srážkomrem s pesností mení 0,33 mm, umístným v bezprostední blízkosti sníma pdní vlhkosti VIRRIB. Namené hodnoty byly sumovány do denních srážkových úhrn. Stavy podzemní vody Týdenní údaje o stavu hladiny podzemní vody pochází z vrtu VB0326 Nosislav sít HMÚ, který se nachází na okraji pokusné plochy (podrobn na Obr. 1).

4 Vegetaní kryt Mení pdní vlhkosti probíhá na pozemku s dlouhodobou monokulturou kukuice na zrno. Po sklizni kukuice následuje vždy mlké zpracování pdy (podmítka). Ped setím na jae následujícího roku je pozemek jen mlce nakypen a následn oset. V roce 2006 byl porost založen dne a sklizen Kukuice spotebuje na tvorbu 1 kg sušiny pibližn 256 l vody. Má 3 6krát vtší sací sílu než oves nebo pšenice. Podle pdních podmínek je schopna erpat vláhu až z hloubky 3 m. Pi vyšší hladin podzemní vody vytváí pevážnou ást koenového systému do hloubky 0,3 0,4 m. Výsledky Prbh vlhkostí pdy v aeraní zón (10 50 cm) a týdenní stavy hladiny podzemní vody na pokusné lokalit ve srážkov specifickém roce 2006 jsou uvedeny v Grafu 1. Zpoátku roku nedocházelo vlivem nízkých teplot k tání v této oblasti nezvykle vysoké snhové pokrývky a vlhkost pdy v meném profilu tak setrvávala na úrovni okolo %. Zejména vlivem zvýšení teplot (Graf 2) a následného tání snhové pokrývky došlo ke krátkodobému zvýšení vlhkosti pdy a také hladiny podzemní vody. Citelné oteplení a srážky ve tetí dekád bezna pispli k nasycení pdního profilu vodou na úrove plné vodní kapacity a znanému vzestupu hladiny podzemní vody až do výše cca 60 cm pod povrch pdy. Nepíznivý stav trval s krátkou pestávkou až do konce první dekády dubna a zpsobil opoždní jarních polních prací. Koncem dubna, po významnjších srážkových úhrnech, došlo k optovnému nkolikadennímu pesycení pdního profilu vodou, provázeného vzestupem hladiny podzemní vody. Vlivem teplého poasí a rostoucí evapotranspirace kukuice se v následujícím období udržovala vlhkost pdy pod úrovní plné vodní kapacity a klesala. Výkyv byl zaznamenán pouze po extrémní jednodenní srážce 68 mm dne K dosažení abnormálních hodnot pdní vlhkosti a hladiny podzemní vody došlo po sedmidenní srážkov extrémní epizod mezi , kdy spadlo v lokalit 116 mm srážek (tj. více než dvojnásobek srpnového normálu). Dynamiku vlhkosti pdy s velice podobným prbhem uvádí v témže období na stejné lokalit z mení pod porostem pšenice ozimé Flekalová et al. (2007). Stav pokusné plochy dne 8.8. je patrný na Obr. 3. Díky komplikovanému hydrickému režimu pdy (tžká pda s vysokou hladinou podzemní vody) byla znemožnna v dalším období sklize zejména jemene jarního, došlo k porstání zrna v klasech a znehodnocení ásti polních pokus. Obr. 2 Stav pdy v porostu kukuice na Obr. 3 Pokusná plocha pokusné ploše v suchých msících

5 Graf 1 Prbh vlhkosti pdy a hladiny podzemní vody na pokusné lokalit v roce ,0 150 vlhkost pdy [obj. %] 50,0 40,0 30,0 20,0 10, ,0-10,0-20,0-30,0-40,0-50,0 vlhkost ve 20 cm vlhkost v cm vlhost v 50 cm podzemní voda hladina podzem. vody [cm] -60, Graf 2 Prbh vybraných meteorologických prvk (prmrná denní teplota v 5 cm a denní srážkové úhrny) a stavy podzemní vody v roce ,0 25,0 srážky pízemní teplota podzemní voda pízemní teplota [ C] 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0-15,0-20,0-25,0 68 mm 116 mm hladina podzem. vody [cm] srážky [mm] -30, V Grafu 3 je samostatn uveden prbh vlhkosti pdy z idla VIRRIB umístného v hloubce 70 cm pod povrchem pdy a týdenní stavy hladiny podzemní vody z vrtu na pokusné lokalit. Bhem roku 2006 došlo tikrát k pímému kontaktu nejhloubji umístného idla se souvislou hladinou podzemní

6 vody. Zejmý je tak bezprostední vliv podzemní vody na hydrický režim pdy v této hloubce (glejové procesy). Hladina podzemní vody 50 cm pod povrchem u vrtu VB0326 Nosislav, zjištná v týdnu od 10. do , je tetí nejvyšší zmená úrove od roku 1965, od kdy je vrt v provozu. Srovnatelná výška hladiny podzemní vody byla zjištna pouze v beznu 1970 (46 cm pod povrchem), v únoru 1969 (48 cm pod povrchem) a v ervenci 1997 (50 cm pod povrchem). Graf 3 Prbh vlhkosti pdy v hloubce 70 cm a stav hladiny podzemní vody v roce ,0 150 vlhkost pdy [obj. %] 50,0 40,0 30,0 20,0 10, ,0-10,0-20,0-30,0-40,0-50,0 podzemní voda vlhkost v 70 cm hloubka, ve které je umístno idlo hladina podzem. vody [cm] -60, Závry Vlhkost pdního profilu na pokusné lokalit Žabice dosahovala v roce 2006 dlouhodob abnormáln vysokých hodnot. Všechna idla (od hloubky 10 cm do hloubky 70 cm pod povrchem pdy) zaznamenala více nkolikadenních epizod, kdy byla pda dlouhodobji pemokena. Vysoká vlhkost pdy byla zpsobena rychlým táním nadprmrné snhové pokrývky na jae a opakovanými extrémními srážkami v letních msících v kombinaci s vysokou hladinou podzemní vody v oblasti. Intenzivní vliv podzemní vody souvisí zejména s vodním režimem blízké eky Svratky a jejich pítok. Nejhloubji umístné vlhkostní idlo (70 cm pod povrchem pdy) bylo v prbhu roku 2006 minimáln tikrát pímo zaplaveno podzemní vodou, což dokumentují stavy hladiny podzemní vody z vrtu sít HMÚ. Hladina podzemní vody v tomto roce vystoupila až na 50 cm pod povrch pdy, tj. na úrove jako pi povodních v roce Vysoký obsah jílnatých ástic v pd (až 69,40 %) výrazn omezuje prsak srážkových vod do hlubších vrstev a zpsobuje intenzivní vzlínání spodní vody. Popsaný hydrický režim pdy mže komplikovat zejména jarní a podzimní pípravu pdy, v pípad vysokých letních srážkových úhrn také sklize nkterých zemdlských plodin. Podkování Práce vznikla jako výstup projektu MŠMT R. 2B06101 s názvem Optimalizace zemdlské a íní krajiny v R s drazem na rozvoj biodiverzity.

7 Použitá literatura [1] Antal, J. Niektoré aspekty regulácie vlhkostného režimu pôd agrotechnickými opatreniami. In Bioklimatológia a životné prostredie, XIII. Bioklimatologická konferencia SBkS a BkS, Košice, september [2] Antal, J., Igaz, D., Špánik, F. Vplyv meteorologických faktorov na predvegetan pôdnu vlhkos v rôznych pestovatelských systémoch. In Seminá Mikroklima porost, Brno, 26. bezna Ed. Rožnovský, J., Litschmann, T. BKS a HMÚ, s ISBN [3] Flekalová, M. et al. Posouzení historického vývoje a vlhkostního režimu pd na území ŠZP Žabice a následný návrh obnovy zelen dílí výsledky. In MendelNet 06 Agro sborník z mezinárodní konference poslucha postgraduálního doktorského studia. MZLU v Brn, Ediní stedisko MZLU v Brn, s ISBN [4] Hrádek, F., Kuík, P. Hydrologie. eská zemdlská univerzita v Praze, Lesnická fakulta, Praha, Skriptum. 271 s. ISBN [5] Ivano, J. et al. Vplyv agrotechniky na zásobu vody v zóne aerácie fluvizemí glejových na Východoslovenskej nížine. In Bioklimatológia a životné prostredie, XIII. Bioklimatologická konferencia SBkS a BkS, Košice, september Dostupné z: [6] Ivano, J., Pavelková, D., Mati, R. Dynamika zásob vody v pôdnom profile ažkých pôd na Východoslovenskej nížine. Acta Hydrologica Slovaca, 2003, vol. 4, no. 1, s [7] Kalvová et al. Zpesnní scéná projekce klimatické zmny na území eské republiky a odhad projekce klimatické zmny na hydrologický režim, sektor zemdlství, sektor lesního hospodáství a na lidské zdraví v R. Národní klimatický program eské republiky, Praha, 2002, 151 s. [8] Klímová, E. a kol. (2001): Rekordy eské republiky. Píroda. 1. vyd. Bratislava: Mapa Slovakia. ISBN [9] Kyselý, J., Kakos, V., Pokorná, L. Povodn a extrémní srážkové úhrny v R a jejich asová promnlivost. In Bioklimatologické pracovné dni. Funkcia energetickej a vodnej bilancie v bioklimatologických systémoch, Raková Dolina, Ed. Šiška, B., Igaz, D., Mucha, M. SPU v Nitre, Nitra, s. 6. [10] Novák, P. et al. Monitorování sezónních zmn pdní vlhkosti metodou pulzní reflektometrie. Zprávy o geologických výzkumech v roce eská geologická služba, 2002, s ISBN [11] Prosová, O., Štpánek, P. Extrémní srážky a pívalové povodn v Bílých Karpatech. In Sborník z mezinárodní mezioborové konference Venkovská krajina, Slaviín a Hosttín, kvtna ZO SOP Veronica, s ISBN [12] Sedláková, R. Zmna fyzikálních vlastností a infiltraní schopnosti pdy v závislosti na použitém systému zpracování. In 9. Odborná konference doktorského studia Juniorstav VUT v Brn, Brno, Dostupné z: [13] Sklená, J. Povodn na území eské republiky a povodová mení. Spisy Zempisného sdružení, 2007, vol. 17, no. 1. Dostupné z: [14] Špánik, F., Repa, F. Analytický vzah medzi pôdnou vlhkosou pod porastom kukurice na zrno a ornicou štandardom agrometeorologickej stanice. In Acta horticulturae te regiotecturae, príloha Voda v bioklimatických systémoch Zborník z medzinárodnej konferenci BPD. 1999, vol. 2, s [15] Váša, J. Stanovení pdních hydrokonstant. Vodní hospodáství 3, Praha, 1959.