Abstrakt

Prepis

1 VETERNÁ ERÓZIA A JEJ ODHAD V PODMIENKACH USA URBAN Tomáš Slovenská poľnohospodárska univerzita, Fakulta záhradníctva a krajinného inžinierstva, Katedra krajinného plánovania a pozemkových úprav, Hospodárska 7, Nitra, tomas.urban@uniag.sk Abstract Tento článok ilustruje možnosť stanovenia straty pôdy vetrom na základe rovnice veternej erózie (WEQ) pomocou počítačového programu Microsoft Excel. Rovnica obsahuje päť faktorov (pôdnu erodovateľnosť, drsnosť povrchu pôdy, klimatický región, nechránenú dĺžku pozemku a vegetačný kryt), ktoré nám spolu udávajú stratu pôdy vyjadrenú v tonách z plochy jedného akra počas doby jedného roka. Riešenie rovnice v programe Microsoft Excel vyžaduje zadanie veľkého množstva dát, ktoré sú spracované veľmi rýchlo a hodnota pôdnej straty je známa ihneď. Odhad straty pôdy vetrom takýmto spôsobom je v podmienkach Slovenska obmedzený vzhľadom k potrebe klimatických dát, ktoré nie sú na našom území merané. Úvod Vietor, ako jeden z exogénnych činiteľov pôsobí na zemský povrch mechanickou silou a vyvoláva jav, ktorý nazývame spoločne eolizácia. Pri tomto procese rozlišujeme jeho dve formy podľa toho, aký substrát (pôdny alebo horninový) vietor napáda. Pri sypkých pôdach hovoríme o veternej erózii, pri horninových pevných útvaroch alebo pasívnych eolických sedimentoch, ktoré sú vetrom nesenými čiastočkami obrusované, hovoríme o korázii (Švehlík, 2007). Veterná erózia sa v Severnej Amerike najviac vyskytuje na rozľahlých rovinách v centrálnej časti od severu na juh. Predpokladá sa, že veterná erózia tam poškodzuje viac než 30 miliónov hektárov poľnohospodárskej pôdy ročne (Woodruff, 1975). Veterná erózia je degradačným procesom, ktorý spôsobuje škody nielen na poľnohospodárskej pôde a výrobe, odnosom ornice, hnojív, osív a ničením poľnohospodárskych plodín, Obr. č. 1: Mapa výskytu veternej erózie v USA ale aj zanášaním komunikácií, vodných tokov, vytváraním návejov a znečisťovaním ovzdušia ( Podstata veternej erózie (eolickej) spočíva v rozrušovaní pôdneho povrchu mechanickou silou vetra (abrázia), v premiestňovaní a odnášaní pôdnych častíc (agregátov) vetrom (deflácia) a v ich ukladaní na inom mieste (akumulácia). Veterná erózia je fyzikálny jav a je priamo ovplyvňovaná fyzikálnymi vlastnosťami pôdy, kinetickou energiou vetra a mnohými ďalšími faktormi (Streďanský, 1993). Veterná erózia sa predovšetkým vyskytuje na území,

2 kde je počasie charakterizované nízkymi a premenlivými zrážkami, premenlivou rýchlosťou vetra, častým výskytom sucha, rýchlymi a extrémnymi zmenami teploty a vysokým výparom (Pasák, 1970). Poľnohospodárska pôda je veternou eróziou ohrozená vtedy, keď jej povrch je bez vegetačného krytu a keď' sa v záujmovom území vyskytujú erózne účinné vetry (STN, 2000). Materiál a metódy V roku 1947 začal USDA (United States Department of Agriculture) v spolupráci s Kansas State University program výskumu veternej erózie. Výskum bol zahájený pod vedením Austin W. Zingga, ku ktorému sa v krátkej dobe pridal W.S. Chepil, priekopník v oblasti veternej erózie v Kanade. Od roku 1954, Chepil a jeho spolupracovníci začali publikovať výsledky ich výskumu v podobe predpovede veternej erózie. V roku 1959 Chepil zostavil rovnicu v tvare E = I R K F B W D, kde: E je množstvo erózie, I erodibilita pôdy, R rastlinné zvyšky, K drsnosť pôdy, F abrazivita pôdy, B veterné bariéry, W - šírka pozemku, D smer vetra. Keďže sa v tejto rovnici nepočítalo s rýchlosťou vetra, v roku 1962 Chepil a jeho spolupracovníci zostavili rovnicu v tvare E= f(acklv), kde: A je percentuálne zastúpenie pôdnych častíc väčších než 0,84 mm. Neskôr bol v roku 1965 Woodruffom a Siddowayom zostavený matematický model (WEQ Wind Erosion Eguation) na hodnotenie miery ročnej priemernej potenciálnej erózie v tvare E = f(i, K, C, L, V), kde: E je priemerná ročná potenciálna strata pôdy na jednotku plochy (t.ha -1.rok -1 ), I index pôdnej erodovateľnosti, K faktor drsnosti povrchu pôdy, C faktor klímy, L dĺžka nechránenej časti pozemku, V faktor zodpovedajúceho vegetačného krytu. WEQ bol prvý model na odhadnutie množstva odnesenej pôdy v dôsledku pôsobenia vetra. Bol to empirický model zostavený na základe výskumu a nameraných ročných odnosov pôdy pre izolované pole v Garden City v Kansase (USA). Táto rovnica sa používa dodnes a tvorí základ pre výpočet straty pôdy vetrom. Faktor pôdnej erodovateľnosti (I faktor) je vyjadrený ako priemerná ročná strata pôdy v t/ac (ton/acer), ktorá by sa na danom mieste vyskytla, ak by bola daná oblasť izolovaná, nechránená, rovinatá, hladká, holá, kyprá (1 acer = 0,40468 ha). I faktor závisí od percentuálneho obsahu pôdnych častíc väčších ako 0,84 mm. I faktor bol zadefinovaný Chepilom (1960) porovnávaním vypočítaných hodnôt relatívnej erodibility so skutočne nameranými hodnotami straty pôdy v podmienkach Garden City v Kansase. K faktor vyjadruje mieru vplyvu drsnosti povrchu pôdy spôsobenú obrábaním pôdy a jeho hodnota sa pohybuje v rozmedzí 0,1 1,0. Klimatický faktor vyjadruje charakteristické vlastnosti danej oblasti, konkrétne rýchlosť vetra a vlhkosť povrchu pôdy. Vyjadruje sa ako percentuálny podiel faktora C pre Garden City, Kansas, ktorý má hodnotu 100. L faktor nechránenej dĺžky poľa nám vyjadruje dĺžku nechránenej časti pozemku v smere prevládajúceho vetra. Faktor vegetačného krytu V vyjadruje druh, množstvo a orientáciu vegetácie na povrchu pôdy. Je vyjadrený v lb/ac (pounds/acre)( lb/ pounds = 0,454 kg) ako flat small-grain residue equivalent (SGe). Riešenie rovnice zahŕňa päť po sebe idúcich krokov. Zatiaľ čo kroky 1, 2 a 3 sa riešia vynásobením jednotlivých faktorov, kroky 4 a 5 nemožno medzi sebou násobiť, pretože tvoria zložitejšie funkčné vzťahy. Krok 1: E 1 = I, percentuálny obsah pôdnych častíc väčších ako 0,84 mm sa odčíta z tabuľky 1 Krok 2: E 2 = IK, faktor K upravuje E 1 pre konkrétnu drsnosť povrchu Krok 3: E 3 = IKC, faktor C upravuje E 2 pre miestne klimatické podmienky

3 Krok 4: E 4 = IKCL, faktor L upravuje E 3 pre nechránenú dĺžku poľa Krok 5: E 5 = IKCLV, faktor V upravuje E 4 pre vegetačný kryt. I Faktor Faktor pôdnej erodovateľnosti (I faktor) je vyjadrený ako priemerná ročná strata pôdy v t/ac (ton/acer), ktorá by sa na danom mieste vyskytla, ak by bola daná oblasť izolovaná, nechránená, rovinatá, hladká, holá, kyprá a bez pôdneho prísušku. Tento faktor bol určený porovnaním vypočítaných hodnôt relatívnej poľnej erodibility so skutočne nameranými hodnotami straty pôdy v terénnych podmienkach. Terénne merania straty pôdy prebiehali počas rokov v Garden City v Kansase. Faktor erodibility pôdy I závisí na štruktúre pôdy a jeho hodnota vzrastá s klesajúcim percentuálnym zastúpením neerodovateľných častíc väčších ako 0,84 mm (tab. 1). Tabuľka č. 1: Faktor erodibility pôdy I vo vzťahu k obsahu neerodovatelných častíc pôdy % neerodovateľnch Index erodibility pôdy (ton/ac) častíc > ako 0.84 mm Potenciálna veterná erózia na svahoch a na vrcholoch svahov je väčšia, pretože tu dochádza k zhusťovaniu prúdnic vetra, čím sa rýchlosť vetra v prízemnej vrstve zvyšuje. Úprava indexu erodibility pôdy sa robí na náveterných svahoch v dĺžke do 500 feets (150 metrov), v závislosti na svahovitosti terénu. Upravujúci faktor I pre náveterný svah a vrchol svahu je uvedený v nasledujúcej tabuľke. Tabuľka č. 2: Faktor erodibility zvlneného povrchu v závislosti na sklone náveterného svahu Sklonitosť územia v smere prevládajúceho vetra (%) Úprava I faktora pre svah Úprava I faktora pre vrchol svahu 3 1,3 1,5 4 1,6 1,9 5 1,9 2,5 6 2,3 3,2 8 3,0 4,8 10 a viac 3,6 6,8 Percentuálny obsah pôdnych častíc väčších ako 0,84 mm sa zistí preosiatím suchej vzorky pôdy. Vzorka pôdy môže byt preosiata pomocou rovného alebo rotačného sita. Odoberá sa v čase, keď je pôda primerane suchá z hladkého, nestvrdnutého, holého povrchu do hĺbky 1 inch (2,5 cm), kde vplyv vetrolamov alebo iných bariér nemá účinnosť.

4 K faktor Faktor drsnosti povrchu pôdy v sebe zahŕňa pravidelnú drsnosť K rd (ridge roughness) a náhodnú drsnosť K rr (random roughness). Výsledná hodnota K faktora sa vypočíta vynásobením hodnoty K rd s hodnotou K rr (K= K rd x K rd ). Pravidelná drsnosť vyniká bežným obrábaním pôdy (orba, sejba), kedy sa vytvárajú na pôde pravidelné hrebene. Tieto hrebene absorbujú energiu vetra, čím sa zníži rýchlosť a dochádza k akumulácii pôdnych častíc. Štandardný pomer medzi výškou a šírkou hrebeňa je 1:4. Vzhľadom k obtiažnosti stanovenia drsnosti povrchu na základe merania pôdnych výčnelkov, sa výskumom pravidelnej drsnosti pomocou veterného tunela stanovili grafy na základe obsahu neerodovatelných častíc v pôde. Účinok pravidelnej drsnosti (hrebeňov) sa mení v závislosti na uhle odchýlky smeru prevládajúceho vetra od kolmice hrebeňov. Pre ukážku je v článku zobrazený len jeden graf (uhol odchýlky 0º), ostatné sú dostupné na internetovej adrese Pravidelná drsnosť povrchu pôdy K rd sa odčíta z pravidelnej drsnosti K r, a množstva neerodovatelných častí, čiže faktora I. Pravidelná drsnosti K r sa vypočíta zo vzťahu K r = 4(h x h)/s, kde: h výška hrebeňa (riadku) v palcoch, s šírka hrebeňa (riadku) v palcoch (1 inch/palec = 2,54 cm). Obr. č. 2: Graf pravidelnej drsnosti povrchu pôdy pre uhol odchýlky 0º (smer prevládajúceho vetra je kolmý na hrebene) Náhodná drsnosť Krr (random roughness) je definovaná ako smerodajná odchylka. Táto drsnosť vzniká pri bežnom obrábaní pôdy a je vyjadrená v palcoch. Jej hodnoty je možné zistiť porovnaním s obrázkom 3 alebo s obrázkami na internetovej adrese a výsledné hodnoty odčítať z grafu (obr. 4) v závislosti od faktora I. Ukážka smerodajnej odchýlky na povrchu pôdy vyjadrená v inches (palcoch)

5 Obr. č. 3: Smerodajná odchýlka s hodnotami 0,25; 0,65; 0,85 a 1,70 vyjadrená v inches (palcoch) Hodnoty smerodajnej odchýlky je možné určiť aj na základe použitého poľnohospodárskeho stroja pri obrábaní pôdy a pri optimálnej vlhkosti pôdy, no porovnanie s obrázkami je vhodnejšie aj z dôvodu ukážky rastlinných zvyškov na povrchu pôdy. C faktor Klimatický faktor vyjadruje charakteristické vlastnosti danej oblasti, konkrétne rýchlosť vetra a vlhkosť povrchu pôdy. Tento faktor je založený na dlhodobom pozorovaní týchto klimatických údajov a je vyjadrený ako percentuálny podiel C faktora pre Garden City v Kansase, ktorému bola pridelená hodnota 100. Klimatický faktor bol vyjadrený ako : 3 V C = 34,48x, ( PE ) 2 kde: C ročná hodnota klimatického faktora, V priemerná ročná rýchlosť vetra, PE Thornthwaitov vlhkostný index, 34,48 konštanta vzťahujúca sa pre oblasť Garden City v Kansase. Thornthwaitov vlhkostný index sa vypočíta podľa vzťahu: P PE = 115x ( 10), Obr. č. 4: Graf na určenie náhodnej T drsnosti zo smerodajnej odchýlky a faktora I kde: P premerný mesačný úhrn zrážok, T priemerná mesačná teplota. Hodnoty klimatického faktora pre celé územie USA sú k dispozícii na internetovej stránke a jeho hodnoty sú zobrazované vo forme izolínii.

6 L faktor Faktor nechránenej dĺžky pozemku vyjadruje dĺžku nechránenej časti pozemku v smere prevládajúceho vetra. Odnos pôdy je nulový na začiatku pozemku a narastá so vzdialenosťou po vetre. Úmerné narastanie je spôsobené posuvnou (lavínovou) eróziou. Na erodovaných plochách dochádza k intenzívnemu rozrušovaniu povrchu pôdy čiastočkami, pohybujúcimi sa skokom a dopadávajúcimi s veľkou energiou na povrch pôdy. Čím dlhšia je erodovaná plocha, tým väčší počet častíc je uvedeným spôsobom uvoľnený. Pokiaľ je erodované pole dostatočne dlhé, dosiahne množstvo uvoľnených častíc maximálnu hodnotu, ktorú môže vietor Obr. č. 5: Vplyv výšky bariéry na nechránenú dĺžku pozemku danej rýchlosti uniesť. Za touto hranicou je množstvo odnosu konštantné. Vzdialenosť, na ktorej dosiahne odnos maximálnu hodnotu sa mení s erodibilitou pôdneho povrchu. Čím je erodibilita pôdneho povrchu vyššia, tým kratšia vzdialenosť je potrebná na dosiahnutie maximálnej hodnoty odnosu pôdy. Ak sa na hranici pozemku vyskytujú bariéry (stromy, kry), je potrebné odčítať dĺžku chránenej časti pozemku od celkovej dĺžky pozemku v smere prevládajúcich vetrov. Za chránenú časť pozemku sa považuje vzdialenosť, vyjadrujúca 10 násobok výšky bariéry v smere prevládajúcich vetrov (obr. 5). Celková dĺžka pozemku sa mení v závislosti od smeru prevládajúcich vetrov. Ak je uhol odchýlky smeru prevládajúcich vetrov a kolmice na dlhšiu stranu pozemku 0º, znamená to, že dĺžka nechránenej časti pozemku sa rovná šírke pozemku. Ak je uhol odchýlky iný ako 0º, je potrebné šírku pozemku vynásobiť koeficientom uvedeným v tabuľke č. 3. Pre pozemky kruhového tvaru platí L = 0,915 násobok priemeru bez ohľadu na smer prevládajúceho vetra. Tabuľka č. 3.: Koeficient upravujúci dĺžky nechránenej časti pozemku v závislosti od smeru prevládajúceho vetra Uhol odchýlky v (º) Koeficient uhla odchýlky ,5 1, ,41 67,5 2,61 90 L = celková dĺžka pozemku V faktor Faktor vegetačného krytu vyjadruje druh, množstvo a orientáciu vegetácie na povrchu pôdy, vyjadrený v lb/ac (pounds/acre) ako flat small-grain residue equivalent (SGe). Dôležité je postavenie a ukotvenie rastlinných zvyškov na povrchu pôdy. Všeobecne platí, že čím viac jemnejších a vzpriamenejších zvyškov sa na povrchu pôdy vyskytuje, tým lepšie dochádza k zníženiu veternej erózie. Množstvo vegetačných zvyškov sa určí odobratím vzorky, jej umytím, vysušením a prepočítaním hmotnosti na jeden aker. Hodnota equivalent flat smallgrain residue (SGe) sa odčíta z grafu podľa druhu, množstva a orientácie plodiny (obr. č. 6).

7 Obr. č. 6: Hodnota equivalent flat small-grain residue (SGe) pre pestovanú plodinu bavlna Výsledky a diskusia V roku 2002 vydalo United States Department of Agriculture v spolupráci s Natural Resources Conservation Service manuál pod názvom National Agronomy Manual, v ktorom sú uvedené zásady a postupy k odhadu veternej erózie v podmienkach USA. Odhad veternej erózie sa uskutočňuje na základe rovnice veternej erózie (WEQ Wind Erosion Eguation). Pomocou počítačového programu ARS WEROS boli vytvorené tabuľky pre väčšinu možných kombinácii faktorov I, K, C, L a V. Výsledná hodnota E udáva stratu pôdy vetrom v tonách na aker za rok (obr. č. 7.). Na internetovej adrese sú dostupné všetky hodnoty E (straty pôdy) pre všetky kombinácie uvedených faktorov.

8 Obr. č. 7: Tabuľka straty pôdy vytvorená počítačovým programom ARS WEROS WEQ Management Period Method Wind Erosion Model Worksheet Riešenie a výpočet staty pôdy vetorom prebieha v počítačovom programe Microsoft Excel pomocou tabuľkového procesora na základe rovnice veternej erózie (WEQ). Vstupnými dátami do programu sú (1) všeobecné informácie ako hodnota klimatického faktora, rotácia plodín, smer obrábania pôdy, pomer dĺžky a šírky pôdneho celku, šírka pôdneho celku atď, (2) manažment pestované plodiny, pracovné operácie, rastlinné zvyšky, zavlažovanie pôdy, (3) pôda hodnota I faktora, textúra, (4) drsnosť pravidelná drsnosť K rd, náhodná drsnosť K rr, (5) dĺžka nechránenej časti pozemku uhol odchýlky, prevaha veterných síl, (6) vegetácia druh, množstvo, orientácia vegetácie, hodnota equivalent flat small grain residue (SGe), (7) erózia percento erozívnych vetrov počas sledovaného obdobia (obr. č. 8). Strata pôdy vetrom je vyjadrená v tonách z plochy jedného akra za časové obdobie jedného roka. Počítačový program je dostupný na Záver Dlhodobé skúmanie procesov veternej erózie v USA viedlo k poznaniu príčin a škodlivosti tohto fenoménu na poľnohospodárskych pôdach. Postupným vývojom rovnice veternej erózie v spolupráci s počítačovou podporou vzniklo riešenie tejto rovnice v počítačovom programe Microsoft Excel, ktoré následným vylepšovaním nadobudlo dnešnú podobu. Tento program vyžaduje veľké množstvo vstupných dát, pomocou ktorých môžeme pomerne presne stanoviť stratu pôdy vetrom. Hoci v súčasnej dobe tento program nahrádza nový program na modelovanie veternej erózie pod označením WEPS (Wind Erosion Prediction System), jeho použiteľnosť v podmienkach USA je stále aktuálna.

9 Obr. č. 8: Výpočet straty pôdy vetrom v počítačovom programe Microsoft Excel Literatúra National Agronomy Manual. Dostupné na internete: PASÁK, V Wind erosion on Soils. VÚM, Zbraslav n/v1., STREĎANSKÝ, J Veterná erózia pôdy. Nitra: VŠP, s. ISBN ŠVEHLÍK, R Větná eroze na jihovýchodní Moravě v obrazech. Paha: TEMPO PRESS, s. ISBN Woodruff, N.P Wind erosion research - past, present, and future. Proc. of 30th Annual Meeting of Soil Conserv. Soc. Amer., August 10-13, 1975, San Antonio, Texas, pp