USLE

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
A=RKLSCP
(125)
gdzie:
A – średni ubytek gleby w ciągu roku [t ha-1 rok-1, (w USA) t akr-1 rok-1], współczynnik
przeliczeniowy z jednostek US na SI wynosi 2,242 (mnożnik);
R – erozyjność opadu [MJ cm ha-2 h-1=Je(jednostka erozjna)],
K – erodowalność gleb [t ha-1 Je-1],
L S – współczynnik topograficzny zależny od długości stoku i odcinkowego nachylenia stoku
[-],
C – współczynnik empiryczny zależny od gatunku rośliny uprawnej i rodzaju zabiegów
agrotechnicznych [-],
P – współczynnik empiryczny zależny od stosowanej profilaktyki/sposobu uprawy [-].
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
Ei = (206 + 87 log10 Ii) . Pi
(126)
Rrj =( Ei I30)/100
(127)
gdzie:
Rrj – erozyjność opadu [MJ cm ha-2 h-1], dla R wyrażonego w jednostkach US przelicznik na
jenostki SI wynosi 17,02 (mnożnik),
Ei – energia kinetyczna deszczu w przedziale i [J.m-2],
Ii – natężenie deszczu w przedziale czasu i [cm.h-1],
Pi – warstwa deszczu w przedziale czasu i [cm],
I30 – maksymalne natężenie deszczu dla okresu 30-minutowego [cm.h-1].
1/100 – przelicznik z [J m-2] na [MJ ha-1].



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)* (erodowalność gleby)
w zależności od rodzaju gleby i zawartości materii organicznej
[Stone i Hilborn 2000]
Rodzaj gleby
ił
glina
piasek
pył gliniasty
pył ilasy
piasek drobnoziarnisty
Średnio
0,22
0,30
0,02
0,38
0,26
0,43
Zawartość materii organicznej
<2%
>2%
0,24
0,21
0,34
0,26
0,03
0,01
0,41
0,37
0,27
0,26
0,46
0,37
* wspólczynnik przeliczeniowy (mnożnik) na jednostki SI – 0,1372
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]:
LS = [0,65 + 0,456S + 0,06541S2] x (L/ z)N
gdzie:
S – nachylenie (%)
L – długość stoku (m)
z – 22,1 (stała)
N– wielkość zależna od kąta nachylenia ( tabela 21).
Tabela 21. Zależnośc wartości N od kąta nachylenia S
S
<1
1<S<3
3<S<5
N
0,2
0,3
0,4
>5
0,5
(
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.
Tabela 23. Wartości współczynnika Ca charakteryzujące gatunek rośliny
[Stone i Hilborn 2000]
Roślina
Współczynnik (Ca)
Kukurydza na ziarno
0,40
Rzepak, kukurydza na
kiszonkę
0,50
Zboża
0,35
Łąki i pastwiska
0,02
Tabela 24. Wartości współczynnika (Cb) charakteryzujące sposób uprawy ro
[Stone i Hilborn 2000]
Sposób uprawy
Współczynnik (Cb)
Orka jesienna
1,0
Orka wiosenna
0,90
Mulcz
0,60
Uprawa redlinowa
0,35
System bezorkowy
0,25


Wielkość współczynnika P zależy między
innymi od sposobu zagospodarowania
zbocza na kierunku wykonywanych
zabiegów.
Przykładowe wartości oparte na badaniach
amerykańskich podano w tabeli 25.
Tabela 25. Wartość współczynnika P w zależności od kierunku wykonywanych zabiegów
[Stone i Hilborn 2000]
Sposób uprawy
Uprawa roli wzdłuż stoku
Uprawa roli w poprzek stoku
Uprawa pasowa roślin w poprzek stoku
(na przemian trawy, motylkowe, okopowe,
zboża)
Współczynnik P
1,0
0,75
0,37


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
1.
2.
3.
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.