PRODUKTY i METODY „EnviAgri”
Ocena ryzyka strat fosforu –
w wyniku erozji wodnej/spływu powierzchniowego na podstawie
mapy erozji potencjalnej, zasobności gleby w fosfor i sposobu użytkowania ziemi
Wstęp
Fosfor należy do podstawowych składników pokarmowych wykorzystywanych przez rośliny. W przypadku roślin uprawnych dostateczne zaopatrzenie w fosfor jest kluczowe dla uzyskania wysokich plonów, a tym samym dla ekonomicznej opłacalności produkcji rolniczej. Stosowanie nadmiernych dawek fosforu, znacznie przekraczających potrzeby roślin uprawnych, obniża efektywność ekonomiczną a ponadto podnosi ryzyko wymycia fosforu do płytkich wód gruntowych [Skowron i in. 2023] a następnie eutrofizacji wód powierzchniowych.
Jednym z kluczowych właściwości fosforu dostarczonego w formie rozpuszczalnych nawozów, wpływających na dalszy obieg w glebie jest jego ograniczona mobilność powodowana przez wiązanie w nierozpuszczalne związki organiczne stanowiące próchnicę glebową (tzw. immobilizacja) oraz wiązanie w postaci nierozpuszczalnych związków na powierzchni ilastej frakcji cząstek gleby (tzw. uwstecznienie). Na glebach kwaśnych są to głównie fosforany żelaza, glinu i manganu, natomiast na glebach zasadowych – fosforany wapnia i magnezu. Z tego względu głównym mechanizmem prowadzącym do strat fosforu z pól uprawnych jest erozja wodna. W jej trakcie fosfor związany głównie z fazą stałą gleby zostaje w formie spływu powierzchniowego usunięty wraz z erodowanym materiałem glebowym poza obszar pola [Jadczyszyn i inni 2014]. Straty wynikające z przesączania fosforu w głąb profilu glebowego jak pokazują doświadczenia lizymetryczne są zazwyczaj pomijalne i ograniczają się do gleb bardzo lekkich (piaski luźne i piaski słabogliniaste) lub sytuacji, gdy intensywne opady deszczu występują krótko po aplikacji nawozu.
Metoda
Zastosowana metoda oceny ryzyka polega na obliczeniu oczekiwanej rocznej straty fosforu z jednostkowej powierzchni pola (Rys.1) a następnie przypisaniu jej do klas ryzyka. Do opisu oczekiwanych strat fosforu z gleby zastosowano uproszczony model oparty na założeniu że erozja wodna jest jedynym źródłem strat fosforu [kg P2O5 ha-1 rok-1], przy czym strata jest iloczynem ilości materiału glebowego traconego w wyniku erozji wodnej [t ha-1 rok-1] oraz zasobności gleb w fosfor [kg P2O5 t-1].
Rys. 1. Schemat metody obliczeń strat fosforu.
W sytuacji gdy użytkownik systemu zna zasobność gleb w fosfor (oznaczaną w ramach typowych badań zlecanych przez rolników np. w Stacji Chemiczno-Rolniczej), wyliczenie strat oparte jest na wartości zasobności gleb w fosfor wpisanej przez użytkownika do okna programu. W sytuacji gdy zasobność gleby w fosfor nie zostanie wprowadzona przez użytkownika, do dalszych obliczeń przyjmowana jest jej szacunkowa wartość odczytana z mapy zasobności gleby w fosfor opracowanej modelem uczenia maszynowego na podstawie bazy danych kilkudziesięciu tysięcy próbek gleby oraz danych pomocniczych (mapa glebowo rolnicza, numeryczny model terenu, zdjęcia satelitarne).
Erozję wodną obliczono empirycznym modelem USLE (ang. Universal Soil Loss Equation) [Wischmeier, Smith 1978; Benavidez i inni 2018]. Iloczynowa postać wzoru na erozję w modelu USLE pozwala na wyodrębnienie tzw. erozji potencjalnej będącej nasileniem erozji w warunkach braku pokrywy roślinnej i braku zabiegów przeciwerozyjnych, w formie iloczynu trzech czynników: erozyjności opadów, nachylenia i długości stoku oraz podatności gleby na wymycie (rośnie ze wzrostem udziału frakcji pyłu). Dane o glebach pochodzą z mapy glebowo rolniczej [Witek 1973] i baz danych próbek glebowych. Ze względu na niezależność erozji wodnej potencjalnej od decyzji producenta rolnego jej wartości obliczono i zapisano w formie mapy. Obliczenie aktualnego natężenia erozji wodnej polega na przemnożeniu wartości erozji potencjalnej odczytanej z mapy przez współczynnik C przypisany do wybranej przez użytkownika uprawy [Sharpley, Villiams 1990; Van der Knijff i inni 2000; Panagos i inni 2015] (0 - redukcja całkowita w warunkach bardzo gęstej roślinności; 1 – brak redukcji w warunkach gleby całkowicie pozbawionej roślinności) oraz przez współczynnik P przypisany do wybranego przez użytkownika rodzaju zabiegów przeciwerozyjnych [Benavidez i inni 2018] (0 – redukcja całkowita np. w warunkach szklarniowych; 1 – brak redukcji przy braku jakichkolwiek zabiegów przeciwerozyjnych).
Interpretacja wyników
Wyróżniono 3 klasy ryzyka strat fosforu i stosownych zaleceń agrotechnicznych:
Strata fosforu [kg P2O5 ha-1 rok-1] | Klasa ryzyka | Zalecenie |
|---|---|---|
| 0 – 0.20 | Akceptowalny poziom strat fosforu | brak potrzeby dodatkowych działań |
| 0.20 – 0.50 | Podwyższony poziom strat fosforu | zaleca się dobór uprawy lepiej chroniącej glebę przed erozją wodną lub zastosowanie bardziej skutecznych zabiegów przeciwerozyjnych |
| > 0.50 | Zbyt wysokie ryzyko strat fosforu | zaleca się dobór uprawy znacznie lepiej chroniącej glebę przed erozją wodną oraz zastosowanie bardziej skutecznych zabiegów przeciwerozyjnych |
Literatura
Benavidez R., Jackson B., Maxwell D., Norton K., (2018). A review of the (Revised) Universal Soil Loss Equation ((R)USLE): with a view to increasing its global applicability and improving soil loss estimates. Hydrol. Earth Syst. Sci., 22, 6059–6086. https://doi.org/10.5194/hess-22-6059-2018
Jadczyszyn J., Mroczkowski W., Gosek S., (2014). Erozyjne straty fosforu w doświadczeniu modelowym. Inżynieria i Ochrona Środowiska 17(1), 89-103.
Panagos P., Borelli P., Meusburger K., Alewell Ch., Lugato E., Montanarella L., (2015). Estimating the soil erosion cover-management factor at the European scale. Land Use Policy 48, 8–50. http://dx.doi.org/10.1016/j.landusepol.2015.05.021
Sharpley, A.N., and J.R. Villiams, eds. (1990). EPIC--Erosion/Productivity Impact Calculator: 1. Model Documentation. U.S. Department of Agriculture Technical Bulletin No. 1768. 235 pp. https://epicapex.tamu.edu/media/h2gkyznv/epicmodeldocumentation.pdf
Skowron P., Pikuła D., Jadczyszyn T., Bojarszczuk J., Gaweł E., Jurga B., Podleśna A., Rutkowska A., Wach D., Sobierajewska J., Treder J., Wójcik P., Nowak J., Dyśko J., Pietrzak S., Juszkowska D., Walczak J., (2023). Program ochrony wód przed zanieczyszczeniami powodowanymi przez związki fosforu ze źródeł rolniczych. IUNG-PIB, Puławy. ISBN 978-83-7562-396-3 https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&opi=89978449&url=https://www.iung.pl/publikacje/2023/program_fosforowy.pdf&ved=2ahUKEwjRldK6hMGPAxXzVfEDHe5mACMQFnoECAoQAQ&usg=AOvVaw3PxOJNoa1I2zaQmDDfyxnA
van der Knijff J.M., Jones R.J.A., Montanarella L. (2000). Soil Erosion Risk Assessment in Europe. EUR 19044 EN, 34pp. https://esdac.jrc.ec.europa.eu/content/soil-erosion-risk-assessment-europe
Wischmeier W.H., Smith D.D., (1978). Predicting rainfall erosion losses: a guide to conservation planning. Dept. of Agriculture, Science and Education Administration. pp. 58. https://www.ars.usda.gov/ARSUserFiles/60600505/RUSLE/AH_537%20Predicting%20Rainfall%20Soil%20Losses.pdf
Witek T. (1973). Mapy glebowo-rolnicze oraz kierunki ich wykorzystania. Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa. Seria P (18). https://opendata.geoportal.gov.pl/Mapy/mapa_glebowo-rolnicza.zip
Opracowanie wykonali:
Artur Łopatka i Jan Jadczyszyn
Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowy Instytut Badawczy
