Słowo wstępne

Duży postęp we wprowadzaniu na rynek nowych rozwiązań rolnictwa precyzyjnego, ale również w jego wdrażaniu, sprawił, że zwiększa się oferta edukacyjna z tego zakresu w naszym kraju. Szkoły średnie zaczynają kształcić uczniów w zawodzie technik mechanizacji rolnictwa i agrotroniki. Na niektórych uczelniach wyższych uruchamiany jest kierunek studiów bądź specjalność rolnictwo precyzyjne. Znacznie częściej naucza się przedmiotu rolnictwo precyzyjne w różnej formie, a w gospodarstwach wdraża się rozmaite rozwiązania rolnictwa precyzyjnego, czasami nawet wyprzedzając badania naukowe. Rolnicy pytają zatem o racjonalne uzasadnienie tych wdrożeń i przykłady wyników polskich badań z zakresu rolnictwa precyzyjnego. Zazwyczaj im zakres wdrożeń rozwiązań rolnictwa precyzyjnego staje się większy, tym coraz częściej dostrzegamy korzyści z nich wynikające. Wzrasta zarazem zapotrzebowanie na wiedzę osoby, która podejmie się przetwarzania zebranych danych i ich interpretacji oraz przejmie odpowiedzialność za funkcjonowanie całego systemu rolnictwa precyzyjnego w gospodarstwie. Dlatego coraz częściej większe gospodarstwa zatrudniają osoby odpowiedzialne nie tylko za mechanizację, lecz także za zaplanowanie, rozwijanie i właściwe funkcjonowanie rolnictwa precyzyjnego w gospodarstwie.

Te spostrzeżenia, jaki i nasze wieloletnie doświadczenie z prowadzeniem zajęć ze studentami na studiach stacjonarnych, niestacjonarnych i podyplomowych oraz w zakresie badań z rolnictwa precyzyjnego, wskazały na potrzebę napisania podręcznika Rolnictwo precyzyjne. Niniejsza książka adresowana jest do szerokiego grona osób zainteresowanych: poznawaniem, studiowaniem, wdrażaniem, praktykowaniem i nauczaniem rolnictwa precyzyjnego. Nieodzownym warunkiem do rozpoczęcia jego wdrażania jest dobry poziom agrotechniki i wiedzy z szeroko rozumianej agronomii. Samo stosowanie rozwiązań rolnictwa precyzyjnego nie poprawi słabej agrotechniki. Co więcej, w żaden sposób nie dezaktualizuje ono istniejących zasad dotyczących racjonalnego i zrównoważonego rolnictwa, zawartych choćby w Kodeksie Dobrej Praktyki Rolniczej (Duer i in. 2004), ale dąży do ich jeszcze lepszego wdrażania, wykorzystując nowe rozwiązania, z uwzględnieniem powszechnie istniejącej zmienności pól. Rolnictwo precyzyjne może, ale nie musi doprowadzić do wzrostu plonów, szczególnie w gospodarstwach o dobrej agrotechnice, ma jednak duże szanse doprowadzić do bardziej racjonalnego stosowania środków produkcji, a tym samym zwiększyć efektywność ich wykorzystania i zmniejszyć ryzyko zanieczyszczenia środowiska. Dlatego upowszechniając wiedzę o systemie rolnictwa precyzyjnego, uważamy, że podstawą jego dobrego poznawania i wdrażania jest zasób wiadomości zdobytych w szkole średniej z produkcji roślinnej, zwierzęcej czy mechanizacji, a na studiach m.in. z takich przedmiotów, jak: biochemia, fizjologia roślin, gleboznawstwo, chemia rolna, ogólna uprawa roli i roślin, szczegółowa uprawa roślin, mechanizacja i ekonomika rolnictwa. Nieodzownym elementem dobrego poznawania i skutecznego wdrażania systemu rolnictwa precyzyjnego jest też wiedza informatyczna, w tym dotycząca systemów informacji geograficznej (przestrzennej). Dopiero szeroko rozumiana znajomość agronomii i historii danego pola w połączeniu z informacją o czynnikach ograniczających plonowanie i wiedzą informatyczną pozwala na poprawną interpretację zebranych danych przy użyciu rozwiązań rolnictwa precyzyjnego i podejmowanie decyzji w zakresie stosowanej agrotechniki. Bardzo ważnym elementem pogłębiania wiedzy o zmienności pól jest wykonywanie weryfikacji polowej tego, co zarejestrowały czujniki do oceny właściwości gleby i roślin, oraz tego, co widzimy na mapach, np. glebowo-rolniczych, topograficznych i innych. Dlatego rolnictwo precyzyjne nie powinno być postrzegane tylko jako zarządzanie zza komputera, ale musi wciąż w praktyce oznaczać wyjście w pole w celu sprawdzenia (ang. scouting), jakie mogą być faktyczne przyczyny stanu gleby czy roślin zarejestrowanego przez czujniki i mierniki naziemne oraz te montowane na dronach lub satelitach. Tylko staranne i systematyczne gromadzenie oraz analiza danych przestrzennych pozwalają na ciągłe ulepszanie agrotechniki i sprawiają, że z czasem korzyści ze stosowania rozwiązań rolnictwa precyzyjnego przeważają nad kosztami jego wprowadzania.

Ufamy, że książka, którą oddajemy Państwu do lektury, będzie źródłem wiedzy z zakresu:

- oceny zmienności pól uprawnych, która jest podstawą wdrażania rolnictwa precyzyjnego,

- zastosowania i sposobu działania odbiorników GPS, które pozwalają na funkcjonowanie zdecydowanej większości urządzeń w rolnictwie precyzyjnym,

- oprogramowania; gromadzenia, organizacji i przygotowania danych przestrzennych,

- oceny właściwości gleby i roślin,

- stosowania zmiennej dawki środków produkcji,

- oceny zróżnicowania plonu w obrębie pól uprawnych jako efektu końcowego ciężkiej pracy rolnika.

W książce tej opisano również zagadnienia, które w ostatnich latach nabierają coraz większego znaczenia, gdy mówi się o rolnictwie precyzyjnym: wykorzystanie rolnictwa precyzyjnego w prowadzeniu gospodarstwa, zastosowanie systemów wspomagania przy podejmowaniu decyzji, jak i aspekty związane z jego opłacalnością i wdrażaniem. W skróconej formie, ze względu na obecnie dopiero rosnące znaczenie praktyczne, opisano również możliwości zastosowania robotów i systemów autonomicznych oraz tzw. internetu rzeczy (IoT - ang. Internet of Things) w rolnictwie precyzyjnym. Przedostatnim rozdziałem podręcznika są studia przypadków - gospodarstw rolnych, gdzie rolnicy bądź osoby odpowiedzialne za rolnictwo precyzyjne opisały kilka przykładów jego bardzo różnych wdrożeń w Polsce. Celowo wybrano gospodarstwa różniące się formą własności, powierzchnią, charakterem produkcji i stopniem zaawansowania wdrażania rolnictwa precyzyjnego. Ostatnim rodziałem książki jest opis prostych zastosowań rolnictwa precyzyjnego w małych gospodarstwach, nadal powszechnych w Polsce. W książce zawarto także wykaz anglojęzycznych skrótów i wyrażeń, w którym wyjaśniamy terminy powszechnie używane w rolnictwie precyzyjnym, a często zapożyczone z języka angielskiego i przez to nie zawsze zrozumiałe dla praktyków.

Wiedza zawarta w tym tomie w zdecydowanej większości przypadków odnosi się do przykładów zastosowań rolnictwa precyzyjnego w produkcji roślinnej. Natomiast należy pamiętać, że rolnictwo precyzyjne to również bardzo duży postęp i coraz częstsze wdrożenia praktycznych rozwiązań w produkcji zwierzęcej (ang. precision livestock farming), takich jak choćby monitorowanie warunków bytowania i stanu zdrowia, zachowania oraz wydajności pojedynczych zwierząt i całych stad. Jednak ze względu na pewną wspólną część niektórych zagadnień, takich jak: wykorzystanie odbiorników GPS, oprogramowanie, gromadzenie, organizacja i przygotowanie danych przestrzennych, ocena stanu łanu roślin (m.in. pastwisk) oraz opłacalność i wdrażanie rolnictwa precyzyjnego, książka ta może być również pomocna na początkowym etapie poznawania zagadnień dotyczących zastosowania rolnictwa precyzyjnego w produkcji zwierzęcej.

Informacje zawarte w podręczniku są aktualne na początek roku 2018. W związku z dynamicznym rozwojem związanym z technologiami rolnictwa precyzyjnego część danych, zwłaszcza dotycząca dostępnych rozwiązań, nawet po dość krótkim czasie może się zdezaktualizować. Jednak wiele ogólnych zasad dotyczących podstaw rolnictwa precyzyjnego i sposobów różnicowania uprawy oraz dawek środków produkcji pozostanie aktualna i będzie nadal obowiązywać.

Autorzy książki składają serdeczne podziękowania Paniom Annie Jędrejek, Małgorzacie Kozak i Małgorzacie Wydrze za pomoc przy technicznym opracowaniu podręcznika.

Stanisław Samborski

Wprowadzenie

Rolnicy od tysiącleci obcują ze zmiennością przestrzenną (ang. spatial variability) pól uprawnych i wynikającym z niej zróżnicowanym plonowaniem roślin. Jednak zmienność plonu w obrębie pól wciąż budzi chęć lepszego poznawania jej źródeł i skutecznych sposobów jej ograniczania. Jest to inspiracją do badań w nauce, ale w praktyce rolniczej staje się źródłem trosk, choć często także pomysłowych rozwiązań, które zwiększają plony. Pierwszych wzmianek odnoszących się do zmienności pól uprawnych można doszukać się już w Biblii, w przypowieści o siewcy, gdzie jest napisane, że wysiane ziarna padły na różną glebę i w zależności od tego wydały też rozmaity plon. Jednak mimo świadomości dużej zmienności przestrzennej ziem uprawnych rolnicy uprawiali i zazwyczaj nadal uprawiają je w ten sam sposób, tj. stosując środki produkcji w jednakowej ilości na całym polu. Owszem, w najbiedniejszych rejonach świata czy też przy bardzo małej skali produkcji dość często nawozi się czy nawadnia pojedyncze rośliny indywidualnie, czyli można uznać, że bardzo precyzyjnie. Niemniej takie metody ze względu na pracochłonność mają niewielkie zastosowanie przy większej skali produkcji. Na początku lat 90. ubiegłego stulecia na skutek bardzo dużego postępu technologicznego pojawił się nowy system rolnictwa, nazywany rolnictwem precyzyjnym (ang. precision agriculture lub precision farming). Ten system rolnictwa, jak podaje jego pierwsza, bardziej szczegółowa, oficjalna definicja (US House of Representatives 1997), to:

"produkcja opierająca się na łączeniu różnych źródeł informacji tak, aby w długim przedziale czasu zwiększyć efektywność wykorzystania środków produkcji, wydajność i dochodowość w obrębie poszczególnych pól i całego gospodarstwa. Przy jedoczesnym ograniczeniu niezamierzonego negatywnego wpływu na dziką przyrodę i środowisko".

Często podaje się jednak znacznie prostszą definicję rolnictwa precyzyjnego: stosowanie właściwych środków produkcji we właściwej ilości, we właściwym czasie i miejscu na polu. Jednak, jak wiadomo, w innych systemach rolnictwa też zaleca się, co zrozumiałe, stosowanie tylko właściwych środków produkcji i we właściwym czasie.

Co jest zatem odrębną cechą rolnictwa precyzyjnego? Możliwość stosowania środków produkcji (nawozów, pestycydów, nasion, wody) w różnej ilości, dostosowanej do zróżnicowanych warunków produkcyjnych w obrębie pola (ang. site-specific crop management, SSCM).

Celem rolnictwa precyzyjnego jest:

- poprawa efektywności wykorzystania środków produkcji,

- zwiększenie wydajności pracy ludzi i maszyn,

- usprawnienie zarządzania i poprawa warunków pracy w gospodarstwie,

- redukcja kosztów produkcji,

- optymalizacja jakości płodów rolnych,

- ograniczenie zanieczyszczenia środowiska,

- poprawa stopnia zrównoważenia systemu uprawy, czyli dobór dawki środka produkcji do zróżnicowanego przestrzennie na niego zapotrzebowania.

Gdy mówimy o rolnictwie precyzyjnym pojawiają się też pytania. Jakie jest jego odniesienie do pozostałych systemów rolnictwa? Jakie są jego możliwe zastosowania? Można uznać, że rolnictwo precyzyjne może być częścią składową każdego innego systemu rolnictwa. Rozwiązania rolnictwa precyzyjnego w systemie rolnictwa ekologicznego będą możliwe do wykorzystania, z wyjątkiem tych odnoszących się do stosowania zmiennej dawki większości pestycydów i nawozów mineralnych. Ale na przykład wykonanie map zróżnicowania zasobności gleby w składniki pokarmowe w obrębie pola będzie jak najbardziej możliwe i uzasadnione. Użycie precyzyjnych urządzeń do niechemicznego zwalczania chwastów będzie specyficznym sposobem wykorzystania rozwiązań rolnictwa precyzyjngo w rolnictwie ekologicznym. Natomiast wszystkie rozwiązania rolnictwa precyzyjnego mogą być z powodzeniem wykorzystywane w rolnictwie integrowanym. Sama jego nazwa mówi, że system ten integruje - czyli łączy - wszelkie rozwiązania korzystne w rolnictwie ze względów ekonomicznych, środowiskowych i społecznych. Stosowanie zmiennej dawki środka produkcji jest swoistą cechą rolnictwa precyzyjnego. To daje z kolei możliwość dostosowania wielkości tej dawki do zróżnicowanych właściwości chemicznych i fizycznych gleby, potrzeb pokarmowych roślin, potencjału plonowania czy nasilenia występowania agrofaga. Prowadzi zatem do większej równowagi między potrzebami a dawką zastosowanego środka produkcji i jest nieodzownym elementem rolnictwa zrównoważonego.

Dlaczego powstał system rolnictwa precyzyjnego? Wynikało to z potrzeby zwiększenia wydajności maszyn, obniżenia kosztów jednostkowych produkcji i zwiększenia efektywności wykorzystania stosowanych środków produkcji, co skutkuje ograniczeniem ich negatywnego wpływu na środowisko. Uprawa roślin jest prowadzona na coraz większych polach, co zazwyczaj przyczynia się do zwiększenia ich zmienności, na skutek scalania ziem uprawnych w przeszłości uprawianych odmiennie. Takie praktyki sprawiają jednak, że na dużych obszarach stosuje się te same dawki środków produkcji, a w efekcie uzyskuje się słabsze ich wykorzystanie, gdyż nie wszędzie jest taka potrzeba. Większe powierzchnie pól to teoretycznie również mniejsze możliwości traktowania wybranych obszarów indywidualnie. Jednak takie podejście do stosowania środków produkcji jest obecnie możliwe dzięki wdrażaniu rozwiązań rolnictwa precyzyjnego w zakresie: lokalizacji obiektów z użyciem odbiorników GPS (ang. Global Positioning System), systemów informacji geograficznej (GIS, ang. Geographic Information System), zbierania danych przy użyciu czujników i mierników, stosowania zmiennej dawki środków produkcji. Na przestrzeni lat system rolnictwa precyzyjnego rozwijał się. Początkowo było to tworzenie map zróżnicowania zasobności gleby w składniki pokarmowe, następnie map zróżnicowania plonu roślin w obrębie pola i stosowanie zróżnicowanej dawki nawozów zależnie od wspomnianego zróżnicowania zasobności gleby i plonów roślin. Ostatnie lata to znaczny postęp w zakresie stosowania zmiennej dawki nawozów azotowych, retardantów, fungicydów i desykantów na podstawie rejestrowanego przez czujniki naziemne, z powietrza i satelitarne stanu łanu roślin. Przyczyniły się do niego również szybko rozwijające się i bardzo dobrze przyjmujące się w praktyce systemy nawigacji ciągników i maszyn oraz automatycznej kontroli szerokości roboczej maszyn, takich jak m.in. rozsiewacze, opryskiwacze i siewniki. Ogromna ilość danych gromadzona w rolnictwie dzięki wymienionym systemom sprawia, że coraz częściej do rolnictwa precyzyjnego odnosi się też angielski termin big data, oznaczający bardzo duże i różnorodne zbiory danych, których przetwarzanie i analiza jest trudna, ale jednocześnie - po ich umiejętnej interpretacji - może prowadzić do zdobycia nowej, praktycznej wiedzy. Ze względu na sposób gromadzenia i użyteczność danych pozyskiwanych w rolnictwie precyzyjnym stosowane rozwiązania można podzielić na gromadzące bardzo dużo informacji (ang. information intensive) oraz oferujące rolnikowi dużo wiedzy możliwej do natychmiastowego wykorzystania (ang. embodied knowledge). Przykładem tego pierwszego rozwiązania jest rejestracja danych plonu roślin, gdzie gromadzona jest bardzo duża ilość informacji, ale do jej interpretacji i praktycznego wykorzystania potrzebna jest również duża wiedza rolnika lub osób doradzających. Podobnie jest też z wykorzystaniem w rolnictwie bezzałogowych systemów latających (BSL), potocznie nazywanych dronami. Możliwości ich praktycznego używania w przyszłości będą bardzo duże, ale aby gromadzona przez te systemy wiedza była użyteczna, potrzebna jest większa automatyzacja samego procesu zbierania i przetwarzania danych oraz ich interpretacji i szybkiego wprowadzenia w użycie zgromadzonej wiedzy. Natomiast do systemów już oferujących rolnikowi dużo wiedzy możliwej do natychmiastowego wykorzystania można zaliczyć nawigację ciągników i maszyn oraz automatyczną kontrolę szerokości roboczej maszyn. W tym przypadku, aby właściwie wykorzystywać wspomniane systemy, nie jest wymagana jakaś znacząca dodatkowa wiedza. Dlatego ze względu na łatwość i intuicyjność obsługi wynikającą z dużej automatyzacji, są one znacznie szybciej i w znacznie większej liczbie gospodarstw wdrażane niż aplikacje gromadzące dużo informacji. Przy obecnym postępie w automatyzacji i szybkości przetwarzania danych można zakładać, że systemy, które obecnie gromadzą dużą, wciąż trudną do interpretacji ilość danych, w przyszłości staną się praktycznymi rozwiązaniami (ang. application) wykorzystywanymi w rolnictwie.

Wdrażanie narzędzi rolnictwa precyzyjnego może być brane pod uwagę przez różnego typu i różnej wielkości gospodarstwa. Ale zawsze podstawą jego wprowadzania powinna być opłacalność bądź usprawnienie zarządzania i poprawa warunków pracy w gospodarstwie, które pośrednio też przyczyniają się do zwiększenia opłacalności produkcji. Często kontrowersje odnośnie do możliwości rozwoju rolnictwa precyzyjnego w Polsce budzi fakt bardzo dużego rozdrobnienia gospodarstw. Znaczna część obecnie oferowanych rozwiązań rolnictwa precyzyjnego jest w małych gospodarstwach wciąż nieopłacalna. Jednak znaczącą rolę w opracowaniu rozwiązań dla małych gospodarstw może odegrać duża pomysłowość polskich rolników, obserwacja ich lokalnych potrzeb i badania nad takimi rozwiązaniami, które usprawnią pracę w mniejszych gospodarstwach. Pierwszym krokiem we wdrażaniu bardzo prostych rozwiązań rolnictwa precyzyjnego w małych gospodarstwach powinno być systematyczne pobieranie i analiza próbek glebowych. To pozwoli na określenie zasobności gleby w składniki pokarmowe i pH gleby. Przy użyciu odbiornika GPS w telefonie można określić położenie geograficzne tych próbek w obrębie pola, a następnie przy użyciu systemu informacji geograficznej, np. w wersji demonstracyjnej - bezpłatnej, wykonać mapy zasobności i pH gleby. Na ich podstawie można opracować mapy stosowania zmiennych dawk nawozów. Samo wykonanie wysiewu zmiennych dawek nawozów często nie będzie możliwe w małych gospodarstwach, ale można to zrobić "ręcznie", zwiększając bądź zmniejszając np. dawkę wapna tam, gdzie taka potrzeba jest wyraźnie widoczna na mapie. Jest też pewnie kwestią kilku, kilkunastu lat, kiedy do użycia w małych gospodarstwach wejdą tanie systemy nawigacji ciągników i maszyn. Proces ten powinna przyśpieszyć zaradność polskich rolników oraz bardzo duża liczba gospodarstw, w których takie rozwiązania mogłyby usprawnić ich pracę. Ostatnie lata to także wzrost liczby systemów automatycznej kontroli szerokości roboczej maszyn wykorzystywanych w gospodarstwach już kilkudziesięciohektarowych. Zastosowanie tych systemów daje natychmiastowe oszczędności w środkach produkcji, dość szybko zatem przynosi zwrot kosztów poniesionych na inwestycję i znacznie poprawia komfort pracy w produkcji roślinnej. Wdrażanie rozwiązań rolnictwa precyzyjnego w gospodarstwach dużych i bardzo dużych jest już powszechne w Polsce. Ze względu na dużą dostępność rozmaitych technologii nadąża ono za światowymi trendami w tym zakresie. Skala wdrożenia rolnictwa precyzyjnego w gospodarstwie może być bardzo różna, np. począwszy od oznakowania miejsc pobrania próbek glebowych przy użyciu odbiornika GPS, po stosowanie zmiennej dawki każdego ze środków produkcji: nawozów, pestycydów, nasion i wody do nawodnień.

Czy w każdym z ww. przypadków powinniśmy mówić już o systemie rolnictwa precyzyjnego? Myślę, że dokładniejsze będzie stwierdzenie, iż wykorzystujemy określone rozwiązania rolnictwa precyzyjnego. Dopiero wówczas, gdy kilka z nich jest wdrożonych i na podstawie jednego źródła pozyskanej informacji, np. mapy zróżnicowania zasobności gleby w składniki pokarmowe w obrębie pola, podejmujemy jakieś działanie, w tym przypadku tworzymy mapę zmiennej dawki nawozu i go wysiewamy, zaczynamy mówić o systemie rolnictwa precyzyjnego. Im system ten staje się bardziej rozbudowany, ale i przemyślany, tym dostrzegamy więcej korzyści z niego wynikających.

Stanisław Samborski

1.1.WSTĘP

Bardzo często nawet na niewielkich polach, o powierzchni mniejszej niż 1 ha, można zaobserwować różnice dotyczące barwy i innych właściwości gleby, trudności w uprawie oraz zróżnicowanie plonów roślin (Błaszczak 2001, Usowicz i in. 2004, Kiepul 2008, Podlasiński 2013, Gałka i in. 2016). Co więcej, w tym samym miejscu danego pola plony mogą być bardzo różne - od bardzo niskich do bardzo wysokich - w zależności od przebiegu pogody w poszczególnych latach. W lata suche bywają niskie na obszarach piaszczystych i wyżej położonych, wrażliwych na suszę, i bardzo wysokie na obszarach gleb zwięzłych, zwłaszcza niżej położonych. W lata mokre sytuacja bywa odwrotna. Wynika to stąd, że w różnych miejscach jednego pola mogą występować inne, niekiedy przeciwstawne czynniki ograniczające plony i utrudniające użytkowanie gruntu. Konsekwencją tej sytuacji jest to, że stosowanie jednolitych (takich samych) zabiegów i dawek nawozów na wyraźnie zróżnicowanym polu może mieć negatywne skutki ekonomiczne i środowiskowe. Negatywne skutki ekonomiczne mogą polegać zarówno na zastosowaniu zbyt wysokich dawek środków produkcji w miejscach nisko plonujących, jak i na niewykorzystaniu potencjału plonowania miejsc najbardziej urodzajnych przez zbyt niskie nawożenie lub dawki innych środków produkcji, jeśli są one stałe (takie same) na całym polu. Z punktu widzenia środowiskowego szczególnie niekorzystne jest stosowanie zbyt wysokich dawek azotu i innych składników w miejscach o niskim potencjale plonowania, zwłaszcza w sąsiedztwie otwartych cieków lub zbiorników wodnych oraz tam, gdzie wody gruntowe występują na niewielkiej głębokości. Warto dodać, że pojawianie się chorób, szkodników i chwastów oraz rozwój ich populacji przebiega różnie, w zależności od miejsca na polu i przebiegu pogody w danym okresie wegetacyjnym (Radomski 1987). Dlatego jednym z najważniejszych aspektów rolnictwa precyzyjnego w produkcji roślinnej jest zróżnicowane zabiegów uprawowych oraz dawek środków produkcji w ramach jednego pola w zależności od miejsca i czasu wykonywania. Z punktu widzenia rolnictwa precyzyjnego zmienność pól odnosi się przede wszystkim do gleby, ale nie tylko - duże znaczenie ma również otoczenie, budowa geologiczna terenu i inne czynniki, takie jak poziom wód gruntowych, rzeźba terenu czy historia użytkowania.

1.2.ZMIENNOŚĆ PÓL UPRAWNYCH - ŹRÓDŁA/PRZYCZYNY

Z punktu widzenia rolnictwa precyzyjnego największe znaczenie mają te czynniki, które wykazują:

- znaczną zmienność w obrębie pojedynczych pól,

- silny wpływ na plony roślin uprawnych lub użytkowanie pola.

Należy podkreślić, że chodzi tu zarówno o te czynniki, na które rolnik ma mniejszy lub większy wpływ, takie jak np. odczyn gleby czy zasobność w składniki pokarmowe, jak i takie, na które wpływ rolnika jest ograniczony lub żaden, ale może i powinien dostosować do nich nawożenie i inne zabiegi agrotechniczne. Należą do nich np. rzeźba i budowa geologiczna terenu oraz uziarnienie gleby.

Głównymi przyczynami zmienności pola są przede wszystkim czynniki glebotwórcze (Gleboznawstwo 2015). Zalicza się do nich skałę macierzystą, klimat, organizmy żywe, wodę, działalność człowieka, czas i rzeźbę terenu, które często oddziałują na siebie wzajemnie w wieloraki sposób (rys. 1.1). W skali pola, która ma decydujące znaczenie dla rolnictwa precyzyjnego, długoterminowe oddziaływanie czasu w znaczeniu czynnnika glebotwórczego można pominąć. Warunki klimatyczne są względnie jednolite w ramach pojedynczego pola, a zmienność mikroklimatu zależy przede wszystkim od czynników topograficznych, glebowych i najbliższego sąsiedztwa. Najważniejszymi czynnikami różnicującymi gleby w Polsce, również w skali pola, są skały macierzyste i rzeźba terenu (Bednarek i Prusinkiewicz 1990). Należy uwzględnić również ukształtowanie terenu, obecność cieków i zbiorników wodnych oraz lasów lub zadrzewień w bezpośrednim sąsiedztwie, które mają znaczący wpływ na stosunki wodne, mikroklimat, a także niebezpieczeństwo skażenia środowiska stosowanymi środkami produkcji. Duże znaczenie ma działalność człowieka, a w szczególności historia uprawy oraz nawożenia mineralnego i organicznego/naturalnego.

Rysunek 1.1.

Główne aspekty zmienności pól i wzajemne powiązania pomiędzy nimi

Źródło: opracowanie własne.

Wymienione aspekty są często ze sobą ściśle powiązane, gdyż stosunki wodne zależą od właściwości gleby oraz rzeźby terenu (Strzemski i in. 1973), zróżnicowane użytkowanie może doprowadzić nawet do przekształcenia jednego typu gleby w inny (Gałka i in. 2016), a warunki topograficzne są ważnym czynnikiem współuczestniczącym w jej powstawaniu (Gleboznawstwo 2015). Mimo to, dla klarowności wywodu, aspekty te będą omawiane oddzielnie.

1.2.1.ZMIENNOŚĆ GLEB (I BUDOWY GEOLOGICZNEJ)

Zmienność gleb w największym stopniu decyduje o zmienności pola. Ich właściwości decydują przede wszystkim o możliwych do uzyskania plonach, wykonalności zabiegów uprawowych i pielęgnacyjnych oraz oporach stawianych przy uprawie mechanicznej, a także o niebezpieczeństwie wystąpienia i nasileniu erozji wodnej i wietrznej gleby. Do najważniejszych właściwości gleby z punktu widzenia użytkowania rolniczego należą: uziarnienie, stosunki wodno-powietrzne, struktura, zwięzłość, przylepność, pH i właściwości sorpcyjne, zawartość materii organicznej, zasobność w składniki pokarmowe, aktywność biologiczna i zasolenie. Podobnie jak czynniki glebotwórcze, również poszczególne właściwości gleby są od siebie wzajemnie uzależnione, bezpośrednio lub pośrednio (rys. 1.2), jednostronnie lub dwustronnie. Na przykład uziarnienie, a ściślej - zawartość minerałów ilastych, umożliwia tworzenie połączeń organiczno-mineralnych, a zatem sprzyja zwiększeniu zawartości materii organicznej, jednak ta ostatnia nie wpływa na uziarnienie. Z drugiej strony odczyn determinuje aktywność biologiczną gleby (możliwość życia określonych mikroorganizmów), jednak wszelkie organizmy oddychające tlenowo wydzielają dwutlenek węgla, który przyczynia się do zakwaszenia gleby, czyli zmiany odczynu. Rysunek 1.2, chociaż bardzo uproszczony, pokazuje złożoność zależności między różnymi właściwościami gleby. Warto jednak zauważyć, że najbardziej wszechstronny wpływ na nie wykazuje uziarnienie, zawartość materii organicznej i aktywność biologiczna gleby.

1.2.1.1.UZIARNIENIE GLEBY

Uziarnienie gleby jest chyba najważniejszą jej właściwością. Jest to cecha względnie stabilna (niezmienna) w czasie i wpływa (bezpośrednio lub pośrednio) na niemal wszystkie pozostałe własności gleby (rys. 1.2). Z punktu widzenia rolnictwa do najważniejszych właściwości ściśle powiązanych z uziarnieniem należą stosunki wodno-powietrzne (pojemność wodna gleby oraz jej zdolność do odprowadzania nadmiaru wody) oraz przylepność, plastyczność i zwięzłość, które decydują o możliwości poruszania się po polu oraz oporach stawianych przy zabiegach uprawowych.

Rysunek 1.2.

Zależności między wybranymi właściwościami gleby

Źródło: opracowanie własne.

Uziarnienie gleby jest utożsamiane z jej składem granulometrycznym. Warto jednak podkreślić, że określenie uziarnienie, odpowiadające angielskiemu terminowi texture, ma bardziej znaczenie jakościowe i odnosi się głównie do wzajemnych relacji między cząstkami różnej wielkości w glebie, a skład granulometryczny (ang. particle size distribution) dotyczy zawartości cząstek o określonej wielkości, czyli jest używane bardziej w kontekście ilościowym. Uziarnienie gleby może być oznaczone w sposób przybliżony, organoleptyczny w warunkach polowych (por. rozdział 25), lub dokładnie, jako skład granulometryczny w laboratorium. Najważniejszymi metodami są: metoda areometryczna, pipetowa i laserowa.

W Polsce istnieją dwie grupy klasyfikacji uziarnienia (tab. 1.1). Podstawową różnicą między nimi jest arbitralnie ustalona granica średnicy cząstek pomiędzy tak zwanymi częściami szkieletowymi (żwir, kamienie i głazy) a ziemistymi (piasek, pył i ił/części spławialne). Starsze i nowsze klasyfikacje uziarnienia nie są ze sobą bezpośrednio porówywalne ze względu na różne wartości rozgraniczające części szkieletowe od ziemistych oraz rozgraniczenia podstawowych frakcji części ziemistych (Bielska i in. 2014), co obrazuje tabela 1.2. Odpowiednie przeliczenie i określenie grupy granulometrycznej, zarówno według starszych, jak i nowszych klasyfikacji uziarnienia, jest możliwe wyłącznie przy laboratoryjnym oznaczeniu wszystkich frakcji gleby wyróżnionych w obydwu klasyfikacjach. Przy najczęściej stosowanych analizach uproszczonych wykonanych pod kątem tylko jednej klasyfikacji możliwe jest jedynie przybliżone określenie prawdopodobnych odpowiedników w drugiej klasyfikacji (tab. 1.3).

Tabela 1.1.

Główne klasyfikacje uziarnienia gleb stosowane w Polsce

Górna granica średnicy cząstek ziemistych

Klasyfikacja

Źródło

Zastosowanie

1 mm

PTG/Musierowicz 1956

Musierowicz (1956), Strzemski i in. (1973), Systematyka gleb Polski (1989)

klasyfikacja bonitacyjna oraz wykonywanie map glebowo-rolniczych

PTG 1956-59

Przyrodniczo-genetyczna klasyfikacja gleb Polski (1956), Genetyczna klasyfikacja gleb Polski (1959)

wiele prac badawczych i publikacji

BN-78/9180-11

BN-78/9180-11

podstawa do określania kategorii agronomicznych gleby

Kategorie agronomiczne gleby

IUNG (1990)

doradztwo nawozowe, diagnostyka stanu zagrożenia gleb

2 mm

PTG 2008

Polskie Towarzystwo Gleboznawcze (2009)

adaptacja i uszczegółowienie powszechnie przyjętego w świecie systemu USDA (Schoeneberger i in. 2012)

Kategorie ciężkości agrotechnicznej gleby

Polskie Towarzystwo Gleboznawcze (2009)

proponowane odpowiedniki stosowanych dotychczas kategorii agronomicznych gleby, jednak nadal nieobowiązujące

Źródło: opracowanie własne.

Tabela 1.2.

Graniczne średnice cząstek glebowych zaliczanych do różnych frakcji granulometrycznych w najważniejszych klasyfikacjach stosowanych w Polsce

Grupa klasyfikacja uziarnienia

Średnica cząstek glebowych

[mm]

> 75

75-20

20-2

2-1

1-0,1

0,1-0,05

0,05-0,02

0,02-0,002

< 0,002

Starsze (PTG/Musierowicz 1956 i in.)

Części szkieletowe

Części ziemiste

kamienie

żwir

piasek

pył

części spławialne

Nowsze (PTG 2008, USDA)

Części szkieletowe

Części ziemiste

frakcja blokowa, głazowa i kamienna

frakcja żwirowa

frakcja piaskowa

frakcja pyłowa

frakcja iłowa

Źródło: opracowanie własne na podstawie Bielska i in. 2014.

Z punktu widzenia rolniczego w Polsce większe znaczenie mają starsze klasyfikacje uziarnienia, w których ustalono górną granicę średnicy części ziemistych na 1 mm. Wynika to stąd, że na podstawie tych klasyfikacji określono klasy bonitacyjne gleby i wykonano mapy glebowo-rolnicze. Starsza klasyfikacja uziarnienia, określana zwykle jako PTG, ma dwie odmiany, nieznacznie różniące się między sobą. Jedna z nich, tutaj opisana jako PTG/Musierowicz 1956, miała zastosowanie w klasyfikacji bonitacyjnej oraz wykonywaniu map glebowo-rolniczych, jednak najbardziej jasno i jednoznacznie została opisana w roku 1973 (Strzemski i in.) oraz w IV wydaniu Systematyki gleb Polski (1989), kiedy określono graniczne zawartości żwiru i/lub kamieni dla utworów kamienistych i żwirowych. W niniejszej publikacji przyjęto, że graniczna zawartość piasku rozdzielająca gliny od iłów wynosi 9%, tak jak ustaliła to Norma Branżowa BN-78/9180-11 w roku 1978.

Druga odmiana starszej klasyfikacji uziarnienia PTG, tutaj określona jako PTG 1956-59, została opisana w roku 1956 w Przyrodniczo-genetycznej klasyfikacji gleb Polski oraz w Genetycznej klasyfikacji gleb Polski (1959). Jedyna różnica między obiema klasyfikacjami jest taka, że wyróżnione w PTG/Musierowicz 1956 gliny lekkie i gliny lekkie pylaste zostały w PTG 1956-59 rozdzielone na lekkie silnie spiaszczone i lekkie silnie spiaszczone pylaste oraz lekkie słabo spiaszczone i lekkie słabo spiaszczone pylaste (tab. 1.3, rys. 1.3). Wspomniana już norma branżowa BN-78/9180-11 jest nieznacznym uszczegółowieniem omówionych wyżej klasyfikacji: wcześniejsze gliny lekkie podzielono na piaszczyste (wcześniej lekkie silnie spiaszczone) i lekkie (wcześniej lekkie słabo spiaszczone), wcześniejsze pyły zwykłe podzielono na piaszczyste, zwykłe i gliniaste, a z glin ciężkich dodatkowo wydzielono bardzo ciężkie oraz uściślono graniczne zawartości kamieni i żwiru dla utworów kamienistych i żwirowych oraz piasku dla iłów. Generalizacją normy branżowej są kategorie agronomiczne (IUNG 1990), które obecnie obowiązują w doradztwie nawozowym (Kęsik 2016) do wyceny zasobności gleb, potrzeb wapnowania, a także w monitoringu suszy (SMSR) prowadzonym przez IUNG. Dlatego w niniejszym podręczniku będą stosowane głównie starsze klasyfikacje uziarnienia, czyli PTG/Musierowicz 1956 i kategorie agronomiczne. Nowsze klasyfikacje uziarnienia, w których określono górną granicę części ziemistych na 2 mm, są w pełni kompatybilne z szeroko stosowaną na świecie klasyfikacją USDA (Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych, ang. United States Department of Agriculture, za Schoenenberger 2012). Klasyfikacja uziarnienia gleb i utworów mineralnych 2008 (Polskie Towarzystwo Gleboznawcze 2009) jest pewnym uszczegółowieniem wspomnianej klasyfikacji USDA i obowiązuje w gleboznawstwie.

Zgodnie z podziałem gleb na kategorie agronomiczne (IUNG 1990, rys. 1.3 i tab. 1.3) są one dzielone na bardzo lekkie, lekkie, średnie i ciężkie. Gleby bardzo lekkie, zawierające do 10% części spławialnych oraz do 40% pyłu, stanowią około 28% użytków rolnych (UR) wg cyfrowej Mapy Glebowo Rolniczej 1:25000 (Łopatka 2017) i są zwykle łatwe w uprawie (z wyjątkiem gleb o dużej zawartości części szkieletowych, szczególnie większych), ale jednocześnie wrażliwe na suszę i zakwaszanie oraz ubogie w składniki pokarmowe. Gleby lekkie (10-20% części spławialnych, ale w wypadku gleb zawierających ponad 40% pyłu również 0-10% części spławialnych) stanowiące około 30% UR (bez pyłów zwykłych, z których część jest glebami lekkimi, a część średnimi, w sumie stanowią zaś 6% UR w Polsce) są nieco trudniejsze, ale nadal raczej łatwe w uprawie, mniej wrażliwe na suszę i zakwaszenie oraz bogatsze w składniki pokarmowe. Gleby średnie (20-35% części spławialnych), czyli około 14% UR (bez pyłów zwykłych), są najkorzystniejsze z punktu widzenia rolniczego, gdyż charakteryzują się znaczną odpornością na występowanie zarówno nadmiaru, jak i niedoboru wody, naturalną żyznością (zasobnością), względną odpornością na zakwaszanie przy względnie łatwej uprawie. Gleby ciężkie (35% części spławialnych), czyli około 14% gleb Polski, są najczęściej zasobne w składniki pokarmowe i odporne na suszę i zakwaszanie, jednak zarazem trudne lub bardzo trudne w uprawie i wrażliwe na wystąpienie nadmiaru wody. W ramach każdej kategorii agronomicznej gleby pyłowe lub pylaste charakteryzują się korzystniejszymi właściwościami rolniczymi (dobry stosunek wody i powietrza w glebie oraz względnie łatwość w uprawie) przy jednoczesnym zwiększeniu podatności na erozję wodną i wietrzną. Gleby organiczne (około 8% UR, Łopatka 2017) są pod ochroną i nie mogą być użytkowane jako grunty orne.

Rysunek 1.3.

Diagramy przedstawiające klasyfikacje uziarnienia: PTG/Musierowicz 1956 (A), BN-78/9180-11 (B), kategorie agronomiczne gleby (C), PTG 2008/USDA (D)

Źródło: opracowanie własne z wykorzystaniem pakietu Soiltexture w programie R.

Tabela 1.3.

Kategorie agronomiczne gleby

Kategoria agronomiczna (IUNG 1990)

Grupy granulometryczne w starszych klasyfikacjach uziarnienia

Główne odpowiedniki wg PTG 2008

(USDA)*

PTG/Musierowicz 1956

PTG 1956-59

BN-89/9180-11

1. Gleby bardzo lekkie

żp** - żwir piaszczysty

żp - żwir piaszczysty

?

pl - piasek luźny

pl - piasek luźny

pl (S)

plp - piasek luźny pylasty***

plp - piasek luźny pylasty

pl i ps (S)

psg - piasek słabogliniasty

ps - piasek słabogliniasty

pl i ps (S), pg (LS)

psgp - piasek słabogliniasty pylasty***

psp - piasek słabogliniasty pylasty

pg (LS)

2. Gleby lekkie

żg** - żwir gliniasty

żg - żwir gliniasty

?

pgl - piasek gliniasty lekki

pgl - piasek gliniasty lekki

pg (LS)

pglp - piasek gliniasty lekki pylasty***

pglp - piasek gliniasty lekki pylasty

pg (LS), gp (SL)

pgm - piasek gliniasty mocny

pgm - piasek gliniasty mocny

gp/SL, pg/LS

pgmp*** - piasek gliniasty mocny pylasty

pgmp - piasek gliniasty mocny pylasty

gp i gl (SL)

płz - pył zwykły

płp - pył piaszczysty

gl/SL, gz/L

płz - pył zwykły

?

3. Gleby średnie

płg - pył gliniasty

gp/SL, gz/L, pyg/SiL

gl - glina lekka

glsip - glina lekka silnie spiaszczona

gp - glina piaszczysta

gp i gl (SL)

glsłp - glina lekka słabo spiaszczona

gl - glina lekka

gl i gp (SL), gpi (SCL), gz (L)

glp - glina lekka pylasta***

glsipp - glina lekka silnie spiaszczona pylasta

gpp - glina piaszczysta pylasta

gp i gl (SL)

glsłpp - glina lekka słabo spiaszczona pylasta

glp - glina lekka pylasta

gl i gp (SL), gz (L)

4. Gleby ciężkie

gs - glina średnia

gs - glina średnia

gpi (SCL), gl (SL), gz (L),

gsp*** - glina średnia pylasta

gsp - glina średnia pylasta

pyg i pyi (SiL), gz (L), gi (CL)

płi - pył ilasty

płi - pył ilasty

pyi i pyg (SiL)

gc - glina ciężka

gc - glina ciężka

gi (CL), iz (C)

gbc - glina bardzo ciężka

?

gcp - glina ciężka pylasta***

gcp - glina ciężka pylasta

pyi (SiL), gi (CL)

i - ił (ił bardzo ciężki)

i - ił

iz (C), ip (SiC), gpyi (SiCL)

ip - ił pylasty (ił ciężki)

ip - ił pylasty

pyi (SiL), gpyi (SiCL)

* opracowane na podstawie Drzymała i Mocek 2004, Kabała i Marzec 2007, Kobierski 2010 oraz wyników badań zrealizowanych w ramach Projektu BIOPRODUKTY (2013-2015)** przez żwiry rozumie się utwory, w których przeważa (> 50% masy gleby nieprzesianej) frakcja żwirowa*** we wcześniejszych klasyfikacjach odmiany niepylaste i pylaste piasków i glin były często traktowane jako jedna grupa granulometryczna, czyli np. pl i plp były traktowane jako piasek luźny

Uziarnienie gleby często ulega wyraźnym zmianom wraz z głębokością, co jest skutkiem procesów glebotwórczych lub geologicznych. Znajomość uziarnienia warstwy ornej ma podstawowe znaczenie przy ocenie potrzeb wapnowania, zasobności gleby w większość składników pokarmowych oraz uprawie mechanicznej. Jednak z punktu widzenia rolnictwa, nie tylko precyzyjnego, duże znaczenie ma również uziarnienie warstw głębszych, do głębokości około 100 cm, ponieważ znacznie wpływa ono na stosunki wodno-powietrzne gleby i potencjał plonowania w poszczególnych miejscach pola oraz ryzyko zanieczyszczenia wód gruntowych. Uziarnienie warstw głębszych jest również uwzględniane przy ocenie zawartości azotu mineralnego w glebie (Jadczyszyn i in. 2010) w celu opracowania zaleceń dla pierwszej dawki azotu wiosną oraz oceny zagrożenia zanieczyszczeniem wód gruntowych.

1.2.1.2.INNE WŁAŚCIWOŚCI GLEBY

Właściwości wodno-powietrzne

Właściwości powietrzno-wodne obejmują pojemność wodną gleby oraz jej przewietrzenie. Pojemność wodna oznacza ilość wody (roztworu glebowego), która jest zatrzymywana w glebie w przestworach (porach) małych i średnich, siłami kapilarnymi (Gleboznawstwo 2015). Przewietrzenie gleby oznacza nie tylko ilość powietrza znajdującego się w niej, lecz także możliwość jego wymiany z atmosferą, co jest możliwe dzięki większym porom, w których woda nie może być zatrzymana siłami kapilarnymi.

Niedobór wody jest jednym z czynników najsilniej ograniczających plony roślin uprawnych (Mueller i in. 2010). W Polsce wynika to głównie z dużego (> 50%, Łopatka 2017) udziału gleb piaszczystych, lekkich i bardzo lekkich, a właśnie w takich przeważają pory duże, nieutrzymujące wody. Zarazem jednak w naszym kraju znajduje się również dużo gruntów, których użytkowanie i urodzajność jest ograniczana przez okresowe nadmiary wody. Nadmiar wody jako taki nie jest szkodliwy dla roślin, jednak wiąże się z niedoborami powietrza, gdyż zarówno woda (roztwór glebowy) oraz powietrze konkurują ze sobą o wolną przestrzeń, czyli pory glebowe znajdujące się między cząstkami fazy stałej. Nadmierna wilgotność wpływa także na takie właściwości gleb średnich, a zwłaszcza ciężkich, jak przylepność i plastyczność. Utrudnia to uprawę mechaniczną i może nawet uniemożliwić poruszanie się maszyn rolniczych po polu i tym samym terminowe wykonanie zabiegów uprawowych i pielęgnacyjnych. Uprawa mechaniczna gleb ciężkich w stanie suchym również jest niewskazana, ponieważ wiąże się ze zwiększona zwięzłością gleb ciężkich i niekiedy średnich, a w konsekwencji dużymi oporami stawianymi narzędziom lub maszynom uprawowym i zwiększonym zużyciem paliwa oraz niszczeniem struktury gleby.

Roztwór glebowy jest utrzymywany siłami kapilarnymi w porach małych i średnich, a w porach dużych może się znaleźć tylko okresowo, po intensywnych opadach lub zalaniu terenu. Dlatego też stosunki wodno-powietrzne gleby zależą przede wszystkim od jej uziarnienia, a dodatkowo również od struktury, czyli stanu powiązania cząstek (Gleboznawstwo 2015). Struktura zaś zależy dodatkowo od zawartości materii organicznej oraz aktywności biologicznej gleby. Wszystkie te czynniki należy rozpatrywać nie tylko w odniesieniu do warstwy ornej, lecz także warstw głębszych - w wypadku roślin rolniczych do około 100 cm. Na możliwości zaopatrzenia korzeni roślin w wodę i powietrze w określonym obszarze pola wpływa również jego topografia (położenie w rzeźbie terenu) oraz cechy obszarów sąsiednich. Aspekty te będą omówione szerzej w kolejnych podrozdziałach.

Materia organiczna gleby

Materia organiczna jest niezbędnym składnikiem każdej gleby i wykazuje wszechstronny wpływ na większość jej właściwości. Składa się na nią próchnica lub inaczej humus (około 80% całości), resztki organiczne i biomasa, czyli wszystkie organizmy zasiedlające glebę. Materia organiczna, czyli przede wszystkim próchnica, znacząco modyfikuje stosunki powietrzno-wodne i aktywność biologiczną gleby oraz łagodzi negatywne skutki zakwaszenia, a w szczególności zawartość glinu wymiennego. W wyniku mikrobiologicznego rozkładu materii organicznej (około 1-2% całej materii organicznej gleby w ciągu roku) uwalniane są, w formie przyswajalnej dla roślin, składniki pokarmowe, z których największe znaczenie mają azot i siarka, zwłaszcza w rolnictwie ekologicznym i wczesną wiosną, przed zastosowaniem pierwszej dawki azotu na ruszenie wegetacji. Mikrobiologiczny rozkład materii organicznej zachodzi cały czas w warunkach korzystnej temperatury i wilgotności, czyli przez większą część okresu wegetacyjnego. Jest to główną przyczyną ubytków materii organicznej z gleb i musi być równoważone przez systematyczne dostarczanie świeżej materii organicznej. Jej źródłami są resztki pożniwne oraz nawozy naturalne i organiczne, do których należy również słoma, która w gospodarstwach bezinwentarzowych powinna być rozdrabniana i przyorywana w momencie zbioru wraz z niewielką dawką nawozu azotowego, przyśpieszającą jej rozkład i dostarczającą azotu roślinie następczej. Ma to szczególne znaczenie, gdy zamierza się na danym polu zasiać roślinę ozimą w krótkim czasie. W takiej sytuacji szeroki stosunek C:N, który jest charakterystyczny dla słomy, mógłby doprowadzić do pobrania całego azotu dostępnego w glebie przez mikroorganizmy glebowe.

Materia organiczna dostarczona do gleby ulega rozkładowi mikrobiologicznemu. W jego wyniku jej część jest mineralizowana, czyli rozkładana do prostych związków, takich jak dwutlenek węgla i woda, a część jest humifikowana, czyli przekształcana w próchnicę, względnie trwałą część materii organicznej.

Zawartość materii organicznej w glebie zależy nie tylko od jej bilansu ubytków i przychodów, lecz także od warunków wilgotnościowych oraz uziarnienia. Szczególna rolę odgrywa zawartość iłu koloidalnego (cząstki o średnicy < 0,002 mm), który tworzy z próchnicą połączenia ilasto-próchniczne. Jest to najtrwalsza forma próchnicy w glebie (Bielska i in. 2014). Gleby mineralne Polski zawierają średnio około 2% materii organicznej (1,15% węgla organicznego), której zawartość waha się najczęściej w zakresie od 0,76% (0,44% węgla organicznego) do 6,05% (3,51% węgla organicznego). Podwyższona zawartość materii organicznej w glebach mineralnych może wskazywać na nadmierną wilgotność i tym samym niedostateczne przewietrzenie (tab. 1.4).

Zawartość materii organicznej nawet w ramach jednego pola może się zmieniać w bardzo szerokich granicach, na przykład 0,85-5,72% C (dane niepublikowane, Bioprodukty 2013-2015), a nawet większych, jeśli na danym polu występują fragmenty gleb organicznych. Uwzględnienie takiej sytuacji jest konieczne w precyzyjnej produkcji roślinnej.

Tabela 1.4.

Ocena zawartości materii organicznej w glebach

Grupa gleb

Zawartość

Ocena zawartości

Wpływ na użytkowanie lub rośliny

C organicznego

materii organicznej

Mineralne właściwe

0,58%

< 1%

niska

Gleby nieaktywne biologicznie i zbyt suche

0,58-1,16%

1-2%

przeciętna

1,16-1,74%

2-3%

wysoka

Mineralne próchniczne

1,74-5,8%

3-10%

bardzo wysoka

Wyższe zawartości w tym przedziale mogą już wskazywać na nadmierne uwilgotnienie gleby

Mineralno-organiczne

5,8-12%

10-20%

-

Często występujące nadmierne uwilgotnienie

Organiczne

> 12%

> 20%

-

Stałe nadmierne uwilgotnienie

Źródło: opracowanie własne na podstawie Pastuszak i Igras (red.) 2012 oraz Wademekum klasyfikatora gleb, 2007, zmodyfikowane.

Układ i zagęszczenie gleby

Układ (zwięzłość) gleby opisuje wzajemne powiązania cząstek i agregatów glebowych (Gleboznawstwo 2015) między sobą. Zwięzłość zależy głównie od uziarnienia, zawartości materii organicznej i struktury oraz stopnia zagęszczenia (ubicia, kompaktacji). Szczególnie to ostatnie zjawisko ma znaczenie w nowoczesnym rolnictwie na gruntach ornych, ze względu na stosowanie coraz wydajniejszych, ale także cięższych ciągników i maszyn rolniczych, które mogą powodować ugniecenie gleby do głębokości kilkudziesięciu centymetrów. Również gleba pastwisk może być nadmiernie zbita w przypadku dużej obsady zwierząt (Gleboznawstwo 2015). Konsekwencją nadmiernego zagęszczenia są zwiększone opory stawiane przy uprawie mechanicznej, a tym samym wzrost zużycia paliwa, utrudnienie lub nawet uniemożliwienie rozrastania się korzeni oraz pogorszenie przewietrzenia gleby.

Odczyn oraz właściwości sorpcyjne i buforowe gleby

Odczyn gleby dostarcza informacji o stopniu jej kwasowości lub zasadowości i jest prawdopodobnie najważniejszą właściwością chemiczną ograniczającą plony roślin uprawnych. Odczyn jest określany przez wartość pH mierzonego w wyciągu glebowym, a pH jest definiowane jako ujemny logarytm stężenia jonów wodorowych w roztworze. Z punktu widzenia chemicznego wartość pH = 7 oznacza odczyn obojętny, pH < 7 odczyn kwaśny, a pH > 7 odczyn zasadowy (Gleboznawstwo 2015). Laboratoryjne metody oznaczania pH są wykonywane w wyciągach glebowych, sporządzonych przez zalanie określonej porcji (masy lub objętości) gleby określoną ilością wody dejonizowanej lub roztworu ekstrakcyjnego, takiego jak chlorek wapnia (CaCl2) lub potasu (KCl) o określonym stężeniu (Gleboznawstwo 2015). W Polsce do celów doradztwa nawozowego stosuje się 1-molowy wyciąg chlorku potasu (tab. 1.5).

Odczyn gleby zależy przede wszystkim od uziarnienia i skały macierzystej. W warunkach klimatu wilgotnego, w którym opady przeważają nad parowaniem, występuje naturalna tendencja do zakwaszania gleb. W Polsce jest to jeden z głównych czynników ograniczających plony. Gleby silnie kwaśne stanowią ok. 15%, a gleby kwaśne 28% wszystkich gleb (Ochal 2015). Zgodnie z wynikami Monitoringu chemizmu gleb ornych Polski (Siebielec i in. 2012) w Polsce nie ma gleb silnie zasadowych, o podwyższonej zawartości sodu wymiennego, niemniej w wielu krajach świata o klimacie suchym zasadowość jest czynnikiem ograniczającym plony roślin uprawnych. Dodatkowymi czynnikami zakwaszającymi są stosowanie nawozów mineralnych, głównie zawierających azot w formie amonowej, oraz biologiczne wiązanie azotu (Hatfield i in. 2005). Szybkość zakwaszania gleby zależy od jej właściwości buforowych (zdolności do przeciwstawiania się zmianom odczynu), uzależnionych przede wszystkim od uziarnienia i pojemności sorpcyjnej oraz zawartości materii organicznej i węglanów.

Tabela 1.5.

Graniczne wartości pH dla poszczególnych klas odczynu gleby

Odczyn

pHKCl

pHH2O

Wpływ na rośliny

Silnie kwaśny

< 4,5

< 5,0

toksyczność glinu wymiennego dla większości roślin

Kwaśny

4,5-5,5

5,0-6,0

szkodliwy dla roślin wrażliwych na zakwaszenie

Słabo (lekko) kwaśny

5,5-6,5

6,0-6,7

korzystny dla większości roślin uprawnych

Obojętny

6,5-7,2

6,7-7,4

Zasadowy

7,2-8,5

7,4-8,5

ograniczona dostępność niektórych mikroskładników

Silnie zasadowy

> 8,0

> 8,5

szkodliwe oddziaływanie sodu wymiennego*

Źródło: opracowanie własne na podstawie Gleboznawstwo 2015 oraz Wademekum klasyfikatora gleb 2007.* w Polsce nie występuje, z wyjątkiem gleb zmienionych antropogenicznie (na skutek działalności człowieka)

Spośród wielu rodzajów sorpcji występujących w glebie największe znaczenie ma sorpcja wymienna kationów, zarówno o charakterze kwaśnym (H+ i Al3+), jak i zasadowym, z których część jest ważnymi składnikami pokarmowymi (Ca++, Mg++ i K+). Polega ona na przyciąganiu kationów przez koloidy glebowe mineralne oraz organiczne, które mają ładunek ujemny. Sorpcja ta chroni kationy przed wymywaniem, mimo to są one nadal dostępne dla roślin. Kationy zasorbowane przez koloidy znajdują się w stanie równowagi z kationami występującymi w roztworze glebowym, z którego mogą być pobierane przez korzenie. W glebach silnie kwaśnych szczególne znaczenie ma wysoka zawartość glinu wymiennego, który jest szkodliwy dla większości roślin uprawnych. Do oceny zdolności sorpcyjnych gleb wykorzystuje się pojemność wymiany kationów (PWK, ang. CEC od cation exchange capacity), która jest tym większa, im większa jest zawartość w glebie iłu koloidalnego i próchnicy.

Proces zakwaszania powoduje, że niezbędne jest regularne wapnowanie gleb. Ze względu na często spotykane zróżnicowanie gleb na jednym polu, które dotyczy również odczynu, pojemności sorpcyjnej i właściwości buforowych, uzasadnione jest stosowanie różnych dawek wapna w różnych miejscach pola (por. rozdział 14).

Zasobność w składniki pokarmowe

Azot jest najczęściej głównym czynnikiem ograniczającym plony w warunkach nawadniania oraz przy uregulowanym odczynie gleby. Może być pobierany przez rośliny głównie w formie jonów amonowych i azotanowych z gleby oraz mocznika, przez korzenie lub zielone części roślin. W warunkach naturalnych - przy braku nawożenia azotowego - najważniejszym źródłem azotu jest mikrobiologiczny rozkład materii organicznej, w którego wyniku powstają jony amonowe. W warunkach tlenowych jony te mogą ulegać nitryfikacji powodowanej przez bakterie. W Polsce przy opracowywaniu zaleceń nawozowych wykorzystuje się test oceny zawartości azotu mineralnego (Nmin), obejmujący oznaczenie obu formy tego składnika, który jest wykonywany w stacjach chemiczno-rolniczych (tab. 1.6), w próbkach glebowych pobranych do głębokości 60 lub nawet 90 cm (Jadczyszyn i in. 2010). Należy jednak pamiętać, że zawartość azotu mineralnego w glebie może podlegać znacznym zmianom w krótkim czasie. Azot azotanowy, a także amonowy (szczególnie w glebach przepuszczalnych) może być szybko wymywany po intensywnych opadach deszczu lub przemieszczany w inne miejsca pola w ramach bocznego spływu wody po powierzchni lub pod powierzchnią. Forma azotanowa może również ulegać redukcji i ulatniać się w formie gazowej na skutek denitryfikacji, jeśli znajdzie się w strefie o ograniczonej zasobności tlenu. Zawartość azotu amonowego może ulegać szybkiemu zwiększeniu na skutek intensywnej mineralizacji materii organicznej przy właściwej wilgotności gleby oraz korzystnej temperaturze. Zasoby mineralnych form azotu w glebie można dość wiarygodnie ocenić pośrednio, na podstawie znajomości historii nawożenia mineralnego i organicznego w poszczególnych miejscach pola i uprawy roślin motylkowych w latach poprzednich oraz znajomości wielkości opadów w okresie zimowym. Inną metodą pośredniej oceny zaopatrzenia roślin w azot jest ocena stanu roślin (zagęszczenia roślin i zawartości chlorofilu) za pomocą tak zwanych wskaźników roślinnych, takich jak NDVI, które można obliczyć na podstawie ilości światła czerwonego i podczerwonego odbitego od łanu roślin, z wykorzystaniem czujników optycznych lub multispektralnych zamontowanych na ciągnikach, dronach, samolotach lub satelitach (por. rozdziały 7, 8 i 15). Należy jednak pamiętać, że stan roślin jest wypadkową wielu czynników, takich jak odczyn gleby, zaopatrzenie w inne składniki pokarmowe niż azot, porażenie przez choroby itp. Dlatego wskaźniki roślinne nie mogą być traktowane jako jedyny sposób oceny zaopatrzenia roślin w azot. Ze względu na dużą zmienność czynników wpływających na nie, nawet w ramach jednego pola, konieczne jest uwzględnienie również innych czynników przy nawożeniu tym składnikiem.

Fosfor i potas mają stosunkowo małe znaczenie jako czynnik ograniczający plony roślin, jeśli są rutynowo stosowane pod większość upraw. Jednak na glebach o bardzo niskiej zasobności i silnie kwaśnych przy zaniechaniu wapnowania oraz nawożenia (w tym stosowania nawozów naturalnych lub organicznych) mogą znacząco ograniczać plony. Podstawową i wiarygodną metodą oceny zasobności gleb w P i K jest analiza laboratoryjna próbek glebowych metodą Egnera-Riehma lub Mehlich-3, wykonywana przez okręgowe stacje chemiczno-rolnicze (tab. 1.6). Na glebach o bardzo wysokiej zasobności w każdy z tych składników można zmniejszyć ich dawki (Jadczyszyn i in. 2010) lub nawet czasowo zrezygnować z nawożenia (Coulter 2004, DEFRA 2010).

W glebach Polski magnez prawdopodobnie w większym stopniu ogranicza plony roślin uprawnych niż fosfor i potas, ponieważ rzadziej jest stosowany w nawożeniu, a jego niedobory najczęściej są związane z zakwaszeniem gleby. Wiarygodną metodą oceny zasobności gleby w ten składnik jest analiza laboratoryjna metodą Schachtschabela lub Mehlich-3, również wykonywana przez okręgowe stacje chemiczno-rolnicze.

Siarka jest pobierana przez rośliny w formie jonów siarczanowych. Podobnie jak w mineralne formy azotu, również jony siarczanowe mogą podlegać w glebie szybkim przemianom i przemieszczaniu wraz z wodą. Dlatego zdaniem wielu autorów zawartość siarki siarczanowej oznaczona w laboratorium dostarcza mniej wiarygodnych informacji na temat zdolności gleby do zaopatrzenia upraw w siarkę niż analiza tkanek roślinnych (Coulter 2004, DEFRA 2010). Pośrednio o zasobności gleby w siarkę można wnioskować na podstawie jej uziarnienia i zawartości materii organicznej, gdyż niedobory siarki najczęściej występują na glebach przepuszczalnych (piaszczystych) o niskiej zawartości materii organicznej.

Tabela 1.6.

Najważniejsze metody oceny zasobności gleby w najistotniejsze składniki pokarmowe

Składnik

Metoda

Azot (N)

- test azotu mineralnego (analiza laboratoryjna)

- stan roślin (gęstość i intensywność koloru zielonego) wyrażony przez wskaźniki roślinne (np. NDVI), jeżeli nie wystąpiły inne czynniki wpływające na ten stan (np. niedobór wody, innych składników lub czynniki fitosanitarne)

- obserwacja występowania określonych chwastów

- nawożenie przedplonu i wielkość opadów w okresie przed nawożeniem

Fosfor (P)

- analiza laboratoryjna gleby metodą Egnera-Riehma lub Mehlich-3

Potas (K)

Magnez (Mg)

- analiza laboratoryjna gleby metodą Schachtschabela lub Mehlich-3

Siarka (S)

- analiza laboratoryjna gleby

Źródło: opracowanie własne na podstawie Coulter i in. 2004, Defra 2010, IUNG 1990, Jadczyszyn i in. 2010, Kęsik 2016.

Zasolenie

Zasolenie, wynikające z zawartości soli rozpuszczalnych w glebie, ma stosunkowo małe znaczenie w Polsce i w warunkach uprawy polowej ze względu na warunki klimatyczne. Należy jednak pamiętać o tym, że może być ono najważniejszym czynnikiem determinującym użytkowanie gleb w innych strefach klimatycznych, szczególnie tych bardziej suchych, a także w uprawach pod osłonami.

1.2.1.3.WARUNKI GEOLOGICZNE

Skały macierzyste gleb są ważną przyczyną zmienności ich uziarnienia oraz innych właściwości na polu uprawnym. Jednak duże znaczenie dla rolnictwa precyzyjnego ma również budowa geologiczna warstw podścielających glebę, do głębokości około 2 m. Warstwy te mogą również wpływać na stosunki wodno-powietrzne na polu i możliwość zanieczyszczenia środowiska nawozami i pestycydami.

1.2.2.UKSZTAŁTOWANIE TERENU

Ukształtowanie powierzchni pola wywiera zarówno bezpośredni, jak i pośredni wpływ na praktyki rolnicze. Wpływ bezpośredni dotyczy sposobu poruszania się ciągników i innych maszyn rolniczych, procesów erozyjnych i warunków wilgotnościowych. Efektem pośrednim są właściwości gleby, które ukształtowały się - i nadal kształtują - pod wpływem erozji i warunków wilgotnościowych, zróżnicowane występowanie chorób, szkodników i chwastów oraz plony uzyskiwane w poszczególnych fragmentach pola. Podstawowymi źródłami informacji o ukształtowaniu terenu są mapy topograficzne oraz numeryczne modele terenu (NMT lub DEM, ang. digital elevation model). Te ostatnie można uzyskać z różnych źródeł, zarówno dostępnych w gospodarstwie, jak i zewnętrznych (por. rozdział 4).

Do opisu rzeźby terenu wykorzystuje się najróżniejsze parametry (cechy, atrybuty) topograficzne. Najważniejszym jest wysokość. Z punktu widzenia rolnictwa precyzyjnego i opisu zmienności pojedynczego pola wysokość względna (w stosunku do najniżej położonego miejsca na nim) jest ważniejsza niż wysokość bezwzględna, odnosząca się do położenia względem poziomu morza. Ta ostatnia ma decydujący wpływ na warunki klimatyczne, które jednak w skali jednego pola, nawet dużego, są względnie jednorodne. Jednocześnie jednak nawet niewielkie różnice wysokości względnych, rzędu kilkudziesięciu centymetrów, mogą mieć związek ze różnicowaniem warunków wodnych i mikroklimatycznych w ramach użytku, i tym samym wywierać wpływ na jego użytkowanie. Pozostałe cechy służące do opisywania ukształtowania terenu są bezpośrednimi lub pochodnymi różnic wysokości względnych w sąsiadujących ze sobą fragmentów pola. Takich cech jest bardzo dużo, dlatego zostaną omówione tylko najważniejsze z nich z punktu widzenia rolnictwa precyzyjnego.

Tabela 1.7.

Klasyfikacja stoku (spadku) i jego wpływ na użytkowanie, ruch wody i potencjalną erozję wodną

Określenie

Zakres w

Przybliżone wpływ na

skrót

słownie

stopniach [?]

procentach [%]

uprawę

zagrożenie erozją wodną

PŁ

płaski

0-0,5

0-1

brak ograniczeń lub małe

słabe

NP

niemal płaski

0,5-1

1-2

BŁ

bardzo łagodny

1-2

2-4

słabe do umiarkowanego

ŁA

łagodny

2-7

4-15

ograniczenia małe do dużych

umiarkowane i średnie

PO

pochyły

7-12

15-27

średnie do bardzo silnego

SP

spadzisty

12-17

27-38

ograniczenia duże

ST

stromy

17-30

38-67

brak możliwości uprawy mechanicznej

bardzo silne

SS

bardzo stromy

30-45

67-100

UR

urwisty

> 45

> 100

Źródło: opracowanie własne na podstawie Polskie Towarzystwo Gleboznawcze 2017, Strzemski in. 1973, Ramalho i Beek 1994.

Nachylenie (spadek terenu) jest wyrażany w stopniach lub procentach i silnie wpływa zarówno na możliwości uprawy, jak i na to, czy w danym miejscu woda wsiąka w glebę, czy raczej spływa po powierzchni, a zatem również na warunki wilgotnościowe i erozję gleby (tab. 1.7). Istnieje ogólna zależność, zgodnie z którą im większy spadek terenu, tym mniejsze wsiąkanie (infiltracja) wody, a większy spływ powierzchniowy i ryzyko erozji, jednak jest ona na tyle złożona, że trudno jest podać konkretne wartości spadku, przy których spływ zaczyna przeważać nad wsiąkaniem. Wynika to stąd, że na infiltrację wody wpływa pokrycie gleby przez roślinność, uziarnienie gleby wraz z zawartością części szkieletowych, zawartość materii organicznej, aktualny stan struktury gleby, intensywność opadu i wiele innych czynników.

Wystawa (ekspozycja, aspekt) stoku wpływa na warunki termiczne, a w konsekwencji również na stosunki wodne, gdyż na półkuli północnej tereny nachylone w kierunku północnym nagrzewają się i wysychają wolniej, niż te skierowane na południe. Wystawa południowa wczesną wiosną może być niekorzystna, gdyż stoki takie nagrzewają się i rozmarzają szybciej, co może spowodować przedwczesne rozpoczęcie wegetacji przez zimujące rośliny (Ogólna uprawa roli i roślin 1982). Wystawa stoku wyrażana jest ilościowo jako kąt odchylenia (zgodnie z ruchem wskazówek zegara) od północy lub zgodnie z powszechnie przyjętymi stronami świata (rys. 1.4).

Długość stoku, czyli długość drogi, którą przebywa płynąca woda, wpływa bezpośrednio na intensywność procesów erozyjnych. Im dłuższy stok, tym większe nasilenie erozji oraz masa gleby zmytej ze zbocza i osadzonej u jego podnóża. W konsekwencji długość stoku wpływa również na użytkowanie pola oraz plonowanie roślin.

Rysunek 1.4.

Wystawa (ekspozycja) stoku

Źródło: Schoenenberger i in. 2012.

Tabela 1.8.

Określenia kształtu (formy) stoku

Profil (płaszczyzna)

Miernik

Rodzaj stoku

symbol

nazwa i definicja

jednostka

wartość

symbol

nazwa

Podłużny (pionowa)

kv

krzywizna pionowa (profilu) - miernik zmiany nachylenia wzdłuż linii spływu

m-1

0

P

prostoliniowy

< 0

Y

wypukły

> 0

W

wklęsły

Poprzeczny (pozioma)

kh

krzywizna pozioma (planarna) - topograficzna miara skłonności płynącej wody do skupiania się lub rozpływu

m-1

0

P

planarny

> 0

R

rozbieżny

< 0

Z

zbieżny

Źródło: opracowanie własne na podstawie Florinsky 2012, Urbański 2012 oraz Polskie Towarzystwo Gleboznawcze 2017.

Kształt (forma) stoku wywiera przede wszystkim wpływ na charakter procesów erozyjnych i warunki wzrostu roślin. Na podstawie profilu podłużnego stoki dzielone są na prostoliniowe, wypukłe i wklęsłe, a według profilu poprzecznego na zbieżne i rozbieżne (Florinsky 2012, Urbański 2012, Polskie Towarzystwo Gleboznawcze 2017; rys. 1.5 i tab. 1.8). Przyśpieszanie spływającej wody i tym samym zmywanie wierzchniej warstwy gleby następuje ze zwiększoną intensywnością w wypukłych i rozbieżnych miejscach stoku. Osadzanie się przynajmniej części gleby niesionej przez wodę następuje wskutek zmniejszania prędkości spływu wody w miejscach wklęsłych i zbieżnych (Podlasiński 2013). Powoduje to, że na tej samej wysokości względnej, w miejscach sąsiadujących ze sobą, może następować osadzanie gleby i tworzenie gleb deluwialnych oraz erozja i niszczenie, prowadzące do przekształcenia różnych gleb w słabo ukształtowane erozyjne. Oczywiście obie grupy mają zupełnie inne właściwości i fakt ten powinien być uwzględniany przy użytkowaniu i nawożeniu.

Rysunek 1.5.

Forma stoku

Źródło: Polskie Towarzystwo Gleboznawcze 2017.

Miejsce na stoku jest kolejną cechą różnicującą warunki wilgotnościowe nawet na stokach płaskich i planarnych. Dolna część stoku charakteryzuje się większym uwilgotnieniem niż część górna.

Względne położenie danego obszaru w stosunku do otoczenia ma znaczenie zarówno na polach pagórkowatych, jak i względnie płaskich, gdyż nawet małe różnice wysokości względnej wpływają na stosunki wodne. Obniżenia terenu charakteryzują się większą wilgotnością niż otoczenie, a lokalne podwyższenia - mniejszą. Z czasem takie różnice przyczyniają się do różnicowania właściwości gleby na polu, w tym przede wszystkim zwiększenia zawartości materii organicznej w miejscach bardziej uwilgotnionych, czyli w lokalnych obniżeniach terenu oraz u podnóży stoków. W obniżeniach terenowych woda może się gromadzić i zalegać, powodując wymakanie upraw. W miejscach takich gromadzi się również chłodniejsze powietrze, a tym samym występuje większe ryzyko przymrozków (Radomski 1987).

Do ilościowego wyrażenia wpływu ukształtowania terenu na względne uwilgotnienie takiego miejsca wykorzystuje się topograficzny wskaźnik wilgotności (TWI, ang. topographic wetness index), który jest obliczany ze wzoru:

TWI = ln(As/tan?),

gdzie As to lokalna powierzchnia zlewni (obszaru, z którego woda spływa do miejsca, dla którego jest obliczane TWI), a ? to kąt nachylenia stoku.

Wysokie wartości TWI uzyskuje się dla miejsc o małym kącie nachylenia i dużej powierzchni, czyli w lokalnych obniżeniach.

1.2.3.SĄSIEDZTWO POLA

Zmienność pola uprawnego nie może być rozpatrywana w oderwaniu od jego otoczenia, zarówno ze względu na plonowanie i użytkowanie tego pola, jak i z przyczyn środowiskowych. Przez pojęcie sąsiedztwa należy rozumieć nie tylko jego otoczenie, lecz także znajdujące się w obrębie pola oczka wodne oraz kępy drzew i krzewów (remizy śródpolne).

Względne położenie terenów otaczających może wywierać wpływ na stosunki wilgotnościowe. Fragment pola przylegający do skarpy jest zasilany wodą z niej spływającą, a zatem charakteryzuje się zwiększonym uwilgotnieniem, niekiedy nawet nadmiernym, w porównaniu z obszarami bardziej oddalonymi od skarpy. Dzieje się tak nawet w sytuacji, w której obydwa fragmenty pola mają podobne uziarnienie i budowę geologiczną. Odwrotna sytuacja ma miejsce, gdy granica pola przebiega nad skarpą - wtedy może tracić część wody na skutek odpływu bocznego (powierzchniowego i podpowierzchniowego), a tym samym charakteryzować się gorszym uwilgotnieniem w stosunku do reszty terenu.

Zbiorniki i cieki wodne przylegające do pola mogą ulec zanieczyszczeniu przez stosowane nawozy i środki ochrony roślin. Dlatego Kodeks Dobrej Praktyki Rolniczej (Duer i in. 2004) w bezpośrednim sąsiedztwie zbiorników i cieków wodnych dopuszcza tylko ręczne stosowanie stałych nawozów mineralnych. Nawozy naturalne, a także chemiczne środki ochrony roślin nie mogą być stosowane w odległości mniejszej niż 20 m od linii brzegowej wód powierzchniowych oraz innych obiektów, takich jak zabudowania, ogrody działkowe, pasieki, plantacje ziół oraz rezerwaty i parki przyrody. Lasy i zadrzewienia przylegające do pola, a także remizy śródpolne wywierają wpływ na plonowanie roślin i użytkowanie pola (rys. 1.6). Oddziaływanie to jest pośrednim skutkiem przede wszystkim zmniejszania prędkości wiatru, co zmniejsza erozję gleby, a pośrednio wpływa na takie czynniki mikroklimatyczne, jak rosa, opady i wilgotność gleby, które wzrastają w sąsiedztwie zadrzewienia, oraz parowanie i transpiracja, które ulegają zmniejszeniu. Jednocześnie jednak drzewa konkurują z roślinami rosnącymi w najbliższym sąsiedztwie o światło, wodę i składniki pokarmowe, a także dostarczają schronienia i pokarmu zwierzętom oraz innym organizmom, zarówno szkodliwym, jak i pożytecznym z punktu widzenia rolniczego (Cleough 1998, Grochowski 1988, Koreleski 2006). Pod względem przyrodniczym i klimatycznym lasy i zadrzewienia mają wpływ pozytywny, zwłaszcza na bioróżnorodność, klimat i gospodarkę wodną.

Wpływ lasów i zadrzewień jest mniej jednoznaczny z punktu widzenia rolniczego niż przyrodniczego. Najczęściej zauważa się negatywne oddziaływanie zadrzewień, szczególnie w ich bezpośrednim sąsiedztwie, które polega przede wszystkim na opóźnieniu dojrzewania i obniżeniu plonów roślin uprawnych, utrudnieniu przejazdu maszynami rolniczymi obok zadrzewień oraz zwiększonej wilgotności gleby i jej wolniejszym wysychaniu wiosną, a także szkodach powodowanych przez zwierzynę łowną. Jednocześnie jednak w tej strefie często obserwuje się poprawienie takich właściwości gleby, jak zawartość materii organicznej, wynikająca zarówno z opadu liści, jak i zwiększonej wilgotności gleby, oraz zwiększonej zasobności w dostępne formy składników pokarmowych (rys. 1.7), co wynika ze zmniejszonej erozji, osadzania drobnych cząstek gleby niesionych przez wiatr (Bernacki i Karg 2008), a także zmniejszonych plonów upraw przy takim samym nawożeniu, jak na pozostałym obszarze pola. Pozytywny wpływ zadrzewień na produkcje rolną - zwiększenie plonów - zaznacza się w większej odległości od zadrzewienia. Zasięg oddziaływania zadrzewień na plony jest mierzony wielokrotnością średniej wysokości (H) drzew w nich rosnących. Najczęściej przyjmuje się, że zadrzewienia oddziałują negatywnie na plony upraw do odległości równej połowie do półtorakrotności wysokości zadrzewienia, dalej zaś odnotowuje się pozytywny wpływ zadrzewień, aż do około 8-13-krotności tej wysokości. Zasięg zarówno negatywnego, jak i pozytywnego wpływu zadrzewień na plony zależy od wielu czynników, takich jak budowa i skład zadrzewienia, wystawa pola, właściwości gleby, a także przebieg pogody w konkretnym okresie wegetacyjnym (Koreleski 2006). Efekt netto zadrzewień, po zbilansowaniu strat w ich bezpośrednim sąsiedztwie i zysków w dalszym sąsiedztwie, jest zwykle zerowy lub dodatni, szczególnie na glebach narażonych na niedobór wody i erozję (Koreleski 2006).

Rysunek 1.6.

Mechanizm oddziaływania zadrzewień przeciwwietrznych

Źródło: Cleough 1998, przetłumaczone i nieznacznie zmodyfikowane.

Rysunek 1.7.

Wpływ zadrzewienia na zawartość fosforu w glebie. Określenie "ekoton" oznacza strefę przejściową między ekosystemami, w tym wypadku jest nią zadrzewienie

Źródło: Bernacki i Karg 2008.

1.2.4.STOSUNKI WODNO-POWIETRZNE NA POLU

Wilgotność roli jest głównym czynnikiem ograniczającym produkcję rolniczą nie tylko w skali świata (Mueller et al. 2010), lecz także w Polsce. Znalazło to odzwierciedlenie w klasyfikacji bonitacyjnej gleb, w myśl której za najlepsze (klasy I) uważa się takie, które charakteryzują się właściwymi stosunkami wodnymi, a za najgorsze (klasa VI) te, które są trwale zbyt suche lub trwale zbyt mokre (Strzemski i in. 1973). Dlatego warunki wodne są kluczowym czynnikiem glebotwórczym, również decydującym o plonowaniu i użytkowaniu roślin na polu. Woda i powietrze konkurują o tę samą przestrzeń w glebie - pory między jej cząstkami stałymi. Nadmiar powietrza w glebie, chociaż sam w sobie nie jest szkodliwy, wiąże się więc z jednoczesnym niedoborem wody dla roślin. Z kolei nadmierna ilość wody w glebie wypiera z niej powietrze, powodując tym samym jego niedobory w glebie dla korzeni niemal wszystkich roślin uprawnych (jednym z nielicznych wyjątków jest ryż).

Rysunek 1.8.

Schemat obrazujący ruch wody i elementy bilansu wodnego określonego fragmentu pola. Przychody wody (kolor niebieski): P - opady, Db (pow) - dopływ boczny powierzchniowy, Db (podpow) - dopływ boczny podpowierzchniowy, K - ruch kapilarny (głównie podsiąk). Straty wody (kolor czerwony): ET - ewapotranspiracja, Ob (pow) - odpływ boczny powierzchniowy, Ob (podpow) - odpływ boczny podpowierzchniowy, F - przesiąkanie (filtracja). WZ - poziomy lub warstwy podpowierzchniowe o zmniejszonej przepuszczalności, WG - woda gruntowa

Źródło: opracowanie własne na podstawie Buckman i Brady 1971, Radomski 1987.

Stosunki wodno-powietrzne na polu uprawnym zależą nie tylko od właściwości samej gleby i budowy geologicznej głębszych warstw terenu, opisanych w podrozdziale 1.2.1., lecz także od czynników topograficznych (podrodział 1.2.2), które determinują ruch wody w glebie i jej bilans w poszczególnych miejscach pola (rys. 1.8, tab. 1.9). Woda deszczowa, która nie wsiąka w glebę, spływa po jej powierzchni. Jeśli nachylenie terenu jest wystarczająco duże, zaczyna porywać ze sobą masę glebową wraz ze składnikami pokarmowymi, którą osadza w miejscach, gdzie zwalnia: na wklęsłych i zbieżnych fragmentach stoków oraz w ich podnóżach. Ponieważ prędkość spływającej wody zmniejsza się stopniowo, najpierw dochodzi do osadzania części grubszych (piasku), a w dalszej kolejności drobniejszych (pyłu). Najdrobniejsze cząstki glebowe osiadają w miejscach, w których woda się zatrzymuje, czyli przede wszystkim w obniżeniach terenowych. Spływ jest zatem przyczyną strat wody opadowej w miejscach pola wyżej położonych i nachylonych oraz dodatkowych zysków w obniżeniach terenowych. Tylko ta woda, która wsiąka do gleby, jest źródłem zysków dla danego miejsca pola. Jednak w glebach nadmiernie przepuszczalnych - piaszczystych lub zawierających dużo części szkieletowych - wsiąkająca woda może przesiąkać (infiltrować) tak głęboko, że również jest tracona dla roślin uprawnych. Infiltrująca głęboko woda zawiera również rozpuszczone składniki pokarmowe, które przestają być użyteczne dla roślin, a poza tym mogą zanieczyszczać wody gruntowe. Użyteczna dla roślin jest zatem ta woda, która wsiąkła w glebę i została w niej zatrzymana dzięki porom średnim i małym, w których woda jest utrzymywana siłami kapilarnymi. Zjawisko to nosi miano retencji wody i zależy przede wszystkim od zawartości w glebie pyłu drobnego, części spławialnych, w tym iłu koloidalnego, oraz materii organicznej. Należy jednak pamiętać, że wysoka zawartość najdrobniejszych cząstek (iłu koloidalnego) powoduje utrzymywanie wody w glebie z tak dużą siłą, że nie może być pobrana przez rośliny. Skutkiem tego oraz niedostatecznego przewietrzenia gleby są niższe plony roślin nie tylko w miejscach o małej zawartości części spławialnych i iłu, lecz także tam, gdzie zawartość tych frakcji w glebie jest zbyt duża (rys. 1.9).

Rysunek 1.9.

Zależność plonów pszenicy ozimej od średniej ważonej zawartości części spławialnych (A) i iłu koloidalnego (B) w glebie do głębokości 90 cm

Źródło: Stępień i in. 2016.

Woda wsiąkająca, szczególnie w sytuacji wyługowania (zubożenia w kationy zasadowe) i umiarkowanego zakwaszenia gleby, może przemieszczać ze sobą najdrobniejsze cząstki glebowe - ił koloidalny (Gleboznawstwo 2015), niekiedy również najdrobniejsze frakcje pyłu (Sistema Brasileiro de Classificaç?o de Solos 2013, Soil Survey Staff 2014). W głębszych warstwach gleby przy zmianie wartości pH na wyższe ił może ulegać koagulacji (łączeniu pojedynczych cząstek w agregaty) i wytrącać się. W ten sposób powstają poziomy wmycia iłu o zmniejszonej przepuszczalności dla wody. Jeśli takie warstwy pojawiły się na pochylonych fragmentach pola, może dochodzić do spływu podpowierzchniowego, którego kierunek jest w przybliżeniu równoległy do powierzchni pola (rys. 1.8). Woda spływająca pod powierzchnią gleby zawiera rozpuszczone składniki pokarmowe i powoduje zubożenie w te składniki miejsc wyżej położonych, a wzbogacenie obniżeń terenowych. Podpowierzchniowy spływ wody może również przyczyniać się do bocznego przemieszczania cząstek iłu i pyłu (Huggett 1976).

Małe i średnie pory glebowe nie tylko zatrzymują wodę, uniemożliwiając jej przesiąkanie w głąb gleby, lecz także pozwalają na ruch wody we wszystkich kierunkach, z miejsc wilgotniejszych do suchszych (Buckman i Brady 1971, Uggla 1981). Przy ruchu od zwierciadła wody gruntowej do wyżej położonych warstw gleby mówimy o podsiąku kapilarnym. Jego wysokość zależy głównie od uziarnienia i struktury gleby, od kilkunastu centymetrów w piaskach, poprzez kilkadziesiąt centymetrów w piaskach gliniastych i iłach (Mocek 2015), aż do, teoretycznie, kilku metrów w pyłach (Uggla 1981). Podsiąk kapilarny jest jednak bardzo powolny, szczególnie w glebach ciężkich. Tym samym ma mniejsze znaczenie dla zaopatrzenia roślin w wodę niż rozrastanie się korzeni w glebie (Uggla 1981).

Niedobory wody najczęściej występują w miejscach pola z gruboziarnistym (piaszczystym lub żwirowym) uziarnieniem lub mają takie warstwy na niewielkich głębokościach, na terenach wyżej położonych, na zboczach, zwłaszcza o wystawie południowej (tab. 1.9). Obszary takie charakteryzują się najczęściej niskim plonowaniem. Jednak w niektóre lata, o wyjątkowo korzystnym rozkładzie opadów, można w tych miejscach uzyskiwać bardzo wysokie plony roślin uprawnych.

Nadmiar wody na polu, chociaż mniej powszechny niż jej niedobór, powoduje wyparcie powietrza ze wszystkich porów glebowych i uniemożliwia oddychanie korzeniom, co hamuje ich wzrost, a przy dłuższych okresach niedoboru powietrza może powodować wypadanie roślin. Sytuacja, w której woda pozostaje dłużej w jakiejś warstwie gleby lub na jej powierzchni, jest określana jako stagnowanie. Zdarza się to zwykle po obfitych opadach deszczu i przede wszystkim w glebach o drobniejszym uziarnieniu, takich jak gliny i iły, lub w glebach, w których zwięźlejsze (bardziej drobnoziarniste) lub scementowane warstwy występują na niewielkich głębokościach oraz w obniżeniach terenu, do których spływa woda z terenów wyżej położonych. Taka sytuacja może się zdarzyć również w miejscach wyżej położonych, na przykład na płaskich pagórkach o gliniastym lub jeszcze drobniejszym uziarnieniu i słabo rozwiniętej strukturze gleby, co utrudnia usuwanie nadmiaru wody z gleby. Specyficznym przypadkiem nadmiaru wody w glebie są tak zwane sapy lub piaski sapowate. Nazywa się tak zarówno piaski znajdujące się w zagłębieniach terenowych o wysokim poziomie wody gruntowej (UTKG 2012), jak i piaski pod wpływem wysiąkającej wody podskórnej (Tomaszewski 1956) na niewielkich pochyłościach (rys. 25.4). Gleby wrażliwe na nadmiar wody charakteryzują się najczęściej również wolniejszym nagrzewaniem się i spowolnionym rozwojem roślin wczesną wiosną. W obszarach wrażliwych na nadmiar wody rośliny ozime często wymakają, a wiele upraw charakteryzuje się niskimi plonami. Jednak w lata bardzo suche mogą to być miejsca o bardzo dużej produktywności.

Z punktu widzenia rolnictwa precyzyjnego kluczowym aspektem jest to, że obszary charakteryzujące się wrażliwością na niedobór i nadmiar wody występują często na jednym polu. Dlatego ocena stosunków wodnych w poszczególnych miejscach jest zagadnieniem kluczowym i bardzo złożonym (tab. 1.9, por. też podrozdział 13.2.3). Skutkiem tego jest zróżnicowany potencjał plonowania w tych miejscach, który może również zmieniać się zależnie od przebiegu pogody w różnych latach. Występowanie poszczególnych gatunków chwastów, chorób i szkodników także może być inne w rozmaitych miejscach pola, zależnie od ich uwilgotnienia. Dlatego sposób uprawy i nawożenia obszarów o odmiennych stosunkach wodno-powietrznych powinien być zróżnicowany nie tylko w zależności od miejsca, lecz także przebiegu pogody w różnych latach.

1.2.5.HISTORIA UŻYTKOWANIA I NAWOŻENIA

Wieloletnia lub nawet wielowiekowa działalność człowieka jest jednym z czynników glebotwórczych i może być przyczyną powstania specyficznych gleb kulturoziemnych, industrioziemnych i urbiziemnych (por. Systematyka gleb Polski 2011), które jednak są rzadziej spotykane na polach uprawnych. Dlatego z punktu widzenia zmienności gleb w obrębie jednego pola równie duże, jeśli nie większe znaczenie ma krótkoterminowa działalność człowieka. Rozumiemy przez to historię agrotechniki i nawożenia z ostatnich kilku lat, prowadząca do zróżnicowania tych właściwości, które wywierają już wpływ na plonowanie roślin i użytkowanie gleby w różnych miejscach pola, ale nie prowadzą do wytworzenia jej innej grupy (typu, podtypu). Do takich czynników należą grupy i gatunki roślin uprawnych, wapnowanie, nawożenie naturalne/organiczne oraz mineralne. Podobnie jak wiele innych czynników, są one często uzależnione jedne od drugich.

Tabela 1.9.

Czynniki wpływające na stosunki wodno-powietrzne na polu

Grupa czynników

Wpływ na wilgotność w danej części pola

Glebowe

uziarnienie

części szkieletowe

zmniejszenie

piasek

zmniejszenie

pył

zwiększenie (drobniejsze frakcje pyłów) lub zmniejszenie (pyły o większej średnicy)

części spławialne/ił

zwiększenie

struktura (stan zgruźlenia)

zwiększenie (gleby piaszczyste) lub zmniejszenie (gleby ilaste), zależnie od sytuacji

materia organiczna

Topograficzne

wyższe położenia

zmniejszenie

stoki

nachylenie

zmniejszenie

górna część

zmniejszenie

dolna część

zwiększenie

wklęsłe

zwiększenie

wypukłe

zmniejszenie

zbieżne

zwiększenie

rozbieżne

zmniejszenie

obniżenia

zwiększenie

Wpływ roślin uprawnych na glebę i rośliny następcze jest zagadnieniem dość dobrze poznanym i wykorzystywanym przy układaniu płodozmianów (Ogólna uprawa roli i roślin 1982). W ostatnich latach czynniki ekonomiczne i organizacyjne wymuszają upraszczanie lub rezygnację z nich. Niemniej, jeśli określona roślina jest uprawiana na polu, na którego częściach uprawiano wcześniej dwie lub więcej różnych roślin, to może zachodzić konieczność nie tylko osobnego pobierania próbek glebowych do analiz z tych części, lecz także zróżnicowania nawożenia i niektórych zabiegów agrotechnicznych. Jest to ważne szczególnie wtedy, gdy na różnych fragmentach pola uprawiano rośliny o odmiennym sposobie oddziaływania na glebę. Prawdopodobnie najważniejszymi aspektami tego oddziaływania jest wpływ na właściwości gleby oraz aspekty fitosanitarne. Wpływ roślin na właściwości gleby zależy od grupy roślin i czasu ich użytkowania oraz sposobu zbioru. Wieloletnie rośliny sadownicze, najczęściej zdrewniałe, inaczej oddziałują niż wieloletnie łąki lub pastwiska, przemienne użytki zielone oraz rośliny jednoroczne, a z tych ostatnich - oddziaływanie roślin okopowych jest zupełnie inne niż zbóż czy roślin strączkowych. Jednym z najważniejszych aspektów oddziaływania roślin na właściwości gleby jest zdolność do wiązania azotu z atmosfery. W warunkach Polski najważniejszymi z nich są rośliny z rodziny bobowatych (Fabaceae), do których należą zarówno rośliny wieloletnie, czyli w większości motylkowe drobnonasienne, które mogą wchodzić w skład trwałych lub przemiennych użytków zielonych, oraz rośliny jednoroczne - strączkowe (motylkowe grubonasienne). Rośliny motylkowe, zarówno drobno-, jak i grubonasienne, mają zdolność do wiązania azotu i silnie rozwinięty system korzeniowy, który umożliwia im pobieranie znacznych ilości wody z głębszych warstw gleby oraz uruchamianie fosforu z form trudniej dostępnych dla innych roślin (Szczegółowa uprawa roślin 1999). Niemniej wpływ roślin motylkowych drobnonasiennych na właściwości gleby jest znacznie silniejszy niż strączkowych. Wynika to stąd, że te pierwsze zajmują dany obszar terenu znacznie dłużej, dzięki czemu mogą związać więcej azotu i stworzyć większą masę korzeni. Rośliny strączkowe nie tylko mają krótszy okres wegetacyjny, lecz także najczęściej są uprawiane na nasiona, do których rośliny transportują większą część związanego azotu, który wraz z plonami jest usuwany poza pole.

Względnie prostym sposobem oceny wpływu roślin na właściwości warstwy ornej gleby są współczynniki degradacji lub reprodukcji materii organicznej. Stanowią one oszacowanie ilości materii organicznej, o którą zostanie wzbogacona (reprodukcja) lub zubożona (degradacja) gleba w wyniku jednorocznej uprawy danej rośliny (tab. 1.10). Zostały zamieszczone między innymi w Kodeksie Dobrej Praktyki Rolniczej (Duer i in. 2004). Najmniej korzystny wpływ na materię organiczną gleby wywiera uprawa roślin okopowych i korzeniowych, co wynika z faktu pozostawiania na polu znikomej ilości resztek pożniwnych po zbiorach. Nieco mniej negatywnie oddziałuje uprawa kukurydzy i warzyw liściastych, a także zbóż oraz roślin oleistych i włóknistych. Pozytywny wpływ na zawartość próchnicy w glebie wykazują przede wszystkim rośliny wiążące azot cząsteczkowy - motylkowe drobnonasienne i strączkowe, a także trawy w uprawie polowej, które mogą przewyższać pod tym względem rośliny strączkowe.

Tabela 1.10.

Współczynniki degradacji i reprodukcji materii organicznej gleby w zależności od grupy roślin oraz nawożenia naturalnego (wg Eicha i Kundlera)

Grupa roślin lub nawóz

Jednostka

Współczynniki degradacji (-) lub reprodukcji (+) materii organicznej (t ha-1) w glebach

lekkich

średnich

ciężkich

Rośliny o okresie wegetacji nieprzekraczającym 1 roku

okopowe i warzywa korzeniowe

1 ha

-1,26

-1,40

-1,54

kukurydza i warzywa liściaste

1 ha

-1,12

-1,15

-1,22

zboża oraz rośliny oleiste i włókniste

1 ha

-0,49

-0,53

-0,56

rośliny strączkowe

1 ha

+0,32

+0,35

+0,38

międzyplony uprawiane na zielony nawóz

1 ha

+0,63

+0,70

+0,77

Rośliny o okresie wegetacji zwykle przekraczającym rok

trawy polowe

1 ha

+0,95

+1,05

+1,16

motylkowe i ich mieszanki

1 ha

+1,89

+1,96

+2,10

Nawozy naturalne

obornik (25% s.m.)

1 t s.m.

+0,35

gnojowica (25 s.m.)

1 t s.m.

+0,28

Plon uboczny

słoma (25% s.m.)

1 t s.m.

+0,21

liście buraczane (25% s.m.)

1 t s.m.

+0,14

Źródło: Duer i in. 2004 oraz Zimny i in. 2015, zmieniona.

Rośliny uprawiane na polu wywierają również wpływ na warstwy podorne, szczególnie w glebach zwięźlejszych. Mimo że ziemniaki i buraki są zaliczane do tej samej grupy roślin pod względem wpływu na zawartość materii organicznej gleby, to jednak ich korzenie w inny sposób się rozrastają. Ziemniaki tworzą dużą ilość korzeni przybyszowych, których główna masa rozrasta się na głębokość 30-40 cm, a tylko nieliczne mogą sięgać głębokości 2 m (Szczegółowa uprawa roślin 1999). Co prawda, większa część masy korzeni buraka cukrowego również znajduje się w warstwie ornej gleby, jednak podstawowa masa korzeni sorbujących rozwija się często do głębokości około 100 cm. W podobny sposób wypada porównanie systemów korzeniowych najważniejszych zbóż z rodziny traw - Poaceae (pszenica, jęczmień, pszenżyto, kukurydza), tworzących dużo korzeni wiązkowych, przerastających głównie warstwę orną, z rzepakiem, który ma silny korzeń palowy.

Duże znaczenie dla zmienności pola mogą mieć kwestie fitosanitarne, a przede wszystkim to, czy rośliny przedplonowe mogą być porażane przez te same choroby i szkodniki, takie jak na przykład choroby podsuszkowe w zbożach, mątwik burakowy w rzepaku i burakach i wiele innych (Hani 1998).

Kolejnym aspektem zmienności pola spowodowanej historią jego uprawy w ciągu ostatnich kilku latach jest stosowanie wapnowania oraz nawożenia naturalnego, organicznego i mineralnego. Może być to ściśle powiązane z uprawą różnych roślin na poszczególnych fragmentach pola, ale również wystąpić wtedy, gdy na całym polu uprawiano tę samą roślinę w kolejnych latach. Co więcej, wpływ ma nie tylko zróżnicowane nawożenie, lecz nawet stosowanie takiej samej dawki nawozów na polu zróżnicowanym pod względem właściwości i produkcyjności gleby. W takiej sytuacji można się spodziewać wyraźnego zwiększenia zasobności gleby w miejscach, w których uzyskuje się wyraźnie niższe plony, np. z powodu niedoboru lub nadmiaru wilgoci oraz konkurencji drzew czy lasów przy granicy pola. Również w miejscach niecierpiących na nadmiar wilgoci, ale niżej położonych, gleba może być bogatsza w składniki pokarmowe dostarczane z nawozami na skutek ich przeniesienia wraz z wodą (dopływ boczny powierzchniowy lub podpowierzchniowy). Stosowanie takich samych dawek nawozów na obszarach gleb przepuszczalnych i mało przepuszczalnych może być przyczyną zanieczyszczenia wód gruntowych. Znaczenie ma również to, czy plon uboczny (słoma, liście buraczane i inne) był na całym polu zbierany, czy pozostawiany jako substytut nawozu naturalnego/organicznego (tab. 1.10).

Warto pamiętać, że na zmienność występującą w ramach jednego pola uprawnego może oddziaływać również zróżnicowana ochrona roślin stosowana w latach poprzedzających. Najczęściej wynika to z uprawy różnych roślin i używania w nich różnych środków chemicznych, szczególnie herbicydów.

1.3.ILOŚCIOWE UJĘCIE ZMIENNOŚCI POLA (GEOSTATYSTYKA)

1.3.1.WPROWADZENIE

Określenie w sposób ilościowy charakteru zmienności jakiejkolwiek cechy w obrębie pola (np. gleby czy rośliny) oraz umożliwienie jej interpretacj, wymaga wykonania przynajmniej trzech analiz:

- wstępnej oceny stacjonarności zmienności przestrzennej,

- rozpoznania zmienności lokalnej,

- oceny trendów w rozkładzie zmienności przestrzennej.

Analizy te są uniwersalne i mogą być stosowane zarówno dla zbioru danych punktowych zapisanych w formie wektorowej, jak i dla danych obrazowych, zapisanych w formie rastrowej. Ze względu na konieczność rozpoznania charakteru zmienności przestrzennej klasyczne metody statystyczne, zakładające istnienie rozkładu normalnego w dużej próbie, nie mają w tych badaniach zastosowania. Główną przyczyną jest powszechna obecność różnych trendów w przestrzeni geograficznej. Zaliczają się do nich m.in. zmienność właściwości fizycznych i chemicznych gleby spowodowana ukształtowaniem terenu lub różna intensywność wylegania zbóż związana z mozaiką glebową (przykłady w rozdziale 7). Kolejną przeszkodą w zastosowaniu klasycznych metod statystycznych jest zróżnicowanie zmienności wartości obserwowanych zjawisk w granicach poligonu badawczego (wariancja lokalna). Z powyższych względów lepszą, a czasami jedyną metodą ujęcia ilościowej zmienności pola jest zastosowanie geostatystyki. Sama nazwa mówi, że jest to dziedzina statystyki, poświęcona badaniom prowadzonym w przestrzeni. "Geo-" jest pierwszym członem wyrazów wskazującym na ich związek z kulą lub skorupą ziemską (np. geografia, geologia). Podstawowym narzędziem geostatystyki, które służy do oceny dwóch powyżej opisanych kluczowych specyfik w rozkładzie zmienności badanych zjawisk (trendu i wariancji lokalnej), jest wariogram. W praktyce wykorzystuje się jego zmodyfikowaną formę, zwaną semiwariogramem. Jest on graficznym przedstawieniem (funkcją) zależności między wartościami badanej cechy w analizowanej przestrzeni, np. pH gleby, zmienności plonu w obrębie pola.

Danymi, które mogą być zastosowane w analizie semiwariogramu, są dowolne zbiory, w których można wskazać punkty posiadające atrybuty lokalizacji oraz wartości badanej cechy. Teoretycznie skonstruowanie semiwariogramu polega na odnalezieniu wszystkich możliwych par punktów, obliczenia zróżnicowania ich wartości, czyli semiwariancji (połowy wariancji), i odległości między tymi parami. Obliczone semiwariancje (?) odkładane są na osi pionowej (Y), a na osi poziomej X pomierzone odległości między parami punktów. Wykres taki nosi nazwę surowego semiwariogramu (ang. raw semivariogram) i w tej postaci jeszcze nie pozwala na wykreślenie przebiegu funkcji. Dlatego dodatkowo przyjmuje się zasadę, że na osi odciętych (X) wyznaczone zostaną przedziały o pewnej założonej długości wektora (h), które to będą grupowały pary punktów w podzbiory. Założenie to jest niezwykle istotne, ponieważ określenie tej długości jest wykonywane empirycznie przez osobę prowadzącą analizę i to głównie od jej doświadczenia zależy, czy rezultat (przebieg wykresu funkcji) będzie poprawny. W przypadku rolnictwa precyzyjnego wartość h powinna odpowiadać zakresowi zmienności przestrzennej danej cechy oraz planowanym rozmiarom stref wydzielanych w obrębie pola. Zakres tego parametru powinien zatem zawierać się w przedziale 5-20 m i w takich odległościach mają być mierzone właściwości gleby lub roślin podlegające ocenie. Na przykład, jeżeli h zostanie przyjęte jako odległość 10 m, wówczas program komputerowy prowadzący obliczenia znajdzie wszystkie pary punktów o odległościach mniejszych lub równych 10 m. Dla tak określonego podzbioru zostanie obliczona semiwariancja i odłożona na osi rzędnych (Y). Na osi odciętych (X) odłożona zostanie odległość odpowiadająca h = 10 m. Konsekwentnie wyznaczone zostaną semiwariancje dla kolejnych krotności h (10, 20, 30, ..., m). Na rysunku 1.10 wyniki tych obliczeń przedstawiają punkty tworzące semiwariogram eksperymentalny, który można opisać następującym wzorem:

gdzie:

? - to semiwariancja

N - to liczba par obserwacji w odległości h

z(u?) - to wartość cechy w jej lokalizacji

z(u? + h) - to wartość cechy w lokalizacji przesuniętej o wektor h.

Punkty semiwariogramu eksperymentalnego są podstawą do wykreślenia funkcji semiwariogramu teoretycznego. Istnieje szereg możliwych modeli, które wykorzystują funkcje: sferyczne (ang. spherical), wykładnicze (ang. exponential), liniowe (ang. linear) lub gaussowskie (ang. Gaussian) i inne do przedstawienia przebiegu zmienności danej cechy, najlepiej dopasowanego do punktów semiwariogramu teoretycznego oraz cech specyficznych badanego zjawiska, które mogą być znane ekspertowi (np. akceptowane wartości dla wariancji przypadkowej). Funkcja semiwariogramu teoretycznego charakteryzuje się następującymi cechami:

- wartością wariancji przypadkowej - losowej, tzw. efekt samorodka (ang. nugget effect),

- zakresem (ang. range),

- wartością progową (ang. sill).

Odpowiedniki anglojęzyczne nazw polskich podano ze względu na to, że większość narzędzi geostatystycznych stanowią programy komputerowe z anglojęzycznym interfejsem (np. ArcGIS Geostatistical Analyst, GS+, SAGA, R). W każdym przypadku analiza geostatystyczna prowadzona z wykorzystaniem semiwariogramu wymaga dobrania optymalnych wartości tych parametrów.

Wartość wariancji przypadkowej (efekt samorodka) danej cechy określa miejsce przecięcia wykresu funkcji z osią Y. Miejsce to na rysunku 1.10 oznaczono punktem Co. Można je interpretować jako losowe zróżnicowanie wartości danej cechy w skali pojedynczej próbki, które jest charakterystyczne dla danego zjawiska i nieskorelowane z odległością. Na przykład, wykonując pomiary odczynu gleby, nie powinniśmy być zaskoczeni, że w bardzo bliskich odległościach, np. gdy pomiary wykonane są co 1-2 m, wartości tej cechy gleby mogą różnić się od siebie np. o 0,9 pH, podczas gdy różnice w obrębie całego pola będą zawierały się w przedziale od 3 do 6 pH. Występowanie wariancji losowej jest przyczyną pobierania wielu pierwotnych próbek glebowych, a następnie ich mieszania i tworzenia próbki ogólnej - zbiorczej, jak zaleca PN-R-04031:1997 Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Pobieranie próbek. W ten sposób otrzymujemy próbkę najbardziej reprezentatywną dla danego miejsca na polu. Wykonując analizę semiwariancji, przyjmujemy, że odległość, w której mogą wystąpić nieprzewidziane wahania oznaczanej wartości, jest mniejsza od długości wektora h. Na wykresie na osi X dąży ona do zera.

Zakres semiwariogramu to maksymalna odległość, do której obserwujemy występowanie zależności przestrzennych między wartościami par punktów. Jest to tzw. autokorelacja przestrzenna danych. Teoretyczna funkcja semiwariogramu od tego miejsca jest zwykle wypłaszczona, przyjmując charakter asymptoty, której wartością maksymalną jest semiwariancja równa wartości progu. Inaczej mówiąc, zasięg semiwariogramu to punkt, w którym funkcja ta przyjmuje przebieg poziomy (w praktyce zbliżony do poziomego), posiada odciętą równą wartości zakresu (ang. range), a rzędną równą wartości progowej (ang. sill).

Rysunek 1.10.

Semiwariogram. Punkty na wykresie odpowiadają semiwariancji (?) wyznaczonej dla interwałów (h) w modelu semiwariogramu eksperymentalnego. Przykładowe semiwariogramy teoretyczne przedstawiono funkcjami: A) sferyczną, B) liniową, C) gaussowską

Źródło: opracowanie własne.

Ze względu na eksperckie, często bardzo indywidualne lub wariantowe podejście do analizy zmienności przestrzennej przy użyciu metody semiwariogramu rezultat końcowy nazywany jest modelem semiwariogramu, a proces analizy - modelowaniem semiwariancji. Semiwariogram, oprócz ilościowego opisu losowej i nielosowej zmienność danej cechy w obrębie pola, jest podstawą dla przeprowadzania interpolacji danych metodami geostatystycznymi. Parametry modelu semiwariogramu wykorzystywane są jako dane wejściowe we wszystkich rodzajach krigingu - jednej z najbardziej popularnych metod interpolacji. W tym przypadku termin "interpolacja" oznacza proces pozwalający na wyliczenie wartości badanej cechy w dowolnym miejscu pola, na podstawie wartości sąsiadujących już zmierzonych lub oznaczonych dla tej cechy. W praktyce oznacza to konwersję zbioru punktów do mapy rastrowej.

Więcej informacji o geostatystyce i jej metodach czytelnik znajdzie w poniższych podręcznikach: Magnuszewski (1999), Urbański (2008), Namysłowska-Wilczyńska (2006), Isaak i Srivastawa (1999). Pudełko (2007) opisał praktyczne zastosowanie geostatystyki w mapowaniu plonów oraz przy interpolacji właściwości gleby (Pudełko 2005).