Koncepční model působení land-use na zastoupení WSA ve vrchní vrstvě půdy

Ing. Radek Klíč

Doctoral thesis

Conceptual model of the land-use influence on representation of water-stable aggregates in topsoil

Abstract:

Voda v krajině je otázkou optimalizace srážko-odtokových vztahů a posílení retence vody v půdním prostředí. Vodo-stabilní půdní agregáty (WSA) jsou důležitým indikátorem kvality půdy a můžeme pomocí nich půdu a její strukturu blíže popsat, neboť významně ovlivňují infiltraci, retenci, kapacitu a pohyb vody v půdě. Cílem této práce bylo popsat roli WSA na celkovou strukturu půdy a její změny způsobené rozdílným využitím půdy (land-use) a na základě získaných výsledků a výstupů navrhnout koncepční model těchto procesů. Pro porovnání parametrů WSA byly použity vzorky z lokalit v ČR i v zahraničí (Portugalsko, Rusko, Litva, Kazachstán), které se nacházejí přibližně kolem 50. rovnoběžky severní šířky, ovšem představují kontrastní klimatické oblasti. WSA byly zjišťovány pomocí metody mokrého prosévání s využitím laboratorního přístroje. Po provedeném testu bylo určeno zastoupení jednotlivých frakcí a vypočítány další parametry struktury půdy. Vybrané vzorky půdy byly testovány na přítomnost a množství mikroplastů (MPs) v orné a lesní půdě, kdy nejprve došlo k filtraci a následně k obarvení MPs nilskou červení. Pomocí softwaru HYDRUS 1D byla modelována vzorová situace dvou vrstev půdního profilu. V rámci této práce bylo zjištěno, že rozdílné využití půdy má na tvorbu WSA významný vliv. Na všech zkoumaných lokalitách měla lesní půda vyšší zastoupení větších frakcí (>2 mm; 2-1 mm), což má vliv na lepší infiltraci a následné zadržení vody v půdním profilu. Naopak v orné půdě tvořily většinu vzorku frakce menší než 1 mm a na několika lokalitách zcela chyběly frakce >2 mm a 2-1 mm. Lze předpokládat, že při dešti se dopadající voda bude vsakovat velmi pomalu, dojde k vytvoření málo propustné horní vrstvy a následnému povrchovému odtoku (erozi). Z naměřených dat bylo zjištěno, že u lesa vysazeného na bývalé orné půdě dochází k postupné tvorbě WSA, přičemž nejlepší hodnoty z hlediska zastoupení WSA vykazoval les mezi 10 až 24 rokem. Z hlediska výskytu mikroplastů (MPs) bylo v lesní půdě zaznamenáno 62 částic/5g. V orné půdě bylo zastoupení menší s počtem 40 částic/5g. Zjištěný počet MPs je nejspíše ovlivněn vyšší půdní erozí na orné půdě, jejímž prostřednictvím se MPs uzavřené v WSA dále pohybují v životním prostředí (pole-vodní tok). V programu HYDRUS 1D bylo ověřeno, že určení odlišných vrstev půdy a jejich struktury vede k upřesnění infiltrační a retenčních modelů, a zisku přesnějších výsledků. Hlavním výsledkem celé práce je koncepční model, který uceleněně dokládá význam WSA pro životní prostředí a vlivy, které mají na tvorbu WSA podstatný vliv. Vytvořený koncepční model rovněž ukazuje směr budoucího výzkumu v této oblasti.

Abstract:

Water in the landscape is a matter of optimizing rainfall-runoff relations and strengthening water retention in the soil environment. Water-stable soil aggregates (WSA) are an important indicator of soil quality and can be used to describe the soil more closely, as they significantly influence the infiltration, retention and movement of water in the soil. The aim of this thesis was to describe the role of WSA on the overall structure of the soil and its changes caused by different land-use and to propose a conceptual model of these processes based on the obtained results and outputs. For the comparison of WSA parameters, samples from localities in the Czech Republic and abroad were used, which are all located around the 50° N, but represent contrasting climatic regions. WSA were estabilished using the wet sieving method. The representation of individual fractions was determined and other parameters of the soil structure were calculated. The selected soil samples were tested for the presence and amount of microplastics (MPs) in arable and forest soil. An example situation of two layers of the soil profile was modeled using the HYDRUS 1D software. It was found, that different land use has a significant influence on the formation of WSA. At all investigated locations, the forest soil had a higher proportion of larger fractions (>2 mm; 2-1 mm), which has an effect on better infiltration and subsequent retention of water in the soil profile. On the contrary, in the arable soil, fractions smaller than 1 mm made up the majority of the sample, and fractions >2 mm and 2-1 mm were completely absent in several locations. Rain water in arable land will soak very slowly, a poorly permeable upper layer will form and surface runoff (erosion) will occur. From the measured data, it was found that a forest planted on former arable land had a gradual formation of WSA with best values between 10 and 24 years. In terms of the occurrence of microplastics (MPs), 62 particles/5g were recorded in the forest soil. In arable soil, the representation was smaller with the number of 40 particles/5g. The detected number of MPs is most likely influenced by higher soil erosion on arable land, through which MPs enclosed in WSA move further in the environment (field-watercourse). In the HYDRUS 1D, it has been verified that the determination of different soil layers and their structure leads to the refinement of infiltration and retention models, and to obtaining more accurate results. The main result of the entire work is a conceptual model that comprehensively demonstrates the importance of WSA for the environment and the influences that have a significant impact on the creation of WSA. The created conceptual model also shows the direction of future research in this area.

Keywords

půda, vodostabilní agregáty, WSA, zrnitost, mikroplasty, koncepční model

Keywords

soil, water-stable aggregates, WSA, texture, microplastics, conceptual model

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 3. 2024

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Jakub Štibinger, CSc.
• Reader: Jan Vopravil, Ph.D., doc. Ing., Nora Polláková, externi, Lubica Pospíšilová, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Doctoral programme / field:
Landscape Engineering / Environmental Modelling