J.Haberle, V.Vlček, M.Kohut, T.Středa, J.Dostál, P.Svoboda
Bilance a určení dostupné zásoby vody v kořenové zóně plodin METODIKA PRO PRAXI Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Praha - Ruzyně Český hydrometeorologický ústav, Praha Mendelova univerzita, Brno A G R O E K O Žamberk, spol. s r.o.
2015
Metodika vznikla za finanční podpory MZe ČR a je výstupem řešení výzkumného projektu NAZV QI111C080 „Zpřesnění dostupné zásoby vody v půdním profilu na základě modelu kořenového systému plodin pro efektivní hospodaření s vodou a dusíkem“. Při zpracování metodiky byly také využity výsledky projektu MZe RO0414 „Udržitelné systémy a technologie pěstování zemědělských plodin pro zlepšení a zkvalitnění produkce potravin, krmiv a surovin v podmínkách měnícího se klimatu“ (podíl 20 %).
© Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., 2015 ISBN 978-80-7427-173-1
Jan Haberle, Vítězslav Vlček, Mojmír Kohut, Tomáš Středa, Jiří Dostál, Pavel Svoboda
Bilance a určení dostupné zásoby vody v kořenové zóně plodin METODIKA PRO PRAXI
2015
Bilance a určení dostupné zásoby vody v kořenové zóně plodin Předložená metodika využívá nové poznatky o hloubce a distribuci kořenů v půdním profilu. Je popsán postup výpočtu dostupné zásoby vody v kořenové zóně plodin a zjednodušený výpočet bilance vody v průběhu růstu, především pro situace, kdy srážky nejsou dostatečné pro pokrytí potřeby plodin a rostliny jsou odkázány na zásobu vodu v podorničních vrstvách. Postup je určen pro využití v provozních podmínkách s omezenou dostupností vstupních údajů pro výpočet. Vlastní výpočty dostupné zásoby a bilance vody se provádějí pomocí jednoduché webové aplikace, on-line programu, který umožňuje zvolit typické hodnoty nebo upravit vstupní údaje z nabídky na základě přímého pozorování porostu plodiny na konkrétním pozemku. Uživatel si může názorně ověřit vliv různých faktorů a scénářů průběhu počasí na bilanci vody. Metodiku doplňuje mapový přehled oblastí ČR s vyznačením oblastí, kde se v průběhu růstu plodin častěji vyskytuje nedostatek dostupné zásoby vody v kořenové zóně plodin. Klíčová slova: povětrnostní podmínky, srážky, bilance vody, sucho, kořeny
Water balance and the determination of available water content in root zone of crops The presented methods employ new data on water balance, root depth and distribution in a soil. The approach of determination of attainable water supply in crop root zone and simplified calculation of water balance during growth are described. The use of the methods is assumed for farm conditions without access to specific input values and especially for conditions when precipitation is not sufficient to cover crop water demand and plants depend on water supply in subsoil layers. All calculation are performed within web application, simple on-line calculation program which enables to select proposed typical values or input own data according to crop observations at specific field. A user can test the effect of various factors and weather scenarios on water balance. The publication is supplemented with maps of regions of the Czech Republic with frequent periods of water shortage in root zone of crops. Key words: weather conditions, precipitation, water balance, drought, roots Oponenti: Ing. Petr Míša, Ph.D., Agrotest fyto, s.r.o., Kroměříž Ing. Radoslav Bujnovský, CSc., Výskumný ústav vodného hospodárstva Bratislava Metodika byla certifikována Odborem environmentálního a ekologického zemědělství Ministerstva zemědělství ČR vydáním osvědčení č. 1/2015 ze dne 17.2.2015
4
Obsah 1. Cíl metodiky................................................................................................... 6 2. Úvod .............................................................................................................. 6 2.1. Vodní kapacita půdy ................................................................................ 6 2.2. Kořenový systém ..................................................................................... 8 2.3. Evapotranspirace .................................................................................... 10 2.4. Agroklimatická bilance vody ................................................................. 14 3. Vlastní popis metodiky ................................................................................. 16 3.1. Určení využitelné vodní kapacity půdy .................................................. 17 3.2. Výběr plodiny, hloubky půdy a kořenů .................................................. 19 3.3. Výpočet zásoby a bilance vody .............................................................. 21 3.4. Výsledná bilance vody pod porostem ..................................................... 25 3.5. Ověření postupu výpočtu ....................................................................... 27 4. Srovnání novosti postupů ............................................................................. 29 5. Popis uplatnění metodiky ............................................................................. 29 6. Ekonomické aspekty .................................................................................... 30 7. Mapové přílohy ............................................................................................ 31 8. Seznam použité související literatury ........................................................... 33 9. Seznam publikací, které předcházely metodice............................................. 33
5
1. Cíl metodiky Cílem předložené metodiky je poskytnout praktický nástroj pro výpočet dostupné zásoby a bilance vody v kořenové zóně plodin. Uvedený postup respektuje omezené možností přístupu ke vstupním údajům agroklimatického výpočtu bilance vody v provozních podmínkách zemědělských podniků. Na druhou stranu jsou již v řadě podniků automatické meteorologické stanice, které poskytují data pro výpočet evapotranspirace. Pro splnění cíle metodiky byly získány údaje o hloubce a distribuci kořenů plodin, ověřeny postupy pro určení dostupné zásoby vody v kořenové zóně a výpočtu evapotranspirace a zjednodušený postup umožňující odhadnout vyčerpání dostupné zásoby vody pod porostem plodin v případě nedostatečných srážek. Jedním z cílů bylo umožnit uživateli, aby si mohl názorně ověřovat vliv různých faktorů a scénářů průběhu počasí na dostupnou zásobu vody u plodin.
2. Úvod V této kapitole jsou stručně popsány základní pojmy z dané oblasti, vstupní údaje a využití údajů o bilanci vody u plodin. Pro podrobnější seznámení s danou problematikou, a to především v kontextu dopadů sucha na plodiny, je k dispozici kromě publikací autorů uvedených v kap. 9 literatura z oblasti pedologie, agrometeorologie, agroklimatologie a produkční fyziologie (vybrané práce jsou uvedeny v kap. 8).
2.1. Vodní kapacita půdy Využitelná vodní kapacita půd (VVK, % obj.) určuje největší možné množství vody, které je plodina schopna odčerpat z půdy nasycené na polní vodní kapacitu (PVK, % obj.), někdy definované jako retenční vodní kapacita. PVK označuje množství vody v daném objemu (tj. vlhkost v % obj.), které je půda schopna zadržet po delší dobu. Voda, která je vázána v půdě příliš velkou silou, je pro kořeny rostlin nepřístupná. Obsah vody na této úrovni se označuje jako bod vadnutí (BV, % obj.). VVK se tedy vypočte jako prostý rozdíl nejvyšší a nejnižší hodnoty dostupné vody, tedy VVK = PVK - BV (obr. 1). Zásobu (obsah) vody v půdě je praktické vyjadřovat v mm vody, tj. litrech na metr čtvereční. Například nasycení půdy na PVK při vlhkost 30 % obj. odpovídá 300 l vody v kubíku půdy (hloubka 0 - 100 cm) a to odpovídá vrstvě 300 mm vody pod každým čtverečním metrem půdy (300 l v krychlovém metru
6
představuje vrstvu vody o výšce 300 mm). Pokud tato půda vykazuje VVK 20 % obj. (PVK = 30 % obj., BV = 10 % obj.), pak ve vrstvě půdy 0 - 50 cm je 100 mm vody dostupné rostlinám, ve vrstvě do 100 cm je to 200 mm a ve vrstvě 0 200 cm je to 400 mm, tj. 400 l/m2. Hodnoty PVK a BV, tedy i VVK pro danou půdu závisí silně na zrnitostním složení půdy, zvláště obsahu nejmenších částic, jílu. Toho využívají tzv. pedotransferové funkce, které umožňují vypočítat tyto základní hydrolimity (PVK, BV) nebo přímo VVK na základě zrnitostního složení půdy (obr. 2), případně i s pomocí dalších údajů, především obsahu organické hmoty (např. Váša 1960; Vlček a kol. 2013, 2014). Na obrázku č. 1 jsou schematicky znázorněny hodnoty PVK, BV a VVK pro odlišné půdní druhy. Nejmenší obsah využitelné vody mají písčité půdy, které mají také nejnižší úroveň PVK, těžké jílovité půdy jsou sice schopny zadržet velké množství vody (až 40 % obj.), ale velká část je nedostupná pro rostliny. Nejvyšší množství využitelné vody, 170 - 210 mm, tj. 170 - 210 l/m2 (ve vrstvě 1 m), mají středně těžké hlinité a jílovito-hlinité půdy.
Obr. 1. Schématické znázornění dostupnosti vody při různém podílu jílnatých částic (částice ≤ 0,01 mm). Modrá křivka znázorňuje hydrolimit polní vodní kapacity (PVK), červená křivka pak hydrolimit bodu vadnutí (BV), rozdíl mezi nimi udává využitelnou vodní kapacitu (VVK). Schéma je vytvořeno pro různé půdní druhy (P–písčitá, HP– hlinitopísčitá, PH–písčitohlinitá, H–hlinitá, JH–jílovitohlinitá, JV– jílovitá zemina), podle Čermáka 2009, upraveno. Úroveň nasycení půdy vodou v průběhu roku kolísá. V našich klimatických podmínkách se nejčastěji doplňuje zásoba vody na úroveň PVK v průběhu meziporostního období na podzim, v zimě a na počátku jara, kdy je nízký výpar 7
z půdy a velmi nízká transpirace (u ozimů a travních porostů). Proto lze vlhkost půdy na jaře po vlhkém podzimu a zimě před začátkem růstu plodin a počátkem intenzivního výparu z půdy použít jako orientační hodnotu PVK. K nasycení na úroveň PVK nebo i dočasnému přesycení půdy vodou může dojít při silných déle trvajících srážkách i v průběhu vegetace plodin, ale spíše jen v povrchových vrstvách. Při překročení PVK v celé kořenové zóně dochází k průsaku vody a k vyplavování živin z dosahu kořenů. 45
20 15 R2 = 0,6899
10 5
RVK technicky (% obj.)
BV technicky (% obj.)
25
40 35 30 R2 = 0,8234
25 20
0 0
5
10 15 BV výpočtem (% obj.)
20
25
15
20
25 30 35 RVK výpočtem (% obj.)
40
45
Obr. 2. Ukázka korelace hodnot bodu vadnutí (BV) a retenční vodní kapacity (RVK) vzorků půdy vypočtených pomocí jednoduché PTF (Váša 1960) a hodnot určených pedologickými postupy (Vlček a kol. 2013).
2.2. Kořenový systém Voda z půdy je odčerpávána kořeny. Velikost kořenového systému, především hloubka a hustota kořenů, v jednotlivých vrstvách půdního profilu určuje množství vody, které je porost dané plodiny schopen využít. Zjednodušeně lze považovat maximální hloubku kořenů, tj. největší hloubku, kam kořeny proniknou, za hranici pro využití vody (v případě vyšší hladiny spodní vody může docházet k využití vody i z vlhkých hlubších vrstev půdy, kam kořeny neproniknou). Celková hustota a hloubka kořenů plodin se zvyšuje v průběhu růstu a v období kvetení a zrání dosahuje až několik kilometrů na m2 půdy. Pod každým čtverečním metrem porostu je tak hustá síť kořenů (kořenové vlásky se přitom nezapočítávají), které přijímají živiny a vodu z půdy. Největší hustota kořenů je v ornici, někdy i v mělké podorniční vrstvě. Hustota klesá s hloubkou (např. Haberle et al. 2014a; Klimešová, Středa 2013; Svoboda, Haberle 2014). Jednotlivé plodiny dosahují různé hloubky kořenů, zároveň se liší i jejich distribuce, tj. hustota kořenů v jednotlivých vrstvách. Mělký kořenový systém mají zeleniny s krátkou dobou růstu, mělčí až střední hloubky dosahují brambory, hrách, mák, následují jarní obilniny, jako středně až hluboko kořenící 8
lze označit ozimou pšenici a řepku, kukuřici a do největší hloubky dosahují kořeny slunečnice (obr. 3). Hloubka kořenů je ovlivněna podmínkami v půdě, na kamenité nebo zamokřené půdě by nedosáhla ani kukuřice nebo pšenice do hlubokých vrstev podorničí a naopak pozdní brambory na hluboké strukturní půdě můžou dosáhnout kořeny až do 70-80 cm a dokážou z podorničí odčerpávat vodu a živiny. Výkonný, optimálně velký kořenový systém s odpovídající dynamikou růstu a rozložením v půdním profilu je významnou podmínkou pro dosažení vysokých výnosů, vysokou efektivnost využití živin a odolnost k abiotickým stresům v půdním prostředí (Středa a kol. 2013; Klimešová, Středa 2014). Kořenový systém hraje také důležitou roli v metabolizmu některých živin a podílí se na regulačních mechanizmech rostlin. Šlechtění na velikost kořenového systému je teprve v počátcích, ale má velkou perspektivu (Svačina et al. 2013; Středa a kol. 2012). Cílem agrotechniky je vytvořit optimální podmínky pro rozvoj kořenového systému, který je stabilizačním faktorem především v nepříznivých podmínkách nedostatku vody nebo zhoršené přístupnosti živin. Délka kořenů (cm/vzorek) 0
100
200
300
400
500
600
0
20
Hloubka (cm)
40
60
80 Ozimá pšenice 100
Oves Slunečnice Brambory
120
Ozimá řepka Hořčice
140
160
180
Obr. 3. Distribuce kořenů plodin (průměrné hodnoty) a případy s nejmenší a největší hloubkou a hustotou kořenů z více let a lokalit (vpravo).
9
Využití vody v kořenové zóně Do největší hloubky kořeny plodin dosahují nejčastěji až v období kvetení a na počátku tvorby výnosu (přibližně BBCH 50-70). Hustota kořenů v hlubších vrstvách podorničí je malá a exponenciálně se snižuje (Haberle, Svoboda 2014), ale v případě vyčerpání vody a živin v ornici dokážou rostliny výrazně zvýšit intenzitu příjmu na jednotku délky kořene a odčerpat větší či menší část zásoby vody nebo dusíku. Využití vody a N z hlubších vrstev se projeví v podmínkách, kdy porost vytvoří velkou biomasu (a tím má vysokou potřebu vody a živin) a poté následuje delší období bez srážek. Sledování v polních podmínkách ukázala, že z vrstev podorničí s hustotou kořenů nad 1 cm/cm3 dokáže porost v případě potřeby využít většinu dostupné vody a dusíku. Naopak při hustotě pod 0,5 cm/cm3 již odběr významně klesá (Haberle, Svoboda, 2012b; Svoboda, Haberle 2014). Na menším využití se podílí i pozdější dosažení nejhlubších vrstev kořeny a již jen krátké období růstu do zralosti.
2.3. Evapotranspirace Množství vody, které se vypaří z půdy (evaporace) a rostlin (transpirace) udává celkový výdaj (ztrátu) vody z porostu, evapotranspiraci (ET). Na počátku růstu převládá výpar z půdy, s rostoucí biomasou a listovou plochou rostlin se zvyšuje transpirace a snižuje evaporace. Evapotranspiraci lze měřit přímo především pomocí vážených lysimetrů –kontejnerů, které jsou umístěny na váze, takže je možné zjišťovat úbytek vody.
Obr. 4. Změny potenciální evapotranspirace (ET) a průměrné teploty vzduchu během roku (vlevo, průměr 2009-2014, Ruzyně) a vztah denních hodnot ET a indikátoru povětrnostních podmínek (součet teploty (oC) a záření (MJ/m2)). Výpočet intenzity evapotranspirace vychází z faktorů, které ovlivňují výměnu plynů mezi porostem nebo půdou a atmosférou. Největší vliv má intenzita slunečního záření, teplota, vlhkost vzduchu, rychlost větru a vlastnosti povrchu
10
půdy a porostu, které ovlivňují energetickou bilanci a proudění vzduchu. Výsledkem výpočtu je potenciální evapotranspirace za podmínek, kdy je povrch trvale vlhký. Pro výpočet potenciální evapotranspirace vybraných plodin se při výpočtu používají standardní parametry referenčního porostu (krátce sekaný trávník dostatečně zásobený vodou), nejčastěji dle metodiky Penman-Monteith (Allen et al. 1998). Tato potenciální evapotranspirace je základem pro výpočet aktuální evapotraspirace (ETa) v porostu plodin (obr. 5). Uvedené výpočty vyžadují několik vstupních údajů, které nejsou v provozních podmínkách k dispozici. Proto byly vyvinuty a v praxi ověřeny zjednodušené postupy využívající například pouze teplotu vzduchu (porovnání výpočtů Kohut a kol. 2003). Pro účely metodiky byla použita upravená rovnice Blaney-Cridley (Schrödter 1985). Závislost potenciální evapotranspirace na teplotě vzduchu (a slunečním záření) je zřejmá z hodnot korelace mezi teplotou vzduchu a potenciální evapotranspirací a porovnání v průběhu roku (obr. 4). Nejvyšší hodnoty ET v rozsahu 5-6 mm/den je možno v našich klimatických podmínkách zaznamenat ve slunečních a větrných pozdně jarních a letních dnech s nízkou vlhkostí vzduchu.
11
Obr. 5. Dlouhodobé hodnoty srážkových úhrnů, teploty vzduchu a potenciální evapotranspirace (travního porostu, dole) na území ČR
12
Plodinový koeficent K Nejvyšší intenzitu evapotranspirace, blízkou nebo i mírně přesahující hodnotu potenciální ET, dosahují plně zapojené porosty plodin dobře zásobené vodou, s listovou plochou 1 m2/m2 povrchu půdy a více (LAI >1). Odběr vody porostem (jeho aktuální evapotranspirace ETa) se zvyšuje s nárůstem listové plochy od vzcházení a postupně se blíží úrovni potenciální evapotranspirace (100 % ET). Je to vyjádřeno plodinovým koeficentem K (-). Ten se zvyšuje od hodnoty okolo 0,35 pro holou půdu na úroveň okolo hodnoty K = 1, která znamená, že aktuální evapotranspirace (ETa) porostu dosahuje hodnoty potenciální evapotranspirace, tedy ET (ETa = ET*K, K = 1). Tato úroveň je dosažena při pokrytí půdy cca z 80 %, kdy se předpokládá, že LAI je větší než 1. Tato hodnota se udržuje po dobu hlavního růstu, do fáze počátku žloutnutí a opadu listů, kdy se hodnota koeficientu K opět snižuje k hodnotě blízké holé půdě. Na obr. 6 je schématické znázornění změny koeficientu K v průběhu růstu plodiny. 1.5
vzcházení
zralost
K (-)
1 0.5
zvětšování listové plochy
zmenšování listové plochy
0 02
03
04
05 Měsíc
06
07
Obr. 6. Schematické znázornění změny hodnoty plodinového koeficientu K v průběhu růstu plodin.
Evapotranspirace při nedostatku vody v kořenové zóně Při vysychání se sací tlak půdy zvyšuje a zadržuje vodu stále větší silou. Při poklesu obsahu vody v kořenové zóně pod určitou úroveň již kořeny nedokáží čerpat potřebné množství vody (dané hodnotou ETa = ET*K). Zjednodušeně se jako hranice obsahu vody v půdě, od které se příjem snižuje, používá pro jednotlivé plodiny hodnota 30 % - 50 % VVK. Při poklesu pod tuto hranici příjem vody porostem rychle klesá, i když potřeba vody (ET) je vysoká, rostliny vlastně šetří vodou. Příznakem je vadnutí listů, rychlejší žloutnutí a dřívější opad listů. Na úrovni 10 % - 20 % VVK, tj. blízko BV, již půda obsahuje jen málo vody a je pro rostlinu velmi obtížně dostupná. V případě, že déšť doplní zásobu v povrchové vrstvě, porost přechodně zvyšuje odběr vody, i když v celé kořenové zóně je již obsah dostupné vody nízký.
13
2.4. Agroklimatická bilance vody Agroklimatická bilance vody plodin je výsledkem rozdílu vody dodané ve srážkách (a případně i v závlaze) a úbytku vody evapotranspirací. V detailních modelech je do bilance započítán i průsak vody mimo kořenovou zónu a naopak případný přísun vody z hlubších vrstev kapilárním vzlínáním, ve speciálních případech i voda vysrážená na listech nebo jehlicích dřevin. Do bilance vstupuje pouze voda, která zasákne do půdy (tzv. efektivní srážky). Povrchový odtok při přívalových deštích nebo v důsledku utužení půdy je nutné od srážek odečíst.
Obr. 7. Průměrná dlouhodobá základní (klimatická) vláhová bilance travního porostu za vegetační období (nahoře) a za rok (dole) na území ČR v letech 2000-2013.
14
V suchých letech hlavně v nížinách s vyšší teplotou vzduchu a evapotranspirací je bilance vody záporná, naopak při dostatku srážek a nižší úrovni ET je bilance pozitivní. Bilanci vody na území ČR ve formě základní (klimatické) vláhové bilance travního porostu ukazují mapy na obr. 7. V případě kladné vláhové bilance se zásoba vody v půdě zvyšuje, dochází k průsaku a doplňování zásob spodní vody. Agroklimatická bilance vody se počítá pro referenční travní porost, ale modelově (pro půdy s různou VVK) i pro jednotlivé plodiny (obr. 8). Cílem této metodiky bylo poskytnout nástroj pro výpočet bilance vody pro konkrétní plodinu a pro povětrnostní podmínky daného ročníku na pozemku s určitou vodní kapacitou a hloubkou kořenové zóny. 120
2012
ZPV (%)
90 60 30 0
12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 5/ 5/ 7/ 8/ 9/ 9/ 4/ 6/ 7/ 8/ 6/ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 / / / / / / / / / / / 30 15 30 14 29 14 29 13 28 12 27
120
2013 90 60 30 0
3
1 20 4/ 0 0/
3
13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 5/ 5/ 6/ 6/ 7/ 7/ 8/ 8/ 9/ 9/ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 / / / / / / / / / / 15 30 14 29 14 29 13 28 12 27
120
2014 90 60 30
Ječmen jarní
Pšenice ozimá
Řepka ozimá
Okopaniny
0 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 /2 /2 /2 /2 /2 /2 /2 /2 /2 /2 /2 8 5 5 6 7 7 8 9 9 4 6 /0 /0 /0 /0 /0 /0 /0 /0 /0 /0 /0 30 15 30 14 29 14 29 13 28 12 27
Obr. 8. Časový průběh změn zásoby vody v půdě (ZPV, % z celkové maximální využitelné zásoby vody) v kořenové zóně plodin v letech 2012 - 2014 (průměr hodnot vypočtených pro monitorované porosty zemědělských podniků ve východních Čechách). 15
3. Vlastní popis metodiky V této kapitole je popsán výpočet obsahu a bilance vody v kořenové zóně plodin. Vlastní výpočet je realizován v programu, který je dostupný z webové stránky http://svt.pi.gin.cz/vuzt/koreny.php.
»₪« Text s návodem pro vkládání vstupních údajů do programu je odlišen barevně a graficky. »₪« Vkládání vstupních údajů a postup výpočtu jsou v následujícím textu dokumentovány na obrázcích panelů (stránek) programu. Z webové stránky programu lze odskočit na odpovídající část textu metodiky nebo vyvolat doprovodné texty s návody např. pro ověření hloubky kořenů, terénní odhad půdního druhu pomocí hmatového testu, určení obsahu skeletu, objemové hmotnosti půdy nebo polní vodní kapacity. Tyto terénní metody lze použít bez speciálního vybavení. Uvedené doplňkové texty nejsou uvedeny v metodice, protože jde vesměs o známé postupy, které jsou popsány ve skriptech a příručkách (viz kap. 8) a nejsou výsledkem řešení projektu.
Postup výpočtu bilance vody v provozních podmínkách Výpočet bilance vody pod plodinou zahrnuje několik základních kroků, které odpovídají faktorům popsaným v úvodu a jsou znázorněny na obr. 9-15. 1.
Určení vodní kapacity vrstev půdy na daném pozemku
2.
Výpočet maximální a aktuální dostupné zásoby vody v kořenové zóně
3.
Výpočet potenciální a aktuální evapotranspirace porostu
4.
Bilance vody pod porostem
Výpočty jsou vyjádřeny v mm vody, které odpovídají litrům vody na m2.
Úvodní panel programu »₪« Na úvodní stránce je uživatel vyzván k vložení jména a hesla, které umožňuje opakované použití vložených údajů.
16
Obr. 9. Vstupní panel programu pro výpočet bilance vody. Na každé stránce je také možné zobrazit a zase skrýt mapu programu (vpravo).
3.1. Určení využitelné vodní kapacity půdy Výpočet využitelné vodní kapacity (VVK), tj. maximální množství vody, které jsou plodiny schopny vyčerpat z půdy nasycené na polní vodní kapacitu (PVK), je založený na vztahu zrnitostního složení půdy a hodnot PVK a bodu vadnutí (BV). Údaje pro výpočet VVK nejsou běžně v provozních podmínkách dostupné. Proto program využívá uvedený postup výpočtu ze zrnitosti (kap. 2.1), ale umožňuje i vložení vlastních údajů.
Vložení podílu jílnatých částic a půdního druhu »₪« Uživatel upraví nebo ponechá nabízené hodnoty podílu jílnatých částic, tj. fyzikálního jílu (< 0,001 mm) a jemného prachu (0,001 0,01 mm) pro orniční vrstvu (obr. 10). Analýzu zrnitostního složení půdy provádí v ČR několik pracovišť (např. VÚMOP Praha). Údaje o zrnitostním složení lze také využít pro odhad rizika vyplavení nitrátů. Nepřímé odhady zrnitosti jsou vždy méně přesné.
»₪« Místo vložení hodnot zrnitosti ornice je možné vybrat z nabídky půdní druh, kterému program přiřadí odpovídající hodnoty PVK a BV. Pro podorniční vrstvy (30-60 cm, 60-100 cm a 100-200 cm) se zvolí pouze půdní druh (obr. 10).
17
Lze doporučit provedení analýzy zrnitostního složení i podorničních vrstev a určit půdní druh podle Nováka (v příloze programu). K programu je připojen soubor s návodem pro terénní odhad půdního druhu. Pro mělce a středně hluboko kořenící plodiny má zrnitost vrstev půdy pod 100 cm kořenů žádný nebo jen malý význam. Naopak u hluboko kořenících druhů půda pod 100 cm obsahuje významnou rezervu vody využitelnou kořeny v případě vyčerpání dostupné vody z horních vrstev půdního profilu.
Obr. 10. Vstupní obrazovka programu pro vložení údajů o zrnitostním složení pro výpočet vodní kapacity vrstev půdy. Pro přesnější odhad půdního druhu podorničí daného pozemku je vhodné vykopat půdní sondu nebo využít možnost pozorování na stěně výkopů inženýrských sítí apod. V programu jsou připojeny doprovodné texty s návody pro terénní odhad půdního druhu hmatovou zkouškou nebo jednoduchým sedimentačním testem.
Oprava na obsah skeletu »₪« Uživatel ponechá nebo může upravit indikativní údaj o obsahu skeletu, který program odhadne na základě BPEJ pozemku (obr. 11). V doprovodném textu programu je uveden terénní postup pro určení podílu skeletu
18
3.2. Výběr plodiny, hloubky půdy a kořenů Hloubka kořenů určuje, jaký podíl z fyziologicky dostupné vody (určené hodnotou VVK) je dostupný pro danou plodinu. Program redukuje využitelnost zásoby vody v nejhlubších vrstvách, kde je nízká hustotou kořenů (kap. 2.2).
»₪« Uživatel vybere plodinu, pro kterou bude program počítat zásobu a bilanci vody v půdě, a vloží hodnotu hloubky kořenů na základě pozorování nebo na podkladě přiložené tabulky, uvádějící typické rozmezí hodnot hloubky kořenů hlavních plodin (obr. 11).
»₪« Údaj o hloubce půdy určuje vrstvu pro kterou se počítá obsah vody. V případě, že hloubka půdy je menší než vložená hloubka kořenů, sníží se hloubka kořenů odpovídajícím způsobem. Správné určení hloubky kořenů plodin na konkrétním stanovišti je důležité pro výpočet celkového množství vody dostupné porostu. Tyto údaje nejsou běžně dostupné, ale při výpočtu se využívá skutečnosti, že hloubka kořenů jednotlivých druhů plodin se pohybuje v určitém rozmezí.
Obr. 11. Vstupní obrazovka pro výběr plodiny a vložení hloubky půdy a kořenů (vlevo) a obsah skeletu (vpravo) Menší hloubku kořenů lze zaznamenat na lehkých půdách s vyšším obsahem písku a také na velmi těžkých jílovitých půdách, největší hloubka kořenů je na úrodných hlinitých, písčito-hlinitých a jílovito-hlinitých půdách s vyšším obsahem humusu, dobrou strukturou a dostatkem biopórů. Při zhoršených 19
podmínkách, jako je utužená a zamokřená půda, špatný strukturní stav, nízké pH, vrstvy jílu nebo štěrku apod., je nutné, aby uživatel hloubku kořenů snížil. Předpokladem dobrého růstu kořenů do hloubky je zdravý vitální porost, s optimální strukturou (nepřehuštěný), bez poškození škůdci a chorobami a bez příznaků silného deficitu živin. Doporučenou hloubku kořenů plodin je vhodné ověřit přímo na daném pozemku, ve fázi dosažení maximální hloubky (po kvetení, u cukrovky ke konci fáze růstu bulev). Při inspekci zrnitostního složení půdy a obsahu skeletu v podorničí lze současně na stěně výkopu pozorovat překážky pro růst kořenů a rozložení kořenů. Tato pozorování poskytnou poměrně jednoduchým způsobem řadu údajů o stavu vrstev půdy na konkrétním pozemku, které mohou objasnit odlišnou reakci plodin na sucho nebo nadměrné srážky.
Úprava vypočtených hodnot vodní kapacity půdy Program vypočte polní vodní kapacitu a bod vadnutí vrstev půdy na základě údajů o zrnitostním složení nebo půdním druhu (obr. 10).
»₪« Uživatel má možnost upravit vypočtené hodnoty PVK a BV podle vlastní úvahy, případně podle terénních či pedologických měření. Program neumožňuje vložit hodnoty, které neodpovídají půdnímu druhů nebo BPEJ (obr. 12).
Obr. 12. Vstupní obrazovka pro případnou úpravu vypočtených hodnot PVK a BV (vlevo) a přehled vypočítané teoretické maximální vodní kapacity a zásoby vody ve vrstvách kořenové zóny využitelné porostem zvolené plodiny (vpravo). 20
Součástí programu je popis zjednodušeného postupu pro přibližné určení PVK. Kromě suchých zim je vlhkost půdy na počátku jara, před začátkem růstu plodin, poměrně spolehlivým ukazatelem polní vodní kapacity (vlhkost se obvykle pohybuje okolo 90 % PVK). Po odsouhlasení nebo úpravě hodnoty PVK a BV program vypočte na základě zvolené hloubky kořenů obsah dostupné vody v kořenové zóně (obr. 12). Výsledkem výpočtů je maximální množství využitelné vody ve vrstvách půdy při nasycení vody na plnou vodní kapacitu za předpokladu vyčerpání veškeré dostupné vody porostem dané plodiny až k bodu vadnutí. Tato teoretická zásoba je redukována podle hloubky kořenů dané plodin (obr. 12).
3.3. Výpočet zásoby a bilance vody Bilance vody je založena na výpočtu potenciální evapotranspirace (ET) a výpočtu aktuální evapotranspirace porostu (ETa), který vychází z postupného pokrytí půdy v průběhu růstu a dostupnosti vody v kořenové zóně. Denní bilance vody v porostu je pak prostým rozdílem pozorovaných srážek a ETa (v mm) v denním kroku. Bilance vody pod porostem do hloubky kořenové zóny je výsledkem součtu obsahu vody v kořenové zóně v předchozím dnu a denní bilance vypočítané pro aktuální den.
Určení obsahu vody na počátku růstu Pro zahájení výpočtu bilance vody je potřeba stanovit obsah vody v půdě na počátku růstu vybrané plodiny.
»₪« Uživatel může upravit (snížit) vlhkost vrstev půdy, která je nastavena na počátku růstu na hodnotu nasycení PVK (obr. 13).
»₪« Na stránce jsou uvedeny hodnoty vlhkosti půdy na úrovni polní vodní kapacity vypočtené v předchozích krocích. V letech s dostatkem podzimních a zimních srážek se zásoba vody na jaře pohybuje na úrovni blízko PVK. Přechodnou saturaci půdy vodou (nad hodnotu PVK) zde neuvažujeme. V případě ozimů, především řepky, a předplodin, které čerpají vodu i na podzim (cukrovka, kukuřice, strniskové meziplodiny s velkou biomasou), zvláště v případě suché a relativně teplé zimy bez sněhu, je nutné snížit výchozí jarní zásobu vody na nižší úroveň (program neumožňuje snížit zásobu vody na jaře na nerealisticky nízkou úroveň). Orientačním ukazatelem možného nasycení půdy 21
je porovnání úhrnu srážek v meziporostním období a vypočtené využitelné vodní kapacity dané půdy. Nejpřesnější je přímé určení vlhkosti půdy ornice a podorničí na počátku růstu. Určení vlhkosti půdy lze provést i bez speciálního vybavení (postup je součástí doprovodných textů webové aplikace).
»₪« Na tomto panelu (obr. 13) se také provede výběr dat "typického ročníku“. Údaje jsou použity pouze v případě potřeby doplnění chybějících meteorologických dat nebo vyzkoušení programu bez vlastních povětrnostních údajů.
Obr. 13. Úprava vlhkosti půdy na počátku růstu, výběr pomocných povětrnostních údajů, vložení termínu zahájení výpočtu (počátek růstu, vzcházení) a plodinového koeficientu.
Údaje pro výpočet odběru vody porostem a bilanci vody Plodinový koeficient K Plodinový koeficient vyjadřuje odlišnou schopnost porostu transpirovat vodu v závislosti na změnách listové plochy a pokrytí půdy (kap. 2.3.). Koeficient se zvyšuje od hodnoty K = 0,35 na počátku růstu na úroveň okolo hodnoty K = 1, která znamená, že aktuální evapotranspirace porostu dosahuje hodnoty potenciální evapotranspirace ET. Tato úroveň je dosažena při pokrytí půdy cca
22
z 80 % a udržuje se po dobu hlavního růstu a začátku tvorby výnosu. S počátkem žloutnutí a opadu listů se hodnota koeficientu K opět snižuje k hodnotě blízké holé půdě (obr. 6).
Vložení termínů pro změnu hodnoty koeficientu K a jeho maximální hodnoty «₪» Uživatel může upravit doporučenou
maximální hodnotu plodinového koeficientu K pro danou plodinu, reálné je snížení o 0,1-0,3 (obr. 13).
Hodnotu K je třeba snížit při výrazné redukci zelené listové plochy z důvodu poškození chorobami, škůdci či abiotickým stresem, kdy se transpirace porostu snižuje. Podobně se hodnota plodinového koeficientu K snižuje v případě velmi prořídlého, nerovnoměrného porostu např. v důsledku vymrznutí.
«₪» Uživatel upraví podle skutečnosti agrotechnické termíny začátku růstu (vzcházení) porostu, zapojení porostu (cca 80 % pokrytí plochy půdy), termínu, kdy se listová plocha a transpirace porostu začíná snižovat, a zralosti, kdy je výpočet ukončen. Termíny změn plodinového koeficientu K nelze v provozních podmínkách přesně určit, ale posun o několik málo dní bilanci vody zásadně neovlivní vzhledem k postupnému nárůstu a poklesu jeho hodnoty (obr. 6).
Snížení odběru vody při poklesu využitelné zásoby vody v kořenové zóně Při poklesu vlhkosti půdy (obsahu dostupné vody v kořenové zóně) pod určitou úroveň se odběr vody porostem snižuje, protože kořeny nedokážou čerpat dostatečné množství vody pro pokrytí potřeby dané hodnotami ET a K (kap. 2.3). To se projevuje vadnutím listů v průběhu dne.
«₪» Uživatel může upravit doporučenou hodnotu vyčerpání dostupné vody v kořenové zóně, při které dochází k redukci příjmu vody kořeny (obr.13). V průběhu výpočtu bilance program automaticky redukuje odběr vody porostem při poklesu pod určitou zadanou úroveň vyčerpání vody. Pouze v případě srážek, které doplní dostupnou zásobu vody v povrchové vrstvě půdy, porost dočasně zvýší odběr vody na vyšší úroveň, i když v celé kořenové zóně je již obsah dostupné vody na nízké úrovni. 23
Obr. 14. Panel pro vložení údajů o srážkách a teplotě vzduchu pro výpočet ET.
Vložení srážkových a teplotních údajů Výpočet potenciální evapotranspirace (ET) vychází ze zjednodušeného postupu na základě denní teploty vzduchu. Tento postup je možné v budoucnu snadno rozšířit o složitější výpočet s využitím údajů o délce trvání slunečního svitu, vlhkosti vzduchu a rychlosti větru. Tvorba metodiky reaguje mimo jiné i na rostoucí počet automatizovaných meteorologických staniček v zemědělských podnicích a na zájem pěstitelů o sledování povětrnostních podmínek co nejblíže pěstitelskému areálu.
»₪« Uživatel zadá hodnoty denních srážek a teploty vzduchu pro období od vzcházení do zralosti, případně od vzcházení do určitého termínu v průběhu růstu plodiny (obr.14).
»₪« Vložení bloku dat se provádí stejným způsobem jako v programu MS Excel nebo v jiných tabulkových kalkulátorech, tj. CTRL+C a CTRL+V. Součástí programu je interní databáze denních hodnot srážek a teplot vzduchu, které reprezentují určitý typový průběh počasí - suchý, průměrný a vlhký ročník (nižší či vyšší srážky v průběhu vegetačního období) na lokalitách s vyšší (nížiny) a nižší (vysočina) průměrnou denní teplotou. Základem pro tyto datové soubory jsou údaje z konkrétních lokalit a ročníků a umožňují vyzkoušet výpočet bilance i bez vlastních dat nebo provést s jejich pomocí dopočet bilance od určitého data pro následující období, do sklizně. Výběr "ročníku“ se provádí 24
na panelu (obr. 13), údaje jsou použity v případě potřeby doplnění chybějících dat do sklizně.
Efektivní srážky Pro nezkreslený výpočet je nutné do výpočtu bilance vody zahrnout pouze efektivní srážky, které se vsáknou do půdy a skutečně zvýší obsah vody v půdě. Při silnějších srážkách, zvláště přívalových deštích, větší či menší podíl srážkové vody odtéká mimo pozemek nebo stéká a hromadí se v prohlubních. Jednoduchý výpočet redukce vody ze silných srážek v závislosti na denním úhrnu srážek a svažitosti uvádí Spitz a kol. (2007). Zjednodušeně, při svažitosti 4 – 10 % se na každých 10 mm srážek (nad 10 mm) snižuje celkové množství o cca 10 %. Skutečné množství vody, které zasákne do půdy však v polních podmínkách závisí na řadě faktorů, např. na délce deště (přívalový déšť oproti celodennímu a rovnoměrnému dešti), na rostlinném pokryvu, na utužení povrchu půdy nebo na systému zpracování půdy (minimalizace, hrůbky u brambor). Tato problematika jde nad rámec metodiky. Doporučujeme upravit (snížit) hodnotu denních srážek v případě přívalového deště na základě vlastního pozorování daného pozemku.
3.4. Výsledná bilance vody pod porostem Výstupem výpočtu bilance je obsah dostupné vody v kořenové zóně plodiny na daném pozemku (obr. 15).
«₪» Program ukazuje tabulku úhrnu srážek, průměrnou denní teplotu vzduchu, potenciální evapotranspiraci a bilanci vody ve zvoleném intervalu (2, 5, 7, 10 dní) a obsah dostupné vody v kořenové zóně poslední den daného intervalu.
«₪» Program upozorňuje zvýrazněním výstupů na pokles obsahu dostupné vody (dle plodiny) pod určitou hranici (50 % - 20 %). V případě delšího období s poklesem obsahu dostupné vody v kořenové zóně pod 30 %, u citlivějších plodin (hrách, mák, brambory) již cca pod 40 %, lze očekávat významnější redukci výnosu. Problematika vlivu nedostatku vody na plodiny zahrnuje řadu pedologických, fyziologických a meteorologických aspektů, které nemůže tento jednoduchý výpočet zahrnout. Větší dopad má sucho v tzv. kritických obdobích, menší či větší roli hraje odrůda, systém hnojení nebo specifické morfologické znaky kořenového systému.
25
Obr. 15. Výstupní hodnoty a varování při poklesu obsahu vody pod určitou hranici.
Předpověď bilance a vývoje obsahu vody Pro prognózu budoucího vývoje obsahu dostupné vody v půdě jsou možné dva způsoby (obr.14).
«₪» Uživatel může vložit vlastní odhad srážek a teploty vzduchu na příští dny a týdny, a to na základě dlouhodobé předpovědi, nebo vložením údajů z jiného období či ročníku na daném stanovišti. Nato se zopakuje výpočet bilance vody s doplněnými meteorologickými údaji. Takto si lze vyzkoušet možný vývoj obsahu půdní vody při různých scénářích vývoje počasí za celé období růstu nebo jeho část.
«₪» Uživatel vybere z nabídky možnost nahradit srážky a teploty vzduchu ze souborů typových povětrnostních údajů a program doplní výpočet na jejich základě.
26
3.5. Ověření postupu výpočtu Dílčí kroky, jako je výpočet PVK a BV vrstev půdy na základě obsahu jílnatých části, zjednodušený výpočet potenciální evapotranspirace, hloubka kořenů a využití vody z hlubších vrstev podorničí byly ověřovány v průběhu řešení projektu a jsou obsahem publikací autorů (kap. 9). Na obrázku č. 16 je ukázka porovnání pozorovaného a vypočteného obsahu vody na několika lokalitách. Vzhledem ke zjednodušenému výpočtu bilance vody lze shodu u většiny případů, zvláště obilnin, hodnotit jako uspokojivou. Z analýzy případů s horší shodou vyplývá, že příčinou byly přívalové srážky, kdy dochází k odtoku a lokálnímu hromadění vody, které nelze přesně odhadnout. Výsledky naznačují, že odtok je vyšší než by odpovídalo obecné závislosti na svažitosti a velikosti srážek. Poněkud horší shoda byla v některých případech pozorována u brambor, zřejmě v důsledku nerovnoměrného stékání a zasakování vody v hrůbcích, a u kukuřice. 200
Pšenice, Ruzyně 2014
Kukuřice, Lukavec 2013
Řepka, Lukavec 2013
mm
150 100 50 0 1.3
20.4
9.6
29.7
1.4
21.5
10.7
29.8
18.10
20.2
11.4
31.5
20.7
8.9
200
Ječmen, Lukavec 2014
Pšenice, Lukavec 2014
Pšenice (závlaha), Ruzyně 2014
mm
150 100 50 0 1.3
20.4
9.6
29.7
1.3
20.4
9.6
29.7
1.2
200
Brambory, Valečov 2013
23.3
12.5
1.7
20.8
Řepka, Ivanovice 2014
Řepka VOP, Lukavec 2014
mm
150 100 50 0 1.3
20.4
9.6
29.7
1.3
20.4
9.6
29.7
1.3
20.4
9.6
29.7
Obr. 16. Příklad porovnání experimentálně určeného obsahu vody (body) s hodnotami vypočtenými programem u ozimé pšenice, řepky, kukuřice, slunečnice, jarního ječmene a brambor (osa Y - dostupné množství vody v kořenové zóně v mm). 27
Vlastní ověření výpočtu v provozních podmínkách Na základě sledování půdy a porostu na daném pozemku lze upřesňovat vstupní parametry výpočtu. V modelovém výpočtu lze upravit jak vodní kapacitu vrstev půdy, tak parametry odběru vody z půdy, hloubku kořenů a plodinový koeficient. Je třeba upozornit, že program je určen především pro podmínky nedostatku srážek, kdy plodina závisí na postupném čerpání zásoby vody z kořenové zóny. V případě dostatku nebo přebytku srážek nehraje zásoba vody v celé kořenové zóně tak významnou úlohu. Hlavním měřítkem je vlhkost půdy, tj. obsah vody v kořenové zóně v průběhu růstu, kterou lze určit standardním postupem vysušením vzorku půdy (viz doprovodný text k programu). Nepřímé indikátory nedostatku vody nejsou úplně spolehlivé. Výskyt příznaků vadnutí listů v průběhu dne ještě neznamená snížení výnosů, je přirozeným projevem reakce rostlin na vysokou úroveň evapotranspirace a závisí také na povětrnostních podmínkách – za větrného, horkého dne s vysokou intenzitou slunečního záření a nízkou vlhkostí vzduchu dochází k vadnutí při vyšším obsahu vody v půdě než v bezvětrném a oblačném dni s vyšší vlhkostí vzduchu. Zřetelnou známkou nedostatku vody je vadnutí listů již ráno či brzy dopoledne a žloutnutí, zasychání nebo opad listů, neodpovídající fázi vývoje a výživnému a zdravotnímu stavu rostlin.
Nejistoty výpočtu bilance vody Použitý zjednodušený postup nemůže zohlednit řadu faktorů, které působí v polních podmínkách. Tyto faktory v sobě zahrnují komplexní plodinové modely, které však vyžadují desítky vstupních parametrů v praxi nedostupných. Podobně například u metodik výživy plodin jde vždy o velké zjednodušení, nelze například postihnout všechny složité vztahy a procesy transformace dusíku a dalších živin nebo mechanismus příjmu iontů kořeny a vliv mykorhizy. Z hlediska bilance vody jsou podstatné spolehlivé údaje o evapotranspiraci (zde vypočtené jednoduchým způsobem z teploty vzduchu) a velikosti srážek zvláště v letních měsících se může skutečná intenzita u pozemků vzdálených jen několik set metrů lišit až o desítky litrů na m2. Použitý postup lze v budoucnu dále zpřesňovat, když se do výpočtu ET zahrne i počet hodin slunečního svitu, rychlost větru a relativní vlhkost vzduchu na dané lokalitě. Také prostorová variabilita půdních podmínek na jednom pozemku (kterou jinak s výhodou využívá precizní zemědělství) může hrát velkou roli. Stékání a hromadění vody na některých místech pozemků tuto plošnou nerovnoměrnost ještě zvyšuje. V případě, že na pozemku jsou zřetelně odlišitelné oblastí s lehkou propustnou půdou a části s těžší hlinitou půdou, je nutné výpočet provést samostatně.
28
4. Srovnání novosti postupů Metodika popisuje výpočet bilance vody u plodin. Postup se zaměřuje na zpřesnění vodní bilance na základě údajů o hloubce kořenů a využití vody porostem z vrstev půdního profilu. Postup výpočtu byl navržen pro podmínky zemědělských podniků, kde nejsou k dispozici přesné hydropedologické a fyziologické údaje nezbytné pro využití komplexních plodinových a agroklimatických modelů. Postup popsaný v této metodice dosud nebyl v ČR uplatněn. Novost spočívá především v zohlednění hloubky kořenů a ve výpočtu vodní kapacity půdy, evapotranspirace a využitelné zásoby vody na základě údajů dostupných v provozních podmínkách pro konkrétní plodinu a pozemek. Inovační charakter má forma výpočtu pomocí on-line webové aplikace, v níž jsou také zahrnuty odkazy na relevantní textové části metodiky a další pomocné materiály. Další novinkou je nabídka meteorologických údajů povětrnostně typických ročníků, které umožňují realizovat výpočty odlišných scénářů počasí i bez vlastních dat o průběhu počasí. Postup využívá existující terénní metody a pozorování porostu pro určení nebo odhad parametrů výpočtu. Tato skutečnost společně s využitím povětrnostních údajů přímo z dané lokality umožňuje v rámci použitých zjednodušených postupů zpřesnění bilance. Některé prvky výpočtu jsou uplatňovány při řízení závlahového režimu plodin (např. Spitz a kol. 2007), které však neřeší zásobu dostupné vody v půdě na základě hloubky kořenového systému a využití vody z hlubokých vrstev kořenové zóny.
5. Popis uplatnění metodiky Metodika je určena především pěstitelům a pracovníkům v zemědělském poradenství. Poskytuje odhad dostupné zásoby vody v půdním profilu a jejího vyčerpání porostem na daném pozemku. Program názorně ukazuje podmínky a faktory ovlivňující dostupnost vody. Uplatnění metodiky je založeno na znalostech agronoma o specifických podmínkách konkrétního pozemku nebo jeho části, vrstev půdního profilu a prokořenění, průběhu počasí v místě a na pozorování stavu porostu. Potřebné údaje nebo jejich kvalifikovaný odhad pro výpočet jsou dostupné bez speciálního vybavení, ale v případě získání přesnějších údajů o zrnitostním složení půdy a vodní kapacitě půdy jsou výsledky spolehlivější. Metodiku a program je možné také použít pro rámcový odhad dopadu možných scénářů průběhu počasí, nedostatku srážek a snížené dostupnosti vody pro odlišné půdní podmínky a plodiny. Pro pěstitelé v oblastech s častým výskytem nedostatku vody nebo pracovníky v poradenství se zájmem o predikci sucha a aplikaci
29
opatření pro snížení jeho dopadů lze doporučit přímou spolupráci s autory metodiky, například pro zpřesnění parametrů bilance vody nebo využití přesnějších plodinových modelů.
6. Ekonomické aspekty Náklady na zavedení postupů zahrnují především analýzu zrnitostního složení půdy, cena jednoho vzorků je okolo 400 Kč (např. http://www.vumop.cz/ index.php?p=laboratorni_rozbory&site=default). Pro plochu (pozemek) o velikosti do 10 ha lze doporučit analýzu směsných vzorků z více míst, tj. pro 3 vrstvy půdy, celkem 100 - 120 Kč/ha. Jde o jednorázovou částku, u větších ploch podle míry plošné variability bude potřeba větší počet vzorků. Program také nabízí možnost vložit půdní druh nebo použit terénní odhad zrnitosti hmatovou zkouškou nebo zjednodušeným sedimentačním testem bez nákladů, ale určení zrnitosti je přesnější. Pořízení automatizované meteorologické staničky pro měření teploty vzduchu a srážek se pohybuje do 10 tisíc Kč. V řadě podniků již tyto stanice využívají. Jde o jednorázový náklad, který bude používán po více let, i pro další účely (např. prognózu výskytu škůdců). U větších podniků je vhodné mít staniček více, a to s ohledem pro zachycení lokálních, většinou značně proměnlivých srážek a teplotních rozdílů. Srážky a teploty vzduchu lze měřit i ručně, za cenu teploměru. Dále dnes existuje řada on-line informací o srážkách a teplotách na stovkách lokalit (např. http://hydro.chmi.cz/hpps/hpps_act_rain.php, http://www.emsbrno.cz, http://www.amet.cz/, http://www.hladiny.cz/cz/ aj.). Sondýrky nebo vrtáky pro odběr vzorků půdy na vlhkost jsou většinou k dispozici, pořízení stojí 1 - 2 tis. Kč. K měření vlhkosti půdy není potřeba speciální vybavení. Odběry vzorků půd mohou za úhradu provést agrochemické laboratoře, ale je potřeba analyzovat i vzorky z vrstev podorničí, které se běžně neprovádějí. Osobní náklady zahrnují čas pracovníka pro určení vlhkosti půdy, pozorování hloubky kořenů na stěně výkopu, odhad neefektivního odtoku vody při přívalových srážkách apod. v rozsahu několika hodin za rok. Celkové náklady na období 10 let jsou nízké a činí podle výměry nejvýše 10-30 Kč/ha.rok. Přínosy použití metodiky se projeví při systematickém monitoringu vláhových podmínek u plodin na konkrétních pozemcích a využití těchto informací v podniku. Častější výskyt kratších či delších period sucha negativně ovlivňuje výnos, kvalitu produkce, efektivnost hnojiv, přípravků ochrany rostlin a pomocných látek. Ve výjimečně suchých letech (2000, 2003, 2007) byly škody vyčíslovány v miliardách korun, ale i v příznivějších ročnících se lokálně vyskytují období nedostatku vody, která snižují výnos a zisk (především
30
v případě postižení kritických období vývoje plodin). Redukce škod jen o několik procent představuje přínos v rozsahu miliónů korun. Efektivní opatření pro snížení dopadů sucha nutně vyžaduje uplatnění rozmanitých přístupů. Metodika umožňuje pěstitelům odhadnout množství dostupné vody; včasné varování nástupu sucha a možnost určité predikce na základě odhadu teplot vzduchu a srážek pro nejbližší dny dává určitý poklad pro zvážení efektivnosti aplikace hnojiv, pomocných látek nebo použití přípravků ochrany rostlin. V delší časové řadě, nejlépe s využitím víceletých meteorologických údajů, lze uvažovat o úpravě systémů pěstování a technologických postupů s cílem snížit riziko ztrát v případě sucha pro rizikové pozemky. Patří sem šetření vodou v celém osevním postupu, úprava struktury a rozmístění plodin na pozemcích, využití půdo-ochranných technologií zpracování půdy nebo zásahů pro zlepšení struktury půdy a podmínek pro dobrý růst kořenů, změny odrůdové skladby a struktury porostu nebo (ne)zařazení meziplodin na rizikových plochách. Znalost dostupné zásoby vody v kořenové zóně umožňuje rozhodovat se na základě skutečných podmínek, v nichž rostou plodiny, a nikoliv pouze podle odhadu srážek.
7. Mapové přílohy Na základě získaných údajů o hloubce kořenové zóny hlavních plodin byly v rámci řešení projektu zpřesněny výpočty agroklimatické bilance vody modelem AVISO pro území ČR. Pro výpočty byly použity denní hodnoty základních meteorologických prvků (teplota a vlhkost vzduchu, sluneční svit, rychlost větru a srážky) za období 2000 - 2013 z 198 klimatologických stanic na území ČR. Bilance obsahu dostupné vody do hloubky aktuálního prokořenění byla pro středně těžké půdy zpracována s modelovou využitelnou vodní kapacitou 170 mm. Výpočty dlouhodobé průměrné zásoby využitelné vody na středně těžké půdě vyjádřené v % VVK byly provedeny pro ozimou pšenici, jarní obiloviny (květen, červen a květen+červen), kukuřici (červenec, srpen a červenec+srpen) a brambory (červen, červenec a červen+červenec) jako hlavní představitele skupin druhů s různou hloubkou kořenů a délkou růstu. Bilance vody v půdě byla počítána podle průměrných hodnot pozorované hloubky kořenů. Výsledné mapy dokumentují dlouhodobé průměrné podmínky zásobení vodou charakterizované podílem z dostupné zásoby vody v kořenové zóně v období hlavního růstu plodin s nejvyšší spotřebou vody. Příklady výstupů jsou uvedeny na obr. 17.
31
Jarní obiloviny, červen
Ozimá pšenice, květen-červen
Jarní obilniny, květen
Brambory, červen-červenec
Kukuřice, červenec-srpen
Brambory, červenec
Obr. 17. Mapy dlouhodobého průměrného obsahu dostupné vody v kořenové zóně plodin (% VVK). Zpracováno období 2000-2013.
32
8. Seznam použité související literatury Allen R.G., Pereira L.S., Raes D., Smith M. (1998): Crop evapotranspiration. Guidelines for computing crop requirements. Irrigation and Drainage Paper No. 56, FAO, Rome,Italy. Čermák V. (2009): Metodika zkoušek užitné hodnoty brambor. Nabývá účinnosti dne 11.2.2009, ZUH/3 nahrazuje: VCU2/2.7 ze dne 12.12.2005. ÚKZÚZ Brno 2009. Haberle J. (2010): Simulace vlivu diferencované zásoby vody po kvetení na výnos zrna ozimé pšenice. In: Kožnarová, V. & Sulovská, S. (eds.). Bioklima 2010. Česká zemědělská univerzita, Praha, 85-90. Haberle J., Trčková M., Růžek P. (2008): Příčiny nepříznivého působení sucha a dalších abiotických faktorů na příjem a využití živin obilninami a možnosti jeho omezení. Metodika pro praxi. VÚRV 2008, 28.s. Jandák K, Pokorný E., Prax A. (2010): Půdoznalectví. Mendelova univerzita v Brně. 3. přepracované vydání, 143 s. Klabzuba J., Kožnarová V., Voborníková J. (1999): Hodnocení počasí v zemědělství, ČZU Praha, 126 s. Kohut M., Rožnovský J., Chuchma F (2008): Variabilita dlouhodobé zásoby půdní vody na území České republiky podle modelu AVISO. In: „Hodnocení zemědělského půdního fondu v podmínkách ochrany životního prostředí“. Praha: ÚZEI, 2008, 128-143, CD ROM. Lhotský J. (2000): Zhutňování půd a opatření proti němu. Stud. informace ÚZPI Praha, ř. Rostl. Výr., č.7, 61 s. Prax A., Pokorný E. (2004): Klasifikace a ochrana půd. 2. přeprac.vydání, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně. 175 s. Rožnovský J. (2011): Zemědělství a změna klimatu. MZe ČR, PRaha 2011, 26 s. Sáňka M., Materna J. (2004): Indikátory kvality zemědělských a lesních půd ČR. Edice Planeta, 12 (11). Spitz P., Zavadil J., Hemerka I. (2007): Metodika řízení závlahového režimu plodin výpočetním programem ZAPROG 1. (VÚMOP 2007, příloha CD). Tolasz R. a kol. (2007): Atlas podnebí Česka. ČHMÚ Praha, UP Olomouc, 256 s. Vopravil J. a kol (2010): Půda a její hodnocení v ČR. Díl I. - 2. vydání,VÚMOP,v.v.i., 148 s. Vopravil J. a kol (2011): Půda a její hodnocení v ČR. Díl II. - 1. vydání,VÚMOP,v.v.i., 156 s.
9. Seznam publikací, které předcházely metodice Vybrané publikace z let 2011-2014 s dedikací projektu NAZV QI111C080. Další publikace jsou k dispozici u autorů metodiky a v databázích publikací na webových stránkách pracovišť. Haberle J., Svoboda P. (2014): Impacts of use of observed and exponential functions of root distribution in soil on water utilization and yield of wheat, simulated with a crop model. Archives of Agronomy and Soil Science 60 (11), 1533-1542. Haberle J., Svoboda P., Kohút M., Kurešová G. (2014): The comparison of calculated and experimentally determined available water supply in the root zone of selected crops. In: Rožnovský J., Litschmann T. (eds): Mendel a bioklimatologie, 122-133 (CD). Haberle J., Svoboda P. (2012a): Distribuce kořenů pšenice v půdním profilu a využitelná zásoba dusíku a vody. Úroda 60 (12), 79-84.
33
Haberle J., Svoboda P. (2012b): Význam znaků kořenového systému pro efektivní využití zásoby vody a živin z půdního profilu. In: L.Bláha, Šerá B. (eds.): Aktuální kapitoly z fyziologie rostlin a zemědělského výzkumu 2011, Praha 2012, 138-145. Heřmanská A., Středa T., Chloupek O. (2015): Improved wheat grain yield by a new method of root selection. Agronomy for Sustainable Development. 2015, 35, DOI 10.1007/s13593014-0227-4.ISSN 1774-0746. Hora P., Kohut M. (2012): Srovnání měřené a modelové vlhkosti půdy na písčitých půdách. In Vláhové poměry krajiny. 1. vyd. Praha: Český hydrometeorologický ústav, 2012, 44-47. Klimešová J., Minaříková L., Středa T. (2014): Produkce nadzemní a podzemní biomasy ječmene v diferencovaných vláhových podmínkách. In Rožnovský, J., Litschmann T., Středa T., Středová H. Extrémy oběhu vody v krajině. Praha: ČHMÚ, 2014, s. 1-8. Klimešová J., Středa T. (2014): Agrometeorological and biological aspects of maize transpiration. In Mendel and Bioclimatology. Conference proceedings. Brno: Masaryk University, 2014, s. 189-198. Klimešová J., Středa T. (2013): Distribution of barley root biomass in soil profile. In MendelNet 2013, Mendel University in Brno, 69-74 (CD) Klimešová J., Středa T., Hajzler M. (2011): Výnos a kvalita ječmene jarního ve vazbě na velikost kořenového systému. In MendelNet 2011, Mendel University in Brno, 648-655. (CD) Kohut M., Fiala R., Chuchma F., Rožnovský J., Hora P. (2014): Drought Monitoring on the CHMI Website. In: Rožnovský, J., Litschmann, T., (eds): Mendel a bioklimatologie, 213232 (CD). Kohut M., Rožnovský J., Chuchma F., Kniezková T. (2013): Dlouhodobý výpar z volné vodní hladiny na území ČR. In: Kosour D. (ed.) Vodní nádrže 2013: 25.-26. září 2013, Brno, Česká republika. Středa T., Klimešová J., Středová H. (2014). Úskalí měření a hodnocení vybraných faktorů tvorby výnosu polních plodin. In: Příspěvky k problematice zemědělského pokusnictví. 1. Praha: Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., 2014, s. 100-134. Středa T., Hajzler M., Chloupek O. (2013): Kořenový systém jako faktor tvorby výnosu a kvality polních plodin. In Vliv abiotických a biotických stresorů na vlastnosti rostlin 2013. Praha: VÚRV, v.v.i., ČZU v Praze, 55-60. Středa T., Hajzler M., Chloupek O. (2012): Kořenový systém - skrytá polovina rostliny. Úroda 60 (12), 115-119. Středa T., Středová H., Kohut M. (2012): Vliv vláhových podmínek na výnosy ječmene jarního v dlouhodobém hodnocení. In Vláhové poměry krajiny. 1. vyd. Praha: Český hydrometeorologický ústav, 2012, 140-143. Svačina P., Středa T., Chloupek O. (2013): Uncommon selection by root system size increases barley yield. Agronomy for Sustainable Development: sciences des productions vegetales et de l'environnement 34, 545-551. Svoboda P., Haberle J. (2014). Hloubka kořenů polních plodin. Úroda 62 (12), 433-436. Svoboda P. (2013): Růst kořenů ozimé pšenice za různých vlhkostních podmínek. Úroda 61 (12), 339-342. Svoboda P., Haberle J. (2014): Dostupná zásoba vody v půdě ve vztahu k hloubce a distribuci kořenů vybraných plodin. In: Vliv abiotických a biotických stresorů na vlastnosti rostlin (ed. Hnilička), 10-11.9.2014, Zvolen, 2014, s.210-214. Vlček V.,Hybler V., Hladký J., Pospíšilová L. (2014): Vybrané pedotransferové funkce a jejich vhodnost pro orientační hydrofyzikální charakteristiku půd. Úroda, 62 (12), 453-456. Vlček V., Hybler V., Pospíšilová L. (2013): Ověření vhodnosti vybraných pedotransferových funkcí pro stanovení bodu vadnutí v provozních podmínkách. Úroda 61 (12), 368-371.
34
Autoři: Jan Haberle, Pavel Svoboda – Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Praha-Ruzyně,
[email protected],
[email protected] Mojmír Kohut – Český hydrometeorologický ústav, pobočka Brno,
[email protected] Tomáš Středa, Vítězslav Vlček – Mendelova Univerzita v Brně,
[email protected],
[email protected] Jiří Dostál – AGROEKO Žamberk spol. s r.o.,
[email protected] Název:
Bilance a určení dostupné zásoby vody v kořenové zóně plodin
Vydal:
Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i. Drnovská 507, 161 06 Praha 6 – Ruzyně
Vydáno bez jazykové úpravy.
Autoři fotografií: P. Svoboda, J. Haberle, T. Středa.
© Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., 2015 ISBN 978-80-7427-173-1
35
36
