Alternativní přístupy při studiu erozních procesů v zemědělsky intenzivně využívané krajině

Patrik Netopil, Bořivoj Šarapatka

Katedra ekologie a životního prostředí, Přírodověděcká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci, tř. Svobody 26, 77146, Olomouc

patrik.netopil@upol.cz, borivoj.sarapatka@upol.cz

Klíčová slova: eroze, ortofotomapa, cesium 137, magnetická susceptibilita, spektrofotometrie

Úvod

Půda je velmi variabilní a heterogenní přírodní útvar, a to jak ve všech prostorových dimenzích, tak v čase, kdy na ni působí pedogenetické faktory (Čurlík a Šurina, 1998). Pokud půda při nevhodném obhospodařování člověkem přestane plnit některou ze základních funkcí, mluvíme o její degradaci (Lal, 1998). Pomineme-li lokálně významné oblasti působení větrné eroze zejména na exponovaných zemědělských plochách v jarním a podzimním období, je právě zrychlená vodní eroze hlavním činitelem mnohamiliardových škod na zemědělské půdě často té nejvyšší bonitní kvality (Bulíček a kol., 1977).

Pro studium erozních procesů byla na základě předchozího výzkumu, znalosti půdních typů a jejich charakteristických půdních horizontů vytipována oblast s převládajícím půdním typem černozem typická v katastru obce Čejkovice (Česká republika, okres Hodonín). Pilotní území se nachází v horním subpovodí vodního toku Průšánka, kde je primárním degradačním rizikem právě zrychlená vodní eroze.

Materiál a metody

Příspěvek představuje využití informačního potenciálu leteckých měřických snímků (ortofotomap) v pedologii, jakožto nástroje pro detekci erozních ploch na zemědělsky intenzivně obhospodařované půdě. Využity byly poznatky a možnosti fotogrammetrie (ortorektifikace) a geoinformatiky (analýza obrazu – klasifikace). Za účelem ověření a rozšíření takto získaných výsledků byl proveden terénní průzkum spojený s odběrem neporušených půdních vzorků v transektu protínající svah postižený erozí. Vzorky získané odběrnou sondou (o délce 0,4 a 1 m) byly stratifikovány do horizontů o mocnosti 5 cm. Nadstavením metrové sondy byly odebírány i vzorky z hlubších horizontů. Následně se u nich měřil obsah umělého radionuklidu 137Cs , magnetická susceptibilita, barva půdy a obsah organického uhlíku.

Obr. 1: Lokalizace půdních sond pro odběr neporušených vzorků v zájmovém území katastru obce Čejkovice (okres Hodonín)

Letecké snímky a jejich obrazová klasifikace

Vyhodnocení plošného rozsahu a intenzity erozních procesů bylo založeno na klasifikaci erozních ploch s využitím leteckých měřičských snímků. Vedle aktuálních leteckých snímků byly fotogrammetricky zpracovány i historické letecké snímky z roku 1938 a 1968 do podoby bezešvé ortofotomapy. Snímky byly poté podrobeny standardní automatické neřízené klasifikaci obrazu. Klasifikace erozních je možná díky fyzikálnímu principu různé spektrální odrazivosti jednotlivých typů povrchů zachycených na snímku (Lillesand et al., 2007). Spektrální reflektance černozemního A-horizontu (i degradovaného) a půdotvorného substrátu spraše je výrazně odlišná, což umožňuje identifikaci a lokalizaci erozních ploch.

Klasifikace obrazu pracuje s rastrovým snímkem jako s mřížkou obrazových bodů (pixelů), kde každý bod nabývá určité hodnoty. Použitý klasifikátor jej poté na základě daného matematického algoritmu přiřazuje do určitého předem zadaného počtu tříd. Každá třída (barva v legendě výstupu) je vlastně souborem hodnot v rozmezí jednoho intervalu.

Všechny použité snímky, aktuální barevné i archivní černobílé, byly pořízeny ve viditelné části spektra.

Měření stopového množství umělého radionuklidu 137Cs

Hodnocení eroze na zemědělské půdě za pomoci měření aktivity radioizotopu 137Cs laboratorním gamaspektrometrem umožňuje určit plochu i objem erozí degradované půdy. Indikuje průběh eroze nejen v prostoru (ploše), ale i v čase (hloubce půdního profilu). Znalostí jeho poločasu rozpadu (30 let) a faktu, že se jedná o umělý radionuklid, možné odhadovat i časový průběh eroze ve sledovaném území. Zdrojem tohoto specifického indikátoru byly v globálním měřítku atmosférické testy jaderných zbraní v 50. - 60. letech 20. století (Zapata, 2002). Evropsky významným zdrojem byla i nehoda v jaderné elektrárně Černobyl v dubnu 1986.

Magnetická susceptibilita

Laboratorní měření tzv. magnetické susceptibility využívá velmi malých koncentrací (v řádu ppm) feromagnetických látek (sloučeniny oxidů železa s oxidy jiných prvků) obsažených v půdě (Kapička a kol., 2000). Kromě přirozených zdrojů feromagnetik v pedosféře (geologické podloží a pedogenetické procesy), je dalším významným zdrojem průmyslová výroba, hlavně tepelné elektrárny, cementárny, železárny a ocelárny, ale i běžná doprava (Kapička a Petrovský, 2004). Stejně jako radionuklidy (137Cs) se i mikroskopické magnetické částice dostávají do prostředí většinou formou atmosférického spadu (imisí). Podobně jako předchozí laboratorní metoda je i tato časově i finančně nenáročná a nedestruktivní, což umožňuje zpracování velkého množství odebraných vzorků.

Barva půdy a spektrální fotometrie

Barva půdy je jednou z důležitých půdních vlastností, i když je pro lidský zrak značně subjektivní. Bývá indikátorem fyzikálních, chemických a biologických půdních vlastností či půdních procesů (Viscarra, Rossel et al, 2006). Přirozeně se mění jak v ploše, tak i s hloubkou půdního profilu. Určení barvy pomocí spektrofotometrie představuje alternativní přístup ve srovnání s klasickými metodami (Munsellovy tabulky). Pro obecné stanovení kolorimetrických vlastností vzorku, barvy půdy vyjádřené v jednom z mnoha modelů barevného (kolorimetrického) prostoru (např. Munsell HVC, RGB a CIE), využívá spektrální fotometrie pohlcování/odraz světla určité vlnové délky. Podobně jako předchozí je i tato metoda rychlá, přesná, nenákladná a nedestruktivní, což umožňuje studium velkého množství půdních vzorků a získání rozsáhlého reprezentativního souboru dat, který spolu s ostatními jmenovanými metodami výzkumu může být přesněji interpretován (Rothwell, 2006).

Stanovení obsahu půdního organického uhlíku/humusu

Klasicky se půdní organický uhlík měří jako jeho koncentrace na hmotnostní jednotku vysušeného vzorku a je vyjadřovaný v procentech. Princip této standardní metody vychází z měření oxidovatelného uhlíku v konkrétním vzorku, který se oxiduje kyselinou chromovou za přítomnosti nadbytku kyseliny sírové. Nespotřebovaná kyselina chromová se stanoví titrací Mohrovou solí za použití difenylaminu jako oxidačně-redukčního indikátoru k určení konce titrace. Naměřené hodnoty koncentrace organického uhlíku je možné podle jednoduchého matematického vztahu přepočítat na celkový obsah humusu.

Výsledky a diskuze

Data dálkového průzkumu Země bylo možné v zájmové lokalitě využít jako účinný nástroj pro plošné mapování erozně degradované černozemě. Zejména díky ostrému kontrastu diagnostických černozemních horizontů - tmavého humózního A-horizontu a půdotvorného substrátu, spraše, který je výrazně světlejší. Zjednodušeně lze erozně narušené lokality na leteckých snímcích detekovat v podobě výrazně světlých a různě tmavých plošek. Přechod mezi těmito ploškami je často difuzní. Světlá místa značí erozní plochy, kde eroze postoupila v půdním profilu až na půdotvorný substrát a došlo tak k odnosu celého A-horizontu, případně spraš tento horizont překryla. Místa s tmavými odstíny naopak označují plochy, kde dochází k akumulaci redistribuovaných sedimentů. Povrchový A-horizont zde má často zvětšenou mocnost, viz výsledky terénního průzkumu a analýz půdních vzorků.

Obr. 2-5: Využití aktuálního leteckého snímku a jeho zpracování pomocí neřízené klasifikace obrazu (obr. 2 a 3 – horní řada). Ortorektifikované historické letecké snímky ukazují vývoj postižení zájmového území erozí v roce 1968 (obr. 4) a 1938 (obr. 5) – dolní řada.

Obrazová analýza snímků pomocí neřízené klasifikace obrazu umožnila daleko přesněji vymezit erozní (na obrázku červené a oranžové) a při aplikaci digitálního modelu terénu i akumulační plochy (odstíny modré), přechodné plochy jsou vymezeny žlutě (viz obr. 3). Cílem klasifikace bylo přesné vymezení zájmových ploch a vyloučení senzorické subjektivity lidského zraku.

Ideální jsou zvláště snímky pořízeny mimo vegetační období. Na všech, současných i historických (1938 a 1968) byly patrné erozní projevy s výraznou plošnou gradací po scelení soukromé řemenové držby půdy (1938) do velkoplošných půdních bloků zemědělských družstev (1968), obr. 4 a 5. V poslední časové řadě je díky lepší obrazové kvalitě a barevnému snímání patrný i proces koluviace, kdy jsou v akumulačních oblastech viditelné světlejší nánosy s vysokým podílem půdotvorné spraše.

Laboratorních analýzy odebraných půdních vzorků měly za cíl ověřit výsledky získané obrazovou analýzou několika časových řad leteckých snímků.

Sledování 137Cs ukazuje nejvyšší hodnoty při povrchu referenční sondy s postupným poklesem k neměřitelným hodnotám pod 4 bq/kg, což je detekční práh přístroje. Obsah sledovaného radionuklidu je výrazný v povrchovém A-horizontu, který byl vystaven atmosférickému spadu a prudce klesá k neměřitelným (rozhraní A a C-horizontu) až nulovým hodnotám (C-horizont – spraš). Odběr byl proveden v místě relativně neovlivněném zemědělskou činností, kde se také nepředpokládaly výrazné účinky vodní eroze (viz obr. 6). Naopak na intenzivně využívaném půdním bloku jsou naměřené hodnoty výrazně nižší (obr. 7 a 8) a je zde vidět akumulaci spraše na zbytcích původního A-horizontu (obr. 7), hodnoty jsou na detekčním prahu, sonda v horní části svahu. Na obr. 8 (sonda ve střední části svahu) je naopak vidět půdní redistribuce z horní části svahu i zvýšení koncentrace radioizotopu a poté její pokles v C-horizontu pod detekční rozsah.

Obr. 9, sonda v blízkosti údolnice, ukazuje oscilaci hodnot, spolu s nepřítomností C-horizontu se zde dá očekávat značná akumulace sedimentů.

Obr. 6-9: Aktivita 137CS v půdním profilu určená na základě neporušených půdních vzorků odebraných v horní (P1-P8), střední (PA-PH) a dolní (A1-A9) části svahu; vzorky R1-R7 značí referenční hodnoty z erozně nenarušeného stanoviště.

Měření magnetické susceptibility, barvy půdy a obsahu organického uhlíku umožnilo hodnocení erozního procesu dále do hloubky více než 2,5 m, viz níže hodnocení sondy A3M. Magnetická susceptibilita se v odebraných vzorcích půdního profilu chová obdobně jako 137Cs. V částech profilu s významným podílem erodované spraše či v C-horizontu dosahuje nejmenších hodnot (obr. 11 a 12), naopak v A-horizontu nejvyšších (obr. 10 a 13).

Obr. 10-13: Magnetická susceptibilita v půdním profilu v horní (P1-P8), střední (PA-PH) a dolní (A1-A9) části svahu; vzorky R1-R7 značí referenční hodnoty z erozně nenarušeného stanoviště.

Narušení normální stratigrafie hlavních horizontů v půdním profilu černozemě je vidět i pouhým zrakem. Tyto změny způsobené redistribucí části půdního profilu dolů po svahu vlivem eroze a následný proces koluviace se odrazil i v barvě půdy. Hodnocení půdního profilu spektrální fotometrií mělo za cíl objektivně postihnout kolorimetrické vlastnosti jednotlivých půdních vzorků. Tmavé zbarvení vzorků (horizontu) se projevilo ve vyšší absorpci a nižší reflektanci viditelného záření emitovaného spektrofotometrem (obr. 14 a 17). Čím byly vzorky světlejší (s podílem spraše, čistá spraš v C-horizontu), tím byl poměr pohlceného a odraženého světla opačný (obr. 15 a 16).

Obsah humusu v jednotlivých horizontech půdního profilu a barva půdy jsou obecně v těsné korelaci (Olson el al., 2002), což potvrdil i laboratorní rozbor vzorků. Největší podíl humusu měly vzorky z humusového A-horizontu (obr. 18 a 21). Silně (spraš na povrchu) a středně degradovaný profil (vysoký podíl redeponované spraše) měl naopak nízký až velmi nízký podíl humusu, viz obr. 19 a 20.

Na základě laboratorních analýz vzorků odebraných půdní sondou neodpovídal ani jeden z polních profilů (P1-P8, PA-PH, A1-A9) běžné stratigrafii černozemního profilu, kterou naplňoval jen referenční profil (R1-R7) s normálně vyvinutými diagnostickými horizonty.

Obr. 14-17: Spektrální reflektance v půdním profilu v horní (P1-P8), střední (PA-PH) a dolní (A1-A9) části svahu; vzorky R1-R7 značí referenční hodnoty z erozně nenarušeného stanoviště.

Obr. 18-21: Obsah humusu v půdním profilu v horní (P1-P8), střední (PA-PH) a dolní (A1-A9) části svahu; vzorky R1-R7 značí referenční hodnoty z erozně nenarušeného stanoviště.

Vzhledem k absenci humusového A-horizontu v místech identifikovaných erozních ploch (horní, relativně strmé části svahu) a jeho redepozice s příměsí spraše z obnaženého C- horizontu v prostoru kolem údolnice a paty svahu byl odebrán v těchto místech profil skládající se z celkem tří segmentů, dosahující do hloubky cca 2,5 m označený jako A3M. Výsledky laboratorních analýz (obr. 22-25) zde potvrzují silnou akumulaci sedimentů vlivem vodní eroze a následný proces koluviace. Průběh naměřených hodnot půdním profilem poukazuje na dynamické změny jak v prostoru (hloubce), tak i v čase.

Naměřené hodnoty obsahu 137Cs indikují uložení zhruba 50 cm mocné akumulace od 60. let 20. st., kdy tento radioizotop mohl kontaminovat původní povrchový horizont (obr. 22). Hodnoty nabývají dvojitého skokovitého průběhu, což může být způsobeno přimísením většího podílu spraše, případně s vlivem havárie jaderné elektrárny v Černobylu. V hlubších vrstvách již nebylo 137Cs přítomno, proto se neměřilo v celém odebraném profilu.

Omezení časového sledování půdní redistribuce plynoucí z výskytu 137Cs až od prvních testů jaderných zbraní je zčásti možné odstranit, resp. datově posunout měřením magnetické susceptibility (obr. 23). Výrazný nárůst hodnot magnetické susceptibility v hloubce kolem 2-2,3 m pod současným povrchem je zajímavý fakt, který by za předpokladu potvrzení antropogenního původu obsažených feromagnetik, mohl ukazovat na původní dnes pohřbený A- horizont. Tento závěr také podporují naměřené hodnoty obsahu humusu (nárůst obsahu organického uhlíku) a spektrální charakteristiky (zvýšení sytosti barvy) a dále absence diagnostického sprašového C-horizontu v této hloubce (obr. 24 a 25).

Závěr

Letecké snímky (aktuální barevné i archivní černobílé) poskytly uspokojivé výsledky z hlediska prostorového vymezení rozsahu a lokalizace degradovaných ploch, zejména v lokalitách, kde je nápadný kontrast mezi nadložními horizonty a půdotvorným substrátem, jako v případě černozemí. Ve spojení s digitální vrstvou vrstevnic, resp. digitálním modelem terénu je možné identifikovat i potenciálně akumulační plochy, což potvrdili i laboratorní analýzy půdních vzorků s odebraných půdních profilů.

Letecké snímky byly využívány pedology již dříve, nicméně nikoli pro potřeby sledování dynamiky erozních procesů v čase. Rozvoj výpočetní techniky a geografických informačních systémů (GIS) a možností dálkového průzkumu Země umožňuje provádět relativně rychlé a přesné analýzy erozních procesů na plošně rozsáhlém území.

Výsledky měření obsahu 137Cs poskytují relativně spolehlivý odhad stupně a plošného rozsahu půdní redistribuce za posledních 40 - 50 let. Limitem tohoto indikátoru je však přirozený poločas rozpadu a období vzniku, resp. uvolnění do prostředí. V případě 137Cs tedy nelze datovat sedimenty za horizont 60. let 20. století.

Obr. 22-25: Grafické znázornění obsahu radionuklidu 137Cs, magnetické susceptibility, obsahu humusu a spektrální reflektance na základě měření vzorků napříč půdním profilem v blízkosti údolnice, viz obr. 1 značeno A3M. Speciální sondou uzpůsobenou pro odběr neporušených jader byly odebrány celkem 3 segmenty půdního profilu s původním zvrstvením.

Datování erozně-akumulačních procesů lze však posunout ještě dále zpět v čase díky měření antropogenních feromagnetik - magnetické susceptibility. Hranicí se tak stává éra nástupu průmyslové revoluce spojená s masivním spalování fosilních paliv.

Datové určení (odhad) nástupu člověkem zrychlené eroze, resp identifikace původního povrhu A-horizontu, na kterém vznikl nový profil koluvizemě, je možný kombinací uvedených metod. Spektrofotometrické měření barvy půdy a obsahu organického uhlíku tak vhodně doplňuje výše zmíněné metody výzkumu eroze na intenzivně využívané zemědělské půdě.

Zejména po roce 1950 došlo na našem území na scelených velkoplošných půdních blocích k 2 - 10 x (místy 20 - 100 x ) akceleraci vodní eroze (Bulíček a kol., 1977), což potvrzují i archivní letecké snímky. Rozsah a dopady působení eroze však nejsou jen problémem lokálního charakteru ani několika mála posledních let, což je vidět i na uvedeném příkladu erozí degradované černozemě, která patří z produkčního hlediska mezi naše nejhodnotnější půdy vysoké bonitní kvality. Znalost plošného rozsahu, lokalizace a časového průběhu zrychlené vodní eroze je základním předpokladem pro opravdu efektivní ochranu zemědělské půdy a plánování protierozních opatření. Přitom relevantní informace o tomto degradačním procesu nejsou plošně podrobně mapovány.

Poděkování

Autoři děkují příspěvku děkují Ministerstvu školství, mládeže a tělovýchovy a Ministerstvu životního prostředí za podporu výzkumu prostřednictvím grantů 2B06101 a VaV SP/2d3/155/08 a dále doc. RNDr. Jiřímu Zimákovi, CSc. a doc. Mgr. Ondřeji Bábkovi, Dr. za spolupráci při analýzách půdních vzorků.

Literatura

viz článek v PDF formátu (odkaz níže)

Alternativní přístupy při studiu erozních procesů v zemědělsky intenzivně využívané krajině