Markvattenhalt och temperatur i sandig jordbruksmark vid Ilstorp, centrala Skåne : en mätnings- och modelleringsstudie

Vinderosion på jordbruksmark har länge varit ett välkänt faktum trots att någon utförligare undersökning om dess omfattning och skadeverkan inte tidigare genomförts. Mot bakgrund av detta har därför ett nordeuropeiskt projekt, WEELS (Wind Erosion on European Light Soils), dragits i gång som syftar till kartlägga vinderosionen på sandig jordbruksmark i norra Europa och som man i slutändan hoppas ska kunna resultera i en vinderosionsmodell. Detta har genomförts med SOIL modellen, en matematiskt fysikaliskt baserad modell för simulering av vatten och värmeflöde i en skiktad jordmånsprofil.This work presents the results of a combined field measurement and modeling study of the soil moisture and surface energy balance at Ilstorp near Sjöbo in central Scania. The focus of the study is to investigate the water content of the upper few centimeters of a soil profile. Relevant meteorological variables were measured at the study site during April to June 1999. The field data were used to calibrate the SOIL model and validate the simulations. This essay is related to a major project WEELS (Wind Erosion on European Light Soils) which aims at evaluating and quantifying the effect of wind erosion on sandy soils in northern Europe. The first part of this study considers the heat and water conditions of a bare soil. In the second part, the sensivity of the SOIL model was analysed when applied to a field with growing potato crop. The meteorological variables air temperature and relative humidity, wind speed, global radiation, net radiation and precipitation were used as driving variables to the model. Soil moisture and soil temperature measured at three levels were used to validate the model. The simulations were in good agreement with observations, although the soil evaporation tended to be underestimated when the Penman-Montieth equation was used. When using the energy balance method a substantial soil vapour correction factor had to be included to account for the difference between the modeled surface vapour pressure and the modeled water potential of the mid topsoil layer. The soil temperatures were generally overestimated, except when air temperature was used as soil surface temperature. The period of measurements with potato crop cover was too short to give any reliable results. But a sensitivity test indicates that changes of LAI during an early crop development stage would not result in any significant difference in soil moisture content.Populärvetenskaplig sammanfattning: Vinderosion på jordbruksmark har länge varit ett välkänt faktum trots att någon utförligare undersökning om dess omfattning och skadeverkan inte tidigare genomförts. Mot bakgrund av detta har därför ett nordeuropeiskt projekt, WEELS (Wind Erosion on European Light Soils), dragits i gång som syftar till kartlägga vinderosionen på sandig jordbruksmark i norra Europa och som man i slutändan hoppas ska kunna resultera i en vinderosionsmodell. Markvattenhalt och vegetation anses vara de viktigaste faktorerna som skyddar marken mot vinderosion, vegetationen för dess bindande förmåga och markvattenhalten för dess kohesiva förmåga, varvid partiklarna hålls samman. Denna studie, som bedrivits i anslutning till WEELS projektet, fokuserar på simulering av den sistnämnda faktorn. Detta har genomförts med SOIL modellen, en matematiskt fysikaliskt baserad modell för simulering av vatten och värmeflöde i en skiktad jordmånsprofil. För att åstadkomma detta uppmättes för modellen nödvändiga meteorologiska variabler i ett undersökningsområde vid Ilstorp, beläget utanför Sjöbo i centrala Skåne. Därefter utfördes simuleringar som en känslighetsanalys varvid en parameter höjdes respektive sänktes utifrån ett standardvärde och de statistiska värde- förändringarna mellan simulerad och uppmätt data registrerades. Stor vikt har lagts på modellens sätt att behandla avdunstning från markytan och transpirationen från vegetationen som drivs av de atmosfäriska förhållandena, speciellt lufttemperaturen och andelen vattenånga i atmosfären, och kontrolleras av olika resistanser både från markytan och vegetationstäcket. Dessa variabler kan beräknas utifrån ett fysikaliskt tillvägagångssätt som baseras på en lösning av energibalansen vid markytan eller ett empiriskt antagande som baseras på Penman-Monteiths ekvation. Fältarbetet utfördes under våren, april-juni 1999, då marken är som mest känslig för vinderosion beroende på avsaknaden av ett bindande vegetationstäcke samt ringa nederbördsmängder vilket medför att marken i regel är torr. Fältmätningarna utfördes på ett jordbruksområde, med stort inslag av glaciofluvialt transporterad sand, beläget vid Vombsänkan i centrala Skåne. Det flacka området leder till att starka vindar kan genereras i alla riktningar men vindriktningen är företrädesvis från väster och öster. Som ingångsdata till modellen användes de uppmätta meteorologiska variablerna lufttemperatur, relativ luftfuktighet, vindhastighet, inkommande kortvågig strålning och nederbörd, medan nettostrålningen beräknades genom annan data bl.a lufttemperaturen och luftfuktigheten. Marktemperaturerna på tre nivåer och markfuktigheten uppmättes också för att senare, genom olika statistiska mått, jämföras med deras simulerade motsvarigheter för att verifiera modellen. Under april och maj låg marken bar vilket innebar att simuleringarna fokuserades på parametrar som styr hur hårt vattnet är bundet i marken. Under juni månad, när ett potatisvegetationstäcke börjat etableras, testades modellens känslighet för förändringar i bladytindex (Leaf Area Index). Simuleringarna gav överlag tämligen bra resultat. Dock behövdes markyteresistansen, både beträffande det fysikaliska och empiriska tillvägagångssättet, korrigeras för att bästa simuleringsresultat av markfuktigheten skulle uppnås. Detta genomfördes genom att ändra på parametrar som kontrollerar förhållandet mellan fuktigheten vid markytan och vatten- spänningen i mitten av det översta markskiktet. Marktemperaturerna gav bäst resultat när markyttemperaturen antogs vara samma som lufttemperaturen istället för att beräknas som en funktion av sensibelt värmeflöde och nettostrålningen. Vegetationsperioden då mätningarna ägde rum var för kort för att ge några säkra resultat. En känslighetsanalys visar att förändringar i LAI när vegetationen fortfarande befinner sig i initialfasen inte ger några större skillnader i simulerad markfuktighet. Med nödvändig korrigering av marktyteresistansen ger således SOIL modellen bra resultat av markfuktigheten. För att lika bra resultat ska uppnås beträffande marktemperaturerna behövs antagligen nettostrålningen uppmätas direkt i fält istället för att beräknas genom andra variabler. Fler och längre undersökningar för potatis eller annan blastvegetation behövs för att bestämma modellens tillämpbarhet på detta område