Redaktör ch ansvarig utgivare: GUNNAR HALLGREN INNEHÅLL Metd för beräkning av vatteninnehå ch vattenmsättning i dad jrd med edning av metergiska data av Wademar Jhanssn...... 57 (List f cntents in Engish n back cver)
G R U N OFÖR BÄTTRING utkmmer med fyra nummer årigen Prenumeratinspris kr. 30:- Lösnummer kr. 10:- Redaktinens ch expeditinens adress: Institutinen för markvetenskap A vd. för antbrukets hydrteknik 750 07 Uppsaa 7 Te. 018-10 20 00 ankn. 1165, 018-14 33 38 Pstgir 38 17 95 Redaktinskmmitte: Prfessr Sigvard Anderssn, prfessr Reij Heinnen, prfessr August Håkanssn, prfessr Sven L. Janssn, prfessr Lambert Wikander Författarna är sjäva ansvariga för sina uppsatsers innehå. Vid återgivande av text trde käan ch författaren angivas
Grundförbättring, 26, 1973/74: 2-3, 57-153 Metd för beräkning av vatteninnehå ch vattenmsättning i dad jrd med edning av metergiska data Av Wademar Jhanssn. Inedning 58 2. Förhåanden sm inverkar på vatteninnehå ch vattenmsättning i dad jrd 59 Markens egenskaper sm vattenhåande ch vattenedande system 59 Infitratin ch perkatin 64 Kapiär upptransprt 67 Avdunstning ch transpiratin 70 3. Översikt över metder för beräkning av vatteninnehå ch vattenmsättning 76 4. Utfrmning av egen beräkningsmetd 80 Bakgrund ch krav 80 Metd för beräkning av ptentie evapratin 82 Utvecking ch anpassning 83 Översiktig beskrivning av metden 86 Symber 90 Beskrivning av mde för va 92 Beskrivning av mde för ptatis ch vårsäd 94 Bestämning av årig vegetatinsperid samt av uppkmst- ch skördetidpunkter 96 5. Kntr av beräknade värden för markens vatteninnehå 98 Uppgifter m prvpatser, väderek ch fuktighetsmätningar 98 Resutat ch diskussin 02 6. Kntr av beräknade värden för avrinning 112 Uppgifter m prvpatser, väderek ch mätförfarande 112 Resutat ch diskussin 115 7. Resutat från beräkningar för Uppsaa 1931-1960 118 Uppgifter m väderek ch växtperider 119 Markens mättnadsgrad under enskida ~ 1W Frekvens av perider ch anta med stark uttrkning av marken Behv av bevattning Frekvens av perider ch anta med hög mättnadsgrad i marken Avrinning ch perkatin Verkig evaptranspiratin Diskussin dagar dagar 124 126 127 128 129 131 8. Resutat från beräkningar för Dituna 1961-1973.138 Uppgifter m väderek ch växtperider 138 Markens mättnadsgrad, anta bevattningar samt verkig evaptranspiratin 140 Samband mean tiväxt eer avkastning ch kvten E/EP 142 9. Summary 147 O. Litteraturförteckning 150 5-743863 57
1. Inedning Vatteninnehået i våra jrdar minskar nrmat under för- ch högsmmaren ch ökar under hösten ch i genmsnitt för en föjd av år är detta förpp mer eer mindre karakteristiskt för varje ka ch växtsamhäe eer växtsag. Förhåandena under enskida år kan emeertid vara mycket ika. På de festa kaer växar såunda våt- ch trrperider av ika ängd på ett regebundet sätt med perider med gynnsamma fuktighetsbetingeser för växtemas tiväxt ch utvecking. Ett sådant förpp kan beskrivas med en kurva för förändringarna i strt under säsngen, viken överagras av krtvariga fuktuatiner av växande strek, Endast då grundvattenytan igger uppe i markytan eer då kapiär uppmatning kan ersätta föruster genm avdunstning ch transpiratin, kan ett övrejrdager ha ett någrunda knstant vatteninnehå under vegetatinsperiden. Hur vatteninnehået i jrden varierar eer varierat under ett enskit år ch under en föjd av år är nödvändigt att känna ti för den sm arbetar med hydrgiska ch ekgiska prbem rörande de övre jrdagren ch för den sm vi undersöka förutsättningarna för växtprduktin inm ett mråde. Sådan kunskap är ckså värdefu vid anays av rsakerna ti skinader i skördeutfa från år ti år ch för enskida dare vid panering av växtding ch av dingstekniska åtgärder ch vid bedömning av dränerings- ch bevattningsbehv. Vatteninnehået i marken kan bestämmas med direkta eer indirekta metder vid önskade tidpunkter. Med uppgifter m nederbördens strek ch fördening kan man sedan ganska vä beskriva tidsvariatinen i vatteninnehå hs t. ex. rtznen, m kapiär upptransprt kan uppskattas eer försummas. Sådana bestämningar är emeertid inte praktiskt eer eknmiskt möjiga att genmföra mer än i enstaka fa. Ett generet mera användbart ch fta enkare sätt att kartägga variatinen i vatteninnehå ch därmed ckså i vattenmsättning hs en jrd är att beräkna vattenförrådets strek vid ika tidpunkter. Härför krävs i första hand metergiska data m nederbörd ch avdunstningsbetingeser samt uppgifter m jrdens hydrgiska egenskaper men ckså uppgifter eer antaganden m initiavattenförråd, m rtdjup ch m beståndets karaktär. Enka beräkningar av detta sag har sedan änge använts för att bestämma ämpiga tidpunkter för bevattning. Under senare tid har en rad mera kmpicerade metder utveckats b. a. för anays av förutsättningarna för ding ch av behvet av hydrtekniska åtgärder. Sådana anayser kan genrmöras med dagiga beräkningsinterva ch för så ång perid bakåt i tiden sm det finns erfrderiga primärdata för. Vid avdeningen för antbrukets hydrteknik genmfördes för några år sedan en studie över nederbördens strek ch fördening under 80 år vid 16 nederbördsstatiner i Sverige (Håkanssn et a. 1968). Tanken väcktes då att för varje statin ckså genmföra beräkningar med edning av metergiska data av vatteninnehå ch vattenmsättning i marken för några typfa av grödr ch jrdar. Primära önskemå var att kunna beskriva fuktighetsförhåandena under enskida vegetatinsperider ch att med resutat från den senaste metergiska nrmaperiden 1931-1960 kunna bestämma frekvensen av ika ånga våt- ch trrperider ch av erfrderigt anta bevattningar per år. Beräkningarna brde dessutm kunna ge data m avrinningens ch evaptranspiratinens strek under ika dear av vegetatinsperiden ch för skida år. I detta arbete presenteras en beräkningsmetd, sm utveckats för att användas för dade svenska jrdar under vegetatinsperiden. Sm bakgrund ti utfrmningen av metden ges i de inedande avsnitten översikter över förhåanden sm inverkar på vatteninnehå ch vattenmsättning i marken 58
------------ ch över några i itteraturen beskrivna beräkningsmdeer. Användningen beyses med ika exempe. Beräkningarna har skett med datr enigt prgram sm utarbetats vid avdeningen för hydrteknik. Den största deen av prgramarbetet har utförts av agrnm Trygve Fahstedt. Assistent Gert Huthen har utfört erfrderiga krrigeringar ch kmpetteringar av de första prgrammen ch även genmfört en rad kntrer. Jag vi tacka båda för utmrdentigt värdefu medverkan. Undersökningen har devis bekstats med ansag från Statens råd för skgs- ch jrdbruksfrskning. 2. Förhåanden sm inverkar på vatteninnehå ch vattenmsättning i dad jrd Hur vatteninnehået i ett övre jrdager varierar under vegetatinsperiden berr i första hand på nederbördens strek ch fördening samt på avdunstningen. Nederbördens infytande mdereras dck på ika sätt. Jrdens aktuea vatteninnehå ch dess egenskaper sm vattenhåande ch vattenedande system avgör såunda hur mycket vatten sm i en given situatin kan magasineras. Grundvattenytans äge har betydese genm att påverka den vattenhåande kapaciteten ch den kapiära uppmatningen. Avdunstningen från marken eer från mark ch bestånd maximeras av vädereksförhåandena ch berr sedan av vattentigången i marken ch av markytans eer växttäckets egenskaper. Hur dessa ch en de andra faktrer i ika avseenden inverkar på vatteninnehå ch vattenmsättning i marken ska jag här söka ge en bid av. Markens egenskaper sm vattenhåande ch vattenedande system Bindningskarakteristik. Ettjrdprvs eer en jrds vattenhåande egenskaper kan karakte- riseras med en bindningskurva, sm beskriver sambandet mean vattenhat ch fysikaiskt bindningstryck för vattnet i jrden. I fig. finns sådana kurvr för prv från tre ika jrdar. Andra data för dessa jrdar redvisas i tabe 8. Det ska inskjutas att här ch i det föj ande användesdemarkfysikaiska begrepp ch definitiner, sm sammanstäts av Anderssn & Wikert (1970). Kurvrna i fig. ger uppysningar m hur mycket vatten sm respektive jrdar kan håa när hea prvymen är fyd med vatten ch hur mycket härav sm kan avföras vid anäggning av bestämda vattenavförande tryck. Jrd Tö innehåer såunda 39 vymprcent vatten när prvymen är fyd men endast ca 7,5 vymprcent vid ett vattenavförande tryck av 1,0 m vattenpeare (m v.p.). För jrd U O är mtsvarande värden 47 respektive 35,5 vymprcent. I naturen medför en bestämd sänkning av grundvattennivån en ika str ökning av det vattenavförande trycket i en viss nivå. Kurvrna i fig. kan därför användas för att beräkna hur mycket vatten sm kan rinna av från skiktet 40-50 cm på respektive jrdar vid ika stra grundvattensänkningar. Mtsvarande uppgifter kan erhåas för andra skikt. Uppysning fås ckså m hur mycket växttigängigt eer upptagbart vatten sm kan magasineras vid ika grundvattendjup. Nedre gränsen härför - vissningsgränsen - räknas igga vid ett bindningstryck på ca 150 m v.p., viket mtsvarar p F-värdet 4,2 (pf= 10 g (cm v.p.)]. För exempen i fig. igger vissningsgränsen vid,9 (Tö), 6,7 (A) ch 23,9 (U O) vymprcent. Sambandet mean vattenhat ch fysikaiskt bindningstryck berr av prsystemets utfrmning ch av prväggarnas ytegenskaper. Både naturiga prcesser såsm krympning ch sväning ch dingstekniska åtgärder såsm bearbetning ch tiförse av rganiskt materia påverkar jrden i dessa avseenden ch förändrar därför dess vattenhåande förmåga. Vattenbindningen är dess- 59
Vattenbindande tryck, m.v.p. 100 000 10000 Ekvivaent prdiameter 0,001 mm (~) 0,03 1000 0,04 700 0,06 0,08 500 400 0,10 300 0,15 200 0,20 150 -;+H-r.... i\)-..-_1-+-+-+-.-+ -... ~.-.. -.+' " '. + +.. 0,30 100 0,43 70 0,60 50 0,75 40 1,0 30 1,5 20 3,0 10 4.3 6,0 7,5 10 15 30 43 60 75 100 150 -H 1 i. --i" i'\ U 10 t. f-; r-1- p F 7,0 i--f- 6,8 6,6 6,4 6.2 6,0 --f- 5,8 5,6 5,4 5,2 5,0 4.8 4,6 4,4 4,2 4,0 3,8 3,6 +--j---j--+-+--+-1--+--j 1\ u f', i'-. A 1\ 3,2 ~fi!iiiib 3 0 2.8 1-- u ~ u ~ ~ ~~~ T~ö~~~~~'\:\ 2.2 ~. 7 FF. "'- 8:! ~~\"Cj~~~~~~~~ ::~ ~--~ ~ 1,6 0,3 f---f-,..... "! 1,4,2 ~--++-+~+-hh-+++-+-h-+- 1 '.,f\.''-'~f 1, 2 300 1 430 600 750. r~=~=~~~~~~!~~~~'~a~ 1 0 0,05 - u 0,04,\)_ ~J=f---1-. 0,6 1000 O,DJ 1\ '\ 1\i f-i-- 0,4 1500 0,02 ' t,, ' ' \ C':\J j_= 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2.6 28 30 32 34 36 38 40 42 41i.u, 48 50 52 54 Vattenhat, v.-% Fig.. Samband mean vattenhat ch fysikaiskt bindningstryck för prv från en sandig mjrd (Tö), en erig rna-mjäajrd (A) ch en styv era (U 10). Prven härrör från skiktet 40-50 cm. De har undersökts i naturig agring. ~ Reatin hetween wafer cntent and matric wafer retentin fr a sandy am (Tö), a si/ty am (A) and a cay si (U 10). The sampes we re taken frm the 40-50 cm ayer. They were examined withut disturbing the natura structure. utm temperaturberende. Vid stigande temperatur sjunker ytspänningen ch därmed det kapiära bindnings trycket. Kurvrna i fig. har erhåits vid bestämning på ursprungigen vattenfyda prv. De gäer därför vid successiv upptrkning. Uppfuktning av samma jrdar från ett trrt tistånd skue ha gett kurvr, sm mean änd- punkterna hade egat ti vänster m respektive kurvr i figuren. Denna hysteresis i sambandet mean vattenhat ch bindningstryck innebär att en viss vattenhat i fät kan svara mt ika tryck vid skida tifåen ch mvänt att vattenhaten kan vara ika vid samma bindningstryck. Vanigen redvisas ch användes endast samband erhåna från ursprungigen vattenfyda prv. Detta är mtiverat av att marken i rege är mer eer mindre kntinuerigt utsatt för trkande betingeser medan uppfuktning fta sker intermittent. Ett skä är emeertid ckså att sådana samband är ättast att experimentet bestämma. För att ta upp vatten måste rötterna kunna mbiisera ett vattenavförande tryck sm är minst ika strt sm summan av det fysikais- 60
V.-% 10 20 30 40 \ \ \.. 20 \...-3ttm10mm \ \ )rstim30min 40 \ 60 \ 80 \ \ \ E 100 \ 0: 26 dygn/ :J 120 140 160 180 200 ' Pr - sitet, F i g. 2. Vattenhatsfördening i en hmgen jrd av sandig m vid ika tidpunkter efter påbörjad dränering mt en grundvattenyta på 2,0 m djup. Jrden var vattenfyd före dräneringen. - Si water prfies in an unifrm sand du ring gravity drainage frm sauratin t a statina/y wafer tabe at 2.0m. ka bindningstrycket ch av det smtiska värdet hs mark vätskan. Denna summa utgör jrdens ttaa vattenbindande tryck sett från växtens synpunkt. Den kan bestämmas genm mätning vid knstant temperatur av ångtrycket över ett jrdprv, sm är i fuktighetsjärnvikt med mgivande uft. Det smtiska värdet () kan skattas från uttrycket (atrnsfärer)=0,082 c(t+273), i viket c är markvätskans innehå av smtiskt verksam substans i rnaer per iter ch t är temperaturen i c. Inm trra mråden kan satanrikning i marken mer eer mindre het begränsa växternas möjigheter att ta upp vatten. I vårt kimat trde det smtiska värdet nrmat inte bi så högt under fätförhåanden, att det nämnvärt försvårar vattenupptagningen. Vattning med sathatigt vatten medför dck risk härför. Sannikt kan ckså stra gödsemängder medföra att vattenupptagningen försvåras. Wikander (1965) har för tre jrdar funnit, att mycket höga handesgödsegivr kan ge smtiska tryck på 5, -7,3 atmsfärer (51-73 m v.p.) vid vissningsgränsen järnfört med, 1-1,3 atmsfärer utan tiförse av handesgödse. skinaden medförde en höjning av vattenhaten vid vissningsgränsen (bestämd bigiskt) med 0,3 - ca 2 vymprcent. Dräneringsämvikter chfätkapacitet. Om grundvattenytan i en jrdpeare eer jrdprfi sänkes från ytan ti en ägre statinär nivå, utbidas efter en tid en för jrden typisk vattenhatsfördening vanför grundvattnet. I fig. 2 beyses tidsförppet vid en sådan dräneringsprcess. Vattenhatsfördeningen efter 26 dygn - med ytan skyddad för avdunstning - kan här betraktas sm en dräneringsjärnviktskurva, även m en iten avrinning pågick ännu efter så ång tid. Resutaten i fig. 2, iksm de i fig. 5 ch 6, är från pubicerade undersökningar tisammans med S. Anderssn. Kurvrna i fig. beskriver tre ika jrdagers vattenhåande egenskaper. De kan emeertid ckså ses sm dräneringsjärnviktskurvr för tre jrdar, vika är hrngent uppbyggda genm hea prfien. Skaan i meter vattenpeare ängs den vänstra vertikaa axen anger då höjden i meter över en grundvattenyta. I naturen varierar nrmat jrdens sarnmansättning ch egenskaper med djupet. Med en karakteristik av enskida ager såsm i fig. kan man dck bestämrna dräneringsjärnviktskurvr för önskade grundvattennivåer i viken prfi sm hest (Jhanssn 61
Vymprcent Vymprcent Vymprcent ' 8 1216 20 24 2 8 32 36 4 8 16 20 24 28 32 36 ;10 «48 52 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44..a 52 56 r ' "" -I Vj..:s i! 1, 1 r i U! 1 10 i f-:40mm Vissnin gsgräns 15 i Vtr f-~ ~rsitet 20 34 :>;mm 17 ' 25 30 \ [wdr3,0_ ~1r~m f-. -t- 65.!. i 70!>--Wdr 9 0 i 50 a 55 ~t 35 14--! v +1 h ~~ f\l -~~, 10Smm. t i'\ 75 80 85 90 95 HJO f Ii, i i P.' mm \ --- 1\ -~ U-~ -1 ~! i t± H- t-f - 65 H-+1-+HI-+-HHt+-+-+-f-+-- 70 H-f+--J-+-Ji---+f-i'H-1'--Imm~++- 75 H*-1-~----HH+t.++-iHa H-+---+----+ib'{.:IH''':t--i-+++- 85 H-#---H-----IP."59"1im~mH-+++ ~~~~~~~+H~~~- 95 ~.fii-+--h-+-+i-111-+-~~+h- 100L~II_L~~~L~~~~-1_ Fig. 3. Vattenhatsfördening i den övre metern av markprfien vid dräneringsjämvikt med en statinär grundvattenyta på ika djup på en sandig mjrd (Tö), en erig m-mjäajrd (A) ch en styv era (U 10). Prfi A har antagits ha samma textur ch hydrgiska egenskaper i hea skiktet 50-100 cm. Wctr,,s, Wdr,I, etc. visar vattenhatsfördeningen vid jämvikt med en statinär grundvattenyta på djupen 0,5 m, 1,0 m etc. - Si wafer prfes at different drainage equiibria n a sandy am (Tö), a si/ty am (A) and a cay si (U JO). The si A was assumed t have identica mechanica/ cmpsitin and hydrgica/ prperties thrughut the 50-100 cm ayer. \Var,.5, War, 1.0 etc. indicate that the equiibrium hds fr a drainage depth f0.5, 1.0 m etc. 1964). Exempe på sådana häredda kurvr ges i fig. 3 för de tre prfier sm är representerade i fig.. Diagrammen visar hur mängden dränerbart vatten ch den vattenhåande kapaciteten berr av grundvattenytans äge för varje prfi. De visar ckså hur stra skinader, sm kan finnas mean ikajrdar i dessa avseenden. Mjrden (Tö) kan såunda dräneras på ca 77% av sitt maximaa vatteninnehå i den övre metern när grundvattendjupet är 3 m. Mtsvarande siffra för erjrden (U O) är 22%. I Tö påverkas den 62 vattenhåande förmågan starkt av förändringar i grundvattennivå inm djupintervaet 0-3 m. M-mjäajrdens vattenhåande kapacitet är reativt starkt infuerad även av djupare variatiner i grundvattenstånd,medan erjrdens kapacitet påverkas reativt itet av någn meters förändring i vattenstånd, när grundvattennivån igger djupare än m. Hur snabbt en dräneringsjämvikt reaiseras berr på jrdens edningsförmåga samt på hur djup prfi sm berörs. Av fig. 2 framgår att nedsjunkning kan pågå under ång tid i en hmgent uppbyggd jrdpeare. Ett tätt, svårgenmsäppigt ager kan fördröja dräneringen av vanföriggande dear av en prfi. Ett ager grvt materia kan ha samma verkan, ti föjd av att det ätt tömmes på en str de av sitt vatten ch därför får åg edningsförmåga (jfr fig. 4). Dräneringskurvr är experimentet vä definierade ch reprducerbara. I dagigt ta ch för praktiskt bruk är det dck vanigare att använda beteckningen fätkapacitet för den mängd vatten sm mer eer mindre varaktigt kan håas i ett jrdager eer i en prfi. I vårt and är varje dad jrd nrmat fyd ti ett fätkapacitetsvärde på våren, när
tjäen gått ur jrden ch avrinningen från täckdikessystemet i strt sett har upphört. Ungefår samma fynadsgrad kan uppnås senare under växtsäsngen inm någt ti några dygn efter stra nederbördsmängder eer efter bevattning. Ett fätkapacitetsvärde bestämt på våren eer en krt tid efter en större vattentiförse är i rege tifyest för praktiskt bruk. Vid mera detajerade studier rörande markens vattenhushåning bör däremt den vattenhåande kapaciteten reateras ti grundvattenytans äge. Inm trra mråden med stra grundvattendjup är rtznen nrmat underagrad av jrd med åg vattenhat. I sådana fa är det naturigt att fätkapaciteten får ange den vym vatten sm kan håas sedan mfördening i prfien efter regn eer bevattning praktiskt taget upphört. I frtsättningen av detta arbete avses med fåtkapacitetsvärde, m ej annat säges, den mängd vatten sm ett jrdager eer en prfi kan håa vid dräneringsjämvikt med en statinär grundvattenyta på,5 m djup. Växttigängigt vatten. At vatten i jrden, sm förekmmer eer kan förekmma mean het utfyt prsystem ch vissningsgränsen, är tigängigt eer upptagbart för växterna, m markvätskans smtiska värde kan försummas. Sm övre gräns för vymen upptagbart vatten räknas dck i rege ett fåtkapacitets- eer dräneringsjämviktsvärde. Vattenhaten vid vissningsgränsen anger hur mycket vatten sm ej är upptagbart för växterna. Vissningsgränsen kan bestämmas bigiskt ch fysikaiskt (Wikert 1964). Bigisk bestämning sker i rege genm ding med srs ch vete. Man får då ett värde sm berr både av det fysikaiska ch av det smtiska bindningstrycket i jrden. Fysikaisk bestämning sker vanigen i tryckkammare. Ett sådant värde är berende av det smtiska trycket ch endast bestämt av jrdens textur. Ju finare jrden är dest högre bir vattenhaten vid vissningsgränsen (jfr fig. 1). Lerfraktinens infytande är het dminerande (Wikert 1964). Genmsäppighet ch kapiär edningsförmåga. Vattnet i jrden kan under vegetatinsperiden röra sig sm vätska ch sm ånga. Mängdmässigt är vätsketransprter het dminerande i våra dingsjrdar. Ängtransprter genm strömning ch diffusin. har betydese främst i ytiga ager, där det utbidas störst gradienter i ufttryck ch i ångtryck (Eding 1973). Den vätskevym sm per tidsenhet rör sig genm ett tvärsnitt av marken är en funktin av en edningskefficient ch en tryckgradient (Darcy's ekvatin). Om prsystemet är het vattenfyt är vattenföringen v per tidsch ytenhet bestämd av reatinen v=k I, där k är en genmsäppighets- eer permeabiitetskefficient ch I den hydrauiska gradienten (faet). Kefficienten k är prprtine mt en för materiaet - jrden karakteristisk permeabiitetsknstant ch mvänt prprtine mt vattnets kinematiska visksitet, sm avtar när temperaturen sjunker. Permeabiitetsknstanten är i sin tur prprtine mt kvadraten på en medeprdiameter (Anderssn 1953). Vattenföringen i en pr är såedes prprtine mt fjärde ptensen på prvidden. I er- ch mjäajrdar är därför k-värdet praktiskt taget het bestämt av vattenföringen i sprickr, rtkanaer ch maskgång ar. Data m k-värdet erfrdras b. a. vid anays av prbem rörande grundvattenströmning. För de dear av en jrdprfi sm nrmat är beägna vanför grundvattennivån kan k-mätningar ge infrmatin m markens struktur ch strukturstabiitet samt m dess infitratinskapacitet I en mättad jrd är vattenströmningen v per tids- ch ytenhet bestämd av uttrycket v =k(w ). I(w ), där k(w) är jrdens kapiäraedningsförmåga ch I(w) gradienten i fysikaiskt bindningstryck. Både k(w) ch I(w) berr på vattenhaten. k(w) kan ckså ses sm en funktin av det vattenbindande trycket. När vattenhaten minskar, reduceras k(w) reativt sett mer än I(w) ökar, viket 63
1 J:' ~ 1tf 6 7 ~ i---,: ' // 2 ' 1 3 A,/~ / 4 / t U10,J J 1(} 1 1(} 2 1(} 3 1tf 1-6 f 1tf 7 5 t, E 7 ;r; 8. // A y ~~ ~ "Tö 7/' IJ/! /'U10 /J v 10 20 30 40 s 1() 105 104 103 102 101 Vattenhat, v.- % Vattenbindande tryck, cm v.p. Fig. 4. Beräknad kapiär edningsförmåga för prven i fig. sm funktin av vattenhait ch av vattenbindande tryck. - Capi/w-y cnductivity f the sis in Fig. as reated t wafer cntent (eft) and t matric tensin (right). 1he curves were cacu/ated jiwn the data in Fig.. medför att v minskar. Ju trrare jrden är dest större vattenavförande tryck erfrdras för att avföra en bestämd vattenmängd. Hur den kapiära edningsförmågan k(w) kan ber av vattenhaten ch av det vattenbindande trycket iustreras i fig. 4 för de tre jrdar sm är representerade i fig.. Sambanden har bestämts för 20 C med ekvatin 7" hs Anderssn ( 1969 b) på basis av data från respektive kurvr i fig.. Nämnda ekvatin gäer för en ideaiserad mde med prvymen fördead på ett anta cirkuära genmgående kanaer ch ger därför utan krrektin atför höga värden på k(w ). I detta fa har aa primärt erhåna värden på k(w) reducerats genm mutipikatin med medevärdet för kvten mean uppmätt genmsäppighetskefficient k ch beräknad edningsförmåga för vattenfyd jrd. De i fig. 4 redvisade sambanden bör ge en i strt riktig bid av hur de tre jrdarnas kapiära edningsförmåga berr av vattenhat ch bindningstryck. Sm synes skijer sig jrdarna från varandra främst när det gäer edningsförmågans berende av vattenhaten. Vid t. ex. 30 v.-% är edningsförmågan ca O, 11 cm/tim för den sandiga mjrden (Tö), 0,001 cm/tim för rna-mjäajrden (A) ch endast 0,00001 cm/tim för den styva erjrden (U 0). Vid åga vattenbindande tryck (% 00 cm v.p.) har Tö högst ch U 10 ägst edningsförmåga. Vid stra vattenbindande tryck (~3 000 cm v.p.) är förhåandet mvänt. Icke vid någt tryck är dck edningsförmågan för någn av jrdarna mer än ca O gånger större än för en annan j rd. Infitratin ch perkaatian Vatten infitrerar en mark, när det söker sig ner genm markytan. Perkatian är röresen nedåt genm jrdprfien mt grundvattnet. Om tiförsen per tidsenhet är större än den vym sm kan infitrera, får man ytvattenbidning eer ytvattenavrinning. Perkeran- 64
50 ] 40 ' E -:;f 30..c.!e ~ "'..c "' ~ 20 ~ ~ ~ :;: 10 c 2 6 8 10 Timmar efter start Fig. 5. Infitratinskapacitet sm funktin av tiden vid kntinuerig infitratin i en hmgen sandig m. Jrden var från början ufttrr. Dess permeabiitetskefficient var 3, cm/tim. -Infitratin capacity as a fimctin f time fr cntinuus infitratin in t an unifrm sand. At the beginning the si wafer cntent was 0.7 vwne perc ent. The wafer height a b ve the s i swface was cm. The cejficient fpermeabiity (hydrauic cnductivity) f the si was 3.1 cm/hur. Timmar efter start=hurs after start. de vatten sm når grundvattnet eer vanföriggande kapiära zn med hög vattenhat höjer grundvattennivån eer avrinner i grunden. Infitratin. Det är nödvändigt att skija mean infitratinskapacitet, sm anger den möjiga infitratinshastigheten, ch aktue i nfitra ti n s hastighet. Infitratin s kapaciteten berr i första hand av hur markens prsystem är utfrmat ch av hur vattenfyt det är. Den påverkas dessutm b. a. av markytans tpgrafi ch av växttäcket samt av det tiförda vattnets temperatur ch sathat (Ward 1967). Vid förekmst av ytvatten inverkar ckså vattendjupet. Säsngvariatiner i temperatur ch markfuktighet samt brukningsåtgärder bidrar ti att infitratinskapaciteten i dad jrd vanigen varierar under vegetatinsperiden. För ett bestämt prsystem minskar infitratinskapaciteten v asympttiskt med tiden efter infitratinens start (fig. 5). Begynnesevärdet bir ägre ju högre vattenhaten är. För en hmgenjrd med samma initiavattenhat genm hea prfien kan v tifredsstäande beskrivas med ekvatinen v=k t- 1 / 2 +A (Phiip 1957). Här är K en knstant sm b. a. berr av vattenhaten. Termen A, sm är det gränsvärde hastigheten v når efter ång tid, är ika med permeabiitetskefficienten k i Darcy's ekvatin för strömning i vattenfyd jrd. Fig. 5 ger exempe på infitratinskapacitetens avtagande med tiden i en sandig m med initiavattenhaten 0,7 v.-%. Undersökningen har utförts med samma jrd sm studierna i fig. 2. Jrden var packad i en 2m ång peare. Under hea infitratinsförppet hös en knstant vattennivå cm över jrdytan. Våtfrnten nådde pearens bas 10 1/2 timmar efter infitratinens start. Att infitratinshastigheten avtar med tiden berr främst på att gradienten i vattenavförande tryck reduceras efterhand sm våtfrntens djup ökar. Även andra faktrer, såsm tisamning i ytagret, igensättning av större kanaer ch sprickr samt kida sväning kan emeertid bidra ti att nedsätta hastigheten. Ett starkt uttrkat ytskikt kan iband uppvisa ett befuktningsmtstånd, sm medför att infitratinshastigheten begränsas i ett inedningsskede ch ökar ti dess att ytskiktet genmfuktats. U n der sådana förhåanden kan våtfrnten tränga ner på ett regebundet sätt ch jrden bi jämnt uppfuktad (Bnd 1968). Infitratinshastigheten kan ckså begränsas av att ufttrycket ökar framför en sammanhängande våtfrnt I fät trde detta vara reativt vanigt. Det finns dck uppgifter m att vatten börjat rinna i dräneringssystem strax efter regn sm en föjd av ett ökat ufttryck i marken (Wisn & Lutin 1963). Sedan infitratinen upphört, trkar ytagret nrmat upp genm nedsjunkning av vatten i prfien samt genm avdunstning ch 65
eventue transpiratin. Detta medför att infitratinskapaciteten ökar. Reinhart & Tayr (1954) har visat att endast en timmes avbrtt i vattentiförse kan ge en str ökning i infitratinshastighel Ward (1967) påpekar att den ttaa infitratinen vid regn i skurar sannikt bir någt större än när samma regnmängd faer kntinuerigt. I naturen varierar i rege prstreksfördening, genmsäppighet ch vattenhat med djupet i marken. Det är då svårare att se hur ika faktrer påverkar infitratinskapaciteten än i en hmgenjrd med samma vattenhat i hea prfien. Studier av Cman & Bdman (1945) visar t. ex. att det skikt sm har ägst genmsäppighet bestämmer infitratinshastighetens strek, när våtfrnten nått skiktet ifråga. Mier & Gardner (1962) har visat att även ett tunt skikt med grvt prsystem kan medföra att infitratinshastigheten reduceras. Perkatian ch mfördening av vatten. Bdman & Cman (1944) ch Cman & Bdman (1945) har i kassiska arbeten visat hur vatteninnehået varierar med djupet under pågående infitratin. De urskijer uppifrån räknat en edningszn med reativt knstant vattenhat ch en uppfuktningszn, sm avgränsas nedåt av en våtfrnt I det första arbetet taas ckså m en ytig mättnadszn ti högst,5 cm djup ch m en övergångszn från denna mt edningsznen ti ett djup av högst 5 cm. Ledningsznens utsträckning ökar under infitratinen. Bdman & Cman (1944) fann att denna zns vattenhat mtsvarade en utfynad av ca 80% av prsystemet i två ursprungigen ufttrra jrdar av mig ättera ch mjäig ättera. Det vattenbindande trycket var i båda faen mkring 30 cm v.p. Medevattenhaten i edningsznen bev någt ägre vid infitratin i fuktigare jrd (Cman & Bdman 1945). Ett generet gitigt resutat var att våtfrntens nedträngningshastighet ökade ch att infitratinshastigheten minskade med stigande initiavattenhat Här ska nämnas att vid de undersökningar sm redvisas i fig. 5 var prvymen bakm våtfrnten i genmsnitt vattenfyd ti 73 %, viket var ika medjrdens fynadsgrad i den kapiära znen mean höjderna 15 ch 70 cm över en statinär grundvattenyta. Medevattenhaten bakm våtfrnten mtsvarade såedes i detta fa ett vattenbindande tryck av mean 15 ch 70 cm v.p. När infitratinen upphört sker en mfördening av vatten i prfien. Har våtfrnten nått ti eer i närheten av en grundvattennivå eer ett dränerande skikt utbidas efterhand en dräneringsjämvikt (fig. 2). Är jrden trr reativt djupt under våtfrnten sker en nedsjunkning av vatten från edningsznen ti djupare ager. Denna prcess kan pågå under ång tid, men förändringarna i ika skikt bir vanigen så små inm någt ti några dygn att de från dingssynpunkt kan försummas. I fig. 6 redvisas resutat från studier över nedsjunkning efter infitratin, vika genmförts i packade jrdpeare med samma jrd sm ti undersökningarna i fig. 2 ch 5. I fig. 6 har inagts kurvr för dräneringsjärnvikter vid 1,5 ch 2,5 m grundvattendjup. Efter 4 dygn har vattenhaten i prfiens övre 20 cm sjunkit nästan ti dräneringsjämviktskurvan för,5 m. Efter ytterigare 17 dygn har det översta skiktet samma vattenhat sm jämviktskurvan för 2,5 m. Under den första våtfrnten har vatten påfyts ungefår ti den mättnadsgrad sm svarar mt dräneringsjämvikten vid 2-2,5 m grundvattendjup. Undersökningar av b. a. Biswas et a. (1966) ch Gardner et a. (1970) har gett fördeningskurvr för ikajrdar sm vä överensstämmer med resutaten i fig. 6. Yungs (1958) har däremt för ett reativt grvt ugnstrrt materia av gaspärr fått en markant ansaming av vatten närmast vanför våtfrnten under hea mfördeningen. Denna vattenhatsfördening över våtfrnten hade såedes samma frm sm en dräneringsjämviktskurva. Hur snabbt mfördeningen sker berr inte bara av prstreksfördening ch initiavat- 66
E u a. :::> 10 20 30 40 50,---- 1 V.-% 30 40 Prsitet, Dräneringsjämvikt... 1,5mgr.v.y. Dräneringsjämvikt 2,5 m gr. v.y Fig. 6. Vattenhatsfördening i en hmgen jrd av sandig m efter ika ång perkatinstid sedan jrden i ufttrrt tistånd - vattenhat 0,7 vymprcent - tiförts 40 mm på ytan. Ytan var skyddad från avdunstning. -Si water prfies in an unifrm sand du ring redistributin after swface appicatin f 40 mm. At the beginning the si wafer cntent was 0.7 vume percent. Evapratin ss frm the si surface was prevented. Dräneringsjämvikt=drainage equiibrium, gr. v.y. =depth f wafer tabe, dygn=days, tim. =h urs, min. =min u tes. tenhat utan ckså av våtfrntens djup när infitratinen upphör. På en jrd med str ande prer av samma strekskass kan röresen nedåt vara betydig efter en iten vattentiförse. Efter större vattenmängder ch uppfuktningsdjup sker mfördeningen ch dräneringen av prfiens övre de snabbare (Biswas et a. 1966, Mier & Kute 1967). I fät kan skinader i prs treksfördening ch i vattenhat mean ika ager få strt infytande på mfördeningens förpp. Där inverkar ckså avdunstningen från markytan ch växternas vattenupptagning. På en erjrd med vä utveckad aggregatstruktur eer med rtkanaer, maskgångar ch sprickr kan vatten under infitratinen röra sig nedåt i grövre hårum samtidigt sm prfien uppfuktas. Den vertikaa mfördeningen efter infitratinen bir då mindre än i en jrd sm saknar grövre strukturdrag. Kapiär upptransprt I mättad jrd - med vattenhat ägre än vid dräneringsjämvikt - rör sig vattnet under vegetatinsperiden huvudsakigen under infytande av gradienter i kapiärt bindningstryck ch ti föjd av skinader mean kapiärt tryck ch rötternas vattenavförande tryck. Anderssn & Wikert (1970) anger att agarna för kapiaritet kan anses gäa ned ti prvidder på I0-6 cm. En vattenmenisk i en så iten pr kan upptaga vattenavförande tryck på upp ti 300 atmsfärer, viket är 20 gånger mer än vad växterna nrmat kan mbiisera. Den maximaa kapiära stighöjden i en jrd är större ju finare prer jrden har. Den ökar såunda från mindre än cm i grvt grus ti uppskattningsvis minst 300 m i finer (Anderssn 1960). Ju finare prerna är, dest större bir dck strömningsmtståndet. I rege har kapiariteten därför störst betydese på finm- ch grvmjäajrdar. Där kan vatten stiga ti reativt str höjd på krt tid (Beskw 1935, Anderssn 1960). Hur mycket vatten sm under ika betingeser kan sugas upp per tidsenhet ti rtznen eer markytan från underiggande fuktigare ager eer från en grundvattenyta, finns det emeertid bara ett fåta fätundersökningar sm beyser. De festa kapiaritetsstudier såvä i vårt and sm utmands har genmförts på abratrier, i rege med mpackadejrdpeare. Kapiärströmningen per tids- ch ytenhet ti ett trrt jrdager är prprtine mt det vattenförande skiktets kapiära edningsförmåga k(w) samt mt gradienten i drivande 67
v= 180 A.-- / 160 140 v= 0,05 mm/tim 120 E Tö ",.-... i:-100 u 10 w ~--... n! / > / -g 80 :J A L... ----- 0\ " ~ L... V= 0,2 Q) }; 60 mm/tim ' - ' :Q' U10 ------- :r: ~~ -- 40 f./ " Tö v= 2,0 20 } mm/tim 1 10 4 Vattenbindande tryck, cm v. p. Fig. 7. Vattenbindande tryck sm funktin av höjden över en knstant grundvattenyta vid ika värden på statinär kapiär strömning v. Beräknade värden för tre hmgena jrdar med de egenskaper sm redvisas i fig. ch 4. - Matric water tensin as a jimctin f the height abve the water tabe fr varius rates f stec1dy capiw)' ris e. The curves were cacuatedfi"m the data in Figs. and4 and are vaid fr the sis in t hese diagrams. tryck. Vid statinär strömning med hastigheten v från nivån z ti z+&; över en knstant grundvattennivå gäer ekvatinen v=k(w )[th-&:]/ &;. Termen M är skinaden i kapiärt bindningstryck mean den övre ch den undre nivån. (Om &; anges i cm anges th i cm v.p.). Denna ekvatin har använts för att beräkna de samband sm redvisas i fig. 7-9 för de jrdar sm är representerade i fig.. Resutaten har medtagits främst för att beysa hur kapiärströmningen berr av det vattenbindande (vattenavförande) trycket ch av höjden över grundvattenytan för ika jrdar. Erfrderiga data m k(w) sm funktin av det vattenbindande trycket har hämtats från fig. 4. I fig. 7 iustreras hur det vattenbindande trycket varierar med höjden över en grundvattenyta vid ika värden på statinär strömning. Dessa samband ger emeertid ckså infrmatin m hur strt vattenavförande tryck sm krävs på ika höjder för att bibehåa en viss uppsugning samt m hur högt över grundvattenytan sm en bestämd uppsugningshastighet kan reaiseras. I dessa avseenden skijer sig de tre jrdarna tydigt från varandra. För den ättaste jrden (Tö) ökar inte den maximaa höjden för respektive hastigheter när det vattenavförande trycket överstiger 000 cm v.p. ch vid v~0,2 mm/tim nås maximihöjderna vid så åga tryck sm ~500 cm v.p. För Ieijrden (U O) ökar däremt höjderna för givna hastigheter ännu vid ett så högt vattenavförande tryck sm O 000 cm v.p. Liknande skinader mean grövre ch finare jrdar har redvisats av b. a. Wind (1960), Rijtema (1965) ch Wesse- Iing & Wit (1968). För eijrden är de maximaa höjderna vid respektive uppsugningshastigheter ägre än för de andra jrdarna. På m-mjäajrden (A) kan hastigheter ~0,2 mm/tim reaiseras på större höjder än i jrd Tö. Vid hastigheter >0,2 mm/tim är förhä- Iandet mvänt. Diagrammen i fig. 8 ger infrmatin m hur mycket vatten sm kapiärt kan sugas upp per timme ti ika nivåer över en knstant grundvattenyta sm funktin av det vattenavförande trycket i respektive nivåer. Sm synes ökar upptransprten i jrd Tö endas t betydigt när trycket bir större än 300 cm v. p. För grundvattendjup av högst 60 cm är uppsugningshastigheten störst i jrd Tö, för större grundvattendjup är uppsugningen per tidsenhet störst i jrd A. I fig. 9 visas hur den maximaa upptransprten vid ett vattenavförande tryck av 000 cm v.p. berr av höjden över grundvattennivån. Vid detta tryck har 68
2.0 30 cm 2.0 2.0., E ' E E 1.6 Tö 1.6 A 1.6!L1Q 1.2 O> 1.2 1.2.!: c: E 40 30cm ~ ~ "' "' " ~ 0.8 0.8 0.8 30 cm 0.4 0.4 0.4 ~ 10 102 103 10 102 103 104 10 102 103 104 Vattenbindnde tryck, cm v. p. 40 Fig. 8. Vattenbindande tryck på ika höjd över en knstant grundvattennivå sm funktin av kapiär strömningshastighel Beräknade värden för tre hmgena jrdar med de egenskaper sm redvisas i fig., 4 ch 7. - Matric water tensin at varius heights abve a statinary water tabe as a functin f the rate f capiary rise. The curves we re cacuated and are vaidfr the s is in F i g.. jrdarna Tö ch A ika str upptransprt 65 cm över grundvattenytan. Det ska understrykas att värdena i fig. 7-9 gäer för hmgenajrdar ch grundar sig på beräknade data m kapiär edningsförmåga. Liknande bestämningar av andra auktrer har i amänhet gett ägre värden för mtsvarande typer av jrdar, viket skue tyda på att mina värden för kapiär edningsförmåga (fig. 4) är för höga. Rijtema (1965) har t. ex. fått en kapiär upptransprt av 0,9 mm/dygn på en erig sandig m ch 0,8 mm/dygn på en murik styv era ti 50 cm höjd över en grundvattenyta vid ett vattenavförande tryck av 000 cm v.p.giese eta. (1972) har undersamma förutsättningar fått 7 mm/dygn för en erig sandig m ch någt mindre än mm/dygn för en mufattig styv era. Undersökningar med hmgena jrdpeare på abratrium visar i rege höga värden för kapiär upptransprt under statinära förhåanden. Mre (1939) har såunda uppmätt 0,2 mm/dygn för en sandig m (Oaky sand) på 105 cm höjd, 4,6 mm/dygn på 46 cm höjd ch 0,3 mm/dygn på 105 cm höjd för en mjäig m (Y fine sand y am) samt 4,6 mm/dygn på 50 cm höjd för en mjäig era (Y day). Det vattenavförande trycket, sm skapades med en trkande uftström, bör ha överstigit 00 atmsfärer. Transprthastigheterna är i ett par fa större än för mtsvarande jrdar i fig. 9. Ännu större kapiära transprter redvisas av Håkanssn (1956) från direkta mätningar ch från kakyer grundade på kapiära stigförsök. Mätningarna gav b. a. föjande värden: För en grvrnafraktin (0,075-0, 125 mm) 15, mm/tim på 33 cm höjd ch 0,22 mm/tim på 54 cm höjd, för ren finm (0,02-0,06 mm) 15,3 mm/tim på 54 cm höjd ch för ren grvmjäa (0,006-0,02 mm) 69
2,0 1,6 :E 12... E E 0,8 0,4 Tö Fig. 9. Maxima kapiärströmning sm funktin av höjden över en knstant grundvattennivå vid ett vattenavförande tryck av 000 cm v.p. Beräknade värden för tre hmgenajrdar med de egenskaper sm redvisas i fig., 4, 7 ch 8.- Maximum rate f capiary rise at a matric tensin f 000 cm water as afunctin f the height abve a statinaty wafer tabe. The curves we re cacuated and are vaidfr the sis in Fig.. 6,7 mm/tim på 54 cm höjd över en grundvattennivå. Sm sugande materia utnyttjades ufttrr jrd, vars vattenavförande tryck bör ha överstigit 000 cm v.p. I fät måste den kapiära upptransprten av fera skä i rege bi ägre än de värden sm beräknas eer uppmätes på abratrium. För det första kan maximivärdet i värt kimat säan bi högre än O mm/dygn. Uppsugningen är inte heer statinär under dygnet även m grundvattennivån skue vara knstant. Efter en perid med åg upptransprt, t. ex. på mrgnen, kan dck krtvarigt mera vatten sugas upp per tidsenhet än vid statinär transprt under samma förutsättningar (Dhein & Mtt 1956). Hrisntea sprickanvisningar ch skikt med åg edningsförmåga jämfört med prfien i övrigt reducerar uppsugningen. Upptransprten ti rtznen bir dessutm mindre än det möjiga värdet, m det vattenbindande trycket är ågt i rtznens undre de. I abratrieförsök med krta jrdpeare i naturig agring har Dhein & Mtt (1956) vid statinär strömning erhåit, mm/dygn för en sandjrd ch 0,3 mm/dygn för en mjäig ättera på 50 cm höjd över grundvattnet när det vattenavförande trycket var minst 16 atmsfärer. Asyng (1956) har studerat den kapiära uppfuktningen från en knstant grundvattennivå i ysimetrar med 50 cm muhatig erig sand underagrad av 70 cm sandig ättera. Försöken startades på hösten efter ding av havre, sm trkat ut jrden ned mt vissningsgränsen. Därefter skyddades markytan för nederbörd, avdunstning ch temperaturvariatiner. Grundvattenytan hös på,o m djup. I genmsnitt för två försöksperider, sm båda var ängre än 200 dagar, bev uppsugningen,4 mm/dygn ti 50 cm ch 0,3 mm/dygn ti 80 cm höjd över grundvattennivån. I fätförsök på en mjäarik styv era med betesva har Wind (1955) erhåit en upptransprt av i medeta,56 mm/dygn under 98 dagar frän grundvattnet på 50 cm djup ti skiktet 0-30 cm. Medevärdet per dag varierade mean 0,6 ch 3,4 mm för enskida perider m 5 ti 14 dagar. Värdena i tabe är en sammanfattning av den möjiga upptransprtens strek på någrunda hmgena jrdar. Den verkiga uppsugningen per tidsenhet ti rtznen under en växande gröda bör i genmsnitt vara betydigt mindre i vårt and. Trigen kan den försummas på sand- ch erjrdar när grundvattenytan igger djupare än m. På skiktade jrdar bir uppsugningen fta ägre än vad den skue vara för den dminerande jrden i prfien men den kan ckså bi större (jfr Beskw 1935). Generet gäer att uppsugningen minskar m ett skikt får ägre kapiär edningsförmåga än prfien i övrigt under de aktuea dräneringsbetingeserna ch ökar m ett skikt får större edningsförmåga. Med karakteristik av enskida ager såsm i fig. ch 4 är det möjigt att beräkna upptransprtens strek för ika agerföjder ch vattenavförande tryck (Wind 1960, Giese et a. 1972), Avdunstning ch transpiratin Vattenavgången per tidsenhet frän en markyta - avdunstning i inskränkt bemärkese - 70
Tabe. Maxima kapiär upptransprt mm per dygn för ikajrdar ch höjder över grundvattnet. Frän Irrigatin, drainage and sainity (1973). - Maximum capiary rise mm per day fr different s is as re at ed t water depth. Frm Irrigatin, drainage and sainity ( 1973). Hög=high, mycket hög=very high. Höjd över grundvattennivå Distance t water tabe, cm Meanera ch styv era C!ay am and cay Finm-grv- Sandjrd Lättera mjäajrd Medium carse L am Sandy am sand 25 10 40 4 50 2,5 75 100 0,5!50 0,2 200 Hög Mycket hög 10 O Mycket hög 2,5 3 Hög 1,0 Hög 0,5 10 0,2 1-4 0,5-1 eer från ett växttäcke - evaptranspiratin - maximeras av vädret eer kimatet. En maxima eer möjig avdunstningshastighet kan bibehåas så änge tifödet av vatten icke begränsas. Vid sådan begränsning bir den verkiga avdunstningen ägre än den möjiga. Vid studier ch anays av prbem sm rör avdunstning, transpiratin ch markvattenbaans, är det nödvändigt med mått på den av vädret bestämda möjiga avdunstningen per tidsenhet. Absuta eer reativa sådana mått kan mätas med någn typ av avdunstningsmätare, inkusive bevuxna sådana, eer beräknas med edning av metergiska data (jfr Jhanssn 1970). Vanigen taar man m ptentie evapratin för fria vattenytr ch m ptentie evaptranspiratin eer ptentie transpiratin för bevuxna ytr. I det föjande kmmer jag att använda termen ptentie evapratin synnymt med möjig avdunstning sm ett metergiskt eer mikrmetergiskt mätt, vars strek i strt sett ska vara berende av den avdunstande ytan. Avdunstning från bar mark. När en fuktig markyta utsätts för trkande betingeser, bir avdunstningshastigheten ti en början av samma streksrdning sm frän en fri vattenyta. Tiföres icke vatten kapiärt i takt med avdunstningen, kmmer först de största vätskeförande prerna ch sedan successivt at mindre prer att tömmas uppifrån. Ytskiktets kapiära edningsförmåga ch avdunstningshastigheten reduceras då starkt. sutigen näs en fas då avdunstningen avtar ångsammare både med tiden ch med ökad uttrkningsgrad. Vattenröreser genm det upptrkade ytskiktet dmineras då av ängtransprt genm strömning ch diffusin. Fig. 10 ger exempe på hur avdunstningen kan förändras med tiden vid ika värden på ptentie evapratin EP' Ju större Ev är, dest krtare bir fasen med knstant hög avdunstning. Dest högre är ckså vattenhaten i ett ytager när avdunstningshastigheten börjar avta. I det enskida faet berr avdunstningen ch upptrkningen förutm av vädereken ckså av jrdarten ch av grundvattendjupet samt av markytans struktur ch behanding (Lemn 1956, Gardner & Hie 1962). Marsha (1959) ch Heinnen (1965) har refererat ch diskuterat en rad undersökningar rörande inverkan av ytstruktur, bearbetning ch marktäckning. Resutaten i fig. 10 gäer för 22 cm djupa cyindrar med finm-grvmäajrd (sandy am) ch för en perid av 50 dagar. Om jrden haft kntakt med ett fuktigt underag hade avdunstningen kanske avtagit ångsam- 71
O: _.--Ephög.s:; O U) "' r.s:; U) O c E U) c :::> - ~1---r~----- Tid Fig. JO. Avdunstningshastighet från bevuxenjrd (22 cm djup) sm funktin av tiden vid ika värden på ptentie evapratin EP. Efter resutat hs Gardner & Hie (1962).- Evapratin ratefrm a bare si (22 cm depth) as a functin f time fr different va ues f ptentia evapratin EP' Frm resuts given by Gardner & Hi/e/ (1962). Hög=high, intermediär=intermediate, /åg=w. mare med tiden. I de fa kapiär upptransprt het kan ersätta förusterna från bar mark, bir dessas strek per tidsenhet het bestämda av vädereken ch såedes direkt prprtinea mt den ptentiea evapratinen. J rdartens inverkan beyses i fig.!, där den verkiga avdunstningen i reatin ti den ptentiea satts sm funktin av markens vatteninnehål Liknande samband har redvisats av b. a. Lernn (1956) ch kan erhåas ckså från resutat hs Gardner & Hie (1962). Ett typiskt fenmen är att den reativa avdunstningen E/EP minskar starkt inm ett ganska smat fuktighetsinterval Det gäer särskit för ätta jrdar. En annan sak är att E/EP för bar mark inte tycks påverkas av vädereksförhåandena - streken på EP - i ika hög grad sm den reativa vattenavgången från växande bestånd (fig. 15 ch 16). Enigt fig. 11 är avdunstningen från jrd uttrkad ti vissningsgränsen betydigt ägre än när jrden är mättad ti fåtkapacitet. De aktuea värdena är ca 7% för sandjrden ch 23% för erjrdenjämfört med vid fåtkapacitet. Resutat från andra undersökningar igger i rege inm dessa gränser (Lemn 1956). Gardner (1958) räknar med att ängtransprten genm ett ytager på bar mark säan överskrider men vanigen är mindre än 20% av den möjiga vätsketransprten från fuktig jrd under iknande vädereksförhåanden. Evaptranspiratin vid ika markfuktighet. Så änge växtemas transpiratin genm kyvöppningarna icke begränsas är evaptranspiratinen per tidsenhet från ett bestånd ika str sm eer prprtine mt en ptentie evapratin, sm bestäms av vädereksförhåandena. Begränsning sker när baans uppstår mean transpiratin ch rötternas vattenupptagning. Ju fuktigare vädret är, dest ängre kan rtznen uttrkas innan transpiratinen inskränkes. Detta framgår kart av de resutat från Denmead & Shaw (1962), sm återges i fig. 12. Vid ågt värde på EP har transpiratinsströmmen kun- Fig. 11. Kvt mean verkig avdunstning E från bar mark ch ptentie evapratin EP sm funktin av markens vatteninnehål Exempe från Hmes & Rbertsn (1963) för en sandjrd ch en erjrd vid två värdenpåep' Yv=vatteninnehå vid vissningsgräns, Yr~,.=vatteninnehå vid fåtkapacitet. -Ra ti between actua evapratin rate E frm a bare si swface and ptentia evapratin rate EP as a fimctin f siwater cn tent. Exampes frm Hmes & Rbertsn (963)fr a si/t am (sandjrd) and a c/ay si (/e1jrd) at high and w vaues f EP. Yv=water cntent at witing pint, V ctr=water cntent at fied capacity. E/Ep 1,0 0,5 Ep hög Epag~ 1 / ~""""' / / Vatteninnehå / /' /Sandjrd 1 -Ep hög.j-ep Låg v 72
c ~ E / / Ep intermediär \.~--- / Vatteninnehå Fig. 12. Verkig evaptranspiratin sm funktin av markens vatteninnehå under tre dagar med ika ptentie evapratin EP. Från ysimeterförsök med majs på en mjäig meanera av Denmead & Shaw (1962). - Actua/ evaptranspiratin rate as a functin f si wafer cntent during three days with different rates f ptentia evapratin EP. Frm ysimeter experiments with maize n a si/ty cay am by Denmead & Shaw (1962). nat bibehåas på samma nivå tis i närheten av vissningsgränsen. Vid högt värde på EP har däremt evaptranspiratinen börjat understiga EP redan strax under fätkapacitetsvärdet. Resutaten visar dessutm att transpiratinen vid en viss markfuktighet kan vara högre vid fuktigt väder än vid trrt. Försöken genmfördes med cyindriska behåare, vars djup var 60 cm ch diameter 45 cm. Jrden kan förutsättas ha varit vä genmrtad. Om försöken hade genmförts med en ättare jrd brde evaptranspiratinshastigheten vid högt ch intermediärt värde på EP ha varit ungefär ika str sm vid fätkapacitet inm en större de av mrådet för upptagbart vatten. Detta framgår b. a. av resutat hs Gardner & Ehig ( 1963). I övrigt stöds biden i fig. 12 av försök t. ex. av Bierhuizen (1958) samt av anayser av Cwan (1965) ch Rijtema (1965). Inverkan av rttäthet ch rtdjup. Ju fera aktiva rötter sm genmväver rtznen, dest krtare bir medeavståndet för vattentransprt ch dest ängre kan uttrkningen gå innan transpiratinen börjar begränsas. 6-743863 skinader i rttäthet påverkar därför förppet av sådana kurvr sm finns i fig. 12 samt i fig. 15 ch 16. Detta beyses i fig. 13 med resutat från en anays med ika värden på rttätheten i ett hmgent ch avgränsat system. Rötterna har antagits vara ikfrmigt fördeade i systemet. En någrunda ikfrmig rtfördening utbidas ättast i en grund prfi. Nrmat avtar rttätheten med ökat djup även i en hmgent uppbyggd prfi ch även m de fysikaiska ch kemiska betingeserna för rtutvecking är gynnsamma (jfr Wikert 1960). I ytskiktet kan dck rtfrekvensen, särskit efter en trrperid, vara ägre än på någt större djup (jfr Kähäri & Enen 1969). När det vattenbindande trycket är knstant genm hea rtznen, viket det apprximativt är vid dräneringsjämvikt, bör vattenupptagningen per tidsenhet från ika skikt vara prprtine mt antaet aktiva rötter. Detta styrkes b. a. av resutat från mdeförsök av Vazquez & Tayr (1958). Avtar rtfrekvensen med djupet måste det dck snart uppstå Fig. 13. Verkig evaptranspiratin vid knstant ptentie evapratin sm funktin av markens vatteninnehå vid ika rttäthet. Efter resutat från teretisk anays av Cwan (1965). - AcfL{(i/ evaptranspiratin rate at a enstant daiy ptentia evapratin as a functin f si wafer cntent fr c rps with different densities f rating. Frm reslits f a theretica anaysis f Cwan (1965). Mycket åg rttäthet=very dense rting, åg rttäthet=sparse rating.!/.. 1 Lag rattathet Vatteninnehå 73
_i skinader i vattenbindande tryck mean ika skikt ch därigenm först en utjämning av skinader i vattenupptagning ch sedan ckså en ändring sä att mest vatten tas frän djupare skikt. Denna hyptes stöds av erfarenheter frän fätförsök med majs på en mjäig meanera (sity cay am), sm anföres av Vazquez & Tayr. Strax efter bevattning upptgs störst vattenmängd per tidsenhet frän ytiga skikt. Sedan tgs mest vatten frän successivt at djupare skikt. Detta cykiska förpp upprepades efter varje ny bevattning. Författarna anser att rtfördeningen ch rötternas aktivitet sannikt inte förändrades på mtsvarande sätt. När rtdjupet ökar i en prfi med upptagbart vatten, bir mera vatten direkt åtkmigt för växterna. Dessutm får rtznen sm hehet en större magasineringskapacitet (jfr tabe 8). Ett strt rtdjup innebär därför i rege att grödans vattenförsörjning är mera tryggad än m rtdjupet är grunt. Men det innebär nrmat ckså en större tta evaptranspiratin under en perid. Åtgärder sm befrämjar rtutveckingen, kan såedes medföra en snabbare förbrukning av en given vattenmängd. Evaptranspiratin från ika bestånd. Ett växttäcke refekterar större ande av den inkmmande stråningen än fuktig jrd. Vattenavgången per tidsenhet frän ett växttäcke ska därför inte kunna överstiga avdunstningen från en ständigt fuktig markyta. A v- dunstningen frän bar mark reduceras emeertid vanigen snabbt när ytskiktet trkar upp (fig. 10 ch 11). För perider ängre än någn eer några dagar bir därför vattenavgången från ett beständ i rege större än avdunstningen frän bevuxen mark m förhåandena i övrigt är ikartade. Genmförda studier visar, nästan utan undantag, att den reativa evaptranspiratinen E/EP (=kvten mean evaptranspiratin E ch ptentie evapratin EP) ökar ti dess att beståndet täcker 50% av markytan (Gates & Hanks 1967). Större sutenhet behöver en- igt dessa auktrer inte atid medföra högre värde på EEv. I viss mtsats härti står uttaanden av Rbins et a. (1967) att denna kvt växer frän 0,25-0,50 vid uppkmsten ti 1,0 vid fu marktäckning för b. a. vårsäd ch ptatis. Pierce (1958) har räknat med E/EP =0,35 för stubbåker efter skörd av höstvete. Det ska påpekas att i ett hetergent sammansatt bestånd, såsm t. ex. av fruktträd, i viket höjd ch sutenhet varierar, kan vattenavgången per tidsenhet ch per ytenhet av marken växa starkt mean ika deytr. Avdunstningshastigheten kan dä ckså vara större än EP frän vissa deytr av marken. Evaptranspiratinen frän ett sutet bestånd påverkas av beståndets egna egenskaper; fårg, ängd, jämnhet ch fysigiska status. För en ettårig gröda medför förändringar i dessa avseenden att kvten EEv nrmat har ett maximumvärde under periden med störst vegetativ tiväxt ch sedan avtar med ökad mgnadsgrad (Shaw & Laing 1966, Gates & Hanks 1967). För bestånd, sm avkippes eer betas, t. ex. vaar, bir värdet på den reativa evaptranspiratinen krtvarigt ägre efter avkippning eer betning, även m fuktighetstiståndet i rtznen är förändrat (Pierce 1958, Shaw 1964). Vattenavgången kan ckså reduceras med hjäp av kemiska mede, sm direkt hämmar transpiratinen eer påverkar kyvöppningarna (Waggner 1966). Evaptranspiratin ch växtprduktin. Vattenundersktt i en växt reducerar i amänhet dess tiväxt (Vaadia & Waise 1967). Bäst utbyte i växtmassa per enhet vatten får man därför nrmat vid ständigt gd vattentigång, sä att transpiratinen icke behöver begränsas (Lemn 1966). Uttrkning av rtznen ängre än ti vissningsgränsen kan dessutm medföra att en de av det vatten sm tiföres direkt undandrages växterna. Anderssn & Wikert (1960) har fera exempe frän erjrdar vid Utuna, där vissningsgränsen underskridits med 10-20 mm efter en trrperid. Verkningsgraden av det vatten 74