BazTech - Yadda

1

Estimation of bare soil moisture from remote sensing indices in the 0.4-2.5 mm spectral range

Kubiak Katarzyna, Stypułkowska Justyna, Szymański Jakub, Spiralski Marcin

Transactions on Aerospace Research

|

2021

|

Nr 2 (263)

1--11

EN

Soil moisture content (SMC) is an important element of the environment, influencing water availability for plants and atmospheric parameters, and its monitoring is important for predicting floods or droughts and for weather and climate modeling. Optical methods for measuring soil moisture use spectral reflection analysis in the 350-2500 nm range. Remote sensing is considered to be an effective tool for monitoring soil parameters over large areas and to be more cost effective than in situ measurements. The aim of this study was to assess the SMC of bare soil on the basis of hyperspectral data from the ASD FieldSpec 4 Hi-Res field spectrometer by determining remote sensing indices and visualization based on multispectral data obtained from UAVs. Remote sensing measurements were validated on the basis of field humidity measurements with the HH2 Moisture Meter and ML3 ThetaProbe Soil Moisture Sensor. A strong correlation between terrestrial and remote sensing data was observed for 7 out of 11 selected indexes and the determination coefficient R2 values ranged from 67%-87%. The best results were obtained for the NINSON index, with determination coefficient values of 87%, NSMI index (83.5%) and NINSOL (81.7%). We conclude that both hyperspectral and multispectral remote sensing data of bare soil moisture are valuable, providing good temporal and spatial resolution of soil moisture distribution in local areas, which is important for monitoring and forecasting local changes in climate.

PL

Zawartość wody w glebie (SMC) jest ważnym elementem środowiska wpływającym na dostępność wody dla roślin, parametry atmosferyczne, a jej monitorowanie jest istotne w prognostyce powodzi lub susz a także modelowaniu pogody i klimatu. Optyczne metody pomiaru wilgotności gleby wykorzystują analizę odbicia spektralnego w zakresie od 350 do 2500 nm. Uważa się, że teledetekcja jest skutecznym narzędziem monitorowania parametrów gleby na dużych obszarach i jest bardziej opłacalna w porównaniu z pomiarami in situ. Celem pracy jest ocena SMC gleby niepokrytej/skąpo pokrytej roślinnością na podstawie danych hiperspektralnych ze spektrometru polowego ASD FieldSpec 4 Hi-Res poprzez wyznaczenie wskaźników teledetekcji i wizualizacji na podstawie danych wielospektralnych uzyskanych z UAV. Pomiary teledetekcyjne zostały zweryfikowane na podstawie pomiarów wilgotności w terenie za pomocą miernika wilgotności HH2 z sondą Thete Probe ML3. Silną korelację między danymi naziemnymi i teledetekcyjnymi zaobserwowano dla 7 z 11 wybranych wskaźników, a wartości współczynników determinacji R2 wahały się w granicach 67%-87%. Najlepsze wyniki uzyskano dla indeksu NINSON o wartościach współczynników determinacji 87% a także dla indeksu NSMI 83,5% i NINSOL 81,7%. Dane z teledetekcji hiper- i multispektralnej dotyczące wilgotności niepokrytej/skąpo pokrytej roślinnością gleby mają wielką wartość, ponieważ zapewniają dobrą czasową i przestrzenną rozdzielczość rozkładu wilgotności gleby na obszarach lokalnych co jest istotne dla monitoringu i prognozowania lokalnych zmian klimatu.

2

Recognition of district wise groundwater stress zones using the GLDAS-2 catchment land surface model during lean season in the Indian state of West Bengal

Sahoo Satiprasad, Chakraborty Subha, Pham Quoc Bao, Sharif Ehsan, Sammen Saad Sh., Vojtek Matej, Vojteková Jana, Elkhrachy Ismail, Costache Romulus, Linh Nguyen Thi Thuy

Acta Geophysica

|

2021

|

Vol. 69, no. 1

175--198

EN

Water is essential for irrigation, drinking and industrial purposes from global to the regional scale. The groundwater considered a signifcant water resource specifcally in regions where the surface water is not sufcient. Therefore, the research problem is focused on district-wise sustainable groundwater management due to urbanization. The number of impervious surface areas like roofng on built-up areas, concrete and asphalt road surface were increased due to the level of urban development. Thus, these surface areas can inhibit infltration and surface retention by the impact of urbanization because vegeta tion/forest areas are decreased. The present research examines the district-wise spatiotemporal groundwater storage (GWS) changes under terrestrial water storage using the global land data assimilation system-2 (GLDAS-2) catchment land surface model (CLSM) from 2000 to 2014 in West Bengal, India. The objective of the research is mainly focused on the delineation of groundwater stress zones (GWSZs) based on ten biophysical and hydrological factors according to the defciency of groundwater storage using the analytic hierarchy process by the GIS platform. Additionally, the spatiotemporal soil moisture (surface soil moisture, root zone soil moisture, and profle soil moisture) changes for the identifcation of water stress areas using CLSM were studied. Finally, generated results were validated by the observed groundwater level and groundwater recharge data. The sensitivity analysis has been performed for GWSZs mapping due to the defcit of groundwater storage. Three correlation coefcient methods (Kendall, Pearson and Spearman) are applied for the interrelationship between the most signifcant parameters for the generation of GWSZ from sensitivity analysis. The results show that the northeastern (max: 1097.35 mm) and the southern (max: 993.22 mm) parts have high groundwater storage due to higher amount of soil moisture and forest cover compared to other parts of the state. The results also show that the maximum and minimum total annual groundwater recharge shown in Paschim Medinipore [(361,148.51 hectare-meter (ham)] and Howrah (31,510.46 ham) from 2012 to 2013. The generated outcome can create the best sustainable groundwater management practices based upon the human attitude toward risk.

3

Modułowy system pomiarowy do monitoringu wilgotności spągu w kopalni soli

Jamróz Paweł, Socha Katarzyna

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2020

|

T. 22, nr 1-4

45--53

PL

W artykule przedstawiono proces integracji i badania prototypowego systemu pomiarowego, dedykowanego do pomiaru wilgotności spągu w środowisku podziemnego rezerwatu przyrody „Groty Kryształowe”, zlokalizowanego w Kopalni Soli „Wieliczka”. Powstanie systemu typu „low cost” uwarunkowane było możliwością zastosowania w nim pojemnościowych czujników wilgotności gleby, wykorzystywanych w rolnictwie. Badania takie przeprowadzono z uwagi na złożoną budowę geologiczną Grot cechującą się silną anizotropowością ośrodka związaną z obecnością różnego typu skał, osadów i halitu. Wykazano w nich efekt zmiany zakresu pomiarowego czujnika pojemnościowego w zależności od stopnia zasolenia ośrodka.

EN

The article presents integration and testing process of a prototype system dedicated to measuring floor moisture in the Crystal Caves – underground nature reserve, located in the „Wieliczka” Salt Mine. This „low cost” system was conditioned by the possibility of using capacitive soil moisture sensors routinely used in agriculture and environmental tests. Research was carried out due to the geological structure of destined measurement area, which is characterized by a strong anisotropy of the soil related to the presence of various types of rocks, sediments and halite crystals. Experiments showed the effect of changing the measuring range of the capacitive sensor depending on the salt content in the floor.

4

Temporal stability of soil apparent electrical conductivity (ECa) in managed podzols

Badewa Emmanuel, Unc Adrian, Cheema Mumtaz, Galagedara Lakshman

Acta Geophysica

|

2019

|

Vol. 67, no. 4

1107--1118

EN

The spatial variability in soil physical and hydraulic properties for a managed podzol was assessed using soil apparent electrical conductivity (ECa). Two EMI sensors, the multi-coil (MC) and multi-frequency (MF), were adopted for measurement of ECa on a silage- corn experimental plot in western Newfoundland, Canada. Results demonstrated a significant relationship between the ECa mean relative differences (MRD) and the soil moisture content MRD (R2=0.33 to 0.70) for both MC and MF sensors. The difference in depth sensitivity between MC and MF sensors accounted for the variation (0.015 to 0.09) in ECa standard deviation of the relative differences. A significant linear relationship was found between the ECa MRD and sand (R2=0.35 and 0.53) or silt (R2=0.43), but not with clay (R2=0.06 and 0.16). The spatial variability of the ECa-based predictions (CV=3.26 to 27.61) of soil properties was lower than the measured values (CV=5.56 to 41.77). These results inferred that the temporal stability of ECa might be a suitable proxy to understand the spatial variability of soil physical and hydraulic properties in agricultural podzols.

5

Independent diagnostic computer systems with the ability to restore operational characteristics of construction facilities

Plugin A., Trykoz L., Herasymenko O., Pluhin A., Konev V.

Diagnostyka

|

2018

|

Vol. 19, No. 2

11--21

EN

Progress in modern engineering devices favours the development of independent computer systems of intelligent change management of operational characteristics of construction facilities. The article deals with the continuous control system (monitoring) of the soil moisture. The capillary sensor applied provides a far higher accuracy in determining the moisture than it is achieved by discrete determination of soil electrical characteristics which depend on the concentration and proportion of salts dissolved in the soil as well as the particle-size distribution. A flowchart of the diagnostic system was developed; it does not only transfer the data from the sensors, processes them and informs the operator, but also gives the possibility of autonomous inclusion of mechanisms to eliminate the emerged damages. Thus, while monitoring the soil moisture of hillsides, embankments and cuts slopes it prevents their shifts and other damages.

6

Modelowanie wymiany netto ekosystemu (NEE) na obszarach bagiennych z zastosowaniem danych satelitarnych

Dąbrowska-Zielińska K., Budzyńska M., Tomaszewska M., Malińska A., Bartold M., Gatkowska M., Turlej K., Małek I., Turbiak J., Jaszczyński J.

Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie

|

2017

|

T. 17, z. 1

31--51

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań nad modelowaniem wymiany netto ekosystemu (NEE – ang. Net Ecosystem Exchange) bagiennego na przykładzie doliny Biebrzy z wykorzystaniem zdjęć satelitarnych i danych z pomiarów naziemnych z lat 2011–2015. Przeprowadzono szczegółową analizę zastosowania zdjęć optycznych i radarowych do uzyskania charakterystyk roślinno-wilgotnościowych wpływających na wymianę węgla. W wyniku przeprowadzonych analiz opracowano modele szacowania NEE, w których zastosowano opracowane na podstawie danych satelitarnych następujące parametry: wilgotność gleby (WG), zawartość wody w roślinach (WR). Do analizy WG i WR został zastosowany współczynnik wstecznego rozpraszania (σº) obliczony z sygnału zarejestrowanego w zakresie mikrofalowym przez urządzenia SAR (ang. Synthetic Aperture Radar) dla różnych polaryzacji fal. Prace badawcze zmierzające do określenia wielkości wymiany węgla oraz jego zróżnicowania przestrzennego i czasowego, przeprowadzone z uwzględnieniem informacji o pokrywie roślinnej i wilgotności gleby uzyskanych z danych satelitarnych, są ważne dla monitorowania ekosystemów bagiennych.

EN

The article presents results of the study on modeling Net Ecosystem Exchange (NEE) in the wetland ecosystem using remote sensing and in-situ data. The study has been conducted in Biebrza Valley for the years 2011–2015. The analysis of application of optical and microwave images for the assessment of vegetation-moisture conditions influenced carbon exchange has been performed. The impact of soil moisture and type of vegetation habitat on CO2 flux in wetland ecosystems has been analyzed to develop NEE models. Soil moisture (WG) and vegetation water content (WR) have been correlated with backscattering coefficient (σº) calculated from the signal registered by microwave satellites in different wave polarization. The research was focused on the assessment of carbon balance in time and space taking into account vegetation cover and soil moisture derived from satellite data. The research is important for monitoring wetland ecosystem.

7

Assessment of the possibility of applying selected pedotransfer functions for indicating the retention of forest soils in Poland

Hewelke P., Hewelke E., Chołast S., Żakowicz S., Lesak M.

Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska

|

2017

|

Vol. 26, No. 3

336--345

EN

Landscape retention influences the water balance of a catchment and the course of flooding events. The degree of retention capabilities of forest soils are much less known than the retention of land used for agriculture. Soil retention capacity influences the formation of a given forest habitat type, floristic species composition, as well as the type and quality of the stand of trees. The analysis was carried out for a regression model dedicated to selected forest soils within the area of Poland, as well as van Genuchten’s and Wösten’s, and Varallyay’s and Mironienko’s models. In order to assess the fit of the models, an independent series of forest soils were used. The models prepared for soils used for agricultural purposes do not result in statistically acceptable fit when it comes to the analyzed forest soils. The analysis of measured and calculated values of total available water indicate good fit of the regression model developed for the analyzed group of podzolic and brown forest soils.

PL

Retencja gleb leśnych w znacznym stopniu decyduje o bilansie wodnym zlewni i przebiegu zjawisk hydrologicznych, wpływa na kształtowanie się określonego typu siedliska lasu, skład florystyczny i jakość drzewostanu. Zdolności retencyjne gleb leśnych są znacznie mniej rozpoznane niż retencja gleb użytkowanych rolniczo. Retencja może być wyznaczona zarówno metodą bezpośrednią, jak i pośrednio za pomocą tzw. funkcji pedotransfer opisującej jej związek z określonymi właściwościami fizycznymi gleby. Analizę prowadzono dla modelu regresyjnego opracowanego dla wybranych gleb leśnych z obszaru Polski oraz dla modeli van Genuchtena i Wöstena oraz Varallyaya i Mironienki. Do oceny dopasowania modeli zastosowano niezależną serię gleb leśnych. Analiza pomierzonych i obliczonych wartości potencjalnej retencji użytecznej wskazuje na dobre dopasowanie modelu regresyjnego opracowanego dla badanej grupy gleb leśnych bielicowych i brunatnych. Modele opracowane dla gleb użytkowanych rolniczo nie dają akceptowalnego statystycznie dopasowania dla analizowanych gleb leśnych. Przeprowadzone badania potwierdzają lokalny charakter funkcji pedotransfer.

8

Effect of straw and soil tillage with the application of effective microorganisms on soil moisture and compaction for winter wheat monoculture

Kotwica K., Gałęzewski L., Skierucha W., Jaskulska I., Jaskulski D., Wilczek A., Szypłowska A., Kulpa D., Piekarczyk M., Wasilewski P.

Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering

|

2017

|

Vol. 62, nr 1

104--111

EN

The effect of using straw and the application of effective microorganisms on soil moisture and compaction in plowing tillage and direct sowing is presented. Data were collected during the spring growing season during the three-year monoculture of winter wheat. Soil moisture and compaction at four levels to a depth of 40 cm were measured. Plowing tillage in comparison to direct sowing resulted in a reduction of average soil moisture at all depths, and soil compaction at the 10-40 cm levels. The application of effective microorganisms in plowing tillage caused an increase in soil compaction at all depths and moisture content of the deepest layer. The effective microorganisms used in direct sowing resulted in higher moisture content primarily in the surface layer. The use of straw did not affect significantly soil moisture but resulted in a reduction in compaction under direct sowing conditions. Straw, soil tillage method, application of the effective microorganisms and the interaction among those factors significantly affected soil moisture and compaction. The influence of the effective microorganisms on soil moisture is the most significant in plowing tillage, while the effect of straw on soil compaction is the most evident for direct sowing.

PL

Właściwości fizyczne gleby są ważnym czynnikiem produkcyjności roślin. W trzyletniej monokulturze pszenicy ozimej określono wpływ stosowania słomy oraz zróżnicowanej uprawy roli (uprawa płużna, siew bezpośredni) wraz z aplikacją efektywnych mikroorganizmów na wilgotność i zwięzłość gleby do głębokości 40 cm w okresie wiosennej wegetacji. Wilgotność i zwięzłość wierzchnich warstw gleby do głębokości 20 cm były bardzo zmienne w czasie i silnie ujemnie ze sobą skorelowane. Stosowanie słomy nie wpłynęło istotnie na wilgotność gleby, spowodowało natomiast zmniejszenie jej zwięzłości w warunkach wykonywania siewu bezpośredniego. Płużna uprawa roli w porównaniu z siewem bezpośrednim spowodowała zmniejszenie średniej wilgotności gleby do głębokości 40 cm, a zwięzłości gleby na głębokości 10-40 cm. Wnoszenie efektywnych mikroorganizmów do gleby uprawianej płużnie wywołało tendencję wzrostu zwięzłości wszystkich jej warstw do głębokości 40 cm, a wilgotności zwłaszcza warstwy najgłębszej - 30-40 cm. W przypadku siewu bezpośredniego efektywne mikroorganizmy nie spowodowały wzrostu zwięzłości gleby, a większa wilgotność wystąpiła głównie w warstwie powierzchniowej.

9

Influence of temperature and time of sewage sludge incineration on the mobility of heavy metals

Latosińska J.

Environment Protection Engineering

|

2017

|

Vol. 43, nr 4

105--122

EN

Sewage sludge ashes in comparison to sewage sludge are characterized by higher concentrations of heavy metals. The mobility of heavy metals in sewage sludge ashes determines their impact on the soil-water environment in the aspect of toxicology. This research statistically evaluates the influence of temperature and duration of SS incineration on the mobility of HM from SSA. For the incineration temperatures 600–980 °C and 2–20 min of incineration, the experiment domain was defined in accordance with the Box’s two-factor experimental design. It was proved that it was not the time but the temperature of SS incineration that had the statistically relevant influence on the mobility of nickel and copper.

10

Wybrane metody teledetekcji satelitarnej w monitoringu środowiska terenów górniczych

Przeździecki K., Zawadzki J.

Systemy Wspomagania w Inżynierii Produkcji

|

2016

|

z. 1 (13)

11--24

PL

Monitoring i ochrona środowiska na terenach górniczych jest złożonym zadaniem obejmującym specyficzne aspekty, będące konsekwencją działalności związanej z wydobywaniem surowców mineralnych. Degradacja środowiska różni się na terenach w których wydobywa się węgiel kamienny od degradacji występującej przy wydobywaniu węgla brunatnego metodą odkrywkową. Do głównych problemów należą m.in. osiadanie terenu, zagrożenie pożarowe na zwałowiskach odpadów powęglowych, zmiany wilgotności gleby, przekształcenie użytkowania terenu oraz złożona degradacja środowiska powodowana powyższymi czynnikami. Monitoring i badanie wyżej wymienionych aspektów środowiska terenów górniczych, szczególnie na dużych obszarach, przy użyciu metod terenowych jest trudne, czasochłonne oraz wymaga dużych nakładów finansowych. Zastosowanie systematycznych badań zdalnych, w szczególności teledetekcji satelitarnej, uzupełniających lub niekiedy wręcz praktycznie eliminujących badania terenowe pomaga uzyskać znaczne oszczędności. Niewątpliwym atutem badań zdalnych jest możliwość uzyskania informacji praktycznie w tym samym czasie na dużym obszarze, co zapewnia spójność czasową pomiarów. Jest to bardzo istotne z punktu widzenia zjawisk wykazujących dużą zmienność w czasie i w przestrzeni (np. wilgotność gleby). W przypadku niektórych procesów, które nie wykazują dużej dynamiki, lub gdy ich analiza wymaga oceny stanu początkowego, możliwa jest analiza historyczna w oparciu o dane satelitarne sięgająca wiele lat wstecz. Badania zdalne są również dogodnym narzędziem w planowaniu, nadzorowaniu rekultywacji oraz monitoringu terenów zdegradowanych.

EN

Environmental protection and monitoring in mining areas is a complex issue which includes a variety of aspects, as a consequence of complicated activities related to the mining of mineral resources. A degradation of environment is different depending on areas where hard coal is mined and where lignite is mined in open cast mines. Among others, related main environmental problems are: subsidence, fire hazard on heaps of coal wastes, soil moisture changes, land use changes and complex environmental degradation caused by one or more of the above-mentioned factors. Investigating and monitoring of those aspects of environment in the mining areas, especially over the vast areas, using field methods, is difficult, time consuming and expensive. Systematic using of remote sensing methods, especially based on satellite data, as supplementary or even as primary methods instead of field measurements can save a lot of money. An undoubted advantage of remote sensing is acquiring of information at virtually the same time, which ensures consistency of time of the measurements. It is very important in monitoring of phenomena with high time variability (such as soil moisture). Another advantage is possibility to analyze initial state of environment using historical data for many years ago. Remote sensing methods are also convenient tools for planning, supervising and monitoring the rehabilitation of degraded areas.

11

Wstępne wyniki klasyfikacji siedlisk łąkowych pod względem odwodnienia w rejonie kopalni węgla brunatnego Bełchatów przy użyciu statystyk strefowych oraz danych satelitarnych

Przeździecki K., Zawadzki J., Miatkowski Z.

Roczniki Geomatyki

|

2016

|

T. 14, z. 4(74)

521--529

PL

Wydobycie surowców mineralnych metodami odkrywkowymi niesie za sobą konieczność odwadniania złóż mineralnych. Na skutek działania systemu odwadniającego na dużym obszarze powstaje lej depresji wód podziemnych, który ujemnie oddziałuje na środowisko. Na skutek obniżenia zwierciadła wód podziemnych w środowisku zachodzą często nieodwracalne zmiany. Sytuacja ta jest szczególnie widoczna w przypadku siedlisk hydrogenicznych, które ze swojej natury są zależne od wody. Zasięg leja depresji wyznaczony za pomocą pomiarów w studniach piezometrycznych nie zawsze daje informacje na temat jego faktycznego oddziaływania na zbiorowiska roślinne. Dzieje się tak ponieważ wiele zależy od głębokości ukorzenienia roślin. W pracy autorzy przedstawią metodykę klasyfikacji terenów łąkowych pod względem odwodnienia oraz uzyskane przy jej zastosowaniu wstępne wyniki z obszaru Kotliny Szczercowskiej znajdującej się pod wpływem systemu odwadniającego kopalni węgla brunatnego PGE GiEK S.A. O/KWB Bełchatów. Analizy zostały wykonane na podstawie zdjęć misji Landsat (5TM, 7ETM oraz 8 OLI/TIRS). Do najważniejszych etapów opisywanej metodyki należy zaliczyć tzw. metodę trójkąta pozwalającą na wyznaczenie wskaźnika TVDI (ang. Temperature-Vegetation Dryness Index) oraz zastosowanie statystyk strefowych. Jako źródło danych o pokryciu terenu wykorzystano bazę Corine Land Cover 2006. Wyniki uzyskane za pomocą metodyki teledetekcyjnej zostały porównane z danymi o zasięgu oddziaływania leja depresji otrzymanymi z pomiarów naziemnych przez specjalistów z Kujawsko-Pomorskiego Ośrodka Badawczego Instytutu Technologiczno-Przyrodniczego w Falentach. Wyniki są obiecujące i dobrze dopasowują się do przebiegu zasięgu oddziaływania leja depresji. Umożliwia to stosowanie opisywanej metodyki do systematycznej klasyfikacji siedlisk łąkowych badanego terenu, przy niewielkich nakładach finansowych.

EN

Mineral extraction in open-cast mines entails the necessity of dewatering mineral deposits. As a result of operations of a drainage system over a large area a depression cone of groundwater is formed which adversely affects the environment. Lowering of the groundwater table results in environmental changes which frequently could be irreversible. This situation is particularly evident in the case of hydrogenic habitats which by their nature are dependent on water. The range of the depression cone determined by measuring in piezometric wells does not always provide information on its actual impact on plant communities. This is caused by the high influence of the rooting depth of plants. The authors present a methodology for the classification of grassland areas in terms of moisture conditions and obtained preliminary results from the Szczercowska Valley influenced by the drainage system of the lignite mine GiEK PGE SA O / KWB Bełchatów. The analysis were made on the basis of Landsat 7 ETM+ images. The most important part of the described methods is the, so-called, triangle method which is used to calculate TVDI (ang. Temperature-dryness Vegetation Index) and zonal statistics. Corine Land Cover 2006 data was used as a source of land cover data. The results obtained by means of remote sensing methods were compared with the data describing the range of the influence of the depression cone obtained from field measurements performed by experts from the Kujawsko-Pomorskie Research Centre of the Institute of Technology and Life Sciences in Falenty. The results are promising and they coincide with the impact range of the depression cone established by field measurements. This allows to use the described methodology for systematic and inexpensive classification of grassland habitats in the studied area.

12

The Soil Drying Along the Increase of Warming Masks the Relation between Temperature and Soil Respiration in an Alpine Meadow of Northern Tibet

Shen Z.-X., Wang J.-W., Sun W., Li S.-W., Fu G., Zhang X.-Z., Zhang Y.-J., Yu C.-Q., Shi P.-L., He Y.-T.

Polish Journal of Ecology

|

2016

|

Vol. 64, nr 1

125--129

EN

A warming experiment with two magnitudes was performed in an alpine meadow of Northern Tibet since late June, 2013. Open top chambers (OTCs) with two top diameters (0.60 m and 1.00 m) were used to increase soil temperature. Soil respiration (Rs) was measured during the growing season in 2013–2014. The OTCs with top diameters of 1.00 m and 0.60 m increased soil temperature by 1.30 and 3.10oC, respectively, during the whole study period, but decreased soil moisture by 0.02 and 0.05 m3 m-3, respectively. However, the two patters of OTCs did not affect Rs . These results implied that a higher warming did not result in a higher Rs but a greater soil drying. Therefore, a higher warming may not cause a higher soil respiration, which was most likely due to the fact that a higher warming may result in a greater soil drying.

13

Derivation and validation of the high resolution satellite soil moisture products: a case study of the Biebrza Sentinel-1 validation sites

Musial J., Dabrowska-Zielinska K., Kiryla W., Oleszczuk R., Gnatowski T., Jaszczynski J.

Geoinformation Issues

|

2016

|

Vol. 8, no. 1(8)

37--53

EN

Soil moisture content is a key variable for numerous disciplines hence the need for its constant monitoring at a global scale. Satellite imagery is the only mean to fulfil this objective. New generations of satellite sensors such as the Sentinel-1 SAR (Synthetic Aperture Radar) system provide measurements at fine spatial and temporal scales. In order to validate such estimates dense in-situ networks measuring soil moisture are required. The scarcity of such networks was the main motivation to establish two validation sites over the Biebrza wetlands within the project funded by the ESA (European Space Agency). The sites are covered by grassland and marshland and are internally homogeneous as far as the soil type and vegetation cover are concerned. Each site is equipped with 9 soil moisture monitoring stations installed every 130 m which allows the derivation of reliable mean soil moisture estimates across the site featuring small standard deviation (0.035 m3/m3 for the grassland site and 0.074 m3/m3 for the marshland site). The main objective of the presented study is to review the soil moisture derivation and validation methodologies suitable for the Sentinel-1 SAR satellite data and to describe physiographical settings of the Biebrza validation sites together with the installed instrumentation. Furthermore, the relationship between the time series of soil moisture measurements and Sentinel-1 sigma nought backscatter coefficient (σ0) is examined. Ultimately, the validation results of the low resolution SM-DAS-2 soil moisture product are presented due to the unavailability of the high resolution product.

PL

Stały monitoring wilgotności gleby jest kluczowy dla różnorodnych zastosowań i może być realizowany na globalną skalę jedynie za pomocą teledetekcji satelitarnej. Nowe generacje satelitów środowiskowych np. Sentinel-1 posiadają sensory umożliwiające wysokorozdzielcze pomiary o dużej częstości czasowej. Uzyskane z nich produkty dotyczące wilgotności gleby wymagają gęstej sieci pomiarów naziemnych do celów walidacyjnych. Fakt ten stanowił główną motywację dla założenia dwóch poligonów walidacyjnych wilgotności gleby zlokalizowanych w dolinie Biebrzy w ramach projektu finansowanego przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA). Obiekty te pokrywają łąkę i zbiorowisko turzycowe i są homogenicznie pod względem roślinności i typu gleby. Każdy poligon wyposażony jest w 9 stacji do pomiaru wilgotności gleby oddalonych od siebie o 130 metrów. Pozwala to na rzetelne oszacowanie średniej wilgotności dla całego obiektu odznaczającej się niskim odchyleniem standardowym (0.035 m3/m3 dla poligonu łąkowego i 0.074 m3/m3 dla poligonu turzycowego). Głównym celem tego opracowania jest opis metodyki wyznaczania i walidacji wilgotności gleby z wysokorozdzielczych radarowych danych satelitarnych oraz charakterystyka obu poligonów badawczych wraz z instrumentami pomiarowymi umożliwiającymi zaawansowany monitoring środowisk bagiennych. Ponadto przeanalizowana została zależność pomiędzy wilgotnością gleby a współczynnikiem rozproszenia wstecznego (σ0) sygnału radarowego satelity Sentinel-1. Ostatecznie wykorzystano dane z opisywanej sieci pomiarowej do walidacji niskorozdzielczego produktu SM-DAS-2 opisującego wilgotność gleby.

14

Innowacyjna metoda pomiaru wilgotności gleby z zastosowaniem neutronów kosmicznych - trzy lata funkcjonowania czujnika na południowym Podlasiu

Chodyka M., Nitychoruk J., Zreda M., Grudniewski T., Lubańska Z.

Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury / Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture

|

2016

|

z. 63, nr 3

51--58

PL

Pomiary wilgotności gleby do niedawna były prowadzone punktowo, co miało ograniczenia wynikające z przestrzennych różnic i niejednorodności gleb. Jeśli wykonywane są pomiary punktowe wilgotności gleby, to mogą one być wykorzystane po uśrednieniu, czyli należy zebrać wystarczająco dużą liczbę danych. Aby uzyskać dokładność do trzech punktów procentowych, należy zaprojektować 40 punktów pomiarowych. W artykule przedstawiona została innowacyjna metoda pomiaru wilgotności gleby z zastosowaniem neutronów kosmicznych. Zasadniczą częścią każdego czujnika są dwa liczniki neutronów – licznik z osłoną polietylenową do pomiaru szybkich neutronów oraz nieosłonięty licznik do pomiarów neutronów termicznych. W Stanach Zjednoczonych funkcjonuje system obserwacji wilgotności gleby z zastosowaniem neutronów kosmogenicznych – COSMOS (COsmic-ray Soil Moisture Observing System), który jest wyposażony w 56 stacjonarnych czujników. Pojedyncze czujniki zainstalowane są także miedzy innymi w Kenii, Brazylii, Francji, Szwajcarii i również w Polsce W pracy prezentowane są wyniki badań opracowanych przy wykorzystaniu innowacyjnego czujnika zainstalowanego w Polsce w miejscowości Derło. Dane pozyskane w trakcie trzech rocznych cykli pomiarowych dobrze korelują z obserwowanymi opadami deszczu i śniegu. Cykle pomiarowe obejmują okres od kwietnia do końca marca. Szczegółowa analiza zarejestrowanych w tym okresie danych wskazuje na przyczyny zróżnicowania wilgotności gleby. Okazuje się, że czujnik może być wykorzystywany do identyfikacji okresu występowania pokrywy śnieżnej zalegającej na danym terenie.

EN

Measurements of soil moisture until recently were conducted by checking particular spots, which had its limitations due to soil spatial differences and heterogeneity. If spot checks are made to measure soil moisture, the gathered data can be used only after being averaged, which means collecting a sufficiently large number of data. To get results that would be accurate to within three percent, one must conduct 40 check points. The article presents an innovative method of measuring soil moisture by using space neutrons, which gives new opportunities. The main part of each sensor are two neutron - counters covered with polythene to measure fast neutrons, and an uncovered counter for measuring thermal neutrons. The United States has a system of measuring the soil moisture that uses space genic neutrons - COSMOS (Cosmic-ray Soil Moisture Observing System), which is equipped with 56 stationary sensors. Individual sensors are also installed, among others, in Kenya, Brazil, France, Switzerland and in Poland. The authors wish to present the results of innovative sensing research done in Derło, Poland. The conclusions have been based on three annual cycles of measurement that can be well correlated with the observed rainfall and snow. The cycles cover the period from April to the end of March (2013 - 2016). The first sensor in Poland has already taken three season measurements, on the basis of which one can draw interesting conclusions about the reasons for soil moisture diversity. It turns out that the sensor can also be used to determine the period of snow.

15

Nowa metoda pomiaru wilgotności gleby z wykorzystaniem neutronów kosmogeniczny

Zreda M., Nitychoruk J., Chodyka M., Świerczewska-Pietras K., Zbucki Ł.

Przegląd Geologiczny

|

2015

|

Vol. 63, nr 4

239–-246

EN

Taking advantage of the relation between the intensity of cosmic-ray neutrons measured in air above land surface and soil moisture, a new method was developed for measuring soil moisture at the scale of tens of hectares. The American-based project COSMOS produced and installed sensors to measure soil moisture and used them to monitor soil moisture across the USA. Sensors have also been installed in Europe, inclusing Poland. The purpose of this paper is to bring this new method to the Polish readers and to prepare the foundation for a fast introduction of this new technology to monitoring environmental moisture in Poland and adjacent areas.

16

Effect of Soil Moisture on Morpho-Anatomical Leaf Traits of Ranunculus acris (Ranunculaceae)

Kołodziejek J., Michlewska S.

Polish Journal of Ecology

|

2015

|

Vol. 63, nr 3

400--413

EN

Leaf morphological and anatomical differences between two collection sites in central Poland were examined in tall buttercup Ranunculus acris. We hypothesized that the availability of soil moisture would affect leaf morphological and anatomical traits. The objective of this study was to examine the effect of soil moisture content on: leaf size, epidermal features and on a number of stomatal characteristics in populations of R. acris species. The plants were investigated at sites differing in soil moisture conditions (a dryer upper site and a wetter lower site). Relatively semi-dry and wet sites were identified by plant communities and soil moisture content. We found out that morphological and anatomical leaf traits of R. acris were significantly related to soil moisture content. Leaves from plants growing in the wet site were 26% smaller in size than those from the semi-dry site. The population with smaller leaf area had larger leaf perimeter and higher dissection index. The stomatal index of the leaves sampled in the semi-dry site was higher than that of the leaves sampled in the wet site. Greater leaf thickness in the semi-dry site was primarily the result of increased spongy parenchyma thickness. On the abaxial leaf surface epidermal cell density was significantly higher at the wet site implying more epidermal cells. On the adaxial leaf surface, however, epidermal cell density decreased when plants were exposed to the elevated soil moisture. The results may indicate that soil moisture content influences leaf anatomy and morphology of R. acris. Thus, all these leaf morphoanatomical traits provide a basis for R. acris to reduce water loss from leaves and to balance water use efficiency under reduced precipitation. The present study demonstrates that R. acris can maximize growth in habitats with a wide range of soil moisture availability and such information can be crucial for developing management strategies and predictive models of its spread.

17

Ocena uwilgotnienia gleb w siedliskach trwałych użytków zielonych w dolinie górnej Noteci na podstawie wskaźnika wilgotności gleby

Łabędzki L., Bąk B.

Inżynieria Ekologiczna

|

2015

|

Nr 43

153--159

PL

W pracy przedstawiono ocenę warunków uwilgotnienia gleby w siedliskach trwałych użytków zielonych w dolinie górnej Noteci na podstawie wartości wskaźnika uwilgotnienia gleby (ang. Soil Moisture Index – SMI), obliczanego na koniec dekady okresu wegetacyjnego kwiecień-wrzesień w latach 2013–2014 i autorskiej 5-stopniowej klasyfikacji uwilgotnienia. Wskaźnik umożliwia porównanie warunków uwilgotnienia w glebach o różnych zdolnościach retencyjnych i obiektywną ocenę intensywności suszy glebowej oraz stanów nadmiernego uwilgotnienia. Badaniami objęto siedlisko mokre, wilgotne, posuszne i suche. W przeciętnych warunkach opadowych, jakie wystąpiły w okresach wegetacyjnych w 2013 i 2014 r. w dolinie górnej Noteci, we wszystkich siedliskach dominowało optymalne uwilgotnienie gleby. Susza glebowa umiarkowana i silna wystąpiła tylko w siedlisku posusznym i suchym. Stwierdzono słabą zależność wskaźnika SMI od czynników agrometeorologicznych w okresach dekad kalendarzowych, natomiast silną zależność zmian wartości wskaźnika SMI z dekady na dekadę od parametrów agrometeorologicznych. Największą korelację stwierdzono dla zależności od rolniczo-klimatycznego bilansu wodnego (różnicy opadu i ewapotranspiracji potencjalnej). Wskaźnikowa metoda oceny warunków uwilgotnienia gleb trwałych użytków zielonych z zastosowaniem modelowania matematycznego bilansu wodnego gleby może być użytecznym narzędziem badawczym i monitoringowym w sytuacji braku polowych pomiarów wilgotności gleby.

EN

Assessment of soil moisture conditions on permanent grassland in the upper Noteć valley is made using soil moisture index (SMI). To categorize soil moisture in the end of each 10-day period (decade) during the vegetation period (April-September) an original classification proposed by the authors is used. SMI enables the comparison of moisture conditions in soils with different water retention and the objective evaluation of soil drought and water excess. Assessment is made for grassland in wet, moist, periodically dry and dry habitats in 2013–2014. Optimal soil moisture class dominated in all habitats under mean precipitation conditions. Moderate and severe soil droughts occurred only in periodically dry and dry habitats. There is a weak relationship between SMI and agrometeorological parameters in decades, while a strong correlation has been found between the decade-by-decade changes of SMI and agrometeorological parameters. The highest correlation was found between SMI changes and agroclimatic water balance (subtraction of precipitation and potential evapotranspiration). Indicator-based evaluation method of soil moisture conditions on permanent grassland using mathematical modeling of soil water balance can be a useful research and monitoring tool in the absence of field measurements of soil moisture.

18

Effectiveness of straw mulch on infiltration, splash erosion, runoff and sediment in laboratory conditions

Gholami L., Banasik K., Sadeghi S. H., Khaledi Darvishan A., Hejduk L.

Journal of Water and Land Development

|

2014

|

no. 22

51--60

EN

Mulches have extraordinary potential in reducing surface runoff, increasing infiltration of water into the soil and decreasing soil erosion. The straw mulches as a biological material, has the ability to be a significant physical barrier against the impact of raindrops and reduce the detachment of soil aggregates. The present study is an attempt to determine the efficiency of straw mulch as conservation treatment in changes in the splash erosion, time-to-runoff, runoff coefficient, infiltration coefficient, time-to-drainage, drainage coefficient, sediment concentration and soil loss. The laboratory experiments have been conducted for sandy-loam soil taken from deforested area, about 15 km of Warsaw west, Poland under lab conditions with simulated rainfall intensities of 60 and 120 mm·h–1, in 4 soil moistures of 12, 25, 33 and 40% and the slope of 9%. Compared with bare treatments, results of straw mulch application showed the significant conservation effects on splash erosion, runoff coefficient, sediment concentration and soil loss and significant enhancement effects on infiltration and drainage. The results of Spearman-Rho correlation showed the significant (p ≤ 0.05) correlation with r = –0.873, 0.873, 0.878 and 0.764 between rainfall intensity and drainage coefficient, downstream splash, sediment concentration and soil loss and with r = –0.976, 0.927 and –0.927 between initial soil moisture content and time-to-runoff, runoff coefficient and infiltration coefficient, respectively.

PL

Ściółka ze słomy może znacząco zmniejszać spływ powierzchniowy, powodując zwiększenie wsiąkania wody oraz zmniejszając erozję gleby. Ściółka jako materiał organiczny jest barierą redukującą także energię kinetyczną kropel deszczu, zmniejszając odspojenie i ograniczając transport agregatów glebowych. W prezentowanych badaniach podjęto próbę określenia wpływu ściółki ze słomy, jako środka ochronnego, na erozją rozbryzgową, czas do wystąpienia spływu, współczynnik spływu, koncentrację rumowiska i ilość zmywanej gleby. Doświadczenia laboratoryjne przeprowadzono w odniesieniu do piaszczystej gliny, pobranej z miejsca wylesionego, około 15 km na zachód od Warszawy, w symulowanych warunkach natężenia deszczu wynoszącego 60 i 120 mm·h–1, wilgotności początkowej gleby 12, 25, 33 i 40% oraz spadku powierzchni 9%. Porównując te wyniki z wynikami doświadczenia przeprowadzonego w tych samych warunkach z glebą pozbawioną ściółki, wykazano znaczący wpływ redukujący w odniesieniu do erozji rozbryzgowej, współczynnika odpływu, koncentracji rumowiska i ilości zmywanej gleby oraz znaczący wpływ zwiększający wsiąkanie i odpływ podpowierzchniowy.

19

Proximal soil sensing unit for cereal combine harvester

Wojciechowski T., Czechlowski M.

Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów / Politechnika Warszawska

|

2013

|

z. 4/95

179--188

EN

The paper presents description of developed proximal soil measurement system mounted on cereal combine harvester. Soil measurement unite was a part of the developed technology of Selective Grain Harvesting (SGH). In SGH technology soil parameters measured directly during harvest or in postprocessing mode, are used as a part of steering algorithm for grain flow distribution unit. The combine soil measurement system include VIS-NIR spectrometer mounted in the combine cab, optical soil probe mounted on header sloping conveyor and software for soil spectra acquisition. Soil probe software was equipped with calibration models build for prediction of spatially variable soil moisture in the top layer. Soil moisture measurements and infield probe validation with winter wheat production in year 2011 are presented. Soil probe operation in mechanical and optical components strength conditions of the technological process, were tested. Usefulness of laboratory-developed calibration models for the assessment of soil moisture were also presented.

PL

Artykuł przedstawia opis opracowanej spektrometrycznej sondy bliskiego zasięgu zamontowanej na kombajnie zbożowym. System pomiaru parametrów gleby był częścią opracowanej technologii selektywnego zbioru zbóż (SZZ) w której parametry gleby, mierzone bezpośrednio podczas pracy kombajnu lub re-procesowane, używane są w algorytmie sterującym rozdziałem strumienia ziarna. Kombajnowy system pomiaru parametrów gleby składa się ze spektrometru VIS-NIR, sondy optycznej zamontowanej na przenośniku pochyłym kombajnu oraz oprogramowania do akwizycji danych. Oprogramowanie wyposażono w opracowane w trakcie badań modele kalibracyjne dla predykcji zmienności przestrzennej wilgotności gleby w warstwie uprawnej. W pracy zaprezentowano również opracowane modele oraz polową ocenę działania sondy glebowej w towarowej uprawie pszenicy w roku 2011. Testowano działanie sondy w warunkach technologicznego procesu zbioru ziarna. Przedstawiono również przykłady wykorzystania opracowanych modeli kalibracyjnych dla opracowania map zmienności przestrzennej wilgotności gleby.

20

Obserwacje zróżnicowania przestrzennego warunków wodnych trwałych użytków zielonych w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni w regionie oddziaływania kopalni odkrywkowej węgla brunatnego

Miatkowski Z., Przeździecki K, Zawadzki J.

Roczniki Geomatyki

|

2013

|

T. 11, z. 4(61)

59--66

PL

W publikacji autorzy opisują problematykę związaną ze zdalnymi obserwacjami wilgotności gleby przy użyciu zobrazowań satelitarnych w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni. Obszarem badań jest teren Kotliny Szczercowskiej, w rejonie której znajduje się Kopalnia Węgla Brunatnego Bełchatów. Obszar jest interesujący zarówno z punktu widzenia dynamiki zmian wilgotności gleby powodowanej odwodnieniem terenu i wywoływanej przez to presji antropogenicznej Obrazowanie w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni pozwala na monitorowanie stanu pokrywy roślinnej, zasobu wody zawartej w roślinności, jak również wilgotności gleby. W pracy wykorzystany został wskaźnik TVDI (z. ang. temperaturę vegetation-dryness index) otrzymywany przy użyciu metody trójkąta na podstawie danych Landsat 7 ETM+. Otrzymane wyniki są zgodne z oczekiwaniami i potwierdzają zasadność wykorzystywania metody trójkąta w analizach wilgotności gleby oraz jej potencjał do określenia zmian zasięgu leja depresji w wieloleciu.

EN

In this paper, the authors describe problems associated with remote sensing of soil moisture using satellite imagery in visible and infrared bands. The area of research is Szczercowska Valley in where Belchatow brown coal mine is located. Research area is particularly interesting in terms of the dynamics of soil moisture changes caused by deep and extensive terrain drainage. This gives the opportunity to compare the results and to achieve potential profit through the integration of results from both methods. Imaging in the visible and infrared bands allows to monitor the condition of vegetation cover, water contained in vegetation and soil moisture. In this paper, the authors decided to use Temperature Vegetation Dryness Index obtained using triangle method based on Landsat 7 ETM+ data. The results are consistent with expectations and confirm rationality of using triangle method in soil moisture changes monitoring and its potential to identify changes in depression cone area in a multi-year period.