Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10593/25238
Title: Roczna zmienność areału gleb ornych nie pokrytych roślinnością w skali globalnej
Other Titles: Annual variation of bare arable soil areas on a global scale
Authors: Ceglarek, Jakub
Advisor: Cierniewski, Jerzy. Promotor
Issue Date: 2019
Abstract: Arable land around the world has a 12% share of the global land area. This thesis was created as a part of a project aimed at estimation of shortwave radiation reflected from those surfaces according to various scenarios based on the farming methods. This thesis was created as a part of a project aimed at estimation of shortwave radiation reflected from those surfaces according to various scenarios based on the farming methods. Its key element was the estimation of the bare soil area, defined for its spectral properties, as the area of arable land not covered by vegetation on more than 15% on its surface. In conventional agriculture, during the period immediately following the planting of crops, the soil stays bare until the newly planted crops reach defined above share of surface cover. This work focuses on estimating the periods of bare soil that occur after the planting of 13 major crops at the global scale; those selected crops are wheat, maize, barley, sorghum, soybeans, millet, cotton, rapeseed, groundnuts, potato, cassava, rye, and sugar beet. The supplementary objective of the study was to determine which soil groupings, and in what proportions, were bare during those periods. Arable land, divided into extensive agricultural regions located on six continents, was analyzed. The estimation of bare soil acreage was performed based on publicly available spatial datasets including the distribution of arable land in the world, crop calendars containing planting dates and the geographic distribution of crops. The arable land in the world was first divided into agricultural regions inspired by the division proposed by United States Department of Agriculture. For each region, average daily temperatures were used to predict plant growth stages. For each crop within a region, the planting date was used as the beginning of the bare soil period, which ended when it reached a stage where at least 15% of the surface was covered by vegetation. The aggregated periods concerning every crop within any given region resulted in an annual variation of bare soil area. The acreages of soil grouping used in agriculture for any region were then extracted based on the location of arable land and the region’s boundaries.The global annual variation of bare soil area shows that the maximum level occurs around the 140th day of the year (DOY) (middle of May), influenced primarily by the planting of crops occurring in the northern hemisphere. Up to 1.5 million km2of soil surface stays bare at that time. Centered on that maximum is a period of bare soil lasting for almost four months, between the 92nd DOY and the 200th DOY (early April and end of July), when two lesser maxima were observed, of around 900,000 and 700,000 km2, respectively. The equivalent of that period, resulting from planting in the southern hemisphere, starts around the 330th DOY (middle of November) and lasts for about a month, reaching almost 400,000 km2. The other distinguishable episode of bare soil in the southern hemisphere was noted between the 15th and the 25th DOY (second half of January) when its area reached 100,000 km2. Asia is the super region with by far the largest area of arable land and consequently, it sports the highest acreage of bare soil. During the aforementioned maximum in the northern hemisphere occurring around the 140th DOY, the Asian super region contributes around 700,000 km2 of bare soil, which is almost half of the bare soil area for the whole northern hemisphere at that time, with Lithosols, Cambisols, and Gleysols being the major soil groupings that stay bare. In Europe, two distinct periods of bare soil were found; during the first, starting around the 40th DOY (middle of February) and lasting until the 150th DOY (end of May), the steady increase of the bare soil area lasts until the 140th DOY (middle of May) when it reaches almost 500,000 km2, after which a rapid decline was observed. The second, manifesting two and a half months later, lasts between around the 230th and the 290th DOY (middle of August to middle of October), and exceeds 100,000 km2. Chernozems, Cambisols, and Luvisols are dominant soil groupings on arable land in Europe. Similar trends, related to the European bare soil areas, were found in the North American super region, where a period of maximum bare soil area occurs in late spring, and a second period, characterized by a much smaller area, follows the main one three months later. The maxima coincide with the aforementioned ones in Asia and Europe, reaching 300,000 km2 of bare soil around the 140th DOY. Similar to Europe, the second period sports a much smaller bare soil area, short of 30,000 km2. The dominant soil groupings in agricultural use in North America are Kastanozems, Luvisols, and Chernozems. Africa is a super region whose area is divided between both northern and southern hemispheres, which shows in the annual variation of its bare soil area. Three distinct periods were found there, the major one around the middle of a year lasted for about two and a half months, between the 167th and the 230th DOY (middle of June to middle of August) with the bare soil area being up to almost 400,000 km2. The other peak occurs about a month and a half earlier, between the 95th and the 115th DOY (roughly the month of April) and is characterized by a bare soil area exceeding 120,000 km2. The last notable episode of bare soil in Africa manifests itself between the 317th DOY and the 10th day of the following year (middle of November to the middle of January), with the area of soil uncovered by vegetation reaching almost 100,000 km2. Luvisols together with Arenosols, followed by Vertisols, are the most extensively farmed soil groupings in Africa. The majority of arable land in the southern hemisphere is found in the South American super region, which is reflected in the annual variation of bare soil area, which is similar to that of the whole southern hemisphere. The maximum lasts for around two weeks, between the 330th and the 345th DOY (end of November to the middle of December), when almost 500,000 km2 of arable soil is bare. A secondary peak was observed between the 15th and the 30th DOY (second half of January), sporting around 100,000 km2 of bare soil area. Ferrasols is the most commonly farmed soil grouping in the region, followed by Phaozems and Luvisols. In Oceania, the maximum area of bare soil slightly exceeds 25,000 km2 for about two weeks in the first half of June, followed by a rapid decline. A secondary period is characterized by a longer duration but the smaller area, lasting between the 313th and the 14th DOY (middle of November to middle of January) with about 5,000 km2 of arable land which is not covered by vegetation at that time. Luvisols are the dominant soil grouping under cultivation in Oceania, followed by Planosols, Solonetz, and Vertisols. The obtained variations of bare soil areas together with the corresponding share of soil groupings for all regions were used in other work in order to estimate the amount of shortwave radiation reflected from those surfaces according to various scenarios based on the farming methods.
Grunty orne stanowią około 12% powierzchni lądów na całym świecie. Niniejsza praca powstała w ramach projektu dążącego do oszacowania ilości promieniowania krótkofalowego odbijanego od tych powierzchni. Kluczowym jej elementem było oszacowanie areału odkrytej gleby, definiowanej ze względu na jej właściwości spektralne, jako powierzchni gruntów ornych niepokrytych roślinnością w stopniu większym niż 15%. W przypadku rolnictwa konwencjonalnego, w okresie bezpośrednio po sianiu lub sadzeniu roślin gleba pozostaje odkryta, dopóki nowo zasiane lub zasadzone rośliny nie osiągną fazy wzrostu powodującej pokrycie powierzchni w wyżej zdefiniowanym stopniu. Praca ta koncentruje się na oszacowaniu okresów kiedy gleba pozostaje odkryta, które występują po sianiu lub sadzeniu 13 głównych upraw w skali globalnej; te wybrane uprawy to pszenica, kukurydza, jęczmień, sorgo, soja, proso, bawełna, rzepak, orzeszki ziemne, ziemniaki, maniok, żyto i burak cukrowy. Celem badania było ustalenie, które główne grupy glebowe (major soil groupings wg definicji FAO–UNESCO) oraz w jakich areałach pozostają odkryte. Przeanalizowane zostały grunty orne podzielone na regiony rolnicze położone na sześciu kontynentach. Oszacowanie areału odkrytej gleby przeprowadzono przy użyciu publicznie dostępnych zbiorów danych przestrzennych, w tym rozmieszczenia gruntów ornych na świecie, geograficznego rozmieszczenia upraw oraz kalendarzy upraw zawierających daty sadzenia. Używane zbiory danych zostały w pierwszej kolejności podzielone na regiony rolnicze zainspirowane podziałem zaproponowanym przez Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych. Dla każdego z tych regionów zastosowano średnie dzienne temperatury w celu oszacowania etapów wzrostu roślin. Dla każdej uprawy w regionie data sadzenia została wykorzystana jako początek okresu występowania odkrytej gleby, który kończy się, gdy osiągnie etap, w którym gleba zostaje pokryte roślinnością. Zagregowane okresy dotyczące każdej uprawy w danym regionie posłużyły do ustalenia rocznej zmienności powierzchni odkrytej gleby. Areały głównych grup glebowych wykorzystywanych w rolnictwie dla każdego z regionów zostały następnie obliczone na podstawie lokalizacji gruntów ornych i granic regionu. Analizując wszystkie grunty orne na świecie, maksymalny poziom odkrycia występuje około 140 dnia roku (day of year - DOY);(połowa maja), i jest spowodowany przede wszystkim przez sianie oraz sadzenie roślin uprawnych na półkuli północnej. W tym czasie do 1,5 mln km2 powierzchni gruntów ornych nie jest pokryta przez rośliny. Wyżej opisane maksimum występuje podczas okres odsłoniętej gleby trwającego przez prawie cztery miesiące, między 92 DOY a 200 DOY (początek kwietnia a koniec lipca), kiedy zaobserwowano dwa pomniejsze maksima, odpowiednio około 900 000 i 700 000 km2. Odpowiednik tego okresu, wynikający z siania oraz sadzenia na półkuli południowej, zaczyna się około 330 DOY (połowa listopada) i trwa około miesiąca, osiągając prawie 400 000 km2. Inny wyraźnie widoczny okres odkrytej gleby na półkuli południowej odnotowano między 15 a 25 DOY (druga połowa stycznia), kiedy jego powierzchnia osiągnęła 100 000 km2. Azja to kontynent o zdecydowanie największym areale odkrytej gleby wynikający ze zdecydowanie największej powierzchni gruntów ornych. Podczas wspomnianego maksimum na półkuli północnej, występującego około 140 DOY, azjatycki region odpowiada za około 700 000 km2 odkrytej gleby, a więc prawie połowę powierzchni odkrytej gleby dla całej półkuli północnej w tym czasie, z Lithosols, Cambisols i Gleysols jako głównymi grupami gleb, które pozostają odkryte. W Europie znaleziono dwa odrębne okresy odkrytej gleby; podczas pierwszego, rozpoczynającego się około 40 DOY (połowa lutego) i trwającego do 150 DOY (koniec maja), stały wzrost powierzchni odkrytej gleby trwa do 140 DOY (połowa maja), kiedy osiąga ona prawie 500 000 km2, po czym następuje gwałtowny spadek tego areału. Drugi, zaczynający się dwa i pół miesiąca później, trwa od około 230 do 290 DOY (od połowy sierpnia do połowy października) i przekracza 100 000 km2. Chernozems, Cambisols i Luvisols są dominującymi grupami glebowymi na gruntach ornych w Europie. Podobne tendencje jak w przypadku odsłoniętych gleb na kontynencie europejski zanotowano w Ameryce Północnej, w przypadku której okres największej powierzchni odkrytej gleby występuje późną wiosną, a drugi okres, obejmującym znacznie mniejszy areał, następuje trzy miesiące później. Maksymalne wartości występują w podobnym okresie jak w wyżej wymienionych Azji i Europie, osiągając 300 000 km2 odkrytej gleby około 140 DOY. Podobnie jak w Europie, drugi okres charakteryzuje się znacznie mniejszą powierzchnię odkrytej gleby, poniżej 30 000 km2. Dominującymi grupami glebowymi uprawianymi w Ameryki Północnej są Kastanozems, Luvisols i Chernozems. Afryka jest kontynentem zajmującym półkulą północną, jak i południową, co jest odzwierciedlone w rocznym przebiegu areału odkrytej gleby. Wyróżniono tam trzy osobne okresy, największy z nich występuje w połowie roku i trwa około dwóch i pół miesiąca, między 167 a 230 DOY (od połowy czerwca do połowy sierpnia), podczas którego powierzchnia odkrytej gleby osiąga prawie 400 000 km2. Drugi szczyt występuje około półtora miesiąca wcześniej, między 95 a 115 DOY (w kwietniu) i charakteryzuje się areałem odkrytej gleby przekraczającym 120 000 km2. Ostatni znaczący okresy odkrytej gleby w Afryce ustalono między 317 DOY a 10 dniem następnego roku (od połowy listopada do połowy stycznia), przy czym odkryty areał gleby sięga prawie 100 000 km2. Luvisols wraz z Arenosols oraz Vertisols, są najbardziej ekstensywnie uprawianymi grupami glebowymi w Afryce. Roczna zmienność powierzchni odsłoniętej gleby na kontynencie Ameryki Południowej ma podobny przebieg jak w przypadku całej półkuli południowej. Maksimum areału odsłoniętej gleby trwa przez około dwa tygodnie, między 330 a 345 DOY (koniec listopada do połowy grudnia), kiedy prawie 500 000 km2 gruntów ornych pozostaje odkrytych. Drugi szczyt zaobserwowano między 15 a 30 DOY (druga połowa stycznia), w którego trakcie około 100 000 km2 gruntów ornych jest odsłoniętych. Ferrasols są najczęściej uprawianą grupą glebową na kontynencie, a następnie Phaozems i Luvisols. W Oceanii maksymalny areał odkrytej gleby nieznacznie przekracza 25 000 km2 przez okres około dwóch tygodni w pierwszej połowie czerwca, po czym następuje jego gwałtowny spadek. Drugi okres charakteryzuje się dłuższym czasem trwania, ale mniejszym areałem, utrzymującym się od 313 do 14 DOY (od połowy listopada do połowy stycznia) z około 5000 km2 gruntów ornych, które nie są w tym czasie pokryte roślinnością. Luvisols są dominującą grupą glebową pod uprawą w Oceanii, a następnie Planosols, Solonetz i Vertisols.
Sponsorship: project 2014/13/B/ST10/02111, financed by the Polish National Science Center
Description: Wydział Nauk Geograficznych i Geologicznych
URI: http://hdl.handle.net/10593/25238
Appears in Collections:Doktoraty (WNGiG)
Doktoraty 2010-2022 /dostęp otwarty/

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Jakub Ceglarek praca doktorska.pdf13.2 MBAdobe PDFView/Open
Show full item record



Items in AMUR are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.