A talajok víztaszítás értékének térbeli változatossága

 A hidraulikus tulajdonságok térbeli variabilitás vizsgálata estében fontos, hogy bemutassam a talajok víztaszítás vizsgálatát, mivel ez az átmeneti talajtulajdonság nagymértékben befolyásolhatja a hidraulikus vezetőképesség értékét, mint azt egy későbbi blogbejegyzésemben részletezem. 

A talajok víztaszításával világszerte sokan foglalkoznak (Dekker és Ritsema, 1994; Doerr at al., 2000; Hallett, 2007; Lichner et al., 2006), de hazánkban még alig kutatott téma.

Néhány talaj bizonyos körülmények között víztaszítóvá válhat, mely jelentősen befolyásolhatja a talajok hidrológiai tulajdonságait. Dekker és Ritsema (1996) öt talajnedvesíthetőségi kategóriát különböztet meg a vízbeszivárgáshoz szükséges idő alapján: (1) nedvesíthető (wettable), vagy nem víztaszító (nonwater repellent) (t< 5 s); (2) kissé víztaszító (slightly) (t=5 – 60 s); (3) közepesen víztaszító (strongly) (t=60 – 600 s); (4) erősen víztaszító (severely) (t=600 – 3600 s); (5) extrém víztaszító (extremely water repellent) (t> 3600). A kritikus mértéket meghaladó víztaszítás világszerte több helyen kimutatható (Dekker et al., 2005), mely hatással van a talajok hidrológiai tulajdonságaira, s ezáltal az ökoszisztémák produktivitására is. A kismértékű víztaszítás már késlelteti a beszivárgás elindulását, de nem akadályozza meg (Hunter et al., 2011), továbbá befolyásolja a felszíni lefolyás mennyiségét (Doerr, 1998, Lichner et al., 2012) is. A talajok víztaszításának mértéke függ a talaj nedvességtartalmától. A két jellemző között fordított arányosság áll fenn (Doerr és Thomas, 2000). A száraz víztaszító talaj általában nehezen nedvesedik át csapadék vagy öntözés hatására (Dekker et al., 2001), de ha már átnedvesedett, könnyen beszivárog a víz. Talajműveléssel a víztaszítás mértéke jelentősen csökkenthető (Hallett et al., 2001).

A víztaszítás egy átmeneti talajtulajdonság, mely igen nagymértékű térbeli változatossággal (Ritsema és Dekker, 2003) és időbeli változékonysággal rendelkezik (Rodríguez-Alleres és Benito, 2011) hasonló vegetációs körülmények között.

A víztaszítás (vagy talajnedvesíthetőség) mértéke nagymértékben meghatározhatja a mért telítési vízvezető képesség értékét. Mivel a K_S fontos paramétere a talajban történő vízmozgás leírásának, ezért elengedhetetlen, hogy megvizsgáljuk a talajnedvesíthetőséget.

 

 A talajok víztaszítás vizsgálata:

A szakirodalom szerint (Singer és Ugolini, 1976) a talajnedvesíthetőség mértéket befolyásolja a talaj szervesanyag mennyisége és minősége, ezért szükségszerűnek láttuk a humuszfrakciók meghatározását is a hagyományos humusztartalom mérés mellett.

A talaj nedvesíthetőségét — a világszerte egyre elterjedtebb — Water Drop Penetration Time (WDPT) vagyis vízcsepp beszivárgási idő mérésével vizsgáltuk. A vizsgálat során a talaj felszínére pipetta segítségével elhelyezünk egy vízcseppet és mérjük a beszivárgásához szükséges időt, mely mértékéből következtethetünk a talaj víztaszítására. Az mérések kiértékeléséhez Dekker és Ritsema (1996) skáláját alkalmaztuk, mely beosztása feljebb olvasható. Víztaszítás vizsgálatokat a csólyospálosi és őrbottyáni homoktalajokon végeztünk el.

 Eredmények: 

Az 1m² terület 100 cellájának WDPT módszerrel mért víztaszítás értékek alapján Dekker és Ritsema (1996) módszerével meghatározott talajnedvesíthetőség kategóriákat az 1. ábrán mutatom be.

Az őrbottyáni homoktalaj nem tekinthető víztaszítónak. 100 mérésből csupán 1 pontot mértünk víztaszítónak, 1 pontot pedig erősen víztaszítónak 1b ábra, melynek több oka is lehet. Az őrbottyáni mintaterülettől kb. 20 méterre található egy idősebb (30 éves) telepített fenyves (Pinus Sylvestris), mely fáiról is származhat talajnedvesíthetőséget befolyásoló gyanta (Licher et al., 2012), illetve okozhatják egyéb szerves maradványok is (pl.: viasz, hangyasav, növényi maradványok).

A csólyospálosi homoktalaj víztaszító (1a. ábra), helyenként erősen víztaszító. A víztaszításnak több lehetséges oka van: az élő és/vagy bomló növényi-, vagy mikroorganikus maradványok lebomlásából származó szerves vegyületek (Doerr et al., 2000; Hallett, 2007; Lichner et al., 2012), továbbá hidrofób/amfifil komponensek ― pl.: növényi levél, szár és gyökerek bomlástermékei, maradványai, gyantái és viaszai ― is előidézhetik (DeBano, 1969; Bisdom et al., 1993; Dekker et al., 2001; Moradi et al., 2012), mely utóbbiak hidrofób bevonatot képezhetnek a talajrészecskék körül (Ellies et al., 2005).

 

 

Az őrbottyáni és csólyospálosi talajok fulvosav mennyisége hasonló, azonban az őrbottyáni talaj huminsav tartalma mérhető mennyiségű volt. Az eddigi vizsgálatok a huminsav és fulvosav arányát (HA/FA) jó indikátornak találta a talaj víztaszításával kapcsolatban (Singer és Ugolini, 1976), miszerint a huminsavak ― lévén nagyobb molekulatömegűek és ebből kifolyólag jóval hidrofóbbak, mint a fulvosavak ― okozhatják az adott talaj víztaszítását. Vizsgálataink nem erősítik meg ezt a hipotézist, hiszen annak ellenére, hogy a csólyospálosi talaj alig tartalmaz huminsav-frakciót, víztaszítása igen jelentős, különösen a mérhető huminsavat tartalmazó őrbottyáni talajjal összevetve.

A fenti mérések értelmében a csólyospálosi talaj víztaszító, helyenként erősen víztaszító.

Ezért a feltételezésünk az, hogy a csólyospálosi talaj víztaszítását nem a huminsavak dominanciája okozza, hanem a talajban előforduló hidrofób karakterű anyagok. Ezek jelenlétére utal a talaj összes szervesanyagtartalma és a lúggal kivont szervesanyagtartalom közötti nagy különbség a csólyospálosi talajnál, mely jóval nagyobb, mint az őrbottyáni homok esetében. Ezek az anyagok a növényekből vagy akár az állati szervezetekből származó vegyületek, sokszor makromolekulák. Ezek a nem, vagy csak részben, humifikálódott, azaz kémiailag nem átalakult (oxidáció, degradáció) biopolimerek sokkal hidrofóbabbak lehetnek, mint a már humifikálódott szervesanyag, amely szerkezetében a kémiai átalakulások különböző poláris részeket, hidrofil funkciós csoportokat hozhatnak létre (Hayes és Clapp, 2001). Ez okozhatja az őrbottyáni és csólyospálosi talajok vízáteresztő képességében tapasztalt jelentős különbségeket. Azonban a víztaszításhoz hozzájárulhat még a csólyospálosi régi barackos enyv és viasz kiválasztása, továbbá a homoktalaj durvább szemcséit fulvosav is bevonhatja (Dekker et al., 2005).

Szakmai előadások az értekezés témakörében magyar és angol nyelven.

A léptékfüggés megjelenése a talaj vízgazdálkodási tulajdonságaiban valamint megfigyelt hőmérsékleti adatsorokban c. szakmai beszámolóm 2013.december 03-án hangzott el a Magyar Tudományos Akadémia Agrártudományi Kutatóközpont Talajtani és Agrokémiai Intézetében.

Az előadás anyag az alábbi linken megtekinthető:

A léptékfüggés megjelenése a talaj vízgazdálkodási tulajdonságaiban valamint megfigyelt hőmérsékleti adatsorokban

Az Ph.D. értekezésem témakörében 2013.december 02-én angol nyelven elhangzott előadásom anyagát az alábbi linken megtekinthető:

Scale-related problems of the soil-plant-atmosphere system

A telítési vízvezető képesség időbeli változása homoktalajokon

Az időbeli változékonyság problémáját a homoktalajok visszatömörödés vizsgálatán keresztül mutatom be őrbottyáni és csólyospálosi mintaterületeken. A vizsgálatainkat Őrbottyánban 2011.04.18 – 2011.08.09., Csólyospáloson 2011.07.24. – 2011.10.14. között végeztem el.

A méréseimet egy-gy 10×2 méteres növénytakarótól megtisztított és gyomirtózott területen végeztem el, ahol 5-5 ismétlésben megmértem a talaj térfogattömegét illetve hidraulikus vezető képességét Mini Disk Infiltrométerrel. A térfogattömeg mérésekhez bolygatatlan, 100 cm³-es mintákat vettem a megtisztított talajfelszín felső 5 cm-es rétegéből. Ezt követően a rotációs kapa segítségével fellazított talaj felső 15 cm-es rétegéből a művelést követően is megmértem a talaj térfogattömegét és vízvezető képességét szintén 5-5 ismétlésben. A későbbiek folyamán minden nagyobb csapadékeseményt követően vízvezető képesség (K_S) méréseket végeztem a mintaterületen MDI segítségével, illetve térfogattömeg méréseket bolygatatlan mintákon. A mért hidraulikus vezetőképesség és térfogattömeg értékeket a kumulált csapadék függvényében ábrázoltam és egyszerű grafikus és statisztikai módszerek segítségével elemeztem.

Csólyospáloson, a kísérlet 3 hónapja alatt összesen 57 mm csapadék hullott a mintaterületre, melyből 37 mm-t a vizsgálati időszak első 6 napjában mértünk. A K_S művelést követő változása a kumulált csapadék függvényében az 1. ábrán olvasható. 

 

1. ábra: Hidraulikus vezetőképesség (K_S) a kumulált beszivárgás függvényében Őrbottyán (OB) és Csólyospálos (CSP) mintaterületeken. Hibasávok: az átlagtól való maximális eltérés. Szaggatott vonal: őrbottyáni mintaterületen mért visszaülepedési ütem, szürke kör: K_S mérés Őrbottyánban, fehér kör: a K_S művelés előtti kiindulási állapota Őrbottyánban, fekete csillag: kéreg eltávolításával mért K_S érték Őrbottyánban, folytonos vonal: csólyospálosi mintaterülten mért visszaülepedési ütem, fekete rombusz: K_S mérés Csólyospáloson, fehér rombusz: a K_S művelés előtti kiindulási állapota Csólyospáloson.

Talajművelést követő időszakban mért telítési hidraulikus vezetőképesség és a térfogattömeg időbeli változását szemlélteti a 2. ábra, Csólyospálos (2a. ábra) és Őrbottyán (2b. ábra) mintaterületén.

A csólyospálosi mintaterületen a visszatömörödés üteme gyors és egyenletes (2a. ábra) volt, a mért térfogattömeg értékek változása alapján. A kiegyensúlyozott visszatömörödési ütemmel párhuzamosan egyenletesen csökkenő tendenciát mutattak a vízvezető képesség értékek. Az eredeti állapotról (K_S=23,8 cm/nap) a talajművelés megnégyszerezte a hidraulikus vezetőképesség értékét (K_S=104,3 cm/nap), mely 6 nap alatt közel a felére csökkent vissza (K_S=61,6 cm/nap). A továbbiakban mérséklődött ugyan a visszaülepedés mértéke, de közel 3 hónap elegendő volt ahhoz, hogy teljesen visszaálljanak a vízvezető képesség és térfogattömeg értékek a művelés előtti kiindulási állapotra.

 

2. ábra: A telítési vízvezető képesség (K_S) és a térfogattömeg változása az idő függvényében, Csólyospálos (a) és Őrbottyán (b) mintaterületeken. Hibasávok: az átlagtól való maximális eltérés. Folytonos vonal: térfogattömeg, fekete négyzet: a térfogattömeg mintavétel, fehér négyzet: a térfogattömeg művelés előtti kiindulási állapota, szaggatott vonal: K_S, szürke kör: mért K_S, fehér kör: a K_S művelés előtti kiindulási állapota.

 Az őrbottyáni mintaterületen (2. ábra) a művelést követően lassú ütemben megindult a telítési vízvezető képesség értékének csökkenése, mellyel párhuzamosan a térfogattömeg értékek növekedése figyelhető meg. Azonban, 2011.06.14-dikei mérésnél azt tapasztaltam, hogy a hidraulikus vezetőképesség értéke a kezdeti érték (K_S=77,3 cm/nap) majdnem felére (K_S=37,5 cm/nap) esett vissza, miközben a térfogattömeg mérés eredményei ellentmondtak egy ilyen nagymértékű visszatömörödésnek. A térfogattömeg értékek alapján a talaj még lazának tűnt, nagyobb telítési vízvezető képesség értékeket vártam a mérteknél.

A jelentős különbségek hátterében az állhat, hogy a 2011.05.12-dikei és 2011.06.14-dikei mérések között 123 mm csapadék esett, mely során háromszor fordult elő 20 mm-t meghaladó intenzív csapadékesemény. Ezek hatására a talaj felszínén néhány mm-es kéreg keletkezett, amely tapintással is érzékelhető volt. A kéreg alapjául az őrbottyáni homoktalajban található magasabb CaCO₃ tartalom szolgálhatott, de hozzájárulhatott a csólyospálosi talajnál magasabb agyag és vályog tartalom is.

A kéreggel mért hidraulikus vezetőképesség átlagérték (K_S=45,3 cm/nap) és a kéreg eltávolítását követően mért átlagérték (K_S=93,5 cm/nap) (2. ábra, csillaggal jelölt érték) lényegesen eltértek egymástól. A térfogattömeg változásában a 2011.06.14-edikei mérést követően alig következett be növekedés, miközben 184,6 mm csapadék lehullott.

Őrbottyánban, a vizsgálat közel 4 hónapja alatt a kéreg nélkül mért hidraulikus vezetőképesség érték (K_S=93,5 cm/nap) közel visszaállt az eredeti állapotra (K_S=77,3 cm/nap), míg a kéreggel mért K_S (K_S=45,3 cm/nap) jelentősen alacsonyabb, mint a kezdeti telítési vízvezető képesség érték. A térfogattömegek esetében nem állt helyre az eredeti állapot. A bolygatást megelőzően 1,67 g/cm³ volt a talaj térfogattömege és közel 4 hónap elteltével is még csak 1,30 g/cm³-t mértem.

Egy terület művelés előtti állapotára történő visszaülepedésének mértéke függ a területre hulló csapadék mennyiségétől (Messing és Jarvis, 1993; Lampurlanés és Cantero-Martínez, 2003). Mind a három kísérleti terület esetében a csapadék volt a fő tömörítő tényező bolygatást követően. A telítési vízvezető képesség és térfogattömeg értékek eredeti állapotra történő visszaállásra kb. 2 hónap elegendő, lásd Csólyospálos esetében. Azonban, az Őrbottyánban lehullott jelentős mennyiségű csapadék nem fejtette ki tömörítő hatását a talajszerkezetére, mivel a heves esőzések hatására keletkezett karbonátos kéreg meggátolta azt. Ugyanakkor a K_S jóval a művelést megelőző kiindulási érték alá csökkent, amely arra utal, hogy a kéregben a durvább szemcsék közötti pórusokat a finomabb (pl.: agyag, karbomát) részecskék eltömíthették (clogging), egyfajta eliszapolódási jelenséget okozva. s. Az összecementált kéreg hatására a hidraulikus vezetőképesség értékek gyorsan visszacsökkentek a művelés előtt mért K_S értékekre, miközben a térfogattömegek mért eredményei nem támasztották alá ezt a gyors visszatömörödési ütemet.

            A fenti vizsgálatok következtében, mind a homok, mind pedig a vályog talajok bolygatást követő modellezése során célszerű figyelembe venni a térfogattömeg és a vízvezető képesség változását a csapadék függvényében. Eddig olyan modelleket fejlesztettek, ahol a hidrológiai bemenő adatok (pl.: K_S) rögzített értékűek, ennélfogva ezek a modellek nem képesek kezelni a vonatkozó folyamatok időbeni léptékfüggését. Azonban a K_S a kumulatív csapadék függvényében exponenciális jellegű függvénykapcsolatot mutat. Kísérletet lehetne tenni arra, hogy egy egyszerű empirikus (al)modellel leírjuk ezt a jelenséget és időben változó paramétereket definiáljunk a modellben. Így a fentiek alapján javaslom, hogy lehessen definiálni egy tér- és időbeli változékonyságot a bemenő adatok esetében, azért, hogy a modellek jobban közelítsék a valóságot. Azonban, felhívnám a kéregképződés problémájára a figyelmet, mivel ez a jelenség módosítja mind a mért K_S, mind pedig a térfogattömeg értékek művelést követően, az eredeti állapotra történő visszatömörödési ütemét. A kéregképződést az intenzív csapadékesemények tömörítő hatása idézheti elő, melyek gyakorisága ― a klímaváltozás következtében ­―, az előrejelzések szerint növekedni fog (Knapp et al., 2008; Hartmann et al. 2012).