Talajtulajdonságok térbeli változatosságának vizsgálati módszerei

A talajok térbeli heterogenitásának vizsgálatára olyan kísérletet tervezek, melynek során egy 1 m²-es területet 100 db 10×10 cm-es cellára osztok fel. Minden cellában hidraulikus vezetőképesség mérést végzek MDI (Mini Disk Infiltrométer) segítségével, illetve megvizsgálom a talajnedvesíthetőséget is. Az 1 m²-es területet mérete alapján már reprezentatív pedon méretnek (talajtani alapegységnek) tekinthető. A talajtan a pedonon belül homogénnek tekinti a talaj fizikai és kémiai tulajdonságait. Érdekes lenne mérésekkel kimutatni, hogy az egységesnek tekintett pedon felszínnek is jelentős (akár 1-2 nagyságrendnyi) heterogenitása van, ha egy nagyságrenddel csökkentjük a mérés léptékét. 

A talaj nedvesíthetőségét – a világszerte egyre elterjedtebb - Water Drop Penetration Time (WDPT) vagyis vízcsepp beszivárgási idő mérésével vizsgálom. Ehhez egy pipetta segítségével 1-1 csepp vizet cseppentek a talajra, miközben mérem a szétterüléséhez és eltűnéséhez szükséges időt. A cseppentés és a beszivárgás között eltelt idő függvényében lehet megállapítani a talaj nedvesíthetőségét, mely nagyban függ a talaj fizikai féleségétől, szervesanyag- és mésztartalmától. Talajok nedvesíthetőségével kapcsolatos méréseket már végeztem homok és vályog talajokon, melynek során a kiskunsági meszes homok víztaszítását mutatott.  Az Ösztöndíj keretében, a Dorozsma-Majsai homokhát egy kijelölt mintaterületén, további vizsgálatokkal igazolnám a talaj víztaszítást, melyet még nem vizsgáltak hazánkban.

A talajtulajdonságok időbeli változatosságának vizsgálata

Az időbeli változatosság problémakörének feltárására a következő kísérlet sorozatokat végezem el a Jedlik Ányos Doktorjelölti Ösztöndíj a konvergencia régióban keretében.

1. A talajok visszatömörödésének vizsgálatával arra a kérdésre kapunk választ, hogy különböző típusú talajok bolygatása esetén mennyi idő szükséges az eredeti állapotra való visszaálláshoz.

A talaj folyamatainak modellezés szempontjából ez azért fontos, mert egy bolygatás után jelentősen megváltozik a talaj fizikai karaktere – megváltozik a tárolt levegő mennyisége, amely kihat a növény gyökérzetének fejlődésére, változik a talajnedvesség tároló kapacitás, a vízvezető képesség, stb. – és ezáltal a talajt jellemző modell paraméterek is módosulnak. A kérdés az, hogy ez a módosult állapot mennyi ideig tart, illetve időben miként (milyen közbülső állapotokon keresztül) tér vissza a rendszer bolygatása előtti állapotába.

A mérésekhez egy 10×2 méteres növénytakarótól megtisztított (gyomirtózott) területen rotációs kapa segítségével, a talaj felső 15 cm-es rétegét fellazítottuk. A talaj térfogattömegét és hidraulikus vezető képességét 5 ismétlésben megmértük a lazítás előtt és azt követően is. A későbbiek folyamán minden nagyobb csapadékesemény után hidraulikus vízvezető képesség (Ks) méréseket végeztem a mintaterületen Mini Disk Infiltrométer (MDI) segítségével. A térfogattömeg megállapításához 5 ismétlésben mintát vettem, melyeket a MTA-ATK-TAKI laboratóriumában dolgoztam fel. Előzetes méréseim alapján, a csapadék a fő tömörítő tényező a gyomoktól megtisztított területen, mely mennyisége és időbeli eloszlása nehezen jelezhető előre. 

            A talaj fizikai féleségének függvényében változik az eredeti állapotra történő visszaálláshoz szükséges idő. Így a doktori értekezésemben homok és vályog talajok esetében is bemutatom a változás ütemét, illetve a főbb befolyásoló tényezőit.

A kutatás kitűzött céljai

A munkám célja a talaj-növény-légkör rendszer megismerése, az alrendszerek között lezajló meghatározó folyamatok modellezése és a modell eredmények léptékfüggő vizsgálata. Ennek megfelelően a doktori dolgozatom és kutatásom céljai röviden az alábbi pontokban foglalhatók össze.

1.      A talaj-növény-légkör rendszermodellek meghatározó folyamatainak áttekintése.

2.  Különböző mérés- és modellezés-technikai, tér- és időléptékből eredő problémák részletes elemzése.

3.      Meteorológiai adatsorok felvételezési idejéből eredő modellezési problémák bemutatása.

4.  A mért és modellezett talajhőmérséklet és talajnedvesség értékek tér-és időbeli változatosságának bemutatása, növény és hóborítottság függvényében.

5.  A talaj telítési vízvezető képességének tér- és időbeli változatosságának vizsgálata és a modell eredményekre gyakorolt hatásának elemzése.

6.  A homoktalajok víztaszításának térbeli heterogenitás vizsgálata pedon léptékben és a víztaszítás okának feltárása.

Kutatási téma

Kutatásaim és doktori disszertációm során a talaj-növény-légkör rendszer modellezésének léptékfüggő problémáit vizsgálom. A témával 2009. szeptember 1. óta foglalkozom, a Magyar Tudományos Akadémia Agrártudományi Kutatóközpont Talajtani és Agrokémiai Intézetében, Dr. Fodor Nándor tudományos főmunkatárs témavezetésével. A talaj hidrológiai tulajdonságainak vizsgálatai során együttműködtem a Szlovák és Lengyel Tudományos Akadémia kutatóival, mely során szakmai ismereteim bővültek és elmélyültek.

Témaválasztásom indokolja, hogy a tudományos megismerés folyamatában a modelleknek fontos szerepet töltenek be. Bármelyik modellt is vesszük alapul, az a vizsgált rendszer legfontosabb elemeinek és összefüggéseinek egy leegyszerűsített formája. A talaj-növény-légkör rendszer folyamatainak modellezése nagyon bonyolult, amelyet ráadásul az emberi tevékenység is befolyásol, így matematikai eszközökkel még nehezebb a leírása. A modellezés fő célja az, hogy olyan kérdésekre kapjunk választ, melyek megválaszolásához bonyolult, időigényes, drága vagy egyes részleteiben meg sem valósítható vizsgálat szükséges.

A talajban lejátszódó folyamatok közül alighanem a víz mozgása a legfontosabb, mivel befolyásolja többek között a tápelemek eloszlását, valamint felvehetőségüket a növények számára. A két legfontosabb jellemző, ami a víz mozgását a talajban meghatározza a víztartó képesség és a vízvezető képesség függvény.

A növényi fejlődést és a betakarításkor várható termés mennyiségét döntően befolyásolják a meteorológiai körülmények (csapadék, hőmérséklet, páratartalom, napsugárzás mennyisége), a talajhőmérséklet, a talajnedvesség és ezek tér-és időbeli eloszlása. Így ezen befolyásoló tényezők folyamatos mérése és modellezése elengedhetetlen, melyek segítségével a növénytermesztési szimulációs modellek fejlesztése is elvégezhető.

            Munkám során kutatott talaj-növény-légkör rendszer léptékfüggő problémáinak vizsgálata kiterjed a tér-és időlépték problémakörére is. Ehhez a 4Mx szimulációs növénytermesztési modellt és a HYDRUS-1D hidrológiai modellt alkalmazom. A léptékfüggés vizsgálata azért jelentős, mivel a bemenő adatok tér-és időléptékét megváltoztatva akár nagyságrendnyi eltérést is kaphatunk az eredményekben. A léptékfüggés problémaköre nem csupán a talajtanban jelentkezik, hanem minden természet- és környezettudományokkal (környezetvédelem, geológia, meteorológia, stb.) foglalkozó szakterületeken jelenős hibaforrásnak mondható.

A hidrológiai- és a növénytermesztési rendszermodellek egyik fontos bemenő paramétere a vízzel telített talaj vízvezető képessége (Ks), mely a talajok egyik legnagyobb térbeli variabilitással rendelkező paramétere, ezért célszerű a modellezendő talajon az általunk mért értéket használni.

A talaj vízgazdálkodási tulajdonságainak kutatásán kívül a talajhőmérséklet és a meteorológiai adatok (globális besugárzás, csapadék, hőmérséklet, stb.) tér- és időbeli változásainak vizsgálata is fontos részét képezi a munkámnak. 

A tudomány állása:

 A tudományos megismerés szempontjából a modellezés dinamikusan fejlődik, legyen szó hidrológiai vagy növénytermesztési modellekről. Széleskörű elterjedésüket indokolja, hogy bonyolult, időigényes, drága vagy egyes részleteiben meg sem valósítható vizsgálatokat helyettesíthet. A szükséges bemenő adatok és paraméterek mérésére világszerte több módszert dolgoztak ki, pl. a hidraulikus vezetőképesség mérésére. Nemzetközileg nagyon elterjedt módszer, a talajok vízvezető képességének meghatározása Mini Disk Infiltrometer-rel, mely könnyen kivitelezhető, de hazánkban alig ismert.

A talaj vízgazdálkodását alapvetően meghatározza a beszivárgó víz mennyisége, azonban egyes talajok esetében víztaszítást lehet kimutatni. Ezeknél a talajoknál a felszínre hulló csapadék elfolyik, vagy vízfilm formájában összegyűlik és néhány perces késedelemmel indul meg a talajba szivárgás. A talajok víztaszításának vizsgálatára a WDPT (Water Drop Penetration Time) módszerrel nemzetközileg egyre többen foglalkoznak, míg hazánkban ezek az egyszerű és könnyen kivitelezhető mérések még nem ismertek.