A hidraulikus vezetőképesség mérések mintavételezési léptékfüggése

A talaj hidraulikus vezetőképességét többféle módon is mérhetjük (pl.: Mini Disk Infiltrométerrel, Tension Disc Infiltrométerrel, Guelph permeaméterrel, Várallyay-féle 100 cm³-es és Booltink-féle 6500 cm³-es mintákból). Azonban az egyes módszerek különböző mérési, illetve mintavételezési egységekre vonatkoznak, melyek méretkülönbsége befolyásolhatja a mérni kívánt K_S értékét. A terepi módszerek közül a TDI és az MDI is a K_S,matrix értékét határozzák meg, azonban a TDI 20 cm átmérőjű, míg az MDI 4,5 cm átmérőjű beszivárgási felületen mér. A szakirodalom szerint nincs szignifikáns különbség a két terepi módszer között. Azonban ilyen összehasonlítást még nem végeztek el a Várallyay-féle 100 cm³-es és az etalonnak számító Booltink-féle laboratóriumi eljárások között. Ennek vizsgálatára az őrbottyáni, nagyhörcsöki és szurdokpüspöki mintaterületekről 5-5 ismétlésben vettem kis- és nagy patronos ― 100 illetve 5650 cm³-es ― mintákat. Fontosnak láttam, hogy különböző fizikai féleségű (homok, vályog, agyag) talajok esetében vizsgáljam meg a K_S mintavételezési léptékfüggését. A mért K_S értékeket  T-próbával megvizsgáltam, hogy szignifikáns különbség mutatkozik-e a mért K_S értékekben, ha nagyságrendnyi különbség van a minták mérete között. 

Az őrbottyáni talajok esetében a Booltink-féle  nagy patronos mintákon meghatározott K_S értékek (1. táblázat) szignifikánsan különböztek a hagyományos kis patronos mintákon mért vízvezető képesség értékektől. Azonban, ha a kis minták esetében a mintavételt megelőzően szilikon zsírral kikenjük a mintavevő henger belső falát, lényegesen csökkenthetjük a falhatást, mely eredményeképp átlagosan 74,6 cm/nap beszivárgást volt. A jellemzően homoktalajok esetében jelentkező falhatás szignifikáns különbséget okozhat, ezét fontos kiküszöbölnünk ezt a mérési eredményt befolyásoló tényezőt. A falhatás kiiktatásával kapott érték nem mutat szignifikáns különbséget az etalonnak tartott nagy hengeres mintavétel eredményeinek átlagától. Tehát homoktalaj esetén pontosabb eredményt kaphatunk, ha a 100 cm³-es mintavevő henger belső falát kizsírozzuk.

Őrbottyán	KS cm/nap	KS cm/nap
		Átlag	Szórás
Kis minta 100 cm3	144,6	146,7	21,9
	154,4
	160,2
	109,9
	164,3
Nagy minta 5650 cm3	116,2	94,0	22,5
	77,8
	97,8
	64,5
	113,5

1. táblázat: A kis patronos és nagy patronos minták K_S értékeinek összehasonlítása, Őrbottyánban.

           

Szurdokpüspöki agyag talaj esetében szintén összehasonlítottam a hagyományos 100 cm³-es hengerrel mért K_S eredményeket (2. táblázat) a nagy patronos telítési vízvezető képesség értékekkel. A 100 cm³ minták esetén átlagosan 112,8 cm/nap hidraulikus vezetőképesség értéket mértem (2. táblázat), mely szignifikánsan nagyobb, mint a nagy patronos mérésekkel kapott átlagos 67,1 cm/nap. Ezek értelmében, a mintavételezési egységek egy nagyságrendnyi különbsége szignifikáns eltérést mutathat agyag területen mért K_S értékek között. A számottevő különbségek hátterében az agyag talajra jellemző makropórus áramlás állhat, mely megnövelheti a K_S mérési bizonytalanságát. A telítési vízvezető képesség szórás értéke szignifikánsan kisebb a nagy minták esetében, mivel a nagyobb felület miatt, kisebb az egyes mintákon mért K_S és az átlag közötti eltérés várható értéke.

Szurdokpüspöki	KS cm/nap	KS cm/nap
		Átlag	Szórás
Kis minta 100 cm3	17,7	112,8	195,8
	460,2
	67,9
	11,3
	6,9
Nagy minta 5650 cm3	61,6	67,1	70,8
	0,2
	0,4
	110,5
	163,0

2. táblázat: A kis patronos és nagy patronos minták K_S értékeinek összehasonlítása, Szurdokpüspökiben.

           

 A nagyhörcsöki vályog mintaterületről származó, Booltink-féle nagy patronos mintákon mért K_S értékek (3. táblázat) jelentősen különböztek a hagyományos kis patronos minták estében mért telítési vízvezető képesség értékektől. A hidraulikus vezetőképesség értékek szórása szignifikáns különbséget mutat a 100 cm³-es és 5650 cm³-es minták között.

Nagyhörcsök	KS cm/nap	KS cm/nap
		Átlag	Szórás
Kis minta 100 cm3	23,3	62,4	91,2
	225,1
	29,6
	10,5
	23,5
Nagy minta 5650 cm3	89,2	94,6	31,4
	140,4
	105,5
	73,7
	59,1

3. táblázat: A kis patronos és nagy patronos minták K_S értékeinek összehasonlítása, Nagyhörcsökön.

Homok, agyag és vályog talajok vizsgálata során szignifikáns különbségeket tapasztaltam a mért telítési vízvezetők képességek átlag értékében a 100 cm³-es és 5650 cm³-es minták esetében. Az eredmények arra engednek következtetni, hogy jelentős léptékfüggés van a két telítési vízvezető képesség meghatározó módszer között. A szurdokpüspöki agyag talaj esetében a K_S mérés bizonytalanságát a makropórus áramlás (pl.. gyökér és/vagy giliszta járat) jelentősen megnövelte. Az őrbottyáni mintaterület esetében, a 100 cm³-es mintavevő hengerek belső falának szilikon zsíros kikenésével ― a Booltink-féle mintavételezési eljárás előírásához hasonlóan ―, lényegesen csökkenthetjük a falhatást, így a hagyományos módszer eredménye már nem különbözik szignifikánsan, az etalonnak tartott nagy hengeres mintavétel eredményeinek átlagától. Tehát homoktalaj esetén pontosabb eredményt kaphatunk, ha a 100 cm³-es mintavevő henger belső falának kizsírozásával.

Mind a három vizsgált talajtípusnál a nagy patronos minták esetében kisebb a szórás értéke, kisebb a mérési bizonytalanság. Tehát a Booltink-féle nagy patronos eljárás megbízhatóbb eredményt szolgáltat, a nagyobb térfogat, a garantált telítettség és a kontrollált peremfeltételek következtében, mint a hagyományos 100 cm³-es módszer.

 

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).