Víz- és szélerózió
Víz- és szélerózió általi tápanyag elszállítás modellezése
Kutatásban résztvevő kutatók:
Dr. habil Farsang Andrea, Dr. Barta Károly, Dr. Szatmári József, Dr. Kitka Gergely, Bartus Máté, Dr. Négyesi Gábor
A talaj makro- és mikroelem forgalmát mezőgazdaságilag művelt területen számos tényező befolyásolja: a természetes és antropogén légköri és talajképző kőzet eredetű forrásokon túl jelentős elembevételi forrást jelent a mezőgazdasági művelés eredményességét célzó tápanyag utánpótlás, valamint a különböző növényvédő szerek alkalmazása, szennyvíziszap, illetve más nem veszélyes hulladék termőterületre történő kihelyezése. A tápanyagtőke csökkenése elsősorban a termesztett növények elemkivétele, valamint a kilúgozási folyamatok révén következik be. Az intenzív talajművelésnek és nem megfelelő agrotechnikának, valamint a klímaváltozás eredményezte szárazodási folyamatoknak köszönhetően azonban a talajok tápanyag mérlegében egyre jelentősebb komponens a horizontális elhordás, mely a lejtős területeken az erózióval, míg síksági területeken a kora tavaszi növényborítás-mentes időszakban a defláció általi elhordással történik. Igaz e folyamatok jelentős részben a homok fizikai féleségű talajokat érintik, de az intenzív talajművelés következtében leromlott, porosodott szerkezetű csernozjom talajok is veszélyeztetettek.
A 20-21. században tapasztalható intenzív talajhasználat a mezőgazdasági művelés alatt álló talajaink erőteljes degradálódását, terhelését vonja maga után. Magyarország mezőgazdasági területének 35,3 %-a erodált valamilyen mértékben (8,5%-a erősen, 13,6%-a közepesen, 13,2 %-a gyengén). Ez nem csak a tápanyagban gazdag feltalaj fizikai csonkolódását jelenti az érintett területeken, hanem az elmozduló talajrészecskékhez kötötten, illetve oldott formában a makro- és mikroelem tartalom távozását is az érintett térrészekről. Becslések szerint hazánk lejtős területeiről a víz által lehordott humuszos feltalaj évi átlagban mintegy 80-110 millió m3, az ezáltal bekövetkezett anyagveszteség pedig mintegy 1,5 millió tonna szervesanyag, 0,2 millió tonna N, 0,1 millió tonna P2O5 és 0,22 millió tonna K2O .
A szélerózió által okozott tápanyag és szervesanyag elhordás és áthalmozás számszerűsítése sok szempontból problematikus. Neemann (1991) becslései szerint egy erős szélesemény alkalmával talajtípustól és a feltalaj tápanyagtartalmától függően akár 10─162 kg ha-1 N, 30─246 kg ha-1 P2O5, 27─237 kg ha-1 K2O, 35─210 kg ha-1 MgO, és 115─642 kg ha-1 CaO hatóanyagban kifejezett tápanyagvesztés is sújthatja a mezőgazdasági területeket. Rendkívül fontos gazdasági és környezetvédelmi tényezőről van tehát szó, ha meggondoljuk, hogy Magyarországon a potenciális széleróziós veszélyeztetettség alapján az ország területének 26,5 %-a erősen veszélyeztetett, míg a közepesen veszélyeztetett területek aránya meghaladja a 40%-ot (Lóki, 2003).
Annak érdekében, hogy helyes intézkedéseket tegyünk a felszíni vizek tápanyag-terhelésének kontrolljában, hogy ismerjük a szedimentációs területeken történő tápanyag felhalmozódás mértékét és helyét, majd ezen információkat beépíthessük a környezetkímélő tápanyag gazdálkodási gyakorlatunkba, ismernünk kell a kiindulási területről érkező makro- és mikroelem veszteségek, áthalmozódás mértékét meghatározó folyamatokat. Ismernünk kell többek között a domborzati viszonyok, a talaj típus, a felszín borítottság stb. tápanyag-veszteséget befolyásoló szerepét, meg kell határozni e veszteség fő forrásait és útvonalait.
Az 1970-es évekig a széleróziós kutatások elsősorban az „on-site” folyamatokra és hatásokra irányultak. Az 1980-as évek elejétől az „on-site” folyamatok tanulmányozása mellett az „off-site” hatások vizsgálata egyre inkább előtérbe került, ami a fenntartható és egészségesebb környezet kialakításának társadalmi igényével is magyarázható. A széleróziós kutatások elsősorban a szediment transzport kvantifikálására, számszerűsítésére törekedtek, annak meghatározására, hogy a különböző környezeti és antropogén hatások függvényében mennyi anyag erodálódik, transzportálódik és deponálódik. Fontos kérdés azonban az elszállított anyag mennyiségi számszerűsítésén túl az elszállított anyag elemösszetétele, szervesanyag tartalma is. A növényi tápanyagok közül a nitrogén, foszfor és a kálium sorsát, veszteségeit, környezetterhelését kíséri megkülönböztetett figyelem. A kiindulási talaj, valamint az elszállított szediment tápanyagtartalma közti összefüggést a feldúsulási viszonyaikkal jellemezhetjük.
Az alábbiakban részletezett kutatások központjában Magyarország legnagyobb gazdasági potenciállal rendelkező csernozjom talajú területeinek vizsgálatát helyeztük abból a szempontból, hogy az erózió/defláció által mozgatott, elhordott talaj milyen tápanyag (makro- és mikroelem) veszteséget okoz. Számszerűsíteni kívánjuk a mozgatott szedimentben történő tápanyag feldúsulást a kiindulási talajhoz képest. Megfelelően kiválasztott modellek segítségével kísérletet tettünk a szél- eróziós tápanyag és szervesanyag áthalmozási adatok térbeli extrapolációjára.
1. Vízerózió okozta feltalajbeli tápanyag átrendeződés
Az eróziós vizsgálatainkat 1996-tól a Velencei-tó, mintegy 14 km2 nagyságú Cibulka-patak vízgyűjtőjén, valamint az ezen vízgyűjtőn kialakított szántó és szőlő területhasználatú tesztparcellákon végeztük. A vízgyűjtőt mind kőzettanilag, talajtanilag, mind pedig területhasználatilag nagy változatosság jellemzi (gránit és andezit térszíneken a barna erdőtalaj, földes kopár; lösszel borított térszíneken erősen és közepesen erodált csernozjom talajok), míg parcellák genetikus talajtípusa erodált csernozjom talaj.
A Cibulka vízgyűjtő talajának mintázása 32 ponton átlagminta képzésével a talaj felső 10 cm-ből történt. A vizsgálatba vont talajtulajdonságok, ill. elemek az alábbiak: pH (H2O), fizikai féleség (<0,02 mm tartalom), humusztartalom (%), felvehető AL-P2O5 tartalom, összes mikroelem (Zn, Cu, Cr, Ni, Pb) tartalom. A mintaparcellákon két lejtőszegmens esetében lejtőirányban mintegy 350 m hosszan 25 m-enként üledékcsapdákat helyeztünk el. A vizsgálat célja a lejtők menti erózió vizsgálata, valamint a lemosódott üledék, és az üledékgyűjtő környezetében gyűjtött talajminták (feltalaj átlagminta) makro- és mikroelem tartalmának, humusztartalmának és fizikai összetételének összehasonlítása, un. Feldúsulási Faktor (FF) számolása. Az üledék csapdákban felhalmozódó üledéket, ill. az üledékcsapda környéki feltalajt (0-5 cm) az egyes csapadék eseményeket követően gyűjtöttük. Az erózióval mozgó üledékben dúsuló szervesanyag, agyag és iszap frakció, valamint elemtartalom arányának meghatározására feldúsulási faktorokat számoltunk az alábbiak szerint:
ERelem =Elemkoncentrációszedim./ Elemkonc.talaj
ERagyag =Agyagtartalomszedim./ Agyagtart.talaj
ERCorg = Szervesanyagtartalom (CorgContentszedim./ CorgContentsoil.
A talajveszteség modellezést megelőzően az eróziót befolyásoló bemeneti területi és talaj paramétereket méréssel határoztuk meg: talaj nedvesség tartalom, talaj szerkezet, fizikai féleség, szervesanyag tartalma, talaj típus, területhasználat, növényborítottság változását havi mérésekkel. A csapadék adatokat a mintaterületen elhelyezett csapadékmérő állomás szolgáltatta. A talajerózió (10x10-es pixelekre akkumuláció és talajveszteség, ill. nettó erózió) meghatározásához talajeróziót becslő modellt, az Erosion 2D/3D-t használtuk.
1.1. A területhasználat változásának hatása a feltalaj mikroelem forgalmára
A helytelen táblaméret, a nem megfelelő tábla irányultság, a vízgyűjtő és vízelvezető, vízvisszatartó művek hiánya a lejtős területeken, s a helytelen irányú művelés felerősítik a talajeróziót és a lejtőirányú tápanyag elmozdulást. A területhasználat változáson belül a szőlő arányának növekedése a növényborítottság változáson keresztül hatással van a talajerózió mértékére, valamint a lemosódó tápanyag mennyiségének alakulására is. A vízgyűjtő 12 különböző művelésű parcelláján áprilistól októberig tartó növényborítottsági méréseink (%) azt mutatják, hogy a széles sortávolság és az alkalmazott szőlőművelési eljárás következtében az érintett területeken a növényborítottság az év nagy részében a korábbi szántó műveléshez képest felére csökkent, növelve ezzel a tápanyag lemosódás veszélyét.
A szőlő- és gyümölcskultúrák talajra kifejtett hatását a szántókéhoz hasonlítva megállapítható, hogy az ültetvények talajárnyékoló hatása kisebb a szántóföldi kultúrákénál, s a rendszeres gyomirtási és talajlazítási munkákkal igyekeznek felületét állandóan és teljesen kopáran, „gyommentesen” tartani; a talajátalakulási folyamatok sok esetben még a szántóföldinél is gyorsabban és intenzívebben zajlanak le. Mivel a szőlőtelepítés jelen esetben is főként a déli expozíciójú lejtőkön jellemző, így a feltalaj erőteljesebb kiszáradása tovább fokozza az erózió hatását.
A mintaparcellán 1990 előtt szántó területhasználat volt (a modellt őszi búza hasznosításra futtattuk), ezután nagyüzemi szőlőtermesztés kezdődött, amely napjainkban is folytatódik. A művelésváltáskor természetesen megváltoztak a feltalaj jellemzői, a növényborítottsággal együtt a felszín érdessége, valamint erózióval szembeni ellenálló képesség. A talajjellemzőket májusban, illetve júniusban mértük. Az E2D modellt egy májusi csapadékeseményre (időtartam: 1 óra, intenzitás: 19,3 mm/óra) futtattuk.
A két területhasználatra futtatott modelleredmény (szántó, szőlő) talajlehordási görbéjét összehasonlítva megállapítható, hogy a lejtőalak által indukált talajeróziós folyamatokat a területhasználat váltás felerősítette, a kritikus pontokon jelentősen nőtt az éves talajveszteség. A lejtő középrészén található intenzív lepusztulási területen az őszi búza termesztése alatt 0,4-0,5 t/ha/év volt a jellemző talajveszteségi érték. A területhasználat szőlőre váltásával ez az érték e térrészen 1,2-1,3 t/ha/évre nőtt.
1.2. A tápanyag forgalom időbeli változása mintaparcelláján
A terület szőlőtelepítése előtt (1990) az egész térrészre vonatkozóan egyenletes tápanyag feltöltés történt. Ezen egyenletes tápanyag tartalom az elmúlt 20 évben jelentősen átrendeződött mind a makrotápanyag (P, K), mind a mikroelemek (Cd, Ni, Pb) esetében. Az egyes lejtőszegmensek tápanyagprofiljának időbeli változását (2001. június – 2003. június) vizsgálva megállapítható, hogy a 13 évvel ezelőtti egyenletes tápanyag feltöltést követően beindult a feltalaj tápanyag tartalmának térbeli differenciációja. Azon elemek esetében, melyek nehezen mennek oldatba (pl. P, Pb), s szelvény mentén vertikális elmozdulásuk nem jellemző, ez elsősorban szemcséhez kötötten a talajerózióval történő elmozdulást jelenti. A kezdeti, egyenletesebb lejtő menti tápanyag eloszlás az idő múlásával differenciálódik, a lejtő korábban már megfigyelt erózió veszélyesebb szakaszain csökken, az akkumulációs zónában pedig nő a tápanyagtartalom. A mesterségesen beállított egyenletes tápanyagfeltöltést követően a felszíni folyamatok következtében kirajzolódik az adott lejtőre jellemző egyensúlyi állapot, melyet elsősorban a lejtőprofil, s a talajerózióra ható egyéb tényezők befolyásolnak.
1.3. A mikroelem tartalom feldúsulási tendenciájának vizsgálata a lejtő irányban mozgó üledékben
Az erózióval mozgó makró- és mikroelemek viselkedésének további értékeléséhez, az üledékben dúsuló agyagfrakció és elemtartalom meghatározására feldúsulási faktorokat (FF) számoltunk. Az üledékcsapdák ürítését és a környező területek feltalajának átlag mintázását 2004-2006 közötti három évben összesen öt erozív csapadékeseményhez kapcsolódóan végeztük. A mérési eredményeink alapján megállapítható, hogy az adott talajtípus és lejtőviszonyok mellett az erózióval mozgatott üledékben a helyben található talajtípushoz képest az elemfeldúsulást a területhasználat is befolyásolja. Minden vizsgált komponens esetében a szőlő területen mozgó üledékben tapasztaltunk magasabb feldúsulási értékeket. A szőlő területre átlagosan FF=1,08-szoros agyagfeldúsulás és FF=1,75 –szoros szervesanyag feldúsulás jellemző. A mikroelemek közül a leginkább a Ni (FF=2,04), Zn (FF=1,2), a Co (FF=1,2) és a Cu (FF=1,2) dúsul az erózióval mozgó üledékben. Az Pb (FF=1,1) és a Cr (FF=1,03) az üledékcsapdák anyagában a környező feltalajjal „azonos” koncentrációban van jelen. A szántó mintaterület üledékcsapdái esetében a vizsgált nehézfémek esetében nem tapasztaltam feldúsulást. Az agyag frakció 1,2-szerese, míg a szervesanyag tartalom 1,7-szerese az üledékben a helyben maradó talajéhoz képest. A szántón, feltehetően a műtrágyázás következtében az ortofoszfát jelentősen dúsul a mozgó szedimentben, a feldúsulási faktor 2,05.
1.4. A tápanyag elmozdulás modellezése kisvízgyűjtőn
Az Erosion3D modell futtatásához ArcView és ArcGIS programok segítségével a teljes vízgyűjtőre elkészített digitális alaptérképek (digitális domborzat modell, területhasználat, felszín borítottság, érdesség, szemcseösszetétel, szervesanyag tartalom, termőréteg vastagság) alapján modelleztük a vízgyűjtőre pixelenként és csapadékeseményenként kg/m2-ben az eróziót, akkumulációt ill. a kettő eredőjeként a nettó eróziót.
2004-ben végzett eróziós vizsgálataink során két igen erozív csapadékeseményt regisztráltunk, melyek igen jelentős talaj- és tápanyagveszteséget okozottak a vizsgált területen. Az EROSION 2D/3D validálását a 2005-ös, rendkívül csapadékos nyár két nagy zivatarának segítségével végeztük el.
A vízgyűjtőn két erózió veszélyes területrész körvonalazódik, az egyik a vízgyűjtő ÉNY-i részének nagy reliefű szántó területein (kukorica, őszi búza), a másik pedig a mintavételi parcellával jellemzett intenzív szőlő művelés alá vont területrészeken. Ezen térrészeken a nettó erózió 1-2 kg/m2 között változik.
A vízgyűjtőre csapadékeseményenként számolt nettó erózió (kg/m2) és a kiindulási tápanyag eloszlási térképek (mg/kg), valamint a mintaparcellán számolt feldúsulási faktorok (%) segítségével elkészítettük az egyes csapadékeseményekhez tartozó tápanyag elmozdulás térképeit (mg/m2) az alábbiak szerint:
1.Kiindulási tápanyag térképek elkészítése (mg/kg)
2.Feldúsulási faktorok mérése, számítása
3.Talajerózió modellezése (E2D/E3D) (kg/m2)
4.A szedimenttel mozgó elemtartalom számítása:
foszforkoncentráció szedim (mg/kg) = ER foszfor* foszfortartalom eredeti feltalaj
5.Foszforveszteség/-felhalmozódás (mg/m2):
talajerózió/-felhalmozódás (kg/m2)*foszforkoncentráció szedim (mg/kg)
A 2004. június 6-án 15.40-16.40 között zajló 8,9 mm kumulált csapadék esemény (max. intenzitás 16,8 mm/óra) hatására a legintenzívebben pusztuló területrészeken 200-400 mg/m2 Zn elmozdulás volt jellemző. Az átlagos Zn elmozdulás 14,26 mg/m2 a mintaterületen. A legintenzívebb eróziónak kitett területeken, lejtőszakaszokon azonban 900-1000 mg/m2 Zn elmozdulás is lehetséges. Ezt a környezetvédelem térnyerése a mezőgazdaságban, a környezet kímélő tápanyag gazdálkodás megvalósításában feltétlenül figyelembe kell venni. A környezeti szempontból érzékeny mezőgazdasági területeken a tápanyagpótlást a csapadék eseményekhez köthető felszíni tápanyag átrendeződési tendenciák figyelembe vételével kell tervezni.
A tápanyagmozgás vízgyűjtő szintű elemzése során az eróziós szempontból egyértelműen a szántóterületek tűnnek kritikusnak, míg a szőlők jóval alacsonyabb eróziós rátát mutatnak. A földutak víz- és hordalékszállító szerepe is kirajzolódik. A vizsgált csapadék események hasonló mintázatot eredményeztek a vízgyűjtőn. A 2004. 06. 06-i eső által okozott areális erózió 1-2 kg/m2 alatt marad, addig a 06. 24-i zivatar hatására a fejletlen lineáris vízhálózattal rendelkező területeken is 2-6 kg/m2 lehordódást tapasztalhatunk.
Összességében megállapítható, hogy a kisvízgyűjtő szinten a tápanyag mozgási törvényszerűségek feltárása több szempontból is hasznos: segítséget jelent a területi tervezésben, az erózió szempontjából optimális területhasználat és művelési módok meghatározásában. A precíziós mezőgazdaság elterjedésével, a megfelelő mennyiségű tápanyag kijuttatásához inputként szolgáló statikus tápanyag térképeken túl ún. „dinamikus adatként” a feltalaj tápanyag tartamának elmozdulását is bevonhatjuk a tervezésbe.
2. Defláció okozta feltalajbeli tápanyag átrendeződés
A deflációs vizsgálatokra Csongrád megye DK-i, jó minőségű csernozjom területein választottunk ki három parcellát (Csanádpalota, Csordakút, Apátfalva). A szélcsatornás kísérletek elvégzéséhez 2008 júliusában, aratás után mintaterületenként 300-350 kg talajmintát gyűjtöttünk be a felső 5 cm-es rétegből. A kísérleteket a Debreceni Egyetem Természetföldrajzi és Geoinformatikai Tanszékének szélcsatornájában végeztük (1. ábra).
A szélcsatorna teljes hossza 12,3 m, szélessége 0,8 m, magassága 0,5 m. A szél mozgását kétfokozatú, 12-LE-s villanymotor generálja. A szél sebessége 0-16 m/sec (0-57,6 km/h) között változtatható, értékét 0,1 m/sec (0,36 km/h) pontossággal lehet beállítani. A szélsebesség méréséhez Testo 512 típusú differenciál nyomásmérőt használtunk, melynek mérési tartománya 0 és 18 m/s közé esik. A kritikus indítósebesség meghatározását egy fényvető segítségével kialakított 70 cm hosszú, l cm széles erős fénysáv segítette.
Az elszállított talajszemcsék mennyiségi meghatározását a csatorna végén középre beépített 5 cm széles üledékcsapdák segítik. Az alsó (I. fogó) a 0─10 cm magasságtartományban az ugráló-gördülő, a felső (II. fogó) a 10─40 cm között a lebegő szemcséket gyűjti.A begyűjtött mintákon az alább felsorolt vizsgálatokat végeztük el: szemeloszlás vizsgálat, leiszapolható-rész, karbonát-tartalom, vizes pH, összes-só tartalom, humusztartalom, foszfor (P2O5), nitrogén, kálium (K2O).
A tálcáról erodált talajtömegek 0,5 és 3,4 kg között változtak, a szélsebesség növekedésével növekedtek. A teljes erodált talaj töredéke rakódott le a láda utáni szélárnyékban, döntő többségét a 0-10 cm-es magasságban elhelyezett üledékcsapda fogta meg, 10-40 cm-es magasságban ennek már csak 20-30 %-a csapdázódott. Az üledékfogókban és a szélárnyékban lerakódott minták szerkezete, illetve tápanyagtartalma között is lényeges különbségek vannak: a szélárnyékban a magasabb agyag- és iszaptartalmat mutató nagyobb aggregátumok ülepednek le, míg az üledékfogókba a kevésbé szerkezetes homokfrakció jut el. Ennek köszönhetően a szélárnyékban lerakódott minták humusztartalma is lényegesen magasabb, akár 2 % felett is lehet.
A két üledékfogóban felhalmozott talaj tápanyagtartalmának tömeg szerinti súlyozott átlagát a teljes erodált talajtömeg és a mintatartó tálca felületének ismeretében a hektáronként erodálódott mennyiségek meghatározására használtuk fel. A vizsgálatainkból látszik, hogy a szélerózió hatására a lebegtetve, illetve ugráltatva áthalmozott talajszemcsékkel és aggregátumokkal szállított humusz 500-3500 kg/ha nagyságrendben távozhat a vizsgált csernozjom területről akár egyetlen szélesemény hatására is. A kálium áthalmozódás mértéke elérheti a 100 kg/ha-t, a foszforé a 70 kg/ha-t, a nitrogén veszteség mértéke pedig akár 200-300 kg/ha is lehet egy szélesemény alkalmával. Ezen tápanyag mennyiség nagyrésze több száz m, de akár kilométeres távolságokra is távozhat a területről.