A szikes talajok vízgazdálkodása

Átírás

1 A szikes talajok vízgazdálkodása Prof. Dr. Várallyay György az MTA rendes tagja, az MTA ATK TAKI kutatóprofesszor emeritusa, Budapest Szikes talajok PhD tanfolyam, MTA ATK TAKI, Budapest, május 15.

2 Szikes talajok vízgazdálkodása 1. A víz szerepe a szikes talajok képződésében. 2. A szikes talaj vízgazdálkodásának specifikumai (a szikes talaj nem tudja a talajfizikát) beszivárgás vízraktározó és víztartó képesség vízmozgás kétfázisú (vízzel telített) talajban vízmozgás háromfázisú (vízzel nem telített) talajban 3. Szikes talajok vízgazdálkodásának szabályozása.

3 Definíciók Na + felhalmozódása a talaj szilárd!!! folyadék! fázisában Kicser. Na + : ESP Oldható sók sodification erős lúgosság (erősen lúgos ph) salinisation Korlátozott termékenység (funkcionalitás)! fiziológiai: korlátozott vízfelvétel tápanyagtoxicitás (specifikus ion-hatás kiegyensúlyozatlan anyagcsere) fizikai: szélsőséges nedvességforgalom!! korlátozott gyökérfejlődés

4 Sós sivatag

5 Száradó sós sivatag felszíne

6 Csak halofiták tengődnek

7 Csak halofiták Szikes puszta - Kiskunság

8 Csak halofiták Salicornia prostrata

9 Szikes puszta és Gulipán tojás - Kiskunság Ez is biodiverzitás!

10 Csak só (szóda) tűrő fajokkal borított felszín

11 Szikes tábla

12 Fülöpszállás és Szabadszállás határában, a szikes talajfelszín mélyedéseiben öt, természetes módon kialakult tavat találunk. E tavak életében természetes esemény, hogy csapadékínséges években vízfelületük megcsappan, esetleg teljesen kiszáradnak. Partszegélyüket ekkor vastagon borítja a sziksó.

13 A Hortobágy

14 Padkás szikes felszín Miklapuszta

15

16 Szikes folt

17 A só (Na + ) felhalmozódás feltételei - I. (1) Sóforrás - geológiai képződmények ( anyakőzet ) helyi mállástermékei - felszíni vizek - felszín alatti vizek - emberi tevékenység (2) Szállító közeg - víz - szél - horizontális transzport egy nagyobb vízgyűjtőterületről egy kis(ebb) felhalmozódási területre - vertikális transzport egy vastag geológiai összletből egy vékony felhalmozódási rétegbe (talajfelszín, feltalaj, gyökérzóna)

18 A só (Na + ) felhalmozódás feltételei - II. (3) Mozgást (transzportot) kiváltó erő - domborzat (felszíni lefolyás) - hidraulikus gradiens (talajvíz-mozgás) - potenciál gradiens (a háromfázisú zónában) - koncentráció gradiens (oldatmozgás esetében) (4) Negatív vízmérleg (legalábbis bizonyos kritikus időszakokban) (5) Korlátozott drénviszonyok - a talajszelvény kedvezőtlen vertikális drénviszonyai - a terület korlátozott horizontális drénviszonyai

19 Potenciális sóforrások geológiai képződmények (vulkanikus tevékenység, tektonikus tevékenység, földmozgások-földcsuszamlások, különböző származású üledékek, erózió, abrázió stb.) felszíni vizek (természetes felszíni vizek, öntözővíz) felszín alatti vizek (talajvíz, mélységi vizek) háromfázisú zónában szivárgó vizek szél-hordta üledékek légköri ülepedés felhasznált adalékanyagok (javítóanyagok, kemikáliák) talajon/talajban elhelyezett hulladékok és szennyező anyagok

20 Tengerszint feletti magasság, m Sófelhalmozódási folyamatok a Kárpát-medencében Nyilak iránya vízmozgás iránya; Nyilak vastagsága: vizek mennyisége; A vegyjelek nagysága jelzi a vizek sótartalom-növekedésének mértékét b) Dunántúli löszplató b) c) Transdanubian Duna loess plateau c) d) Danube Dunavölgy e) Duna-Tisza közi hátság d) Danube Valley f) Medenceperem e) g) Sand hegyvidék plateau between the rivers Danube and Tisza f) basin periphery g) mountainous district e f g b c c d SW NE 1. Mészkő; 2. Riolit; 3. Riolit és andezit tufa; 4. Vízzáró Pannon-agyag; 5. Fluviatilis kavics, homok és homokos iszap; 6. Agyag lencse; 7. Lösz.

21 Sófelhalmozódás folyamata a Dunavölgyben

22 Szikes talajok főbb jellemzői a Kárpátmedencében Na 2 CO 3 -NaHCO 3 -típusú sófelhalmozódás erősen lúgos kémhatás (ph 10!) Ca és Mg vegyületek kis oldhatósága nagy agyagtartalom erős Na + telítettség (medence-jelleg) (nagy ESP) nagy duzzadó agyagásvány-tartalom igen kis víznyelő és hidraulikus vezetőképesség ± irreverzibilis folyamatok szélsőséges vízgazdálkodás az erősen diszpergált kolloid frakció, valamint az erősen lúgos közeg között Szélsőséges ökológiai viszonyok

23 Szikesedés

24

25 A talaj vízgazdálkodási tulajdonságai

26

27

28 Flow cases 1. Bypass flow through preferential pathways ~ cracks ~ root channels ~ earthworm channels impregnated cylindric accumulation of soluble + transportable (!!) products below the wetting zone ( soil contamination ) (e.g. N) gw pollution with non-soluble products (e.g. P) gw pollution directly with agrochemicals filtration losses 2. Flow through the peds a. within the peds (aggregate) b. through the peds (cutans, pseudomycelia, coatings) slow transport considerable phase interaction (e.g. cation exch.) 3. Flow from the cracks to the peds ( ) heterogeneous (and hardly predictable) microdistribution pattern of: moisture soluble compounds other elements

29 Néhány talaj szintenkénti vízáteresztő képessége (csöves módszerrel meghatározva) 1. Réti talaj, löszszerű meszes agyagon. 2. Csernozjom típusú, réti talaj meszes agyagon. 3. Réti csernozjom löszszerű meszes vályogon. 5. Réti csernozjom löszön. 6. Közepes réti szolonyec löszszerű meszes agyagon.

30 Néhány talaj jellegzetes beázási profilja a) Mély, oszlopos, réti szolonyec, löszszerű agyagon; b) másodlagosan elszikesedett, mély, oszlopos, réti szolonyec, löszszerű agyagon; c) réti csernozjom, löszszerű vályogon; d) réti talaj, löszszerű agyagon; e) csernozjom típusú réti talaj, löszszerű agyagon

31 A víz talajba szivárgásának korlátai a pórustér vízzel telítettsége ( telt palack effektus); a feltalaj fagyott volta ( befagyott palack effektus); közel vízátnemeresztő réteg a talaj felszínén vagy felszín közeli rétegében ( ledugaszolt palack effektus);

32 A növény vízellátását korlátozó talajtani tényezők - I. 1. Lassú (gátolt) talajba szivárgás A) Vízátnemeresztő réteg (kéreg) a talaj felszínén a) sókkal összecementált kéreg (nátriumsók, gipsz, mész) b) helytelen agrotechnikával összetömörített réteg túlművelés, nehéz erőgépek helytelen öntözés B) Sekély beázási réteg (kis vízraktározó képesség) a) szilárd kőzet b) tömör padok (vaskőfok), orstein mészkőfok, összecementált kavics stb.) c) kicserélhető. Na +, agyag, CaCO 3 vagy más anyagok által összecementált réteg d) helytelen művelés következtében loalakuló réteg ( eketalp-réteg ) Szélsőséges vízgazdálkodás [túlnedvesedés, aerációs problémák) belvízveszély [felszíni lefolyás, vízeróziós károk aszály- (szárazság) érzékenység

33

34 Szikes talaj ledugaszolt palack

35 A növény vízellátását korlátozó talajtani tényezők II. 2. Repedezés (duzzadás zsugorodás) Száraz állapotban (zsugorodás, repedezés) szivárgási veszteségek emelkedő talajvízszint túlbő nedvességviszonyok (túltelítődés, belvízveszély) a talajvízből történő másodlagos só-felhalmozódás, szikesedés (pangó, sós talajvíz esetén) párolgási veszteségek (mélyebb rétegek kiszáradása) Nedves állapotban (duzzadás) a) nagy agyagtartalom b) táguló rétegrácsú (duzzadó) agyagásványok nagy mennyisége c) nagy Na + -telítettség (kicserélhető Na + -tartalom)

36

37 A növény vízellátását korlátozó talajtani tényezők III. 3. Kis hasznosítható vízkészlet 1. Kis hasznosítható vízkészlet (DV = VK + HV) a) nagy agyagtartalom b) elemi szemcsék erős diszpergálódása c) erős lúgosság, nagy Na + -tartalom d) rossz talajszerkezet e) igen kis agyagtartalom 2. Kis hasznosítható vízkészlet (a nagy ozmózis potenciál, miatt) a) nagy sótartalom s = 0,32 (0,8+0,109 C 1 ) 1.03 C 1 = Cl - konc., me/liter 3. Kis transzport koefficiensek (k, D) hervadás: V < ET a) kis nedvességtartalom b) nagy víztartó képesség c) erős lúgosság, nagy Na + -tartalom d) rossz talajszerkezet

38

39

40 A pf-görbéről leolvasható talaj-vízgazdálkodási jellemzők hy 1 = higroszkóposság; HV = holtvíztartalom; DV = hasznosítható vízkészlet; VK sz = szabadföldi vízkapacitás; VK min = minimális vízkapacitás (levegőkapacitás); VK T = teljes vízkapacitás; P T = összporozitás

41 Különböző mechanikai összetételű talajok pf-görbéi és az azokról leolvasható talajfizikai jellemzők dh = durva homok; hv = homokos vályog; v = vályog; a = agyag

42 Fizikai talajféleségenkénti átlag pf-görbék és burkoló pf-görbék

43

44 A kétfázisú talaj hidraulikus vezetőképességének (K = cm/nap) időbeni változása egy tiszántúli réti talaj szelvényének egyes szintjeiben V = K gradh (Darcy)

45 Egy csernozjom talaj hidraulikus vezetőképességének (K = cm/nap) változása különböző kicserélhető nátrium %-értékek (ESP) mellett

46 A kétfázisú talaj hidraulikus vezetőképességének (K = cm/nap) időbeli változása egy Duna-Tisza közi szoloncsák szelvényének egyes szintjeiben

47 K-értékek időbeni változása egy tiszántúli kérges réti szolonyec (M-14 szelvény) különböző szintjeiben

48

49 Flow anomalies in salt-affected soils leaching capill. tarnsp. 1. Flocculation effect of high salt concentration K high salinity flocculation higher K dispersion leaching lower salinity lower K peptization 2. Non-Darcian flow behavior Kozeny-Carman Marshall sat. flow K is related to porosity t K Na + Ca 2+ Semi-solid state water Darcy ΔH under the influence of increasing ΔH increasing part of immobile fraction will be mobilized k low medium high Leaching < capillary transport progressive salinization (practically irreversible process) increasing environmental hazard

50

51 Talajvízből történő kapilláris víz(oldat)- transzport a talajvízszint feletti talajrétegekbe I. A talaj kapilláris vezetőképességének (k- függvény) meghatározása: mérés beszivárgásos oszlop párolgásos oszlop számítás (PTF) mért pf-görbe egyszerű fizikai jellemzők (fizikai féleség, mechanikai összetétel, térfogattömeg, kicserélhető Na + (ESP) pf görbe

52 Talajvízből történő kapilláris víz(oldat)- transzport a talajvízszint feletti talajrétegekbe II. V V z k 0 k grad z V 1 k m 1 grad m görbeseregek (homogén talaj esetén)

53 Talajvízből történő kapilláris víz(oldat)- transzport a talajvízszint feletti talajrétegekbe III. Ingadozó talajvízszintű rétegezett talaj esetén

54 Talajvízből történő kapilláris víz(oldat)- transzport a talajvízszint feletti talajrétegekbe IIIa. Clay on sand, Money in hand agyag (clay) homok (sand) Sand on clay, Money is thrown away De ha alul van a homok, Megsokszorozod vagyonod homok (sand) agyag (clay) Homok alatt van az agyag, Elveszítheted minden vasad rétegzett talaj esetén ha a talajvíz jó minőségű növény vízellátásának talajvízből kapillárisan történő kiegészítése optimális talajvízszint (talajvíz dinamika)

55 Talajvízből történő kapilláris víz(oldat)- transzport a talajvízszint feletti talajrétegekbe IIIb. agyag (clay) homok (sand)?? homok (sand) agyag (clay) rétegzett talaj esetén ha a talajvíz rossz minőségű Talajvízből történő (másodlagos?) sófelhalmozódás/szikesedés veszélye kritikus talajvízszint (talajvíz dinamika)

56 Talajvízből történő kapilláris víz(oldat)- transzport a talajvízszint feletti talajrétegekbe IV. A talaj kapilláris vezetőképessége (k- függvény) a talajoldat Na + -tartalmától függően. reverzibilitás?? progresszív szikesedés

57 A talaj nedvességforgalmának tényezői Cs+Ö = a talaj felszínére jutó csapadék- és öntözővíz, F = felszíni odafolyás, S = háromfázisú zónában végbemenő odaszivárgás, G = horizontális talajvíz odaszivárgás, L = közvetlen párolgás a növény felületéről (intercepció), T = a növény párologtatása (transzspiráció), E = közvetlen párolgás a talaj felszínéről (evaporáció), f = felszíni elfolyás, s = a háromfázisú zónában végbemenő elszivárgás, g = horizontális talajvíz elszivárgása. 1 = a talajba beszivárgó víz mennyisége, K = a talajvízből történő felfelé irányuló kapilláris vízmozgással a talajvízszint feletti rétegekbe jutó víz mennyisége, i = a talajba beszivárgó víz talajvízbe jutó és azt tápláló hányada, v = a növény vízfelvétele, közvetve csökkenti d = a talajvízszint süllyedése (a K csökkentésén keresztül) D = talajvízszint emelkedése (az i növelésén keresztül) N = talajban tározott víz.

58 A vízgazdálkodás hatása a talaj anyagforgalmára Sóforgalom (kilúgzás sófelhalmozódás) feltételei? másodlagos szikesedés sómérleg egyensúlyban tartása Karbonátok migrációja, mészakkumulációs szintek atkás rétegek, mészkőpadok kialakulása Szervesanyag-forgalom gyarapodás elősegítése - jobb nedvességellátás nagyobb fitomassza-produktum több talajban visszamaradó tarló- és gyökérmaradvány - erősebb átnedvesedés mérséklődő aerob mineralizáció lassúbb szervesanyag-lebomlás. Hidromorfizmus felerősítése (Rétiesedés, láposodás) Elemek biogeokémiai ciklusának megváltoztatása - növényi tápelemek - potenciálisan káros (esetleg toxikus) szennyező anyagok

59

60 A Kárpát-medence (alföldjei) viszonylag kedvező agro-ökológiai adottságokkal rendelkeznek fenntartható biomassza-termelés céljára de e kedvező adottságok igen nagy, gyakran kiszámíthatatlan, s így nehezen előrejelezhető tér- -beni változatosságot mutatnak idő- szeszélyesek szélsőségekre hajlamosak érzékenyen reagálnak természeti okok miatti, vagy stresszemberi tevékenységből adódó hatásokra

61 A viszonylag kedvező agroökológiai adottságokat elsősorban az alábbi talajtani tényezők veszélyeztetik Talajdegradációs folyamatok Szélsőséges vízháztartási helyzetek Elemek szikesedés növényi tápanyagok szennyező anyagok kedvezőtlen biogeokémiai körforgalma

62 A talaj termékenységét gátló tényezők (Magyarország összes területének %-ban) Nagy homoktart. (8%) Savanyú kémhatás (12,8 %) Szikesedés (8,1 %) Szikesedés a mélyben (2,6 %) Nagy agyagtartalom (6,8 %) Láposodás, mocsarasodás (1,7 %) Erózió (15,6 %) Felszínnél tömör kőzet (2,3 %) Nem károsított (42,1 %)

63 A talaj Magyarország legnagyobb (potenciális) természetes víztározója Légköri csapadék ( mm) A talaj felső cm-es rétegének potenciális vízbefogadó/víztároló képessége (VK t ) Folyók évi hozama Balaton tó km³/év km³/év km³/év ~ km³

64 Szélsőséges vízháztartási helyzetek árvíz belvíz túlnedvesedés szárazság, aszály vízfelesleg vízhiány Okok: légköri csapadék nagy és szeszélyes tér- és időbeni variabilitása eső-hó arány, hóolvadás körülményei domborzat [makro, mezo, mikro] talajviszonyok vegetáció talajhasználat Következmények: vízveszteség ~ párolgás ~ felszíni lefolyás ~ szivárgás talajveszteség [szerves anyag, tápanyagok ] biota- és biodiverzitásveszteség növényveszteség (pusztulás, károsodás) termésveszteség (mennyiség, minőség) energiaveszteség

65 Magyarország talajainak vízgazdálkodása, és annak okai Nagy homoktart. (10,5 %) Nagy agyagtart. (11%) Jó Kedvezőtlen Szikesedés (10%) Láposodás (3%) Sekély termőréteg (8,5 %) Közepes Könnyű textúra (11%) Agyag-felhalmozódás (12%) Mérsékelt szikesedés (3%) Jó vízgazdálkodás (31%)

66 A talaj vízgazdálkodási tulajdonságainak kategória-rendszere 9 kategória jellemzői fizikai talajféleség teljes vízkapacitás (VK t ), összporozitás P ö ) pf0 szabadföldi vízkapacitás (VK sz ) pf2,5 holtvíztartalom (HV) pf4,2 hasznosítható vízkészlet (DV) VK sz HV beszivárgás sebessége (IR) hidraulikus vezetőképesség (K) alkategóriák jellemzői talaj rétegezettsége lassú víznyelés, gyenge vízraktározó és víztartó képesség oka

67 A talajok vízgazdálkodási tulajdonságai

68 de: e lehetőség kihasználását akadályozzák a víz talajba szivárgásának korlátai a pórustér vízzel telítettsége ( telt palack effektus); a feltalaj fagyott volta ( befagyott palack effektus); közel vízátnemeresztő réteg a talaj felszínén vagy felszín közeli rétegében ( ledugaszolt palack effektus); a víz talajban történő hasznos tározásának korlátai gyenge víztartó képesség ( lyukas palack effektus)

69

70 A talaj vízháztartás-szabályozásának alap elemei (a vízfelhasználás hatásfokának növelése) párolgási veszteségek szivárgási veszteségek felszíni lefolyás csökkentése a talaj hasznosítható vízkészletének növelése ~ beszivárgás elősegítése ~ vízraktározó képesség növelése ~ holtvíztartalom csökkentése vertikális horizontális aktív vízforgalmi beavatkozások ~ öntözés ( + víz ) ~ drénezés ( -víz ) drénviszonyok javítása

71 Szikesek hasznosítása, javítása, vízgazdálkodásának rendezése - a Földön - Európában - a Kárpát-medencében?

72 Mi a cél? Európában és a Földön Biomassza-termelés? szikjavítás, melioráció - vízrendezés/nedvességforgalom-szabályozás - kémiai javítás (Na + Ca 2+ ) - fizikai javítás - megfelelő hasznosítás (művelési ág, vetésszerkezet, agrotechnika) Természet-közeli hasznosítás - gyepgazdálkodás - fok -gazdálkodás Biodiverzitás-természetvédelem - génmegőrzés (ősi állapot fenntartása/visszaállítása) - wetland reconstruction - skanzen

73 Köszönöm megtisztelő figyelmüket!