A talajvízmérleg klímaérzékenységének vizsgálata mészlepedékes csernozjom talajokon

AGROKÉMIA ÉS TALAJTAN 58 (2009) 2 197 214 A talajvízmérleg klímaérzékenységének vizsgálata mészlepedékes csernozjom talajokon 1,2 FARKAS CSILLA, 3 HERNÁDI HILDA, 3 MAKÓ ANDRÁS és 3 MÁTÉ FERENC 1 MTA Talajtani és Agrokémiai Kutatóintézet (MTA TAKI), Budapest, 2 Bioforsk, Norvég Mezőgazdasági és Környezetvédelmi Intézet, Ås és 3 Pannon Egyetem GMK, Növénytermesztéstani és Talajtani Tanszék, Keszthely Bevezetés Az éghajlati tényezők változása jelentős változásokhoz vezethet az időjárás természetes ciklikusságában (MIKA, 1996; HARNOS, 2005; IPCC, 2007). Egyes kutatások szerint például az évi középhőmérséklet 1 C-os növekedése 10 14 napos eltolódást eredményezhet a vegetációs periódus hosszában és 6 8 napos eltolódást annak kezdetében (VARGA-HASZONITS & VARGA, 2004). A klímaváltozás iránya és hatásai azonban nehezen becsülhetőek (VÁRALLYAY, 2005). Bármelyik lehetőséggel is számolunk (éves csapadékmennyiség csökkenése vagy növekedése), az elmúlt évek tapasztalatai és a klímakutatások arra engednek következtetni, hogy Magyarországon egyre gyakoribbá válhatnak a szélsőséges időjárási és vízháztartási helyzetek (SZÁSZ et al., 1994; BARTHOLY et al., 2007c; VÁRALLYAY, 2008), aminek következtében a jövőben megnőhet a talajok ár- és belvíz, valamint aszályérzékenysége (VÁRALLYAY, 2004). A léghőmérséklet, valamint a felszínre érkező csapadék mennyiségének, eloszlásának és intenzitásának változása jelentősen befolyásolhatja a talaj hő-, víz- és tápanyagforgalmát, tehát termékenységét is (VÁRALLYAY, 1992; NÉMETH, 1996; KOVÁCS & DUNKEL, 1997). Az aszály és a belvíz kialakulásában az időjárási (csapadék mennyisége és intenzitása, magas hőmérséklet, párolgási viszonyok stb.), a hidrológiai (felszíni lefolyás, talajvízszint) és az agronómiai (sűrű növényállomány, helytelen talajművelés, rossz tápanyagellátás) okok mellett kiemelkedő lehet a talajtani tényezők (fizikai féleség, a talaj víztartó és vízvezető képessége, szervesanyagtartalom stb.) szerepe is. A különböző talajtulajdonságok befolyásolhatják a szélsőséges időjárási helyzetek okozta vízhiány kialakulását, valamint az aszályos időszak időtartamát is (BIRKÁS & GYURICZA, 2004b; BIRKÁS et al., 2008). A fentiek alapján megállapítható, hogy napjainkban egyre fontosabbá válnak azok a kutatások, amelyek a klímamodellek által előrejelzett különböző klímaforgatókönyvek talajvízforgalomra és a növényállományok vízmérlegére gyakorolt hatására irányulnak (BIRKÁS & GYURICZA, 2004a; TUBA et al., 2004). A vizsgálatokban Postai cím: FARKAS CSILLA, MTA Talajtani és Agrokémiai Kutatóintézet, 1022 Budapest, Herman Ottó út 15. E-mail: csilla@rissac.hu

198 F A R K A S e t a l. sok a bizonytalanság, hiszen olyan meteorológiai adatsorok állnak rendelkezésünkre, amelyeket a globális klímamodellek alapján számítottak és finomítottak az országra jellemző klímaviszonyoknak megfelelően. Az időjárási elemek hatását és a talaj víz növény rendszerben végbemenő folyamatokat rendkívül sok tényező határozza meg. A szimulációs modellek lehetővé teszik az ilyen összetett folyamatok tanulmányozását, így a klímaváltozásnak a talaj víz- és hőforgalmára gyakorolt hatásának vizsgálatát is. Ezek a matematikai modellek fizikai és félempirikus összefüggésekre épülnek, tükrözik a vizsgált rendszer elemei közötti kölcsönhatásokat és folyamatokat, ezért alkalmasak a különböző hatótényezők és talajtulajdonságok talajvízforgalomra gyakorolt együttes hatásának összetett jellemzésére (RAJKAI et al., 1997; FARKAS & RAJKAI, 2002; KONCSOS et al., 2004). FARKAS (2004) a SzIE talajművelési tartamkísérleteiben vizsgálta a prognosztizált klímaváltozás hatását a talajvízmérleg egyes elemeire. A SWAP (Soil Water Plant Atmosphere) (VAN DAM, 2000) szimulációs modellre épülő kutatási eredmények szerint a megfelelő talajművelési rendszer megválasztásával egy meghatározott mértékig kompenzálhatjuk az időjárási szélsőségek káros hatásait (FARKAS et al., 2008). Ezek az eredmények összhangban voltak a szabadföldi tartamkísérletek tapasztalataival (BIRKÁS & GYURICZA, 2004a,b), valamint a témában korábban megjelent vizsgálatok eredményeivel (LÁNG et al., 1983; CSETE & VÁRALLYAY, 2004; VÁRALLYAY, 2007a,b; VÁRALLYAY & LÁNG, 2009), azonban egy mintaterületre korlátozódtak, és nem nyújtanak információt az egyes talajféleségek klímaérzékenységéről. Korábbi tanulmányunkban (FARKAS et al., 2009) matematikai modellre és országos léptékű adatbázisra épülő sztochasztikus módszertan alapján értékeltük a vályog fizikai féleségű mészlepedékes csernozjom talajok vízmérlegének klímaérzékenységét. Jelen tanulmányban ezeket a vizsgálatokat a homokos vályog és agyagos vályog textúrával rendelkező mészlepedékes csernozjom talajokra is kiterjesztettük, valamint részletesen foglalkoztunk a vízmérleg elemeinek alakulásával annak függvényében, hogy mennyi víz áll rendelkezésre éves szinten a lehulló csapadék révén. Vizsgálatainkat elsősorban a mezőgazdasági termelést döntően befolyásoló talajvízforgalmi tényezőkre és a vegetációs időszakra terjesztettük ki. Ennek megfelelően a talaj fejlődését, valamint víz- és anyagforgalmát meghatározó klimatikus tényezők közül az éves átlaghőmérsékletet, a párolgási viszonyokat, valamint az éves csapadékösszeget vettük figyelembe. A vizsgált rendszer összetett mivoltából és a lehetséges talaj időjárási évtípus kombinációk mennyiségéből kifolyólag a talajtani tényezők közül alapvetően a talaj szerkezetétől, fizikai féleségétől és szervesanyag-tartalmától egyaránt függő talajhidrológiai függvényekre szorítkoztunk. Ezáltal ha áttételesen is számos talajtényező talajvízforgalomra gyakorolt hatását tudtuk értékelni eltérő klimatikus feltételek mellett. Vizsgálati eredményeink a talajművelési rendszerek talajállapotra gyakorolt hatására vonatkozó ismeretekkel hozzájárulnak a talajállapot-megőrző és/vagy -javító talajhasználati rendszerek kidolgozásához, melyek elősegítik a talajnedvesség-tartalom megőrzését a megváltozott klimatikus feltételek között.

Talajvízmérleg klímaérzékenységének vizsgálata mészlepedékes csernozjom talajon 199 Vizsgálati anyag és módszer Jelen tanulmányban a Hadley Centre (Anglia) által használt globális klímamodellel előállított, két különböző klímaforgatókönyvre (A2 és B2) vonatkozó, 31 31 évre napi felbontásban rendelkezésre álló meteorológiai adatsorokat alkalmaztuk. Az IPCC SRES A2 és B2 klímaforgatókönyvek a 2070 2100-ig, a jelenlegi klímát reprezentáló meteorológiai adatsorok az 1960 1990-ig terjedő időszakra vonatkoztak (BARTHOLY et al., 2007c). A globális érvényű adatok területi finomítását (leskálázást) az ELTE TTK Meteorológiai Tanszékének munkatársai végezték (BARTHOLY et al., 2007a,b). A SWAP talajvízforgalmi modell időjárási adatsorait a Budapestre vonatkozó, napi felbontású adatokból (napi minimum és maximum hőmérséklet, napi csapadékösszeg) hoztuk létre. A referencia időszakra (RF) és a klímaszcenáriókra (A2 és B2) elvégzett modellfuttatások során a meteorológiai tényezők változatosságát idősoronként 9 9 kiválasztott évvel jellemeztük. Ezeket a mintaéveket az éves csapadékösszegek eloszlásfüggvényének jellegzetes pontjai alapján választottuk ki. E célból az éves csapadékösszegek gyakorisági hisztogramjának kiválasztottuk nyolc pontját, amelyek jól tükrözik az eloszlás jellegzetességeit. Ezt követően megkerestük azokat a konkrét, a 31 31 éves idősorok adatbázisában fellehető éveket, melyek a legjobban reprezentálják a 0; 0,125; 0,250; 0,370; 0,500; 0,625; 0,750; 0,875 és 1,0 relatív gyakoriságnak megfelelő éves csapadékösszegekkel (P SP ) rendelkező éveket. A lehetséges klímaváltozási forgatókönyvek elemzése (szcenárió analízis) során ezekre az évekre végeztük el a modellfuttatásokat (1. táblázat). 1. táblázat A vizsgálat során alkalmazott klímaszcenáriók, és a referencia évek jellemző meteorológiai adatai (1) Paraméter, ill. relatív gyakoriság (P SP ) (2) Referencia időszak (4) Klímaszcenáriók RF (1960 1990) A2 (2070 2100) B2 (2070 2100) (3) T SP (3) T SP (3) T SP Év (ºC) (mm) Év (ºC) (mm) Év (ºC) (mm) a) Átlag 11,8 466,1 16,8 396,5 15,7 395,8 CV% 0,4 21,2 0,4 21,1 0,4 29,2 A. A klímaszcenáriók összehasonlítására kiválasztott évek P SP 0,000 1988 13,4 239,3 2081 17,5 183,0 2098 18,0 183,4 P SP 0,125 1960 12,6 307,5 2070 15,7 319,0 2073 17,5 233,4 P SP 0,250 1985 10,8 395,2 2090 16,4 334,0 2084 16,8 317,0 P SP 0,375 1987 12,1 452,5 2072 15,2 364,0 2094 16,8 350,8 P SP 0,500 1990 12,1 488,3 2099 18,1 379,0 2083 15,8 389,9 P SP 0,625 1973 12,9 530,2 2098 18,0 439,0 2075 15,6 411,6 P SP 0,750 1966 10,8 550,1 2097 17,6 467,0 2074 15,2 477,1 P SP 0,875 1975 11,3 563,7 2091 17,7 499,0 2087 15,3 561,6 P SP 1,000 1961 10,0 583,0 2071 14,8 544,0 2093 14,2 648,3 Megjegyzés: T: éves átlaghőmérséklet; SP: éves csapadékösszeg; P SP : az éves csapadékösszeg relatív gyakorisága

200 F A R K A S e t a l. A modell bemenő talajfizikai adatainak kiválasztása a MARTHA adatbázis (MAKÓ & TÓTH, 2008) felhasználásával történt. Mészlepedékes csernozjom altípusú, különböző fizikai féleségű (homokos vályog (HV): 11 db, vályog (V): 17 db és agyagos vályog (AV): 21 db) talajok adatait válogattuk le az adatbázisból. A leválogatás az adatbázisban található ún. fizikai féleség kód alapján történt. Az eltérő fizikai féleségű talajok talajtani és talajhidrológiai jellemzőit a 2 4. táblázatok szemléltetik. A leválogatást követően az azonos fizikai féleségű talajok víztartóképességfüggvényeit (pf-görbéit) belső léptékük szerint rendszereztük (beskáláztuk). A rendszerezés (MILLER & MILLER, 1956) során kiszámoltuk az egyes fizikai féleség csoportok átlaggörbéjének van Genuchten paramétereit, majd ezt követően minden egyes görbéhez ún. arányossági mutatót (skálázási együtthatót, SE) rendeltünk. Az arányossági mutató kifejezi az egyes görbék eltérését a csoport átlaggörbéjétől, és alapvetően a szerkezeti eltérések miatt fellépő pórusméret-különbségeket 2. táblázat A három fizikai féleség csoport mechanikai összetétele, humusztartalma (HUM) és térfogattömege (tt) a vizsgált mintahalmaz átlagértekei alapján (1) Talajréteg, cm 0 30 30 60 60 100 (2) (3) (4) Mechanikai összetétel (5) (6) (7) Fizikai Mintaszám HUM tt Agyag Vályog Homok féleség g cm -3 % HV 11 15,0 35,7 49,3 1,81 1,36 V 17 17,8 50,5 31,7 2,62 1,43 AV 21 22,7 51,7 25,6 2,76 1,38 HV 7 14,7 33,8 51,2 0,90 1,33 V 16 19,6 50,0 30,1 1,29 1,32 AV 20 26,3 51,6 22,7 1,37 1,36 HV 2 16,1 36,8 47,1 0,30 1,38 V 3 14,4 49,7 36,8 0,48 1,44 AV 5 18,4 56,9 27,0 0,57 1,40 Megjegyzés: HV: homokos vályog; V: vályog; AV: agyagos vályog 3. táblázat A három fizikai féleség csoport néhány talajjellemzője a feltalajban (0 30 cm) (1) HV V AV Talajjellemző Min. Max. (2) (2) Átlag Min. Max. Átlag Min. Max. (2) Átlag a) K A 32,00 37,00 35,09 7,31 36,49 29,29 23,82 53,52 33,46 CaCO 3 1,20 11,00 5,85 1,30 23,00 8,78 0,60 16,00 7,14 ph(h 2 O) 7,53 8,29 7,79 7,52 8,26 7,82 6,84 7,95 7,74 b) Só, % 0,00 0,05 0,02 0,00 0,14 0,04 0,00 0,08 0,04 Megjegyzés: HV: homokos vályog; V: vályog; AV: agyagos vályog

Talajvízmérleg klímaérzékenységének vizsgálata mészlepedékes csernozjom talajon 201 (1) Fizikai féleség 4. táblázat A három fizikai féleség csoport talajhidrológiai jellemzői a feltalajban (0 30 cm) (2) Mért értékek (3) Illesztett V G paraméterek K Θ pf=0,0 Θ pf=2,5 Θ pf=4,2 hy 1 TVT RVT n alpha m³ m -3 cm -1 HV 36,0 0,48 0,26 0,14 0,02 0,483 0,016 1,281 0,035 V 8,6 0,47 0,30 0,16 0,02 0,473 0,017 1,251 0,019 AV 10,9 0,49 0,32 0,18 0,02 0,482 0,023 1,292 0,007 Megjegyzés: K: telítettségi vízvezető képesség; Θ pf=x : az x vízpotenciálnak megfelelő talajnedvesség-tartalom; hy 1 : higroszkóposság; TVT: telítettségi víztartalom; RVT: reziduális víztartalom; n és alpha: a van Genuchten (V-G) függvény paraméterei jellemzi. A FARKAS (2002) által részletesen ismertetett módszer előnye az, hogy egy homogénnek tekinthető mintasokaságon belül az arányossági tényező alkalmas a talaj fizikai félesége és szerkezete által egyaránt meghatározott talajhidrológiai függvények közötti különbségek számszerűsítésére. Ily módon a vízmérlegszámítások egy görbesereg (nevezetesen a pf-görbék) tanulmányozása helyett egy paraméter, az SE elemzésére egyszerűsíthetőek. Tekintettel arra, hogy a számításokba bevont talajszelvények országos szintű adatbázisból származtak, elmondható, hogy az arányossági tényező esetünkben a pf-görbék területi változatosságát is jellemezte. Vizsgálatainkban az egyes fizikai féleség csoportokon belül a talajhidrológiai függvények (víztartó- és vízvezetőképesség-függvény) változatosságát az arányossági tényező (SE) eloszlásfüggvénye alapján vettük figyelembe. Ehhez részletesen tanulmányoztuk az SE empirikus sűrűségfüggvényét, majd meghatároztuk az optimális intervallumszámot, amelynél a hisztogram még megfelelően tükrözte az eredeti adathalmaz empirikus sűrűségfüggvényének jellegzetességeit. Ezt követően a SWAP modellt az SE 6 6 meghatározott relatív gyakoriságának (P SE ) megfelelő talaj adataival futtattuk (5. táblázat). Tekintettel arra, hogy a 30 cm alatti rétegek adatai az adatbázisban hiányosak voltak, csak a felső 30 cm-es réteg talajtulajdonságait változtattuk a modellezés során a skálázási együttható felhasználásával. A mélyebben elhelyezkedő rétegeket fizikai féleség csoportonként azonos talajtulajdonságokkal vettük figyelembe. 5. táblázat Az arányossági együttható (SE) különböző relatív gyakorisághoz (P SE ) tartozó értékei (1) (2) Fizikai féleség (1) (2) Fizikai féleség SE relatív SE relatív gyakorisága HV V AV gyakorisága HV V AV P SE _0,00 0,080 0,054 0,159 P SE _0,70 0,881 1,333 0,947 P SE _0,25 0,134 0,258 0,286 P SE _0,85 1,733 2,005 1,467 P SE _0,50 0,424 0,856 0,769 P SE _1,00 2,061 2,888 2,197 Megjegyzés: lásd 3. táblázat

202 F A R K A S e t a l. FARKAS és munkatársai (2009) részletesen ismertetik a víztartóképességfüggvények (vagy más néven pf-görbék) skálázásának eredményeit, többek között az egyes fizikai féleség csoportokra jellemző átlaggörbéket, valamint az SE eloszlásfüggvénye alapján leválogatott arányossági tényezőknek megfelelő víztartóképesség-függvények grafikai ábrázolását. Az arányossági együttható és az egyéb talajtulajdonságok közötti összefüggés statisztikai elemzése kapcsán a szerzők megállapították, hogy a nagyobb arányossági együtthatóval (SE) rendelkező görbéket viszonylag nagyobb telítettségi víztartalom és kisebb hervadáspont, illetve szabadföldi vízkapacitás jellemezte. A görbesereg az SE = 0,05 arányossági együtthatóval (P SE = 0) rendelkező pf-görbét leszámítva a vályog esetében nyújtotta a legegységesebb képet, míg a legnagyobb szórást a homokos vályognál tapasztaltuk. Az agyagtartalom növekedésével nőtt az arányossági együttható (SE) és a humusztartalom (HUM), ill. hervadáspont (Θ pf=4,2 ) közötti, és csökkent az SE és a szabadföldi vízkapacitás ( Θ pf=2,5 ) közötti összefüggés erőssége. Ennek megfelelően, a korrelációs együttható (R) értéke a szabadföldi vízkapacitás és az arányossági tényező (SE) között -0,78 és -0,49 volt a homokos vályog, illetve az agyagos vályog esetében. Ugyanakkor értelemszerűen az R értéke -0,75, illetve -0,82 volt a hervadáspont és az SE között a homokos vályog és az agyagos vályog fizikai féleségű talajoknál. A lehetséges klímaváltozási forgatókönyvek elemzése során eltérő fizikai féleségű csernozjom talajokra modelleztük a talaj nedvességforgalmát és a talajvízmérleg elemeit (növényi vízfogyasztás vagy evapotranszspiráció, párolgás, mélybeszivárgás) különböző klímaviszonyok függvényében. A modellfuttatásokhoz használt bemenő talajfizikai adatok a talaj víztartó- és vízvezetőképesség-függvények analitikus leírására széleskörűen alkalmazott van Genuchten Mualem modell (MUALEM, 1976; VAN GENUCHTEN, 1980) paraméterei voltak (4. táblázat). Az átlaggörbékre illesztett paraméterek azonban nem mutatják egyértelműen a talaj mechanikai öszszetétele alapján várt különbségeket. Ennek egyik oka a szemcseösszetétel szerinti besorolás lehet, ami a teljes szelvény adatai alapján történt, míg a bemutatott értékek a 0 30 cm-es rétegre vonatkoznak. Ismert továbbá, hogy a pf-görbe alakját és a telítettségi vízvezetőképesség-értékét nem kizárólag a talaj mechanikai összetétele határozza meg. A talaj szerkezetessége is jelentős szerepet játszhat a pf-görbék paramétereinek alakulásában (RAJKAI et al., 1996; WÖSTEN et al., 1999; NEMES, 2003). A növényi tulajdonságokat (búza: LAI, gyökéreloszlás- és mélység, növénymagasság stb.) szakirodalmi adatok alapján, egységesen határoztuk meg (RAJKAI et al., 1997; FARKAS & RAJKAI, 2002; VÁRALLYAY & FARKAS, 2008). A növények adaptációjának dinamikus modellekben történő figyelembe vétele nem megoldott, ezért a növényi paramétereket a modellfuttatások során nem változtattuk meg. A modellben található együtthatók beállítása (tehát a modell paraméterezése) előzetes modellillesztés alapján történt (FARKAS & MAJERČAK, 2007), mely során egy magyarországi termőhely kísérleti adataira építve beállítottuk a hazai viszonyokra jellemző paraméterértékeket. Ezt követően csak a talajfizikai és a meteorológiai adatokat változtattuk a modellben a célból, hogy az eltérő klímaviszonyokkal

Talajvízmérleg klímaérzékenységének vizsgálata mészlepedékes csernozjom talajon 203 rendelkező években a mészlepedékes csernozjom talajok minél szélesebb körét vonjuk be vizsgálatainkba. Az eredmények értékelése során összehasonlítottuk a talajvízmérleg egyes elemeinek (növényi vízfogyasztás TR, talajfelszínről történő párolgás EV és mélybeszivárgás) éves alakulását a jelenlegi klímát jellemző (referencia, RF) időszak és a két klímaforgatókönyv (A2 és B2) különböző éveiben. Tanulmányoztuk, hogy mennyiben határozza meg a talajvízmérleg elemeit a talaj fizikai félesége és a víztartóképesség-függvény változatossága eltérő időjárási feltételek esetében. Értékeltük, hogy milyen változásokra számíthatunk a talaj vízforgalmában, illetve miként változhat a talaj aszályérzékenysége. Modellezési eredményeinket a rendelkezésre álló vízmennyiség (esetünkben lehullott csapadék mennyisége) függvényében is elemeztük, az 1. ábrán látható grafikonok segítségével. A felvázolt eset AV_REF_0,00 az agyagos vályog (AV) fizikai féleségű talajokra vonatkozik a referencia-időszak (REF) 0,00 relatív gyakoriságú csapadékösszeggel rendelkező évében. Az 1. ábrán a feltalaj területi változékonyságát jellemző arányossági együttható (SE) és a vízmérleg egyes elemeinek (TR és EV) a csapadék (Cs) arányában kifejezett értéke látható éves szinten. A jelölések alapján három vonal különíthető el: 1. Transzspirációs görbe (TR_0.00) a számított éves növényi vízfogyasztás az ábrán feltüntetett szcenárió adott esetben 0,00 relatív gyakoriságú csapadéköszszeggel rendelkező évében. 2. Párolgási görbe (EV_0.00) a számított éves párolgás a csupasz talajfelszínről az ábrán feltüntetett szcenárió 0,00 relatív gyakoriságú csapadékösszeggel rendelkező évében. 3. Csapadékvonal (C). A vízszintes tengely mentén az SE értékeit tüntettük fel. A görbék közötti terület az egyes folyamatokra fordított víz mennyiségével arányos. Ennek megfelelően, a Vízmérleg elemek a csapadék arányában (-) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6 csapadékvonal transzspirációs görbe AV_REF_0.00 párolgási görbe - 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 TR_0.00 EV_0.00 Cs A növényi vízfogyasztás a csapadék arányában A párolgási veszteség a csapadék arányában 1. ábra Az arányossági együttható (x tengely) és a vízmérleg egyes elemeinek a csapadék arányában kifejezett értéke közötti összefüggés. TR: transzspirációs görbe EV: párolgási görbe; Cs: csapadékvonal

204 F A R K A S e t a l. csapadékvonal és transzspirációs görbe közötti terület a búza vízfogyasztásával, a transzspirációs és a párolgási görbe közötti terület pedig a tényleges párolgással arányos. Ha a transzspirációs és/vagy a párolgási görbe a 0 érték alá megy, ez azt jelenti, hogy az adott évben lehullott összes csapadék nem fedezi az evapotranszspirációs veszteségeket. Ebben az esetben a talajban felhalmozott vízkészlet csökkenése figyelhető meg. A fent ismertetett ábrát a homokos vályog, a vályog és az agyagos vályog fizikai összetételű talajokra készítettük el a referencia-időszak, továbbá a két klímaváltozási szcenárió jellemző a 0,00, 0,50 és az 1,00 relatív gyakoriságú éveire. Vizsgálati eredmények bemutatása, értékelése A talajvízmérleg elemei A talajvízmérleg egyes elemeinek változását a klímaviszonyok és talajtulajdonságok tükrében a homokos vályog és agyagos fizikai féleségű mészlepedékes csernozjom talajok példáján szemléltetjük. A 2. ábra az éves kumulatív transzspiráció alakulását mutatja az SE és a csapadékviszonyok tükrében. Megfigyelhető, hogy a vízmérleg-számítások szerint az A2 AV_ REF Transzspiráció (m -3 ) 370 320 270 220 170 120 SP_0,000 SP_0,125 SP_0,250 SP_0,375 SP_0,500 SP_0,625 SP_0,750 SP_0,875 SP_1,000 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Skálázási együttható (-) AV_ A2 Transzspiráció (m -3 ) 370 320 270 220 170 120 SP_0,000 SP_0,125 SP_0,250 SP_0,375 SP_0,500 SP_0,625 SP_0,750 SP_0,875 SP_1,000 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Skálázási együttható (-) AV_ B2 SP_0,000 SP_0,125 SP_0,250 SP_0,375 SP_0,500 SP_0,625 SP_0,750 SP_0,875 SP_1,000 Transzspiráció (m -3 ) 370 320 270 220 170 120 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Skálázási együttható (-) 2. ábra A búzanövény éves vízfogyasztásának (kumulatív transzspiráció) alakulása az agyagos vályog (AV) fizikai féleségű talajokban az eltérő klímaszcenáriók (RF, A2, B2) különböző relatív gyakoriságú csapadékösszeggel (SP) jellemezhető éveiben

Talajvízmérleg klímaérzékenységének vizsgálata mészlepedékes csernozjom talajon 205 klímaforgatókönyv esetében a növényi vízfogyasztás alapvetően 210 és 280 mm között mozog, évjárattól és talajhidrológiai tulajdonságoktól (SE) függetlenül. Ez alól csak a szélsőséges esetek képeznek kivételt. A szélsőségesen száraz (A2_0,000 P SP = 0,0 relatív gyakorisággal), illetve a szélsőségesen csapadékos (A2_1,000 P SP = 1,0 relatív gyakorisággal) rendelkező években az éves transzspiráció értéke értelemszerűen 140 170 mm, valamint 310 370 mm körül alakul. Feltételezve, hogy az őszi búza vízigénye hazai viszonyok (klíma, agrotechnika, növényfajták) között 350 410 mm közé tehető (PALKOVICS & KÓTAI, 2004), megállapítható, hogy a Kárpát-medencében növénytermesztési szempontból a csernozjom típusú talajok és őszi búza esetében az A2 klímaszcenárió forgatókönyve a legkedvezőtlenebb. A 2. ábrán érdemes megfigyelni, hogy a transzspiráció és az éves csapadéköszszeg közötti pozitív összefüggés ellenére a csapadék éven belüli eloszlása, valamint a párolgási és egyéb viszonyok alakulása felülírhatja a logikus sorrendet, és az öszszességében csapadékosabb, ill. szárazabb évben a növényi vízfogyasztás relatíve alacsonyabb, ill. nagyobb lehet. Ez felhívja a figyelmet arra, hogy bár általános tendenciák és összefüggések kimutathatóak az eredményekből, a talajok klímaérzékenységének tanulmányozásához szükséges a csapadék éven belüli eloszlásának és a szélsőséges időjárási helyzetek hatásának vizsgálata is. HV_REF 220 HV_A2 240 200 SP_0,000 SP_0,125 SP_0,250 SP_0,375 SP_0,500 SP_0,625 SP_0,750 SP_0,875 SP_1,000 Párolgás (m -3 ) 170 120 SP_0,000 SP_0,125 SP_0,250 SP_0,375 SP_0,500 SP_0,625 SP_0,750 SP_0,875 SP_1,000 Párolgás (m -3 ) 160 120 70 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Skálázási együttható (-) 80 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Skálázási együttható (-) HV_B2 190 Párolgás (m -3 ) 150 110 SP_0,000 SP_0,125 SP_0,250 SP_0,375 SP_0,500 SP_0,625 SP_0,750 SP_0,875 SP_1,000 70 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Skálázási együttható (-) 3. ábra A talaj felszínéről történő párolgás alakulása a homokos vályog (HV) fizikai féleségű talajokban az eltérő klímaszcenáriók (RF, A2, B2) különböző relatív gyakoriságú csapadéköszszeggel (SP) jellemezhető éveiben

206 F A R K A S e t a l. A talajfelszínről történő párolgás jellemző görbéit a homokos vályog talajokra a 3. ábrán mutatjuk be. Látható, hogy leszámítva a szélsőséges éveket a párolgás esetében a B2 szcenárió görbéi halmozódnak fel egy szűk (150 180 mm-es) intervallumban. A szimulált párolgásértékek nem mutatnak számottevő összefüggést az arányossági együtthatóval, ami valószínűleg annak tudható be, hogy a feltalaj tulajdonságain túl a párolgást alapvetően a légköri viszonyok határozzák meg. A jelenlegi klímát reprezentáló időszakban nem tapasztaltunk mélybeszivárgást a talaj felső 100 cm-es rétegéből. Ezzel szemben az A2 és a B2 forgatókönyvekre számított vízmérlegekben több esetben is volt számottevő elszivárgás a talaj mélyebben fekvő rétegeibe (4. ábra), melyek szoros összefüggést mutattak a skálázási AV_A2-10 Mélybeszivárgás (m -3 ) -20-30 -40-50 -60-70 -80 R 2 = 0,803 R 2 = 0,900 R 2 = 0,920 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Skálázási együttható (-) SP_0,125 SP_0,625 SP_1,000-10 AV_B2 Mélybeszivárgás (m -3 ) -20-30 -40-50 -60-70 -80 R 2 = 0,758 R 2 = 0,929 SP_0,750 SP_0,875 R 2 = 0,877 SP_1,000 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Skálázási együttható (-) 4. ábra A talaj felső 100 cm-es rétegéből történő mélybeszivárgás alakulása az agyagos vályog (AV) fizikai féleségű talajokban az eltérő klímaszcenáriók (A2, B2) különböző relatív gyakoriságú csapadékösszeggel (SP) jellemezhető éveiben együttható értékeivel a determinisztikus koefficiens (R 2 ) 0,76 és 0,92 között alakult. Azokban az SP-értékekkel rendelkező években, melyek nincsenek feltüntetve a 4. ábrán, a mélybeszivárgás -10 mm volt, és értéke nem függött a skálázási együtthatótól. A B2 klímaforgatókönyv esetében a mélybeszivárgás a várakozásoknak megfelelően a legcsapadékosabb években (P SP > 0,7) jött létre, és a szélsőségesen csapadékos P SP = 1 évben volt a legszámottevőbb. Ekkor az elszivárgott víz mennyisége elérte a 80 mm-t is. Az A2 klímaforgatókönyvnél nem ilyen egyértelműen értelmezhető a helyzet. Az, hogy milyen relatív gyakoriságú csapadékösszeggel rendelkező évben milyen mértékű mélybeszivárgás alakul ki, teljesen véletlenszerűnek tűnik. A mélybeszivárgási adatok elemzéséből arra következtettünk, hogy az A2 szcenárió során a ritkán előforduló, azonban rendkívül nagy intenzitású csapadékra is fel kell készülni. Az ilyen szélsőséges időjárási helyzetben megnő a felszíni elfolyás, eróziós károk léphetnek fel, fokozottan nő a tápanyag-kimosódás, és, amint az kimutatható volt, a talajszelvény vízkészlet-veszteségeit a mélyebb rétegekbe távozó víz mennyisége is jelentősen megnövelheti. Mint azt már említettük, a jó vízgazdálkodási tulajdonságokkal rendelkező csernozjom talajokban a referencia-időszak éveiben nem volt kimutatható mélybeszivárgás, annak ellenére, hogy ebben az idő-

Talajvízmérleg klímaérzékenységének vizsgálata mészlepedékes csernozjom talajon 207 szakban az éves csapadékösszeg szinte minden relatív gyakoriságnál nagyobb volt, mint az A2 és B2 klímaforgatókönyv esetében (1. táblázat). Ez alól csak a B2 szcenárió legcsapadékosabb éve (P SP = 1) képezett kivételt. Az a tény, hogy a lehullott csapadék jelentős része a talaj felső 100 cm-es rétegének vízkészleteit gyarapította arra enged következtetni, hogy ezek a csapadékesemények sokkal egyenletesebben mentek végbe, mint az A2 és B2 szcenárióknál. Ez a megállapítás ismételten felhívja a figyelmet arra, hogy szükséges a szélsőséges időjárási helyzetek talajvízforgalomra gyakorolt hatásának elemzése. A talajvízmérleg elemei az éves csapadékösszeg arányában Az arányossági együttható SE (vízszintes tengely) és a vízmérleg egyes elemeinek a csapadék (Cs) arányában kifejezett értéke közötti összefüggéseket az 5. ábrán mutatjuk be. A viszonylag rosszabb víztartó képességgel rendelkező homokos vályog talajoknál az átlagos években (P SP = 0,5) a talaj szerkezeti tulajdonságaitól függetlenül azonosan alakul a párolgás és a növényi vízfogyasztás és a lehullott csapadék aránya, feltételezhetően azért, mert ezeknél a talajoknál egyéb tényezők dominálnak a vízmérleg elemek alakulásában. Ez a megállapítás azonban csak az átlagos csapadékösszeggel rendelkező évekre igaz. A 6. ábra két grafikonja jól mutatja, hogy szélsőségesen száraz, ill. nedves körülmények között a talajhidrológiai jellemzők jelentősen befolyásolják azt, hogy miként gazdálkodik a talaj a rendelkezésre álló csapadékkal. Így például a B2 szcenárió legcsapadékosabb éveiben a növényi vízfogyasztás a legkisebb, valamint a legnagyobb skálázási együtthatóval rendelkező talajoknál sokkal nagyobb hányadát képezte a lehullott csapadéknak, mint az átlagos SE-vel rendelkező talajok esetében. Érdekes megfigyelni, hogy az SE és a TR/Cs, ill. EV/Cs közötti összefüggés jellege száraz (B2_0,0) és csapadékos (B2_1,0) évben ellentétes tendenciát mutat. Ez a transzspiráció esetében feltételezhetően azzal magyarázható, hogy a száraz években a növényi vízfogyasztást valószínűleg a talaj hasznos vízkészlete határozta meg, ezért a transzspiráció a talaj víztartó képességének megfelelően alakult. Ugyanakkor a nedves évek alatt a talaj hasznos vízkészlete kevésbé volt limitált, ezért a növényi vízfogyasztás alakulásában a talaj szerkezete (ami a makropórusok arányával, ill. a térfogattömeggel jellemezhető) volt a meghatározó. Tehát az ellentétes tendenciát az okozhatta, hogy a talaj nedvességállapotától függően más-más talajhidrológiai mechanizmus volt a meghatározó a vízmérleg elemeinek alakulásában. Az agyagos vályog talajoknál (5. ábra, jobb oldali grafikonok) az átlagos években is kimutatható összefüggés volt a párolgásnak és a transzspirációnak az éves csapadékösszegben kifejezett értéke és a talajok arányossági tényezője (SE) között. Érdekes megfigyelni az A2 klímaszcenárió átlagos évére jellemző tendencia (AV_A2_0,50) alapján, hogy az éves evapotranszspiráció értéke ami nagyjából a csapadékösszeg 60%-át tette ki gyakorlatilag nem függ a talajféleségtől, ugyanakkor ezen belül igen eltérően alakul a transzspiráció és a párolgás aránya. Eszerint a kisebb SE-értékkel rendelkező AV talajoknál sokkal nagyobb párolgási veszteségekkel kell számolni, mint a nagy SE-értékkel jellemezhető talajok esetében. Ennek

208 F A R K A S e t a l. Vízmérleg elemek a csapadék arányában (-) Vízmérleg elemek a csapadék arányában (-) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6 HV_REF_0,50-0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 TR_0,50 EV_0,50 Cs HV_A2_0,50-0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 TR_0,50 EV_0,50 Cs Vízmérleg elemek a csapadék arányában (-) Vízmérleg elemek a csapadék arányában (-) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6 AV_REF_0,50-0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 TR_0,50 EV_0,50 Cs AV_A2_0,50-0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 TR_0,50 EV_0,50 Cs Vízmérleg elemek a csapadék arányában (-) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4 HV_B2_0,50-0,6-0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 TR_0,50 EV_0,50 Cs Vízmérleg elemek a csapadék arányában (-) 5. ábra Az arányossági együttható (vízszintes tengely) és a vízmérleg egyes elemeinek (növényi vízfogyasztás TR, és párolgás EV) a csapadék (Cs) arányában kifejezett értéke közötti összefüggés a homokos vályog (HV) és az agyagos vályog (AV) fizikai féleségű talajok esetében a három eltérő szcenárió (RF, A2 és B2) átlagos (0,50 relatív gyakorisággal rendelkező) csapadékösszegű éveiben 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6 AV_B2_0,50-0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 TR_0,50 EV_0,50 Cs magyarázata feltételezhetően a pf-görbék alakjában és értelmezésében rejlik. FARKAS és munkatársai (2009) részletesen szemléltetik az egyes SE-értékekhez tartozó pf-görbéket. A bemutatott ábrák szerint az agyagos vályog fizikai féleségű talajok esetében a kis SE-értékkel rendelkező pf-görbe telítettségi víztartalma kb. 7 8 v%-al kisebb, mint a nagy SE-értékkel rendelkező pf-görbéjé, ami arra enged következtetni, hogy a nagy skálázási együtthatójú talajok szerkezetesebbek, térfogattömegük viszonylag kisebb. Az ilyen lazább feltalajjal rendelkező területeken a

Talajvízmérleg klímaérzékenységének vizsgálata mészlepedékes csernozjom talajon 209 Vízmérleg elemek a csapadék arányában (-) 1,0 0,8 0,6 HV_B2_0,00 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Vízmérleg elemek a csapadék arányában (-) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2 HV_B2_1,00-0,4-0,6-0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 TR_1,00 EV_1,00 Cs TR_0,00 EV_0,00 Cs 6. ábra Az arányossági együttható (vízszintes tengely) és a vízmérleg egyes elemeinek (növényi vízfogyasztás TR, és párolgás EV) a csapadék (Cs) arányában kifejezett értéke közötti összefüggés homokos vályog fizikai féleségű talajok esetében a B2 klímaszcenárió eltérő gyakoriságú csapadékösszeggel rendelkező éveiben talaj felső néhány centiméteres rétege annyira kiszárad, hogy a talaj vízvezető képessége gyakorlatilag nullává válik. Emiatt a talaj nem tudja szállítani a vizet a mélyebb rétegekből a felszín felé, tehát a vékony száraz réteg megakadályozza a talajfelszínről történő párolgást. Feltételezhetően ezt történhetett a nagy SE-értékkel és szerkezetesebb feltalajjal rendelkező AV talajok esetében is. A kis SE-értékű, tömődöttebb talajfelszín nem száradt ki teljesen, ami a felhalmozott vízkészlet folyamatos párolgásához vezetett. A két eset közül növénytermesztési szempontból a nagy skálázási együtthatóval és telítettségi víztartalommal rendelkező, feltételezhetően szerkezetesebb talaj hozott létre kedvezőbb feltételeket a növény számára a növényi vízfogyasztásnak a párolgás rovására történő megnövekedése révén. Ez arra enged következtetni, hogy az azonos mechanikai összetételű, de eltérő tömődöttségű/szerkezetű talajok vízforgalma megváltozott klímafeltételek között is jelentősen eltér, tehát megfelelően megválasztott, talajszerkezet-megóvó és nedvességőrző talajművelési rendszerekkel elősegíthetjük a párolgási veszteségek csökkentését és a növényi vízfogyasztás növekedését. Összefoglalás Munkánk során különböző klímaváltozási forgatókönyvek lehetséges hatását értékeltük a hazai mészlepedékes csernozjom talajok vízmérlegére. Igazoltuk, hogy a vizsgált talajok vízforgalmát alapvetően meghatározzák az időjárási feltételek. Megállapítottuk, hogy a talaj víztartóképesség-függvényének jellemzésére használt arányossági együttható esetenként megfelelő indikátora lehet a talajvízforgalom klímaérzékenységének. A szélsőséges csapadékösszegű években nagyobb eltérést tapasztaltunk a különböző klímaforgatókönyvekre becsült talajvízmérleg elemek között, mint az átlagos csapadékmennyiséggel rendelkező években. Ezt az általános tendenciát azonban az

210 F A R K A S e t a l. A2 szcenárióra jellemző, nagy csapadékintenzitással bíró extrém időjárási helyzetek esetenként felülírták, elsősorban a mélybeszivárgás megnövekedése révén. Ez felhívja a figyelmet arra, hogy bár modellezési eredményeinkből kimutathatóak általános összefüggések, a talajok klímaérzékenységének tanulmányozásához szükséges a csapadék éven belüli eloszlásának és a szélsőséges időjárási helyzetek hatásának vizsgálata is. Eredményeink arra engednek következtetni, hogy az azonos mechanikai összetételű, de eltérő szerkezetű talajok vízforgalma megváltozott klímafeltételek között is jelentősen eltér, tehát megfelelően megválasztott, talajszerkezet-megóvó és nedvességőrző talajművelési rendszerekkel elősegíthetjük a párolgási veszteségek csökkentését és a növényi vízfogyasztás növekedését. A kapott eredmények összevetése során kimutattuk, hogy statikus jellemzőkből, a talajvízforgalom folyamatának mérleg-elvekre épülő, dinamikus megközelítése nélkül csak óvatos következtetéseket vonhatunk le a talajok vízgazdálkodására és klímaérzékenységére vonatkozóan. Reményeink szerint a felvázolt összefüggések hozzájárulnak a megelőző, illetve a káros hatásokat csökkentő beavatkozási stratégiák kidolgozásához a szélsőséges vízforgalmi helyzetek negatív következményeinek enyhítése céljából. A kutatást az OTKA (62436 és 048302) és a MeH MTA 2008 2010. VI. 11. Projekt ( A hazai környezetállapot vizsgálata, különös tekintettel a klímaváltozásra ) támogatta. A klímaváltozási szcenáriókra vonatkozó adatok az EU által létrehozott PRUDENCE Európai Uniós EVK2-CT2001-00132 számú projekt adatbázisából származtak. Kulcsszavak: mészlepedékes csernozjom, talajvízmérleg, klímaérzékenység, sztochasztikus szcenárió analízis, skálázás Irodalom BARTHOLY, J., PONGRÁCZ, R. & GELYBÓ, GY., 2007a. Regional climate change expected in Hungary for 2071 2100. Applied Ecology and Environmental Research. 5. 1 16. BARTHOLY J. et al., 2007b. A hőmérsékleti extrémumok várható alakulása a Kárpátmedence térségében a XXI. század végén. Klíma-21 Füzetek. 51. 3 17. BARTHOLY J. et al., 2007c. A klímaváltozás regionális hatásai: a jelenlegi állapot és a várható tendenciák. Földrajzi Közlemények. CXXXI. (LV.) 4. 257 269. BIRKÁS M. & GYURICZA CS., 2004a. A talajhasználat és a klimatikus hatások kapcsolata. In: Talajhasználat Műveléshatás Talajnedvesség. (Szerk.: BIRKÁS M. & GYURICZA CS.). 10 46. Szent István Egyetem. Gödöllő. BIRKÁS M. & GYURICZA CS., 2004b. Agroökoszisztéma elemek kölcsönhatásainak vizsgálata művelési kísérletben. AGRO-21 Füzetek. 37. 97 110. BIRKÁS, M. et al., 2008. Soil condition and plant interrelations in dry years. Cereal Res. Comm. 36. S155 S158.

Talajvízmérleg klímaérzékenységének vizsgálata mészlepedékes csernozjom talajon 211 CSETE L. & VÁRALLYAY GY., 2004. Agroökológia. Az agroökoszisztémák környezeti összefüggései és szabályozásának lehetőségei. AGRO-21 Füzetek. 37. 139-145. FARKAS CS., 2002. A talajnedvesség-forgalom modellezése a talajfizikai tulajdonságok területi inhomogenitásának és szezonális dinamikájának tükrében. PhD dolgozat. ELTE TTK. Budapest. FARKAS CS., 2004. A művelés és a talajállapot hatása a talaj nedvességforgalmára. In: Talajhasználat Műveléshatás Talajnedvesség. (Szerk.: BIRKÁS M. & GYURICZA Cs.). 61 81. Szent István Egyetem. Gödöllő. FARKAS, CS. & MAJERČAK, J., 2007. Soil water storage under conventional and soil conserving tillage practices. Abstract Volume, ISSPA Conference, Budapest, June 2007. FARKAS, CS. & RAJKAI, K., 2002. Moisture regime with respect to spatial variability of soil hydrophysical properties. Agrokémia és Talajtan. 51. 7 16. FARKAS, CS. et al., 2008. A chernozem soil water regime response to predicted climate change scenarios. Soil and Water Research. 3. S58 S67. FARKAS CS. et al., 2009. Mészlepedékes csernozjom talajaink egyes változatainak klímaérzékenysége. Klíma-21 Füzetek. 57. 15 30. HARNOS ZS., 2005. A klímaváltozás és lehetséges hatásai a világ mezőgazdaságára. Magyar Tudomány. 50. (7) 826 832. IPCC, 2007. Climate Change 2007. The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Eds.: SOLOMON, S. et al.). 847 940. Cambridge University Press. Cambridge, United Kingdom New York, NY, USA. KONCSOS, L., FLACHNER, ZS. & FONYÓ, GY., 2004. Dynamic modelling for water retention based floodplain management at Bodrogköz. Hungary. Abstract Volume, 7 th INTERCOL Wetland Conference, March 2004. University of Utrecht. The Netherlands. KOVÁCS G. J. & DUNKEL Z., 1997. A klímaváltozás várható következményei Magyarország szántóföldjein a következő félszázadban. Meteorológiai Tudományos Napok Kiadványa, Nov. 20 21, 1997. 181 193. OMSz. Budapest. LÁNG I., CSETE L. & HARNOS ZS., 1983. A magyar mezőgazdaság agroökológiai potenciálja az ezredfordulón. Mezőgazdasági Kiadó. Budapest. MAKÓ A. & TÓTH B., 2008. MARTHA: az első részletes talajfizikai adatbázis Magyarországon. Agrárnapló. XII. (76 77) 46 47. MIKA J., 1996. Regionális éghajlati forgatókönyvek. Változások a légkörben és az éghajlatban. Természet Világa. 1996/I. Különszám (Szerk.: MIKA J.) 69 74. MILLER, E. E. & MILLER, R. D., 1956. Physical theory for capillary flow phenomena. J. Appl. Phys. 27. 324 332. MUALEM, Y., 1976. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Water Res. Res. 12. 513 522. NEMES, A., 2003. Multi-scale hydraulic pedotransfer functions for Hungarian soils. PhD Thesis. Wageningen Agricultural University. Wageningen, The Netherlands. NÉMETH, T., 1996. Nitrogen balances in long-term field experiments. Fertilizer Research. 43. 13 19. PALKOVITS G. & KOLTAI G., 2004. A talaj vízgazdálkodása és a növényi produkció kapcsolata különös tekintettel a talajvíz szerepére. Agro Napló Országos mezőgazdasági szakfolyóirat. VIII. (5) 11 13.

212 F A R K A S e t a l. RAJKAI, K. et al., 1996. Estimation of water retention from the bulk density and particle size distribution of Swedish soils. Soil Sci. 161. 832 844. RAJKAI, K. et al., 1997. Impacts of soil structure on crop growth. International Agrophysics. 11. 97 109. SZÁSZ G., CSELŐTEI L., & KOVÁCS G. J., 1994. Az időjárás és a növénytermesztés. In: Az agrárgazdaság jövőképe. (Szerk.: LÁNG I. et al.). AGRO-21 Füzetek. 1. 50 87. TUBA Z., NAGY Z. & CZÓBEL SZ., 2004. Hazai gyeptársulások funkcionális ökológiai válaszai, C-körforgalma és üvegházhatású gázainak mérlege jövőbeni várható éghajlati viszonyok, illetve eltérő használati módok mellett. AGRO-21 Füzetek. 37. 123 138. VAN DAM, J., 2000. Field-scale water flow and solute transport. PhD Thesis. Wageningen University. The Netherlands. VAN GENUCHTEN, M. TH., 1980. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soil. Soil Sci. Soc. Am. J. 44. 892 898. VARGA-HASZONITS Z. & VARGA Z., 2004. Az éghajlati változékonyság és a természetes periódusok. AGRO-21 Füzetek. 37. 23 32. VÁRALLYAY GY., 1992. Globális klímaváltozások hatása a talajra. Magyar Tudomány. 9. 1071 1076. VÁRALLYAY GY., 2004. Agroökológia és vízgazdálkodás. AGRO-21 Füzetek. 37. 33 49. VÁRALLYAY GY., 2005. Magyarország talajainak vízraktározó képessége. Agrokémia és Talajtan. 54. 5 24. VÁRALLYAY GY., 2007a. A talaj, mint legnagyobb potenciális természetes víztározó. Hidrológiai Közlöny. 87. (5) 33 36. VÁRALLYAY, GY., 2007b. Potential impacts of climate change on agro-ecosystems. Agriculturae Conspectus Scientificus. 72. (1) 1 8. VÁRALLYAY GY., 2008. A talaj szerepe a csapadék-szélsőségek kedvezőtlen hatásainak mérséklésében. Klíma-21 Füzetek. 52. 57 72. VÁRALLYAY GY. & FARKAS CS., 2008. A klímaváltozás várható hatásai Magyarország talajaira. In: Klímaváltozás: környezet kockázat társadalom. 91 129. Szaktudás Kiadó Ház. Budapest. VÁRALLYAY GY. & LÁNG I., 2009. A hazai környezetállapot vizsgálata, különös tekintettel a klímaváltozásra. In: Stratégiai kutatások 2008 2009. Kutatási jelentések. 281 302. Miniszterelnöki Hivatal Magyar Tudományos Akadémia. Budapest. WÖSTEN, J. H. M. et al., 1999. Development and use of a database of hydraulic properties of European soils. Geoderma. 90. 169 185. Érkezett: 2009. október 5.

Talajvízmérleg klímaérzékenységének vizsgálata mészlepedékes csernozjom talajon 213 Climate sensitivity of the soil water regime on pseudomyceliar chernozem soils 1,2 C. FARKAS, 3 H. HERNÁDI, 3 A. MAKÓ and 3 F. MÁTÉ 1 Research Institute for Soil Science and Agricultural Chemistry (RISSAC) of the Hungarian Academy of Sciences, Budapest, 2 Bioforsk, Norwegian Institute for Agricultural and Environmental Research, Ås (Norway) and 3 Department of Crop Production and Soil Science, Pannon University Georgikon Faculty, Keszthely (Hungary) Summary Investigations were made on the possible effects of two predicted climate change scenarios on the soil water regime in Hungarian pseudomyceliar chernozem soils, using daily downscaled meteorological data from the A2 and B2 climate scenarios of the Hadley Centre (2071 2100) as well as data for a reference period (1961 1990). Nine representative years were selected in case of all three scenarios, using the cumulative probability function of the annual precipitation sum. The selection of the 49 soil profiles examined was based on their subtype (Calcic Chernozem) and texture [sandy loam (HV), loam (V) and loamy clay (AV)] using the MARTHA soil physical database. The soil water retention curves were scaled separately for each of the three textural classes, using the similar media scaling concept in order to represent the variability of soil hydrophysical data using a single parameter, the scaling factor (SE). Reference soil profiles were chosen according to the cumulative distribution function of the scaling factor, six for each textural group. A series of stochastic scenario analyses was performed, validating the SWAP soil water balance simulation model for 3 6 reference soil profiles and 3 9 representative years. Both possible extreme events and the expected average soil water regime situations were analysed. The stochastic assessment involved the evaluation of components of the soil water balance (evaporation from the soil surface, transpiration and deep percolation) in various chernozem soil subtypes for years with precipitation sums with different levels of probability. The results proved the great climate sensitivity of the water regime and soil water balance components of chernozem soils. According to the simulated winter wheat transpiration values, the A2 scenario would create less favourable conditions for traditional crop production in the Carpathian Basin, compared to the B2 scenario. It was also concluded that, under the given conditions, the scaling factors used to describe the variability of the soil water retention curves in the scenario analyses could be used as indicators of soil climate sensitivity. Valuable differences were found between the water regimes of soils having similar texture but differing in structural conditions. These results indicate that the application of soil structure- and moisture-conserving soil management systems could considerably decrease soil evaporation losses and could contribute to a significant increase in plant water consumption even under changing climatic conditions. The stochastic assessment of the scenario analysis results proved that only coarse estimates of the climate sensitivity of the soil water regime can be made if only static parameters are used. More profound estimates must be based on dynamic approaches

214 F A R K A S e t a l. and precise soil water balance calculations. It is hoped that the correlations obtained will contribute to the elaboration of innovative measures and strategies for preventing and/or reducing the possible harmful effects of extreme water regime situations. Table 1. Main meteorological parameters of the climate scenarios and reference years used in the scenario analysis. (1) Parameter, and/or relative frequency. a) Mean. (2) Reference years. (3) Year. (4) Climate scenarios. A. Years chosen for comparing climate scenarios. Remarks: T: annual average precipitation; SP: annual precipitation sum; P SP : relative frequency of annual precipitation sum. Table 2. Average values of mechanical composition, humus content (HUM) and bulk density (tt) of the three textural groups. (1) Soil layer, cm. (2) Texture. (3) Mechanical composition: (5) Clay; (6) Loam; (7) Sand. Remarks: HV: sandy loam; V: loam; AV: clayey loam. Table 3. Soil properties in the topsoil (0 30 cm) of the three textural groups. (1) Soil property. a) Upper limit of plasticity according to Arany; b) salt, %. (2) Mean. Remarks: See Table 2. Table 4. Soil hydraulic properties in the topsoil (0 30 cm) of the three textural groups. (1) Texture. (2) Measured values. (3) Fitted van Genuchten parameters. Remarks: K: saturated hydraulic conductivity; Θ pf = x : soil water content, corresponding to water potential of x; hy 1 : hygroscopicity; TVT: soil saturated water content; RVT: soil residual water content; n and alpha: van Genuchten (V-G) fitting parameters. Table 5. Values of the scaling coefficient (SE) corresponding to different relative frequencies (P SE ) of occurrence. (1) Relative frequency. (2) Texture. Fig. 1. Relationship between the scaling coefficient (horizontal axis) and different soil water balance components expressed as ratio of precipitation. TR: transpiration line; EV: precipitation line; Cs: precipitation line. Upper right text: plant water uptake as a ratio of precipitation; lower right text: evaporation as a ratio of precipitation. Fig 2. Water uptake (cumulative transpiration) of winter wheat simulated for the clayey loam (AV) soils and for years characterized by precipitation sums (SP) with different probabilities of occurrence in the three climate scenarios (RF, A2, B2). Vertical axis: Transpiration. Horizontal axis: scaling coefficient. Fig. 3. Evaporation from soil surface simulated for the sandy loam (HV) soils and for years characterized by precipitation sums with different probabilities of occurrence in the three climate scenarios. Fig. 4. Water leaching from the upper 100 cm soil layer simulated for the clayey loam (AV) soils and for years characterized by precipitation sums with different probabilities of occurrence in the three climate scenarios. Fig. 5. Relationship between the scaling coefficient (horizontal axis) and different soil water balance components (TR: transpiration, EV: evaporation) expressed as ratio of precipitation (Cs) for sandy loam (HV) and clayey loam (AV) soils in years with average (relative frequency of 0.5) precipitation sums in the three climate scenarios. Fig. 6. Relationship between the scaling coefficient (horizontal axis) and different soil water balance components (TR: transpiration, EV: evaporation) expressed as ratio of precipitation (Cs) for sandy loam (HV) soils in years with precipitation sums with different probabilities of occurrence in the B2 climate scenario.