VÍZFORGALOM GYEP ÉS ERDŐ TERÜLETEKEN. Doktori (Ph.D.) értekezés. Hagyó Andrea Okl. biológus

VÍZFORGALOM GYEP ÉS ERDŐ TERÜLETEKEN Doktori (Ph.D.) értekezés Hagyó Andrea Okl. biológus Témavezető: Dr. Nagy Zoltán Prof. Dr. Rajkai Kálmán Szent István Egyetem, Biológia Tudományi Doktori Iskola, Gödöllő

A doktori iskola megnevezése: tudományága: vezetője: témavezető: Biológia Tudományi Doktori Iskola Biológia tudományok Prof. Dr. Tuba Zoltán tanszékvezető, egyetemi tanár, az MTA doktora SZIE, Mezőgazdaság-és Környezettudományi Kar Növénytani és Ökofiziológiai Intézet Dr. Nagy Zoltán egyetemi docens, a biológia tudomány kandidátusa SZIE, Mezőgazdaság-és Környezettudományi Kar Növénytani és Ökofiziológiai Intézet...... Az iskolavezető jóváhagyása A témavezető jóváhagyása Prof. Dr. Tuba Zoltán Dr. Nagy Zoltán 2

TARTALOMJEGYZÉK JELÖLÉSEK, RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE...5 1 BEVEZETÉS...7 2 IRODALMI ÁTTEKINTÉS...9 2.1 Az erdők talaja...9 2.2 Az erdők szerepe a talajvédelemben...1 2.3 Természetközeli erdőgazdálkodás...11 2.4 Lékdinamika...11 2.5 A lékek határa...12 2.6 A lékkeletkezés hatása az abiotikus tényezőkre...12 2.7 A fényviszonyok és a talajnedvesség-tartalom hatása az aljnövényzetre, ill. a felújulásra...15 2.8 A talajnedvesség-tartalom térbeli mintázata...16 2.9 A talajnedvesség-tartalom mérési módszerei...17 2.1 Földhasználatváltás...18 2.11 Az evapotranszspiráció (ET) és az azt meghatározó tényezők közötti kapcsolat...18 2.12 A vízforgalom modellezése...2 3 ANYAG ÉS MÓDSZER...27 3.1 Vizsgálati területek...27 3.2 A három mintaterületen elvégzett szelvényfeltárások, mintavételek és helyszíni vizsgálatok rövid összefoglalása...28 3.3 A börzsönyi bükkös lékeinek vizsgálati módszerei...29 3.3.1 A talajnedvesség-tartalom vizsgálati módszerei...29 3.3.2 A talajhőmérséklet vizsgálati módszere...3 3.3.3 A talajnedvesség-tartalom, a talajhőmérséklet és a fény közötti összefüggések vizsgálati módszerei...3 3.3.4 Az aljnövényzet, és annak a talajnedvesség-tartalommal és a fénnyel való összefüggéseinek vizsgálati módszerei...31 3.4 A mátrai gyepen és erdőben végzett vizsgálatok módszerei...32 3.4.1 Talajvizsgálatok...32 3.4.2 A talajnedvesség-tartalom mérése...32 3.4.3 A csapadék vizsgálata...32 3.4.4 Lombzáródás vizsgálati módszere...33 3.5 A mátrai és a bugaci gyepen végzett kutatások módszerei...33 3.5.1 Az aktuális evapotranszspiráció (ET) vizsgálati módszerei...33 3.5.2 Az ET és az azt meghatározó tényezők közötti összefüggések vizsgálati módszerei...36 3.6 A talajnedvesség-mérő műszerek kalibrációja...38 4 EREDMÉNYEK...39 4.1 Talajnedvesség-mérő műszerekkel kapcsolatos tapasztalatok...39 4.2 Lékek hatása egy börzsönyi bükkösben...41 4.2.1 A lékképződés hatása a talajnedvesség-tartalomra...41 4.2.2 A talajnedvesség-tartalom és a relatív megvilágítottság mintázatának összehasonlítása...48 4.2.3 A lékképződés hatása a talajhőmérsékletre...51 4.2.4 A növényzet és a vizsgált abiotikus tényezők (talajnedvesség-tartalom és relatív megvilágítottság) közötti összefüggések...52 4.3 Gyep és erdő talajnedvesség-forgalmának összehasonlítása a mátrai mintaterületen..55 4.3.1 A gyep és az erdő talajának fizikai tulajdonságai és humusztartalma...55 4.3.2 Talajnedvesség-tartalom a gyepen és az erdőben...57 4.3.3 Csapadék és lombkoronán áthulló csapadék...6 3

4.3.4 A koronán áthulló csapadék, összefüggése a csapadék mennyiségével, intenzitásával és a lombborítással... 61 4.4 A mátrai és a bugaci gyep vízforgalma... 65 4.4.1 A mátrai gyep vízforgalmának vizsgálata modell módszerrel... 65 4.4.2 A bugaci gyep vízforgalmának vizsgálata modell módszerrel... 7 4.4.3 A két gyep vízmérlege... 73 4.4.4 A mért évi evapotranszspiráció a két területen... 75 4.4.5 A talajnedvesség-tartalom és az ET közötti összefüggés... 76 4.4.6 Az ET és az ET-t szabályozó tényezők közötti összefüggések a bugaci gyepen... 81 4.4.7 Az evapotranszspiráció (ET) időbeli dinamikája a két gyepen... 82 4.4.8 Az időjárási tényezők, az ET, a talajnedvesség-tartalom és az NDVI index évek közötti változatossága a két gyepen... 85 4.5 Új tudományos eredmények... 88 5 KÖVETKEZTETÉSEK ÉS JAVASLATOK... 89 5.1 Talajnedvesség-mérő műszerekkel kapcsolatos tapasztalatok... 89 5.2 A léknyitás hatásai... 89 5.3 A mátrai gyep és erdő... 9 5.4 A mátrai és a bugaci gyep vízforgalma... 91 5.5 Az eredmények alkalmazhatósága, javaslatok a további kutatási irányokra... 93 6 ÖSSZEFOGLALÁS... 95 7 SUMMARY... 97 4

JELÖLÉSEK, RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE CV - variációs koefficiens E - evaporáció E p potenciális evaporáció ET evapotranszspiráció ET referencia evapotranszspiráció (FAO Penman-Montheith módszerrel számolt) ET eddy eddy kovariancia módszerrel mért aktuális evapotranszspiráció ET p potenciális evapotranszspiráció K A - Arany-féle kötöttség K s telítettségi vízvezető-képesség (cm/nap) LAI levél felület index (m 3 /m 3 ) N mintaméret NDVI - normalizált vegetációs index r Spearman-féle rangkorreláció értéke R - szórásdiagramra illesztett lineáris görbe regressziós együtthatója R 2 - szórásdiagramra illesztett lineáris görbe determinisztikus együtthatója RMSE - átlagos négyzetes gyök eltérés T - transzspiráció VPD vízgőznyomás deficit (kpa) 5

6

1 BEVEZETÉS Az egyik legsúlyosabb biodiverzitást veszélyeztető emberi tevékenység a felszín átformálása. Európa területének mára csak mintegy 15 %-a maradt viszonylag eredeti állapotában (STANDOVÁR ÉS PRIMACK, 21). Magyarországon a barna erdőtalajok csak mintegy negyedét borítja erdő, mert kedvező domborzati fekvésben mezőgazdasági művelésre kiválóan alkalmasak, és az elmúlt 2 év során a népesség növekedése és az intenzív mezőgazdasági tevékenység miatt nagy területek kerültek szántóföldi művelés alá. Sok esetben ilyenkor erodált barna erdőtalajról kell beszélnünk (SZODFRIDT, 1996). Az erdőirtások káros következményeinek jobb megismeréséhez, a káros hatások enyhítésének tudományos megalapozásához járul hozzá az irtásterületek talajának, vízforgalmának tanulmányozása és összehasonlítása az erdővel borított területekkel. Olyan nagy területet érintő, súlyos bolygatás után, mint a faállomány megsemmisítése, vagyis a tarvágás és a beszántás, a szántás felhagyása után másodlagos szukcesszió indul meg, ami erdő klímában átmeneti állapotokon keresztü erdő irányába halad. A folyamat során a talaj és a növényzet regenerálódik. A szukcessziós, regenerációs folyamatok megismerése tudományos és természetvédelmi szempontból is fontos. Természetes erdők általában olyan talajon fordulnak elő, ahol a víz nem limitáló tényező, de a megfelelő vízellátottság hiánya csökkentheti a fák növekedését (HOOGHART, 1986, STRIBLEY ÉS ASHMORE, 22). Az erdők jelentősen növelik a visszatartott, a talajba jutó és ott raktározott víz mennyiségét, mivel segítik a víz talajba jutását a talaj szerkezetének javítása és a gyökerek szívó hatása révén. Ezen túl csökkentik a felszíni lefolyást és a szélsebességet, így védelmet nyújtanak a víz, illetve a szél okozta erózió ellen. A megmaradt erdőket érintő veszélyeztető tényező a fatermelésre koncentráló, intenzív erdőgazdálkodás. A nem megfelelő hasznosítás káros következményeinek felismerésével, úgy mint az erdők, ill. a faállomány degradálódása, az erdők egészségi állapotának romlása (STRIBLEY ÉS ASHMORE, 22), a jelentős erózió és a talaj tápanyagkészletének csökkenése, az erdészeti gyakorlatban fontossá vált a természetközeli erdőgazdálkodás lehetőségeinek vizsgálata és megvalósítása. Egy börzsönyi mintaterületen (Királyrét) a kis területű, csoportos jellegű szálalóvágás, mint természetközeli erdőgazdálkodási eljárás hatását tanulmányoztam a talajnedvességviszonyokra, illetve az aljnövényzet és a talajnedvesség összefüggéseit a lékekben a léknyitást követő első, második és ötödik évben. Tudományos szempontból az a téma jelentősége, hogy az ökológiában a nem-egyensúlyi szemlélet szerint az ökoszisztémákat dinamikusan szemléljük, azokat folyamatosan változó, nyílt rendszereknek tekintjük, melyek mindennapjaihoz hozzátartoznak a természetes bolygatások. A mérsékelt övi lombhullató erdőkben a legjellemzőbb bolygatás a szél általi lékképzés a lombsátorban (RUNKLE 1985). A lékes felújulás ökológiájának ismerete nélkülözhetetlen az erdei folyamatok megértése, ill. az erdők kezelése során. Az ismeretek hiánya és a természetközeli erdőgazdálkodási eljárások iránt megnövekedett igény miatt kiemelt jelentőségű kutatási téma a természetes erdei folyamatok és az ezeket utánzó használati módok vizsgálata (HÜTTL ET AL., 2). A természetközeli erdőgazdálkodást több országos szintű kutatási program is érinti, pl. az Erdőrezervátum Program és a Nemzeti Biodiverzitási Stratégia és Akció Program. Az egyik kiemelt gyakorlati feladat, hogy minden természetes társulásra ki kell dolgozni azokat a lékméreteket, melyek alkalmazásával a folytonos koreloszlás már létrejöhet, de a társulás nem károsodik jelentősen (FRANK, 2). Ehhez járulhat hozzá vizsgálatunk, ahol két lékméretet vizsgáltunk Fagetum társulásban. A kísérletnél hipotézisem az volt, hogy a mikroklimatikus változások és a lecsökkenő növényi vízhasználat miatt a lékekben a zárt állományhoz képest nagyobb lesz a talajnedvességtartalom. Fő kérdéseim: 1. kimutatható-e különbség az állomány alatti és a lékbeni tér-időbeli talajnedvesség-mintázat között? 2. Ha igen, a különbség a léknyitást követő ötödik évben is kimutatható-e, ill. csökken-e a lékhatás a felújulás során? 3. Milyen a talajnedvesség 7

kisléptékű mintázata a lékekben, jól meghatározott talajnedvesség-grádiens alakul ki vagy finom térléptéken elkülönülő szigetszerű foltok figyelhetők meg? 4. Van-e összefüggés a talajnedvesség-tartalom és az aljnövényzet térbeli mintázata között a lékekben? Egy mátrai mintaterületen egy erdő és egy amelletti irtásterületen található gyep vízforgalmát vizsgáltam. A területen a vízforgalom vizsgálata azért kiemelten fontos, mert gyakoriak a heves esőzések és az emiatti árvizek, amik nagy károkat okoznak. A növényzetnek jelentős szerepe lehet a víz visszatartásában, az árvizek mérséklésében, ezért fontos megismerni a terület különböző növényzeti típusainak hatását a vízforgalomra. Kérdéseim a következők voltak: 1.van-e különbség a vizsgált gyep és az erdő talajának vízforgalmat befolyásoló tulajdonságai (fizikai tulajdonságok és humusztartalom) között? 2. milyen a talajnedvesség dinamikája a gyepen és az erdőben, van-e köztük különbség? 3. az erdő lombkoronája milyen mértékben csökkenti a talaj felszínére jutó csapadék mennyiségét? 4. van-e összefüggés a lombkoronán áthulló csapadék és a csapadék jellemzői (intenzitása, mennyisége), illetve a korona borítása között? Az evapotranszspirációt, mint a vízmérleg legnehezebben meghatározható elemét vizsgáltam a mátrai gyepen és egy bugaci gyepen, abból a célból, hogy megtudjam, különböző időjárási körülmények között a két gyep mennyire különböző módon hasznosítja a rendelkezésre álló vízmennyiséget. Vizsgáltam az evapotranszspiráció időbeli dinamikáját a szabályozó időjárási tényezők és a talajnedvesség-tartalom szempontjából, tekintettel az évek és a két gyep közötti különbségekre. A mért és modellezett ET összehasonlításával módszertani kérdésekre kerestem a válaszokat. 8

2.1 Az erdők talaja 2 IRODALMI ÁTTEKINTÉS Az erdő a szárazföldi társulások közül a legnagyobb vízigényű, megjelenésének alapvető feltétele, hogy kellő mennyiségben és időbeli eloszlásban a szükséges víz rendelkezésére álljon. Földrajzi elterjedését elsősorban a víz jelenléte határozza meg. Hazánkban az erdők természetes előfordulásához min. évi 6 mm csapadék szükséges. Az alföldi erdős sztyep övezetben a csapadék kevés, 5-6 mm, zárt erdő ott fordulhat elő, ahol más vízforrások pótlólagos vízkészlete is hasznosítható a fák számára, ilyenek a buckaközi erdők és az ártéri erdők, melyek a talajvizet és a folyók medréből kilépő vizet hasznosítják. Magyarország talajainak vízháztartási típusokba való osztályozásakor az erdőterületeket különálló típusként határozták meg (VÁRALLYAY ET AL. 198, VÁRALLYAY 1985), mivel az erdő olyan mértékben megváltoztatja a terület vízháztartását, hogy az eredeti vízháztartási jellemzőket sokszor elfedi, azok felismerhetetlenek. Az erdők talaját lefelé irányuló vízmozgás és ezzel járó kilúgozódás jellemzi, ami a pozitív vízmérleg következménye (a csapadék mennyisége nagyobb, mint a párolgásé). Az erdők vízmérlege a bonyolult vertikális szerkezet miatt összetettebb, mint a gyep és cserjés növényzet esetében. Az erdőkre jellemző vízmérleg elemek a koronán áthulló csapadék és a törzsi lefolyás. A lombkorona a csapadék jelentős részét felfoghatja, ennek a vízmennyiségnek egy része onnan elpárolog, nem jut a talajra (intercepció), másik hányada pedig időben késleltetve lecsöpög a koronáról, ami egyenletesebbé teszi a talaj vízellátását. Az intercepcióval más vegetációtípusoknál is számolni kell, de az erdők esetében sokkal nagyobb mértékű lehet. A felső lombkoronaszinten a legnagyobb, de az összes lombkoronaszint, a cserjeszint, a gyepszint és az avar is tart vissza bizonyos mennyiségű vizet (FISHER ÉS BINKLEY, 2). A nagymértékű vízvisszatartás hozzájárul a magas páratartalom kialakulásához. Durva közelítéssel a gyepeken az intercepciós vízveszteség a csapadék 15%-a, erdőkben pedig 3% (KELLIHER ET AL., 1993). Így csapadékos területeken az erdőkben jelentősen magasabb lehet a teljes párolgás (transzspiráció és intercepció), és alacsonyabb a felszíni elfolyás, mint a gyepeken. Az avartakaró szintén fontos szerepet játszik az erdők vízforgalmában. Nagy porozitása miatt nagy a víztartó képessége (VÁRALLYAY, 22), ezáltal szabályozza a vízmozgást. Késlelteti a víz gyors talajba szivárgását, így javítja az aljnövényzet vízellátását, növeli a felvehető víz mennyiségét (SCHAAP ET AL., 1997). Takarja a talajt, ezáltal fékezi a talajból történő párolgást. Lejtős területeken mérsékli a felszíni elfolyást, ami kedvező hatású az erózió és az egész vízgyűjtő vízháztartása szempontjából is (VÁRALLYAY, 22). A talaj fizikai tulajdonságai (mechanikai összetétel, szerkezet, porozitás, kövesség) nagyban befolyásolják a fák megtelepedését és növekedését, a talaj nedvességforgalmára, levegőzöttségére, hőmérsékletére, kémiájára és a szerves anyag felhalmozására gyakorolt hatásukon keresztül (FISHER ÉS BINKLEY, 2). A mechanikai összetétel befolyásolja a talaj szellőzöttségét, a víztartóképességet, a szerves anyagok megkötését, a kation kicserélődést és egészében a biológiai aktivitást a talajban. A klasszikus mechanikai összetétel vizsgálat a 2 mm-nél nagyobb átmérőjű durva szemcsékre (kavics) nem terjed ki, mivel a szántóföldi talajokban ez a szemcsetartomány nem játszik fontos szerepet, az erdőtalajokban viszont gyakran nagy mennyiségben van jelen (hegységekben akár 8% vagy több is lehet). Finom szemcseösszetételű talajoknál közepes mennyiségű kavics kedvezhet a fanövekedésnek, mivel a durva szemcsék segíthetik a víz és a levegő talajba jutását, ill. tavasszal növelhetik a talaj felmelegedésének sebességét. A nagy mennyiségű kavics viszont káros hatással lehet a fanövekedésre a kis víztartóképessége és kation cserélő kapacitása miatt (FISHER ÉS BINKLEY, 2). Köves talajokon a kőtartalom nagy mértékben befolyásolja a mért nedvesség-tartalmat, illetve annak eloszlását térben heterogénné teszi (STANDOVÁR ÉS RAJKAI, 1994). 9

A zárt lombkoronával fedett talaj hőmérséklete a közvetlenül a talajfelszín feletti légréteg hőmérsékletétől függ, míg lombborítás hiányában annál sokkal nagyobb is lehet a besugárzás közvetlen elnyelése következtében. A talajhőmérsékletet a besugárzásból származó hő növeli, és a kisugárzás, a hővezetés és az áramlási veszteség (és bizonyos esetekben az evaporáció) csökkenti (FISHER ÉS BINKLEY, 2). A kitettség nagyban befolyásolja a talajhőmérsékletet. Jól ismert tény, hogy az északi féltekén a déli lejtők kapnak nagyobb besugárzást, ezen felül a nagyobb hőmérséklet intenzívebb evapotranszspirációhoz vezet, így a melegítő hatást a szárazodás felerősítheti. Az erdő lombkoronája és az avarréteg mérsékli a talajhőmérséklet szélsőségeit. Nyáron felfogják a besugárzás egy részét, télen pedig csökkentik a hőveszteséget. Az avarnak alacsony a hővezető-képessége, így csökkenti a nyári maximum és növeli a téli minimum talajhőmérsékletet, illetve a napi ingadozást is csökkenti. A napi ingadozást a talaj hővezető-képessége és fajhője is befolyásolja. Mindkét jellemzőre hatással van a talaj textúrája, és elsősorban a nedvesség-tartalma, mivel a víznek sokkal nagyobb a fajhője és a hővezető-képessége is, mint az ásványi talajnak. Így a nedvesebb talaj hőmérséklete lassabban változik, mivel a víz felmelegítéséhez sok energia kell, emellett a víz a hőt a mélyebb talajrétegekbe vezeti. A talaj szerves anyag tartalmának viszont alacsony a hővezető-képessége, így lassítja a hőenergia mozgását (FISHER ÉS BINKLEY, 2). Az erdőben a talajfelszíntől is függ a talaj hőmérséklete, sötét (pl. égett) felszínen magasabb, míg nedves, korhadt holtfa-anyag környékén alacsonyabb. A tarvágásos területeken a nagyobb besugárzás és szél a napi hőingadozás növekedéséhez vezet. A talaj hőmérsékletének a növények szempontjából elsősorban a csírázás és a magoncok, csemeték túlélése szempontjából van jelentősége, valamint a gyökerek növekedését is befolyásolja (FISHER ÉS BINKLEY, 2). Az avar eltávolítása magas léghőmérséklet esetén a növények számára károsan magas talajhőmérséklethez, a csírázó magvak pusztulásához vezethet. A legtöbb hazai, erdőben folyó talajnedvesség-tartalom vagy vízforgalmi vizsgálat a faállomány szempontjából, erdészeti célú kutatás keretében történt (FÜHRER, 1994, GÁCSI, 2). A vízforgalom és az aljnövényzet közötti összefüggéseket kevesebben vizsgálták. RAJKAI ÉS STANDOVÁR (26) magyarországi tölgyesben vízforgalmi és növényzeti vizsgálatok eredményeként az erdőgazdálkodás által egységesen kezelt erdőrészleten belül különböző aljnövényzeti fajösszetételű folttípusokat különítettek el. Talajnedvesség-tartalom mérésekkel igazolták, hogy az aljnövényzet W (vízháztartás-) ökológiai indikátor értékei jól jelezték a különböző foltok eltérő nedvességviszonyait (STANDOVÁR ÉS RAJKAI, 1994). 2.2 Az erdők szerepe a talajvédelemben Az erdő megakadályozza vagy csökkenti az eróziót okozó felszíni elfolyást, mivel javítja a víz talajba jutásának feltételeit. Az erdőkben a talaj gyökerekkel sűrűn átszőtt, így szerkezete általában laza, ezáltal a víz könnyebben jut a talajba. Ez védelmet nyújt az erózióval, a lezúduló vízzel, a felszíni elfolyással és az árvizekkel szemben. Az erdő fékezi a talaj átfagyását, így nem lehet a víz beszivárgásának gátja a hosszú időn át fagyott talaj. Lombsátort húz a talaj fölé, így a nagy erővel lezúduló csapadékvíz nem érheti közvetlenül a talaj felszínét. A sűrűn álló fák, cserjék, az aljnövényzet és az avar is megszűri a lejtőn lefelé mozgó, hordalékot szállító vizet, lerakódásra készteti, így az erdő alatt több talaj maradhat vissza. A szélkárral, a deflációval szemben is fontos védő szerepet tölt be, gyökereivel köti a laza talajokat és a már levegőbe emelt talajszemcséket lerakódásra készteti. Fontos a szerepe a rajta átfolyó patakok, folyók vízminőségének megőrzésében is, a vizek hőmérsékletére való hatásán keresztül. Az erdőkben általában kisebb a vizek hőmérséklete, ezzel arányosan nagyobb az O 2 -tartalma. Az O 2 -tartalom csökkenésével gyengül a mikroszervezetek szerves anyagokat lebontó tevékenysége, ami a víz erősebb szennyezését eredményezi. 1

2.3 Természetközeli erdőgazdálkodás A korábbi, fatermelésre koncentráló erdőgazdálkodás helyett új szemléletű erdőgazdálkodásra van szükség, a társadalmi igények és a környezet változásai miatt. Európában az erdők az elmúlt évszázadok során jelentősen átalakultak az emberi tevékenység következtében. Összterületük csökkent, fajösszetételüket inkább az emberi kezelés, mintsem a természetes tényezők határozzák meg, faji és szerkezeti diverzitásuk lecsökkent. A tűlevelűek (elsősorban az erdei fenyő /Pinus sylvestis/ és a lucfenyő /Picea abies/) területi kiterjedése nőtt a bükk, a tölgyek és más lombhullató fajok rovására, mivel telepítésük és kezelésük egyszerűbb, olcsóbb, gyorsabb növekedésűek, nagyobb produktivitásúak, emellett piaci áruk magasabb volt, mint a keményfának. A homogén, egykorú gazdasági erdők viszont kevéssé ellenállóak a súlyosbodó szélsőséges időjárási helyzetekkel (aszály, szélviharok) és a biológiai eredetű zavarásokkal (gombák, rovarok) szemben, és nem tudják a fenntarthatóság és a biodiverzitás védelme iránti társadalmi igényt kielégíteni (SPIECKER, 23). Ez pedig az erdő faanyagot biztosító funkciója helyett egyre inkább fontossá válik. Az ehhez megfelelő erdőgazdálkodási módok kidolgozásához, tervezéséhez az erdő állapotát és a kezelés hatásait feltáró módszerek és az azokat alkalmazó felvételezésekből, mérésekből származó nagy mennyiségű, megfelelő léptékű információ szükségesek. A természetközeli erdőgazdálkodás célja természetközeli, vegyes korú, összetett szerkezetű erdők fenntartása az erdőkben zajló természetes folyamatok szimulálásával. Módszerei a természetes folyamatok szabályainak és hajtóerőinek mély ismeretén kell, hogy alapuljanak. A kezelt erdőkben a belső önszabályzás hiánya miatt az erdészeti kezelésnek kell a rendszer stabilitását biztosítania, a külső szabályzás mértékének, módjainak megfelelő megválasztásával (FÜHRER, 2). Az irodalomban nagyon sok vizsgálat található az erdészeti kezelések, köztük a lékes csoportos szálaló vágás erdei ökoszisztémákra gyakorolt hatásáról (pl. COATES ÉS BURTON, 1997, OAKLAND ET AL., 22, SCHUMANN ET AL., 23, VAN DER MEER ÉS DIGNAN, 27). A kutatások nagy része azonban csak a felújulásra, az erdő szerkezetére és a vegetációdinamikára koncentrál, a fizikai környezetet, a források újrarendeződését kevesebben vizsgálják. A lékek felújulása során a fény, a megvilágítottság mellett a talajnedvesség-tartalom és a talajhőmérséklet egyaránt fontos tényező. Vizsgálatuk az anyagforgalom megismerése szempontjából is jelentősséggel bír, fontos szerepet játszanak az avar lebomlásában (FISHER ÉS BINKLEY, 2, CORTEZ, 1998, MUSCOLO ET AL., 27) és befolyásolják a tápanyagforgalmat szabályozó folyamatok sebességét (PRESCOTT, 22). A hazai erdődinamikai kutatások eredményei közül legkorábban FEKETE (196) munkája jelent meg, aki a Kárpát-medence ősbükköseinek faállomány-szerkezetét vizsgálta. Szintén a bükkösökben végeztek erdődinamikai kutatásokat (virágzás- és termésbiológiai témában) MÁTYÁS (1965), MÁRKUS ÉS MÁTYÁS (1966), és MÁJER (1982). Később CZÁJLIK (1996) a Kékes Erdőrezervátum állományának méreteloszlását és fejlődését vizsgálta. A bükki Őserdőben és a Börzsönyben folytattak erdődinamikai vizsgálatokat KENDERES ET AL. (27 és 28). 2.4 Lékdinamika A lékdinamika az a folyamat, amikor egy vagy néhány fa kidőlésével lék képződik a lombsátorban, majd a léket újabb fák népesítik be. Igen fontos szerepe van az erdő szerkezetének, diverzitásának fenntartásában. A lékek jelentős változást okoznak az erdő gyepszintjén a mikroklíma, a biogeokémiai ciklus, az aljnövényzet, és a felújulás tekintetében (PAPP, 1954, COLLINS ÉS PICKETT, 1987). Megnő a gyepszintre jutó fénymennyiség és esetenként a tápanyag-és vízellátottság (DENSLOW ÉS SPIES 199, PRESCOTT, 22). A változások típusa és kiterjedése nagymértékben függ a lék méretétől, alakjától, kitettségétől, földrajzi helyzetétől, valamint a léket határoló faállomány szerkezetétől, magasságától. A lékek mikroklímája serkentheti a magok csírázását és növeli a legtöbb lágyszárú és fás növény 11

növekedési rátáját az erdő alatti gyepszinthez képest (DENSLOW ÉS SPIES 199, GOLDBLUM 1997). A környezeti változók léken belüli mintázata térbeli változatosságot hoz létre. A lék-felosztási elmélet szerint a háttérváltozók a lékektől az állomány felé grádiens mentén változnak, a növényfajok pedig a grádiensek mentén kialakuló niche-teret egymás között felosztva telepednek meg fiziológiai igények alapján (RICKLEFS, 1977); de emellett a propagulumok jelenléte és a véletlen is fontos szerepet játszhat a regeneráció során (BUSING ÉS BROKAW, 22). A lékdinamika, mint természetes folyamat alapvetően szálalóvágásokkal, kis területű, csoportos jellegű felújítóvágásokkal közelíthető, ami egy faegyed eltávolításától néhány tucat egyed kivágásáig terjedhet. 2.5 A lékek határa A lékek határának meghatározása nem egyértelmű. RUNKLE (1982) szerint beszélhetünk lombkorona lékről (canopy gap), melynek határa a határoló fák lombozatának a széle, és kiterjedt lékről ( expanded gap ), melynek széle a léket határoló fák törzse mentén húzható meg. A kutatások túlnyomó részében a lékeket az első definíció értelmében különítik el. A fénymintázati vizsgálatok azt mutatják, hogy a fény szempontjából a kiterjedt lék jól elkülöníthető (pl. CANHAM ET AL., 199). A lék regenerációja során a felnövekvő újulat tovább bonyolítja a kérdést, RUNKLE (1982) szerint a 1 méternél alacsonyabb újulattal rendelkező foltok tekinthetők léknek. Jelen munkában vizsgáltam azt, hogy a különböző abiotikus tényezők alapján hol húzható meg a lékek határa. 2.6 A lékkeletkezés hatása az abiotikus tényezőkre Az erdők természetes és mesterséges lékeiben a legtöbb kutatás a felújulásra, illetve az abiotikus tényezők közül a legszembetűnőbb változást mutató fényre irányul, a talajnedvesség, és -hőmérséklet viszonyok kevéssé feltártak és a meglévő eredmények nagyon változó tér- és időbeli felbontású vizsgálatokból származnak. A lékkeletkezés hatása a talajnedvesség-tartalomra A talajnedvesség-tartalomra irányuló lékhatás általában kimutatható, de nem minden esetben. Számos különböző erdőtípusban leírták, pl. európai bükkösben (BAUHUS ÉS BARTSCH,1995), tengerparti duglászfenyvesben (GRAY ET AL., 22) és trópusi erdőkben (VEENENDAL ET AL., 1996; OSTERTAG, 1998) egyaránt. Ezzel szemben nem találtak szignifikáns különbséget a lék és a zárt állomány talajnedvesség-tartalma között pl. CLINTON (23) mérsékelt övi lombhullató erdőben, BARIK ET AL. (1992) idős, szubtrópusi hegyvidéki erdőben (India), RODRIGUEZ-CALCERRADA ET AL. (28) ültetett fenyvesben (9 éves, 1 m széles vágásban). BAUHUS (1996) bükkösben, 5 cm-es talajmélységben végzett folyamatos talajnedvesség és talajhőmérséklet méréseket tenziométerekkel: egy 3 m átmérőjű lék közepén, a lékben 1 méterre a lék szélétől, a lék szélén (a léket határoló fák alatt) és az állomány alatt. A talajnedvesség különbözött a négy helyen, az állomány alatt és a lék szélén csökkent le jelentősen. A különbségeket a szerző a gyökerek vízfelvételével és a hőmérséklet-grádienssel magyarázta. Két korábbi évben a csapadék mennyiségét is mérték, a lékekben 7%-kal több eső jutott a talajfelszínre, mint az állomány alatt (BAUHUS ÉS BARTSCH, 1995). A 15 cm talajmélységben mért vízpotenciál jelentősen különbözött a lékekben és az állomány alatt. Míg a lékekben egész évben telített állapothoz közeli volt a talaj nedvességállapota, az állomány alatt nyár végén a fák vízfogyasztása miatt kiszáradt a talaj. A napi átlag talajhőmérsékletet tekintve nem mutattak ki különbséget az állomány és a lékek között. A napi maximum talajhőmérséklet időnként, elsősorban nyáron, a lék északi részében nagyobb volt (4 C-kal), mint az állomány alatt. RITTER ET AL. (25) egy dániai természetközeli bükkösben, egy kb. 18 m átmérőjű természetes lékben vizsgálták a mikroklíma és a talajnedvesség tér-időbeli változásait jelen 12

munkával hasonló tér- és időléptéken. Kutatásukat a léknyitást követő két évben folytatták. Ők is elkülönítettek léket, lék szélét és állományt. A lék szélét a léket szegélyező fák törzsétől az erdő és a lék felé 1,5-1,5 m-ig kiterjedő gyűrűként definiálták. Vizsgálták a térbeli mintázatot és a szezonális dinamikát. A lék egyértelműen hatott a talajnedvesség-tartalomra. A vegetációs időszakban a lékben volt a legnagyobb a nedvességtartalom, a lék szélén közepes, az állomány alatt a legkisebb. A különbséget a lékben megnövekvő csapadékmennyiség és a transzspiráció csökkenése együttesen okozta. A méréseket négy különböző talajmélységben végezték, a lék széle és az állomány közti különbségek a felső rétegben voltak a legnagyobbak. A léken belül az első évben a szabadföldi vízkapacitás körüli foltok mérete időben csökkent júliustól szeptemberig. A két vizsgált évben hasonló volt a talajnedvesség mintázat, viszont a második évben enyhén szárazabbak voltak a mért pontok, elsősorban a 3 cm alatti mélységben. Ezt a több gyökérrel és/vagy a nagyobb intercepcióval magyarázzák. A szezonális dinamika vizsgálatánál három időszakot különítettek el: 1. amikor a fákon nincsenek levelek, 2. amikor a lomb fejlődésben van, 3. amikor a fák teljes lombozattal rendelkeznek. ZIRLEWAGEN ÉS VON WILPERT (21) egy szubmontán-montán zóna közti, összetett szerkezetű vegyes, bükk (Fagus sylvatica), közönséges jegenyefenyő (Abies alba) és lucfenyő (Picea abies) dominálta erdőben mutatta ki a talajnedvesség-tartalom különbségét a lék és az erdő között, amit elsősorban a lékbeni kisebb intercepciós veszteséggel magyaráztak. MUSCOLO ET AL. (27) három lékméretet (kis: 38 m 2, közepes: 855m 2, nagy: 152m 2 ) vizsgáltak calabriai fenyvesben. A lékméret hatással volt a mikroklímára; a talajnedvesség a kis lékekben, a talajhőmérséklet a nagy lékekben volt a legnagyobb. A talajhőmérséklet csak a közepes és a nagy lékekben volt nagyobb, mint a környező állomány alatt, a kis lékeknél nem volt szignifikáns különbség. A nagyobb talajhőmérsékletet a közepes és nagy lékekben a nagyobb besugárzással és a gyérebb vegetáció kisebb árnyékoló hatásával magyarázták. A talajnedvesség-tartalom a kis lékben szignifikánsan nagyobb, a közepes lékben szignifikánsan kisebb volt, mint a környező állomány alatt, a nagy lékeknél nem volt szignifikáns különbség. A közepes lékekben a kisebb talajnedvesség-tartalmat a nagyobb talajhőmérséklet miatti megnövekedett evaporáció okozhatta. ZHUA ET AL. (23) tengerparti fenyvesben vizsgálták különböző mértékű (%, 2%, 3%, 5%), folt-mintázatú szálaló vágások hatását az újulatra és abiotikus tényezőkre, köztük a talajnedvesség-tartalomra, ami pozitív korrelációt mutatott a vágás mértékével, ill. a létrejött lékek méretének növekedésével. A kezelések közti különbségek a nyári száraz időszak előrehaladtával növekedtek. Az áttekintett talajnedvesség vizsgálatok a legkülönbözőbb erdőtípusokat érintik. A vizsgált lékek száma különböző, egy vagy több, ugyanez mondható el a lékméretre is. Sok esetben három zónát különítettek el a lékekben. Néhány kivétellel csak a felszínközeli talajnedvességet mérték. Néhány kutatás kiterjedt a talajhőmérséklet vizsgálatára is. A mérési időtartam változó volt, általában egy vagy néhány év. A vizsgálatok eredménye is különböző, egy részüknél nem volt kimutatható különbség az állomány és a lék között, másoknál volt, bizonyos esetekben pedig a hatás függött a lékmérettől. A lékkeletkezés hatása a fényviszonyokra A lékek fényre gyakorolt hatása a leglátványosabb és leginkább kutatott lékhatással kapcsolatos téma (COLLINS ÉS PICKETT, 1987, CANHAM, 1988, CANHAM ET AL., 199, RITTER ET AL., 25, GÁLHIDY ET AL., 26). A legtöbb esetben a lékbe érkező fény mennyiségét és mintázatát a lék regenerációja szempontjából vizsgálják. (WHITMORE, 1989, CANHAM,1989, POULSON ÉS PLATT, 1989, CANHAM ET AL., 199, ABE ET AL., 1995, MCCARTHY, 21, DIACI, 22). A lék nagysága mellett a lék égtáji kitettsége (POULSON ÉS PLATT, 1989), földrajzi elhelyezkedése, topográfiai helyzete, alakja, a környező állomány magassága és a fák morfológiai jellemzői, illetve a lékátmérő (D) és az 13

állomány magasságának (H) aránya (D:H arány) is fontos tényezők a lékekben kialakuló fényviszonyok szempontjából (MCCARTHY 21, CANHAM, 1989). A lékeken belül is változatos lehet a fény mintázata, ami időben is változik, függ az időjárási viszonyoktól, az évszaktól és a lékregenerációtól (COLLINS ÉS PICKETT, 1987, POULSON ÉS PLATT 1989, RITTER ET AL. 25). A lékekbe érkező fény mennyisége jelentősen nagyobb lehet, mint a környező állományban, a növekedés mértéke igen változó (léktől függően, ill. egy léken belül térben és időben). CANHAM (1989) számításai alapján különböző kitettségű lejtőkön és földrajzi szélességi öveken elhelyezett, 25 m magas állományban nyílt 5 m sugarú hipotetikus lékekben a bejutó fény nagy térbeli heterogenitást mutat, és 25-2 %-kal nagyobb a zárt állományhoz képest. SCHMIDT ET AL (1996) bükkösben nyitott, 3 m átmérőjű lékekben azt tapasztalták, hogy míg az állomány alatt 7% volt a relatív megvilágítottság (a lombkorona feletti fényhez viszonyítva), a lékekben ez 25% fölé emelkedett. A lékkeletkezés hatása a talajhőmérsékletre A nagy mennyiségű talajfelszínre jutó fény általában növeli a talajhőmérsékletet az erdőkben (BAUHUS, 1996, GRAY ET AL., 22). Sok vizsgálatban kimutatták, hogy az erdőnek nagyobb hatása van a talaj hőmérsékletére, mint a levegőére (pl. CARLSON ÉS GROOT, 1997). Mivel a zárt erdőben kevesebb besugárzás jut a talajfelszínre, mint nyílt területen, kisebb a hőáram és a talajhőmérséklet is (PORTE ET AL., 24). Az erdő a sugárzási egyenleg legnagyobb részét (75-83%) evapotranszspirációra fordítja, jelentős része (16-17%) a levegő és a nagy mennyiségű biomassza hőforgalmát biztosítja, a talaj hőáramára csak néhány százaléka jut, nyáron valamivel kevesebb, tavasszal és ősszel több (1-8%) (MÁTYÁS, 1996). Mivel ez nem jelentős energiabevétel, a talajfelszín közelében a hőháztartást elsősorban advektív és konvektív hőszállítási folyamatok alakítják ki. A talajfelszín vegetációs időszakban alacsonyabb hőmérsékletű, mint környezete, az erdő lombtalan időszakában azonban a besugárzás energiája felmelegítheti (MÁTYÁS, 1996). RITTER ET AL. (25) kimutatták, hogy az általuk vizsgált bükkös lékeinek jelentős részén nagyobb volt a talajhőmérséklet, mint a zárt állomány alatt. A talajhőmérséklet tavasszal és nyáron nagyobb területen, az állomány alá nyúlóan megváltozott, ősszel pedig csak a lékben. Lombhullás után, amikor a lombkorona nyitottabbá vált, ezáltal a fényviszonyok közötti különbségek csökkentek és a lomb szigetelő hatása csökkent, a lék talajhőmérsékletre gyakorolt hatása eltűnt. Ehhez hasonló eredményeket kaptak CARLSON ÉS GROOT (1997) egy rezgő nyár dominálta, 4 éves erdőben, ahol különböző méretű lékek (,6ha,,25ha,,135ha,,27ha, 1,5ha) hatását vizsgálták a talajhőmérsékletre 5 és 2 cm-es mélységben. A talajhőmérséklet átlag, minimum és maximum értékei egyaránt nőttek a lékméret növekedésével, a különbség a vegetációs időszak előrehaladtával, a növények fejlődésével csökkent. A zárt állomány és a lékek közti különbség mindkét mélységben 2 C körül alakult. Az eredmények értelmezésénél figyelembe kell venni, hogy csak egy évben, jún.15-től szept.6-ig végeztek méréseket. DEVINE ÉS HARRINGTON (27) egy fiatal duglászfenyves ültetvényben (Washington, USA) a vágás után visszamaradt faanyag teljes eltávolításával és az aljnövényzet irtásával, illetve csak a törzsek kitermelésével járó, az aljnövényzet irtásával és anélkül végzett kezelések talajhőmérsékletre gyakorolt hatását elemezték napi és szezonális időléptéken, emellett a mikroélőhelyek (olyan hey, ahol a környezeti változók finom térléptékben szigetszerűen elkülönülnek a környezettől) hatását is kimutatták. A 1 C-ot meghaladó talajhőmérsékletű napok évi száma a teljes faanyag eltávolítása esetén nagyobb volt, mint csak a törzsek eltávolításánál; a legnagyobb különbség a legmelegebb tavasszal jellemezhető évben volt. A teljes faanyag eltávolítása esetén a mikrosite-ok talajhőmérséklete szignifikánsan különbözött (csupasz talaj > érintetlen avar > holtfa > fatörzs-árnyék), csak a törzsek kitermelésénél egyedül a fatörzs-árnyék különbözött a többi microsite-tól. A napi 14

felmelegedés a holtfával borított talajban lassabb, mint a többi folton. Az aljnövényzet irtásának nem volt jelentős hatása. A kisebb mikrosite variabilitás és a faaanyag otthagyásával kialakuló kisebb napi talajhőmérséklet-ingadozás olyan területeken lehet előnyös, ahol az extrém magas nyári hőmérséklet gondot okoz. A teljes faanyag eltávolításának hatására megnövekvő tavaszi-kora nyári talajhőmérséklet a korai csemete-fejlődésnek kedvezhet. A talajhőmérséklet napi és szezonális ingadozása nagyobb lehet a lékekben, mint az állomány alatt (RITTER ET AL. 25). A felszíni talajhőmérséklet függ attól, hogy mennyi direkt besugárzás éri az adott pontot. A nyári maximum hőmérséklet az egynéhány fa kidőlésével keletkezett lékekben akár 4-5 ºC-kal magasabb lehet, mint az állomány alatt, és ez a különbség a lékméret növekedésével együtt nő (COLLINS ET AL. 1985, PHILLIPS ÉS SHURE 199). A léken belül ugyanakkor lehetnek olyan foltok is, ahol kisebb a talajhőmérséklet, ennek oka lehet a lékben regenerálódó növények, elsősorban fák árnyékoló, illetve a transzspiráció révén a levegőt hűtő hatása (RITTER ET AL., 25). 2.7 A fényviszonyok és a talajnedvesség-tartalom hatása az aljnövényzetre, ill. a felújulásra A fény és a talajnedvesség-tartalom összetett módon befolyásolják a növények megtelepedését és fejlődését. Meleg, száraz környezetben a részleges árnyékolás (ritkítás, lék, erdő széle) a legkedvezőbb a szárazságra érzékeny/vízigényesebb csemeték számára, mivel így a talajnedvesség-tartalom nagyobb lehet, mint az erős besugárzásnak kitett nyílt területen, viszont nem jelentkezik erős fényhiány sem RODRIGUEZ-CALCERRADA ET AL., 28). A vízhiány számos fiziológiai folyamatra hat, ami a vegetatív és reproduktív növekedés csökkenéséhez, illetve a fák sérüléséhez, pusztulásához vezet (KOZLOWSKY, 22). Az enyhe szárazság-stressznek kitett magoncok adaptálódnak a szárazsághoz, az kevésbé károsítja őket, mint a stressz nélkül fejlődött magoncokat (CLEMENS ÉS JONES, 1978; ABRAMS, 1988). A legtöbb kutatás a fényintenzitás növekedésének hatását vizsgálja a magoncok túlélésére és növekedésére (pl. EMBORG, 1998). Hazánkban a fény és a növényzet összefüggéseit vizsgálták pl. KERTÉSZ (1982), LÁPOSI ET AL. (2). A talajnedvesség-tartalom hatása, a talajnedvesség-tartalom és a fény közti kölcsönhatás, illetve hatásuk az aljnövényzetre kevésbé kutatott téma. MADSEN (1994) kimutatta, hogy a két változó között kölcsönhatás van, ezért az erdészeti kezelések hatásának helyes értelmezéséhez a két tényezőt együttesen kell vizsgálni. Egy kísérletben 2 literes edényekben négy különböző fény intenzitást és az azonos fényintenzitású területeken belül négy különböző talajnedvesség-tartalmat, vagyis összesen 16 kezeléskombinációt állított be. A legnagyobb nedvességtartalomnál a magoncok növekedése lineárisan nőtt a fény intenzitással, és csökkent a gyökér/hajtás arány. Alacsonyabb nedvességtartalmaknál mindkét növényi változó enyhén nőtt a fény intenzitás növekedésével. A talajnedvesség-tartalom hatását erdők aljnövényzetére kimutatták pl. ELLENBERG (1978), OKLAND (199) és OKLAND ÉS EILERTSEN (1993). BARIK ET AL. (1992) különböző méretű lékekben (34-95 m 2 ) és az erdő gyepszintjén vizsgálták az abiotikus tényezőket (fotonáram sűrűség, levegő relatív páratartalma és hőmérséklete, talajhőmérséklet, talajnedvesség-tartalom) és a növényzetet. A talajnedvességtartalom nem különbözött szignifikánsan a lékek és az erdő között, a lékek közti és szezonális különbségek viszont jelentősek voltak. A lékméret növekedésével csökkent a talajnedvességtartalom. A lékméret grádiens mentén változó fény- és talajnedvesség-viszonyok fontos szerepet játszottak a növényzet összetételének és az árnyéktűrő és fénykedvelő fafajok előfordulásának kialakításában és az erdő teljes növényfaj diverzitására is hatással voltak. A felújulással kapcsolatban több eredmény található az irodalomban. A lombkoronaszint és az aljnövényzet borítása, a talajnedvesség-tartalom és a talaj humusztartalom hatását vizsgálták a bükk felújulására svéd bükkösökben MADSEN ÉS LARSEN (1997). A vizsgált 15

tényezők közül csak a lombkorona borítása volt hatással a magoncok számára. A zártabb lombkoronájú helyeken kisebb volt a magoncok száma, mint a nyíltabb helyeken. A csemeték növekedésére a lombkorona borítása mellett hatással volt a talajnedvesség-tartalom is. A nedvesebb talajú mintavételi helyeken szignifikánsan nagyobb volt a növekedés, amit a mintavételi egység legmagasabb csemetéjének magasságával fejeztek ki. A vizsgálat során végeztek egy fokozatos felújító vágást, ami hatással volt a talajnedvesség-tartalomra. A kezelés után a kivágott fák közelében levő mérési pontokon nagyobb volt a talaj nedvességtartalma, mint a megmaradt fák környezetében levő pontokon. A talajnedvességtartalom és a fényviszonyok között korábbi vizsgálataikkal (MADSEN, 1994, MADSEN 1995) ellentétben nem találtak szignifikáns összefüggést. 2.8 A talajnedvesség-tartalom térbeli mintázata A talajnedvesség-tartalom térbeli változatosságát számos tényező alakítja, úgy, mint a topográfia, a talaj tulajdonságai, a növényzet típusa és borítása, az átlag nedvességtartalom, a talajvízszint mélysége, a csapadék mennyisége, a besugárzás és más meteorológiai tényezők (FAMIGLIETTI ET AL., 1998). A lékekben a növényzet az egyik legfontosabb tényező, amely összetett módon hat. Közvetlen hatást gyakorol a nedvességtartalomra a talajból való vízhasználat, a transzspiráció révén. A csapadékból a növényzet által felfogott és róla elpárolgó víz miatt kisebb hányad jut el a talajfelszínre. A növényzet árnyékolja a talajfelszínt, ezáltal befolyásolja az evaporációt. Turbulenciát keltve növeli az evapotranspirációt. A gyökértevékenység révén és a felszíni talajréteg szervesanyag tartalmának növelésével változtatja a talaj vízvezető képességét. A hatás mértéke a vegetáció típusától, denzitásától és az évszaktól is függ. Csupasz talajon a talajnedvesség-tartalom mezoskálán jelentkező térbeli varianciájának nagy része magyarázható a talajtulajdonságok változatosságával (WENDROTH ET AL., 1999). Növényzeti borítás esetén már gyepeken is sokkal inkább az evapotranszspiráció szabályozza a talajnedvesség-tartalom mintázatát (WESTERN ET AL., 1998). Erdőkben még nagyobb a növényi vízfogyasztás, így a fák vízfelvétele még inkább elfedi a talajtulajdonságok hatását. FAMIGLIETTI ET AL. (1998) húsz, finom skálán végzett, a talajnedvesség-tartalom térbeli változékonyságát vizsgáló munkát összegyűjtött, ezek közül a legtöbb gyengesége, hogy térben és/vagy időben alacsony a mintavételi gyakoriságuk. Ennek oka a talajnedvességtartalom mérésének nagy műszer, ill. munkaigénye. REYNOLDS (197), HAWLEY ET AL. (1983) és FRANCIS ET AL. (1986) egyaránt szignifikáns talajnedvesség-tartalom különbséget mutattak ki a növényzeti borítás különbségeiből következően. HAWLEY ET AL. (1983) azt is leírták, hogy ez a különbség gyakran nagyobb a nedves, mint a száraz időszakokban. A talajnedvesség lékeken belüli térbeli mintázatát kevesen vizsgálták. GAGNON ET AL. (23) a felszíni talajnedvesség (-15 cm) léken belüli variabilitását vizsgálták hegyvidéki hosszútűjű fenyő (Pinus palustris) erdőben. Az extrém száraz időjárással magyarázták, hogy nem találtak a léktől való távolság, ill. a lékbeni elhelyezkedés szerint szignifikáns különbséget. A 3 db, 9 m átmérőjű léket három zónára osztották (belső, középső és külső gyűrű), a várt léken belüli forrás (fény, talajnedvesség) grádiensek miatt. Hozzájuk hasonlóan WILCZYNSKI ÉS PICKETT (1993) mérsékelt övi lombhullató erdőben, ill. PALIK ET AL.(1997) és MCGUIRE ET AL. (21) hegyvidéki hosszútűjű fenyő (Pinus palustris) erdőkben sem találtak léken belüli különbségeket a talajnedvesség-tartalomban. Más vizsgálatok viszont talajnedvesség grádienst mutattak ki, pl. MINCKLER ÉS WOERHEIDE (1965) kaliforniai fenyvesben és BROCKWAY ÉS OUTCALT (1998) hosszútűjű fenyvesben. CLINTON ÉS BAKER (2) kimutatták, hogy a zavarás hatására kialakuló mikrotopográfiai változatosság (gyökértányérok- és gödrök) térbeli heterogenitást hoz létre a talajnedvesség-tartalom és a talajhőmérséklet tekintetében egyaránt. A talajnedvesség-tartalom varianciája 16

Sok vizsgálat azt mutatta ki, hogy a talajnedvesség-tartalom varianciája csökken az átlag talajnedvesség-tartalom csökkenésével (HILLS ÉS REYNOLDS, 1969; REYNOLDS, 197; HENNINGER ET AL., 1976; BELL ET AL., 198; HAWLEY ET AL., 1982; ROBINSON ÉS DEAN, 1993). A variancia időbeli változásával kapcsolatban REYNOLDS (197c) azt vetette fel, hogy a variabilitás a csapadék események után lehet a legnagyobb, mivel a talaj heterogenitásának hatása ekkor a legerősebb, és hasonlóan, a variabilitás száraz időszakok végén a legkisebb, mert a talaj heterogenitásának hatása ekkor a legcsekélyebb. HAWLEY ET AL. (1983) kiterjesztette ezt a felvetést azzal, hogy a variancia nőhet a csapadék mennyiségének növekedésével és extrém száraz körülmények között. HILLS ÉS REYNOLDS (1969) szerint viszont a variancia a legnagyobb lehet a közepes átlag nedvességtartalomnál, amikor egyszerre vannak jelen kis kiterjedésű, gyorsan száradó és nedves területek, ami heterogénné teszi a nedvességviszonyokat. A talajnedvesség-tartalom térbeli szerkezete A talajnedvesség-tartalom térbeli szerkezete geostatisztikai megközelítéssel vizsgálható. Sok vizsgálat kimutatta, hogy különböző léptékeken térben korrelál (pl. BRUCKNER ET AL., 1999). Erdőre vonatkozóan kevés ilyen vizsgálat található az irodalomban, és a tanulmányok nagy része egyáltalán nem foglalkozik a térbeli korreláció időbeli változásával, ami pedig az erdőkben különösen nagy jelentőségű, mivel az időben változó lombborítás módosítja a csapadék és a talajból történő vízfelvétel térbeli mintázatát is (SCHUME ET AL., 22). SCHUME ET AL.(22) egy alsó-ausztriai lucfenyő-bükk állományban végeztek geostatisztikai vizsgálatokat abból a célból, hogy az interpolációval nyert talajnedvességtartalom mintázatot összevessék a fafajok mintázatával. Egy,5 ha nagyságú mintanégyzetben 194 pontban (különböző mintavételi sűrűségű rácshálókban) 14 naponta mérték TDR műszerrel a -3 cm-es talajréteg nedvesség-tartalmát a 2-es év vegetációs időszakában. A szemivariogramok távolsága 4-2 m között változott, a talaj nedvességtartalmától és a száradási, újranedvesedési előzményektől függően. Mivel a korrelációs hatótávolság a vegetációs periódust megelőző, szabadföldi vízkapacitással jellemezhető talajnedvesség-állapotnál volt a legnagyobb, arra következtettek, hogy az ebben az időszakban végzett geostatisztikai vizsgálattal megállapítható a maximális korrelációs hatótávolság. Erdőben végeztek geostatisztikai vizsgálatot BRUCKNER ET AL. (1999). Nagy léptéken vizsgálódtak, a 18 m-es transzekt mentén a korrelációs hatótávolság 1 m-ig terjedt. A talajnedvesség-tartalmat anizotrópnak találták. A variációs koefficiens (CV%) alacsony volt, a variogramok alakja exponenciális. 2.9 A talajnedvesség-tartalom mérési módszerei A gravimetriás (szárítószekrényes) módszer (Buzás,1988a) mellett napjainkban az indirekt elektromos/elektromágneses módszerek a legelterjedtebbek. A TDR (Time Domain Reflectometry) talajnedvesség-mérési módszer elvi lehetőségét FELLNER-FELDEGG (1969) mutatta meg. A módszer lényege, hogy egy impulzusgenerátorból nagyfrekvenciás jelet vezetnek a talajba helyezett elektródákra, amelyeken az végighalad, majd az elektródák végén a fellépő végtelen nagy ellenállás hatására visszaverődik. A nagyfrekvenciás jelnek az elektródákba lépése és az elektróda végéről történő visszaverődése között eltelt időből meghatározható a talaj látszólagos dielektromos állandója (RAJKAI, 24). A talaj látszólagos dielektromos állandója és térfogatszázalékos nedvességtartalma között a talajjellemzők széles spektrumában szoros összefüggés van (TOPP ET AL., 198, TOPP ÉS DAVIS, 1985) így a módszer alkalmas a talaj nedvességtartalmának meghatározására. Az összefüggés magyarázata az, hogy a víz dielektromos állandója 2 C o -on 81, a levegőé 1, a teljesen száraz talajé pedig 3 és 5 közötti (RAJKAI, 24). A módszer nagy előnye más elektromos módszerekhez képest az, hogy a mérést a talaj elektrolit- és sótartalma nem befolyásolja, de az ismert pontosságú méréshez a 17

TDR műszerek esetében is talajspecifikus kalibrációra van szükség (RAJKAI, 24). A TDR módszer hatékonyan alkalmazható a talajnedvesség-tartalom térbeli mintázatának in-situ mérésére (RAJKAI ÉS RYDÉN, 1992). A mátrai és a bugaci mérőállomáson használt Campbell (CS615 és CS616) nedvességtartalom mérő műszer frekvencia domain reflektométer (FDR) (CAMPBELL SCIENTIFIC INC., 22, RUELLE ÉS LAURENT, 28). A TDR-től abban különbözik, hogy (a jel elektródán végighaladási idejének elemzése helyett) egy következő jel kibocsátási idejét használja (periódus idő) a talaj nedvességtartalma kijelzésére. A szenzor oszcillációs frekvenciája azonban nem csupán a talaj nedvességtartalmától, hanem elektromos vezetőképességétől, agyagásványtípusától, agyagtartalmától és a hőmérséklettől is függ. Emiatt különösen fontos a műszer adott talajra történő kalibrációja. A Frequency Domain (FD) talajnedvesség-mérők (pl. az általam használt IMAG cég műszere, HILHORST, 1998, DIRKSEN, 1999) a talajnedvességgel összefüggő relatív permittivitást határozzák meg, kisebb frekvenciát alkalmazva (2 MHz), mint a TDR módszer. A permittivitásból történő talajnedvesség-tartalom meghatározás a kapacitív talajnedvességmérő műszerekhez hasonlóan talajspecifikus kalibrációt tesz szükségessé (RAJKAI, 24). A kapacitív talajnedvesség-mérők közé tartoznak az általam is használt BR-3 (VÁRALLYAY ÉS RAJKAI, 1987) és az ECH2O (DECAGON DEVICES, INC., 25) műszerek. A kapacitív talajnedvesség-mérési módszer (RAJKAI, 24) elve az, hogy egy oszcillátorjel továbbítódik a műszer elektródáira, onnan pedig az azok geometriája által meghatározott geometriájú elektromos mező a talajba. Az oszcillátor jel fázisszög változásával arányos kimenő feszültséget jelez ki a műszer. A fázisszögváltozás a talaj dielektromos állandójától (permittivitásától) függ. Mivel a talaj permittivitása elsősorban a nedvességtartalomtól függ (a víz dielektromos állandója sokkal nagyobb, mint a talaj egyéb összetevőié), a fázisszög változásból megfelelő kalibrációval következtethetünk a talaj nedvességtartalmára. 2.1 Földhasználatváltás A földhasználatváltás (erdő-gyep-szántóföld) jelentős hatással lehet a talaj hidrológiai jellemzőire és a vízforgalomra (WAHL ET AL.,23). Az erdőirtások, az erdők helyén kialakított szántók számos káros hatás mellett megváltoztatják a klímát is (RAJKAI, 28). Lejtős terülteken az erdőirtás erózióhoz vezethet, és ennek következtében csökkenhet a talaj szerves anyag tartalma. A hatékony földhasználat-tervezéshez vízgyűjtőnként kell a folyamatot vizsgálni (THANAPAKPAWIN ET AL., 26), a különböző földhasználat váltási szcenáriók hatásának szimulációjakor figyelembe véve az egyes területek lejtőn belül elfoglalt helyét. MORECROFT ET AL. (1998) egy tölgyes és egy gyep mikroklímáját hasonlították össze. A léghőmérséklet különbsége a nyári időszakban átlagosan,6-,9 C volt, de napos időben akár 3 C-kal is alacsonyabb volt a lombkorona alatt, mint a nyílt területen. Télen ez a különbség elhanyagolható volt. A lombnak a talajhőmérsékletre sokkal nagyobb hatása volt, és az erdőben kisebb volt a hőingadozás. A lég-és talajhőmérséklet különbsége az erdő és a gyep között összefüggésben volt a besugárzással, a lomb jelenlétével/hiányával és a szélsebességgel. Megállapították, hogy a talajnedvesség-tartalomnak nem volt szignifikáns hatása a talajhőmérsékletre, amit azzal magyaráztak, hogy a talaj hővezető képessége nem volt érzékeny a talajnedvesség-tartalomra, és kicsi volt a talaj hőáram. 2.11 Az evapotranszspiráció (ET) és az azt meghatározó tényezők közötti kapcsolat Az evapotranszspiráció két folyamat, a talajfelszínről történő párolgás, azaz az evaporáció és a növényi vízvesztés, vagyis a transzspiráció együttes elnevezése. A talajt minél nagyobb arányban borítja növényzet, ill. minél kifejlettebb, annál inkább a transzspiráció válik a domináns tényezővé (ALLEN ET AL., 1998). 18

Az evaporáció a folyékony víz vízgőzzé alakulását és annak a párolgási felszínről való távozását foglalja magában (BARANOWSKI ÉS USOWICZ, 25). A párolgáshoz szükséges energiát elsősorban a besugárzás adja, így ez a legfontosabb ET-t meghatározó tényező. Emellett kisebb mértékben a környező levegő hőmérséklete is hozzájárul a párolgáshoz szükséges energia biztosításához. A vízgőznek a párolgási felszínről (talaj/növényzet felszíne) való eltávozásához a párolgási felszín és a környező légkör közti vízgőznyomás-különbség a hajtóerő. Az evaporáció során a környező légkör folyamatosan telítődik, így a folyamat lassul és meg is állhat, ha a nedves levegő nem szállítódik el. A vízgőztelített levegő szárazabb levegővel való cseréje elsősorban a szélsebességtől függ. Tehát az evaporációt meghatározó fő meteorológiai tényezők a besugárzás mellett a léghőmérséklet, a levegő páratartalma és a szélsebesség. A transzspiráció a növényi szövetekben található víz vízgőzzé alakulását és a vízgőz légkörbe jutását jelenti (BARANOWSKI ÉS USOWICZ, 25). A növények a felvett vízmennyiség nagy részét elpárologtatják. A felvett víz elpárologtatása a levelekben, a sejtközti terekben történik. A vízvesztés a sztómákon (gázcserenyílásokon) keresztül folyik, a folyamat fiziológiai szabályzás alatt áll, a sztómák nyílásának-záródásának szabályzásán keresztül, amit a levél nedvességpotenciálja, hosszabb távon pedig a talaj nedvességpotenciálja határoz meg. A transzspiráció mértéke az evaporációhoz hasonlóan a rendelkezésre álló energiától és a vízgőznyomás grádienstől függ, vagyis a besugárzás, a léghőmérséklet-, és páratartalom és a szélsebesség a befolyásoló meteorológiai tényezők. A talajnedvesség-tartalom és a talaj vízvezetőképessége, ami befolyásolja a gyökerek felé történő vízmozgás sebességét, szintén befolyásolja a transzspirációt. A növényi jellemzők is fontosak, a transzspiráció függhet a növényfajtól, fajtától, a fejlődési fázistól, a környezettől és a műveléstől is (ALLEN ET AL., 1998). A szélsebesség hatása az ET-re különböző időjárási körülmények között eltérő. Forró, száraz időszakokban sokkal erőteljesebb, mint nedves, meleg időjárás esetén (2.1. ábra). Utóbbi esetben ugyanis a szél a vízgőz-telített levegőt csak kicsit kevésbé telített levegővel tudja cserélni, míg száraz körülmények között nagy mennyiségű vízgőzt be tud fogadni a légkör, és viszonylag kis szélsebesség növekedés is erősen növelheti az ET intenzitását (ALLEN ET AL., 1998). Referencia evapotranszspiráció Forró, száraz Meleg, nedves Szélsebesség (m/s) 2.1. ábra A szélsebesség hatása az evapotranszspirációra forró, száraz és meleg, nedves időjárási körülmények között. Forrás: Allen et al., 1998 (FAO). A párolgási felszínen, illetve a talajban rendelkezésre álló víz mennyisége limitáló tényező lehet, ha nincs a párolgási igénynek megfelelő mennyiségű víz a talajban, az evaporáció gyorsan lelassul és le is állhat (ALLEN ET AL., 1998). A talaj-növény rendszer biofizikai tényezői, mint a fajkészlet, a lombozat szerkezete, a fenológia és a növények fiziológiai tulajdonságai is befolyásolják az ET-t. 19

Az evapotranszspiráció ökológiai, hidrológiai, talajtani és meteorológiai szempontból egyaránt fontos folyamat, ezért sok megközelítésű meghatározási módszere ismert (WILSON ET AL., 21). A módszerek különböznek bonyolultságuk, adat, ill. műszerigényük, tér és időbeli léptékük és hibájuk tekintetében, ill. abban, hogy a teljes evapotranszspirációt vagy annak csak az egyik komponensét határozzák meg. Az ET mérése nem egyszerű, speciális, drága műszereket igényel, különböző fizikai jellemzők vagy a vízmérleg pontos mérése szükséges hozzá, ezért rutin alkalmazásra nem alkalmas, inkább az indirekt módszerek ellenőrzésére lehet megfelelő eljárás. A mérési módszerek két megközelítéshez kötődnek, ezek az energiamérleg (Bowen-arány módszer) és mikrometeorológiai módszerek, és a vízmérleg módszer. Az általunk is alkalmazott ún. eddy kovariancia módszer a mikrometeorológiai módszerek közé tartozik, a vízgőz, a szén-dioxid és más nyomgázok, továbbá a hő növényzet és légkör közötti turbulens áramainak (hosszú időtartamon keresztüli) mérésére szolgál (DYER, 1961). A módszer azon alapul, hogy a vertikális szélsebesség és egy adott tulajdonság szorzatának szórása (kovarianciája) az adott tulajdonság turbulens áramának tekinthető. A vertikális szélsebesség és a vízgőz-koncentráció kovarianciája a látens hőáram, vagyis az evapotranszspiráció energiája (RANA ÉS KATERJI, 2). Mivel a módszer igen drága műszereket és nagyon kis időközönkénti méréseket igényel, ezért költséges és az ökológiai kutatásokban még nem terjedt el széleskörűen. Kelet- Európában csak a két magyarországi állomás áll rendelkezésre (Bugacpuszta, Szurdokpüspöki) (PINTÉR ET AL., 27). A vízmérleg módszer lényege, hogy az ET-t a vízmérleg egyenletből maradék tagként határozzuk meg, az egyenlet többi tagjának ismeretében. A módszer viszonylag egyszerű és napi léptéken használható, de a mérések általában kis területre reprezentatívak, a talajnedvesség-tartalom nagy térbeli változatossága miatt a nagyobb területre való extrapoláció nem egyszerű (WILSON ET AL., 21). A pontos terepi mérések nehézségei miatt leggyakrabban a meteorológiai adatokból való számítás módszerét használják az ET meghatározására. Nagyon sok többé-kevésbé empirikus egyenletet dolgoztak ki a meteorológiai adatok alapján való ET becslésre. Ezek egy része csak az adott éghajlati vagy mezőgazdasági viszonyok között érvényes, nem alkalmazható más területeken, mint amire eredetileg kidolgozták. A módszerek tesztelése az eredetitől eltérő körülmények között idő- és munkaigényes és költséges. A FAO vizsgálatai alapján a FAO Penman-Monteith módszer lett az ajánlott módszer a referencia evapotranszspiráció (ET ) meghatározására, ami egyesíti az energetikai, az aerodinamikai és a biofizikai tényezőket. Az ET a légkör párolgási igényét fejezi ki egy adott területen, az év egy adott időpontjában. A módszer kifejlesztése során definiáltak egy hipotetikus referencia növényt, melynek magassága,12 m, felületi ellenállása 7 s m -1, albedója,23. Ezzel közelítették egy kiterjedt, uniform magasságú, aktív növekedésben levő és adekvát módon öntözött zöld gyeppel borított felület párolgását (ALLEN ET AL., 1998). 2.12 A vízforgalom modellezése A vízforgalom modellezésére használt, a talaj, a növényzet és a légkör (az időjárás) hatásait integráló szimulációs modellek is alkalmazhatók az ET meghatározására. A matematikai modellek egyik legfőbb előnye, hogy komplex rendszerbe összefogva leírhatóvá teszik a vízforgalmat meghatározó összetett folyamatokat és a köztük lévő kölcsönhatásokat (RAJKAI, 21, RAJKAI ET AL., 24). Használatukhoz időjárási, növényzeti és talajtényezők ismeretére, mért adatokra van szükség, viszont nagyrészt az ET-nál könnyebben mérhető jellemzők mérése elégséges ehhez, így az ET mérési módszereinél szélesebb körben használhatók. A szimulációs modellezés hipotézis-, illetve paraméterérték tesztelés és ellenőrzés mellett bemeneti változóértékek (pl. talajvízpotenciálérték) generálására is alkalmas, ezáltal összetett modellezési feladatok végzése válik lehetővé (ANDRÉN ET AL., 1992). 2