4. Anyag és módszer
5.7. A különböz ő lépték ű vizsgálatok együttes értékelése (léptéksor)
Az előző fejezetekben részletezett egyes vizsgálati eredményeket a 23. táblázatban foglaltam össze.
A táblázat első két oszlopában szereplő, két esőszimulátoros méréssorozat eróziós adatainak különbsége a vizsgált területek lejtőhosszúságából fakad. A terepi kísérleteket és a nagylaboratóriumi kísérletek azonos lejtés, talaj és talajállapot mellett folytak, csupán a parcellák hossza és szélessége tért el egymástól. Mivel ilyen kis parcellaszélességnél (1 és 2 m) a szélességnek nincs eróziót befolyásoló hatása, a különbséget tehát csak a parcellák hossza (3 és 5 m) közti különbség okozhatta. Parson szerint a legnagyobb talajveszteség 4-14 m-es parcellákon mérhető (Parson et al., 2006). A fajlagos eróziót azért számítottuk 0,5 órára, mert Nagykanizsa és Zalaegerszeg környékén 10 évente egyszer előfordul olyan csapadék, amely fél órán keresztül akár 70 mm/h-s intenzitással esik, ami a vizsgálatunk körülményeivel nagyjából megegyező.
A táblázat 3. és 4. oszlopában a 2006. 05. 14-i csapadékesemény hatását figyelhetjük meg tábla és kisvízgyűjtő szinten. Az adatokból kitűnik, hogy a Nagyhorváti felett pontosan kétszer akkora átlagintenzitású volt a csapadék, mint Szentgyörgyvár felett. Nagyhorvátiban tovább is tartott (2,66 óra) a csapadékesemény. Ennek ellenére Nagyhorvátiban, a kisvízgyűjtőn mért erózió nagyságrendekkel kisebb, mint a szentgyörgyvári 1200 m2-es
„táblákon”. A szentgyörgyvári tábla egy egyenes lejtőnek fogható fel. Lejtése viszonylag nagy (9 %), míg a 0,7 km2 területű, változatos domborzatú kisvízgyűjtő, 29,6-os relatív relieffel és 4,7 %-os átlagos lejtőmeredekséggel bír. Ezek közül a különbségek közül a területnagyság az, ami a változatos (kihajló, behajló lejtők, dombtetők, völgyek) domborzaton keresztül nagyban befolyásolja a kisvízgyűjtőről származó hordalék mennyiségét. Az 1200 m2-es táblákon, az összes talaj, amely egyszer megindult lefelé a területről, nagy valószínűséggel meg is érkezik a tábla alján kialakított hordalékgyűjtő rendszerbe. A kisvízgyűjtő adott táblájáról viszont egyáltalán nem biztos, hogy eljut az összes hordalék a legalacsonyabb pontra telepített, Cipoletti-bukóval ellátott hordalékfogó medencébe. Sokkal valószínűbb, hogy túlnyomó része szedimentálódik a lefolyási út során a tábla kisebb lejtésű részén, vagy a növényzettel benőtt vízelvezető árkokban.
A következő két oszlopban (5. és 6.), szintén Nagyhorváti (kisvízgyűjtő) és Szentgyörgyvár (tábla) adatait láthatjuk. Ebben az esetben azonban egy-egy teljes esztendő csapadék és erózió adatait összesítettük. Ahogy az előző, egyedi csapadékesemények összehasonlításakor, úgy ebben az esetben is nagyságrendekkel volt kevesebb az erózió Nagyhorvátiban. A különbség oka az előbb leírtakéval azonos.
A táblázat utolsó oszlopában a Tetves-patak által lehordott talajmennyiség látható. A patak felső szakasza nagy esésű, bevágódó jellegű, míg az alsó szakaszon igen kicsi az esés.
A relatív relief: 1,64. Az 1970-től 2000-ig tartó periódus lényegesen csapadékosabb volt, mint az utóbbi évek. Ezért lehet az, hogy a Tetves-patak vízgyűjtőjéről lehordott talajmennyiség éves átlaga nagyságrendileg megegyezik a kisvízgyűjtő adatával, de számszerűen magasabb annál (Szűcs et al. 2007). A Tetves-patakeróziójában már a part elhabolás is szerepet játszhat.
A táblázat utolsó három sorában a USLE ható tényezőit tűntettük fel adott szintekre.
Az LS-tényező változásán jól nyomon követhető a parcellák hosszának hatása. Az R-tényező a két esőszimulátoros vizsgálat esetében megegyezik, hiszen a kijuttatott csapadék mindkét esetben azonos mennyiségű, és 60 mm/h intenzitású volt. A szentgyörgyvári adat kisebb ennél, mert a teljes csapadékesemény során csak 5 percig esett a szimulátoros mérésekhez hasonló (55,2 mm/h) intenzitású eső. A K-tényezők nagyon hasonlóak és alacsonynak mondhatók, mivel a talajtípus mindhárom esetben lényegében megegyezik.
Világosan látszik, hogy a parcella szintű mérések az igen összetett eróziós folyamatokat felülbecslik, elsősorban a nagyobb léptékben jelentős szerepet játszó kiülepedési folyamatok nem kellő reprezentációja miatt. A táblaszintű számításokban (23. táblázat, 3. és 5. oszlop) ez csak részben jelenik meg, amit igazol a terepi kisparcellás kísérlet és a szentgyörgyvári tényleges csapadék hatására bekövetkező fajlagos erózió hasonlósága is (2.
és 3. oszlop) a parcella hosszúságok tízszeres különbsége ellenére. Az eróziós monitoringban kisvízgyűjtő szintű mérések (4. és 6. oszlop) egyáltalán nem hanyagolhatók el, mert a tábla és a kisvízgyűjtő lépték között rendkívül jelentős további kiülepedés történik (vö.: 5.6. fejezet).
23. táblázat: Eróziós léptékek
A kisvízgyűjtőnél esetenként mért magas lebegőanyag tartalom (15. ábra) alapján arra következtethetünk, hogy a hordalék szállítási hányados csökkenése első fázisban a felszínen lefolyó víz beszivárgásából adódik, de ekkor a lebegőanyag tartalom még nem csökken jelentősen. Valószínűleg ez a fázis még a Horton-féle felszíni lefolyás fázisához tartozik. A következő szakaszban (feltételezhetően az interflow dominanciája idején) már a lebegőanyag
Oszlop
parcella tábla kisvízgyűjtő tábla kisvízgyűjtő részvíz-gyűjtő
tartalom is erősen csökken. A kisparcellás eróziós kísérletek során teljes egészében a Horton-féle felszíni lefolyás játszik szerepet, míg a tábla szinten és a kisvízgyűjtő szinten egyre nagyobb szereppel bír a felszín alatti lefolyási utakat is magában foglaló interflow jellegű lefolyás.
5.8. Összefoglalás
Disszertációm tárgya és célkitűzése az eróziós folyamatok léptékfüggésének vizsgálata, amely során különböző méretű vizsgálati egységeken (m2, ha, km2) eróziós kísérleteket, mintavételeket és méréseket végeztem, végül az eredményeket összehasonlítottam.
Az eredmények értelmezésével választ kerestem arra a kérdésre, hogy az EU talajvédelmi stratégiáját megalapozó tanulmányokban (Vandekerckhove et al., 2004) a gazdasági kihatásai alapján első helyre sorolt talajdegradációs folyamat, a vízerózió esetében Magyarországon milyen monitoring rendszer kiépítése javasolható.
A kutatás módszerei
Az eróziós kísérletek a Balaton vízgyűjtőjén folytak. A vízgyűjtő mindhárom részén (K-i, NY-i és D-i vízgyűjtő) egy-egy eróziómérő állomás került kialakításra. Ezeken a kisvízgyűjtőkön mértem a terület csapadékterhelését és az ebből, a területen lefolyt vizet és hordalékát. A kisvízgyűjtőkön terepi esőszimulátoros méréseket is végeztem, és később ugyanazokat a talajokat nagylaboratóriumi körülmények között is vizsgáltam. A tábla szintű vizsgálatok helyszíne Szentgyörgyvár volt. A részvízgyűjtő szintet pedig, a Tetves patak vízgyűjtője, illetve az arról a helyről származó csapadékesemény adatai reprezentálják. A vizsgált területek talajai túlnyomó részben változó erodáltságú agyagbemosódásos barna erdőtalajok, barnaföldek illetve lejtőhordalék talajok voltak.
A kisvízgyűjtőt alapvető vizsgálati egységnek tekintettük a munkánk során. Ezek mérete (1-7 km2) nagyobb az egységesen művelt táblák méreténél, de még elég kicsi ahhoz, hogy a USLE és egyéb modelleket még megbízhatóan alkalmazni lehessen rá.
2003 során három kisvízgyűjtőt (Tagyon, Nagyhorváti és Somogybabod) műszereztünk be, szem előtt tartva a Balaton három részvízgyűjtőjének általános karakterét.
A táblaszintű összehasonlításhoz a Szentgyörgyváron, 9 %-os lejtésű kísérleti területen végzett méréseket használtam. (Kertész et al., 2005).
A három kísérleti kisvízgyűjtő (Nagyhorváti, Somogybabod, Tagyon) mindegyikén végeztünk egy-egy kisparcellás méréssorozatot változó időtartam alatt (egy-három hét). A kísérleteket 10 m2-es parcellákon (5x2 m) 60 mm/óra esőztetéssel, július-augusztusban hajtottuk végre három különböző évben. A metodika kevés eltéréssel megegyezett.
Nagylaboratóriumi mérést végeztünk ugyanazzal az esőszimulátorral a terepi kísérletek helyén gyűjtött felszíni talajjal (Nagyhorváti, Tagyon és Somogybabod) 1x3x0,5 m mesterséges parcellán. Minden kísérleti variációban három, egymást követő esőztetést végeztünk 60 mm/h intenzitással. A kísérlet folyamán a terepi mérésekhez hasonlóan mértük a lefolyás intenzitását és az eróziót. A kísérletet a somogybabodi talajjal 13 %-os lejtés mellett végeztük, ami megegyezett a terepi parcellák átlagos lejtésével. A másik két talajjal szintén 13
%-os lejtés mellett végeztünk mérést, hogy közvetlen összehasonlításra nyíljon lehetőség a három talaj között, valamint a terepi lejtéssel is végeztünk mérést (Tagyon: 6 %, Nagyhorváti:
7 %).
A térinformatikai feldolgozás ArcView és ArcGIS programokkal végeztük (ESRI, 2003).
A mintavízgyűjtők jellemzéséhez légifotókat illesztettünk a topográfiai térképekhez és ezen történt meg a területhasználati kategóriák elkülönítése. A kisvízgyűjtő és vízgyűjtő szinten ugyanez a CORINE100 adatbázis alapján történt (EEA, 2005). 1:10000 méretarányú topográfiai térképek és magasságvonal térképek alapján történt a digitalizálás és a 10x10 m felbontású digitális domborzatmodell előállítása és ezt használtuk a domborzati jellemzők számításához.
A kutatás eredményei
Kisvízgyűjtők eróziós tulajdonsága
A három kisvízgyűjtő terület lefolyási adatai a 2004-2005-ös periódusban 2,1 mm és 10,2 mm között változtak. Az adatok különbözősége a csapadékesemények változatosságának, a vízgyűjtők nagyságbeli eltérésének, az adott kisvízgyűjtő elhelyezkedésének (Balaton vízgyűjtőn belül) és lejtési viszonyoknak tudhatók be elsődlegesen. A legkisebb értéket Nagyhorvátiban (összességében enyhe lejtésű, 1 km2-nél kisebb területű vízgyűjtő), a legnagyobbat Somogybabodon (viszonylag nagy lejtésű, 7 km2-es terület) regisztráltuk. A hordalék mennyisége a lefolyással arányosan változott (0,21 – 4,62 t/ha/év).
A Pannon R-02 és az Osztrák esőszimulátor összehasonlítása – módszertani megfigyelések A két esőszimulátor összehasonlítása során (Somogybabod) kapott legszembetűnőbb eredmény, hogy mind a lefolyás, mind az erózió egyenlettel becsült maximuma lényegesen függ attól, hogy a magyar, vagy az osztrák esőszimulátort használtuk, és éppen ellentétesen a két vizsgált jelenség esetén: a magyar esőszimulátor esetében kisebb a lefolyás és nagyobb az erózió, mint a másik eszközzel végzett kísérletben.
A lefolyás eltérése valószínűleg cseppképzés és a szakaszos működés különbözősége ad magyarázatot. Mivel a víznyelés mértéke arányos az esőztetés tényleges intenzitásával, ezért a magyar szimulátor esetében nagyobb a beszivárgás az öntözés periódusaiban is, és utána, a hosszabb öntözésmentes periódusban is több idő áll erre rendelkezésre. Az erózió eltérésére is a berendezések konstrukciójában kell magyarázatot keresnünk. A magyar esőszimulátor cseppképzését injektoros szórófejek valósítják meg és az egyébként is nagyobb intenzitású öntözési periódusokban sokkal nagyobb energiával csapódnak a cseppek a talaj felszínéhez, mint a mágneses cseppképzésű osztrák berendezésből. Az egy mm lefolyó vízre jutó erózió mértéke a magyar berendezés esetében 57 %-al haladja meg az osztrák berendezéssel kapott eredményt.
Különböző talajok összehasonlítására mindkét eszköz egyformán alkalmas. A tapasztalatok azt mutatták, hogy az osztrák esőszimulátor sokkal könnyebben kezelhető a terepen, így a több helyszínt érintő, mobilitást feltételező mérésekhez alkalmasabb.
Terepi kisparcellás kísérletek eredményei
Nagyhorvátiban a lefolyás az első esőztetés alatt csak sokára, 30-50 perc után indult meg, és lineárisan nőtt az esőztetés végéig. A következő esőztetések során a lefolyás öt percen belül elkezdődött, egyre nőtt és a vége felé egyensúlyi helyzethez közelített. A negyedik öntözésben a négy parcella nagyon egyöntetű képet mutatott, a lefolyás intenzitása kb. 30 perc alatt elérte az egyensúlyi szintet, a 0,6-0,65 l/m2/perc értéket. A növekvő intenzitású felszíni lefolyás együtt járt az erózió fokozatos növekedésével az egymás utáni kísérletek során. Az utolsó öntözésben azonban az erózió már 10 perc alatt elérte az egyensúlyi, 10-15 g/m2/perc értéket.
Somogybabodon a lefolyás szinte azonnal megkezdődött az esőztetés kezdetén. Értéke már az első esetben is gyorsan, de később még gyorsabban nőtt, és 10-20 percen belül egy magas egyensúlyi értéken állapodott meg (0,6-0,7 l/m2/perc). Az erózió hasonló módon 10-15 perc alatt elérte az 50-100 g/m2/perc egyensúlyi értékét.
A tagyoni kísérletben az első mesterséges eső hatására a lefolyás később indult meg (a tízedik perc körül), mint a későbbiekben (kb. öt perc környékén), de már az első esőztetésben elérte a később jellemző egyensúlyi lefolyás (0,45-0,55 l/m2/perc) alsó határát. Az erózió szempontjából az egyik parcella már az első esőztetés során úgy viselkedett, mint ahogy azt a későbbi öntözések során láttuk, amelyekben a talajlemosódás 2-5 g/m2/perc érték között állapodott meg.
A kísérleti helyek eltérő meredeksége részben magyarázattal szolgál a megfigyelt jelenségekre, de a talajok erodálhatóságában is óriási különbségeket tártunk fel. Az adatokon túl a kísérlet végére előállt talajfelszín is érzékeltette, hogy Somogybabodon egy rendkívül könnyen erodálódó, Tagyonban és Nagyhorvátiban az eróziónak bizonyos mértékben ellenálló talajt találunk.
Nagylaboratóriumi eróziós mérések
A különböző talajok azonos körülmények közötti összehasonlítására a somogybabodi terepi körülményekkel megegyező 13 százalékos lejtőmeredekséget választottuk, mert ez az érték volt a legnagyobb, így ebben a kísérletben várhattuk a legnagyobb eróziót is. Ezen túl a másik két helyszín talajával megismételtük a kísérletet a terepi viszonyoknak megfelelő lejtőmeredekséggel is (Tagyon 6%, Nagyhorváti 7%) annak érdekében, hogy a terepi és a nagylaboratóriumi eredmények közvetlenül összehasonlíthatók legyenek.
Az egyensúlyi helyzetben a lefolyás intenzitása nagyon hasonló volt a különböző talajok és a különböző lejtőmeredekségek esetében. Ez azzal magyarázható, hogy a kísérlet egyéb körülményei azonosak.
Az egyensúlyi állapotban mért erózió azonban már jelentősen eltér a különböző talajokon.
Azoknál a talajoknál, ahol kétféle meredekséggel is végeztünk mérést, a körülbelül ugyanakkora vízmennyiség nagyobb sebességgel folyt le a meredekebb lejtőről és ez az erózió nagyságában is megmutatkozott (4 és 9 g/m2/perc a tagyoni talajnál és 6 és 19 g/m2/perc a nagyhorváti talajnál). Azonos lejtőmeredekség mellett a legkisebb a tagyoni talaj eróziója, majd ezt követi a nagyhorváti és a somogybabodi talaj (rendre 9, 19 és 25 g/m2/perc), de a két utóbbinál átfedés van az adatok terjedelmében.
A nagylaboratóriumi és a terepi esőszimulátoros mérések összehasonlítása
A két esőszimulátoros méréssorozat eróziós adatainak különbsége részben a vizsgált területek lejtőhosszúságából fakad. A terepi kísérleteket és a nagylaboratóriumi kísérletek azonos lejtés, talaj és talajállapot mellett folytak, csupán a parcellák hossza és szélessége tért el egymástól. Mivel ilyen kis parcellaszélességnél (1 és 2 m) a szélességnek nincs eróziót befolyásoló hatása, a különbséget tehát csak a parcellák hossza (3 és 5 m) közti különbség okozhatta.
A terepi kisparcellás mérések és a nagylaboratóriumi mérések eróziós adatai között összefüggés állapítható meg, tehát a kidolgozott nagylaboratóriumi módszerrel jellemezni lehet a talajok közötti különbségeket. A nagylaboratóriumi mérések valós viszonyokra történő alkalmazása során azonban figyelembe kell venni, a parcellaméretből adódó különbségeket, valamint az eredeti állapotú talaj és a kísérleti körülmények közötti vízgazdálkodási különbségeket. A laboratóriumi kísérlet a szántott réteg tulajdonságairól tájékoztat elsősorban, míg a terepi kísérlet az egész talajszelvény tulajdonságaiból következő erózióra enged következtetni. Terepi parcellás és nagylaboratóriumi mérések együttes alkalmazásával meghatározhatjuk a talajok víznyelő képességétől függő erózió-érzékenységi (erodálhatósági) függvényét.
A különböző léptékű vizsgálatok együttes értékelése (léptéksor)
A nagylaboratóriumi és a terepi kisparcellás kísérletek esetében a nagyobb lefolyás és a nagyobb parcella hosszúság nagyobb erózióhoz vezetett az utóbbi esetében.
A parcella és a tábla összehasonlítása során a számított K tényezőből kitűnik, hogy a kisparcellás terepi kísérletek (K = 0,138) megfelelően reprezentálják a hasonló természeti körülményekkel bíró táblák erodálhatóságát (K = 0,144).
Szentgyörgyvár és Nagyhorváti esetében ugyanazon nap csapadékának a hatását figyelhetjük meg tábla és kisvízgyűjtő szinten csupán néhány kilométerre egymástól.
Nagyhorváti felett pontosan kétszer akkora átlagintenzitású volt a csapadék, mint Szentgyörgyvár felett. Nagyhorvátiban tovább is esett, ennek ellenére Nagyhorvátiban, a kisvízgyűjtőn mért erózió nagyságrendekkel kisebb volt (0,088 t/ha/eső), mint a szentgyörgyvári 1200 m2-es „táblákon” (5,9 t/ha/eső). Ugyanebben az összevetésben az éves átlagos erózió is hasonló különbséget mutat (7,1 és 0,32 t/ha/év a táblára és a kisvízgyűjtőre).
A szentgyörgyvári tábla egy egyenes lejtőnek fogható fel, és lejtése viszonylag nagy (9
%), míg a 0,7 km2 területű kisvízgyűjtő 4,7 %-os átlagos lejtőmeredekséggel bír. A vízgyűjtők hordalék visszatartása rendkívül nagy lehet, ami az egyes csapadékeseményekre akár 100 %-os, azaz teljes visszatartást is jelenthet, jóllehet táblaszinten tényleges erózió jelentkezik.
A Tetves patak felső szakasza nagyesésű, bevágó jellegű, míg az alsó szakaszon igen kicsi az esés. Az átlagos relatív relief: 1,64. Az 1970-től 2000-ig tartó periódus lényegesen csapadékosabb volt, mint az utóbbi évek. Ezért lehet az, hogy a Tetves-patak vízgyűjtőjéről lehordott talajmennyiség éves átlaga nagyságrendileg megegyezik a nagyhorváti kisvízgyűjtő adatával, de számszerűleg magasabb. A nagyságrendi egyezőségből arra következtethetünk, hogy a kisvízgyűjtők megfelelő reprezentáns alapegységei a nagyobb vízgyűjtőkre vonatkozó számításoknak.
Megállapíthatjuk, hogy az általam elvégzett és általában az esőszimulátoros mérések alkalmasak arra, hogy a fizikai modellek alapvető kalibrálandó paraméterei tekintetében (vízvezető képesség és fizikai értelemben vett erodálhatóság) a talajok közötti különbséget jól leíró eredményeket szolgáltassanak, az ilyen modellek paraméterezéséhez hozzájáruljanak.
Az eredmények felhasználhatók a talajtömörödés eróziót növelő, és a talajlazítás eróziót csökkentő hatásának közvetlen becslésére.
A vízgyűjtőkön kapott eredmények igazolják, hogy a kisvízgyűjtő szintű méréseknek az eróziós monitoringban fontos szerepet kell kapniuk.