Ugrás a tartalomhoz

Kutatói pályára felkészítő akadémiai ismeretkörön alapuló tananyagfejlesztés – Környezet- és természetvédelem ismeretkörben

Dr. Huzsvai László (2008)

Debreceni Egyetem a TÁMOP 4.1.2 pályázat keretein belül

Vízvezető képesség becslése

Vízvezető képesség becslése

A talajban a vízáramlás sebességét a nedvességpotenciál gradiens nagysága és a talaj vízvezető képessége határozza meg. A vízvezető képesség függvény felírható a talajban lévő vízmennyiség vagy a vízpotenciál függvényeként is. Mindkét esetben a vízvezető képesség a vízmennyiség, a víztelítettség irányában növekvő értékű. A függvény felső korlátját a talaj teljes pórusterét kitöltő, kétfázisú állapot vízvezető képesség értéke jelenti, amelyet Ks-nek jelölnek. Mértkegysége sebesség dimenziójú: pl. m/nap.

A talaj víztartó képesség függvényéből a van Genuchten-Mualem módszer szerint becsülhető a vízvezető képesség függvény. A módszer alkalmazásához a telítési vízvezető képesség érték (Ks) eredeti szerkezetű talajmintán történő meghatározása szükséges. A hazai gyakorlatban erre Várallyay állandó- és a csökkenő víznyomás módszerét alkalmazzuk. A 100 cm3térfogatú és a 20 cm2keresztmetszetű talajminta mérési eredményeinek a szórása általában több nagyságrendet meghaladó. A több nagyságrendet meghaladó szórású talaj telítési vízvezető képességét a 80-as évek közepétől a Campbell által a talajmátrix vízvezető képességére kidolgozott pedotranszfer függvénnyel számítjuk:

A számításban feltételezzük, hogy a talajok szemcsemérete lognormális eloszlású. A feltételezésből következik, hogy az agyag, vályog és homok szemcseméret csoportok két eloszlás paraméterrel, a mértani átlag szemcseátmérővel (dg) és a mértani szórással (σg) jellemezhetők.

A fenti. függvényekben szereplő mennyiségek és a szemcseeloszlási átlag valamint a szórás közötti összefüggése a következő:

Tapasztalataink szerint a Campbell-féle Kspedotranszfer függvény és a laboratóriumi mérési eredmények nagyságrendileg általában megegyezők. A Campbell-féle pedotranszfer-függvénynek a modellezéshez szükséges talajfizikai paraméterei számíthatók. A talaj szemcseösszetétele, térfogattömege, és szervesanyag-tartalma alapján a víztartó képesség függvény értékei valamint a vízvezető képesség függvény paraméterei jól becsülhetők.

A Herceghalmi Gazdaság területén gyűjtött 448 db talajminta közül a búzatáblák jellemzésére feltárt talajszelvény szántott rétegére (10-15 cm) mért kumulált szemcsefrakció és szemcseméret értékeket, valamint az illesztett lognormál eloszlásfüggvényt mutatja be a 22. ábra. A közel 1 500 ha-os gazdaság területén 448 ponton a felszínről (kb. 5-10 cm) gyűjtött minták szemcseösszetétel adataira csoportillesztéssel meghatározott átlag szemcseloszlás függvényt is feltüntettük.

22. ábra. Kumulált szemcsefrakció és szemcseméret

A 23. ábra a laboratóriumban a Várallyay módszerrel mért telítési, valamint a víztartó képesség értékekre illesztett van Genuchten függvény paraméterei, és a Várallyay módszerrel mért telítési vízvezető képesség alapján meghatározott vízvezető képesség függvényeket mutatja be.

23. ábra. A Herceghalmi Gazdaság búzatáblájára mért és becsült víztelített, illetve közel víztelített vízvezető képesség értékek illetve azokra becsült telítetlen vízvezető-képesség függvények

Az ábra jól szemlélteti egy meghatározott talaj esetében a különböző módszerekkel mért és a szemcseösszetétel, illetve a víztartó képesség alapján becsült vízvezető képesség értékek és függvények különbözőségét.

Az 23. ábra jól mutatja azt is, hogy a szemcseeloszlás és a térfogattömeg alapján a Campbell módszerrel becsült - makropórus nélküli – vízvezető képesség a mért értékeknél kisebb. A 28. táblázatban megadott és Várallyay módszerrel mért értékek közül az 1 cm/nap értéknél kisebb Ksértékek nyilvánvalóan nem reális. Az 5 párhuzamos mintából 3 mintára mért kis érték nem mintavételi hibára, hanem a talaj aggregátumok gyenge vízállósága következtében előálló porozitás- és vízvezető képesség csökkenésre utal.

A mért és a becsült vízvezető képesség értékeket összehasonlítva látható, hogy a van Genuchten-Mualem becslés közel egy nagyságrenddel nagyobb vízvezető képesség értékű közel a teljes nedvességpotenciál tartományban.

28. táblázat. A Herceghalmi Gazdaság búzatábláján gyűjtött mintákon mért és szemcseösszetétele és térfogattömege alapján számított telítési vízvezető képesség értékek

A megállapítás felhívja a figyelmet arra, hogy a vízvezető képesség érték-, illetve a függvénybecslés lényegesen nagyobb körültekintést és óvatosságot tesz szükségessé, mint az egyéb talajparamétereké.

A bemutatott mérési és becslési módszerek és a talaj vízforgalmáról, a vízforgalmat meghatározó vagy befolyásoló talajjellemzőkről szolgáltatnak mennyiségi információt, amelyek a talajvízforgalmat leíró modellek paramétereiként is alkalmazhatók.

A vízáramlás modellezését többrétegű talajban van Genuchten (1980) munkája alapján mutatjuk be. Az egyenletrendszerek megoldására Gauss-féle eliminációs módszert használunk. A modell változói az alábbiak:

  • Talajrétegek vastagsága, z (m)

  • Időlépték, t (s)

  • A talajréteg pillanatnyi víztartalma (m3m-3)

  • A talajréteg maximális vízkapacitása (m3m-3)

  • A talajréteg maradék vízkapacitása (m3m-3)

  • Alfa és n a Van Genuchten egyenletének nemlineáris együtthatói, ami a függvény alakját adja meg.

  • Telítési vízvezető képesség, Ks, (m s-1)

Becslések és számítások:

  • Nedvességpotenciál, pszí, (-cm). Excel függvény PSI().

  • Differenciál vízkapacitás, dw/dp. Ez a talaj víztartó képesség függvényének meredekségét adja meg. Excel függvény FUN().

  • Aktuális vízvezető képesség, K(h), (m s-1). Excel függvény CONDUCT().

Víztartó képesség függvény:

Az egyenletrendszer megoldása után a rétegek nedvesség potenciálját kapjuk cm mértékegységben. Ennek felhasználásával ki tudjuk számítani a rétegek:

  • Pillanatnyi víztartalmát. Excel függvény Stheta

  • Specifikus talajnedvességét, dw/dp. Excel függvény FUN().

  • Aktuális vízvezető képességét, K(h), (m s-1). Excel függvény CONDUCT().

Tehát a fenti egyenletrendszert annyiszor kell megoldani, ahány napra szeretnénk a szimulációt futtatni.

Evapo(transzspi)ráció

A modellekben az alábbi folyamatokat szimuláljuk:

  • Maximális evaporáció árnyékolt talajfelszínről

  • Maximális evaporáció árnyékolt vízfelszínről

  • Maximális transzspiráció

  • Tényleges transzspiráció

A transzspiráció vagy a növényből távozó víz függ a párolgásra felhasználható energiától, a növény és az azt körülvevő levegő relatív páratartalmának különbségétől valamint a sztomatikus ellenállástól (van Keulen és Seligman, 1987). Potenciális transzspirációkor a növény vízfelvétele nincs korlátozva, a körülmények optimálisak a párolgás számára.

Evaporáció és transzspiráció

A növényállomány potenciális evapotranszspirációja (PET) a potenciális transzspiráció (PT) és a talaj evaporáció (PE) összege. Sok növény potenciális evapotranszspirációja nagyobb, mint a Penman által becsült PET értéke. Ezért a különböző modellek növényi korrekciós faktorokat használnak, és ezzel szorozzák meg a Penman ET-t. Az evaporáció a vegetáció során két okból is mérséklődik, egyrészt a fejlődő növényzet a napsugárzás egyre nagyobb hányadát nyeli el, másrészt a növényzet csökkenti a talaj feletti légmozgás sebességét. A talaj evaporáció a levélterület index függvényében az alábbi (Goudriaan, 1977; Ritchie, 1971; 1972):

A transzspiráció mérséklődése víz stressz miatt

A potenciális és tényleges transzspiráció korlátlan vízellátás mellett megegyezhet. Vízhiányban azonban a tényleges transzspiráció mérséklődik. Minél kisebb a talaj nedvességtartalma a tényleges párologtatás annál kisebb. A gyökerek vízfelvétele a növény és talaj közötti vízpotenciál különbségétől függ, valamint a nedvesség talajból légkörbe szállításának ellenállásától. A párolgást csökkentő tényezőt van Diepen és munkatársai (1988) az alábbi formában adták meg:

Az Rwsértéke 0 és 1 között lehet, amennyiben a számított érték meghaladja az egyet Rwsértéke egyenlő eggyel.

A kritikus talajnedvesség az a talajban tárolt vízmennyiség, ami alatt a növény vízfelvétele csökken, és a növény kezdi bezárni a sztómáit. Ez nem egy fix érték. Víz stressz hatására a vízfelvétel mérséklődése már magasabb víztartalom mellett is elkezdődhet, ha a potenciális transzspiráció értéke magas (Denmead és Shaw, 1962). A kritikus talajnedvességet az alábbi módon becsülhetjük (van Diepen et al., 1988):

A talajnedvesség kimerülési hányad, „p” függ a potenciális transzspiráció nagyságától (zárt növényállományban) és a növénycsoporttól. A növényeket az aszállyal szembeni érzékenység alapján Doorenbos és munkatársai (1978) öt csoportba sorolták. 1 = aszály érzékeny, 5 = aszállyal szemben ellenálló.

29. táblázat. Talajvízkimerülési hányad (p) a potenciális evapotranszspiráció függvényében zárt növényállomány esetében különböző növénycsoportoknál (Doorenbos et al., 1978)

Talajvízmérleg számítások, potenciális produkció

A növény potenciális produkciójának meghatározásakor a víz és tápanyag korlátlanul áll a növény rendelkezésére. Feltételezzük, hogy a talaj állandóan szabadföldi vízkapacitásig telített, és ennél a nedvességtartalomnál a talaj levegőzöttsége is megfelelő, nem lép fel levegőtlenség. A csapadék, öntözés, kapilláris vízemelés és vízvezetés ilyenkor nincs figyelembe véve. Ebben az esetben csak két folyamatot szimulálunk: a felszínről történő evaporációt és a növény transzspirációját. Az előző fejezetben ezek megtalálhatók.

Az evaporáció számításának két esetét különböztetjük meg:

  1. A gyökérben szellőztető szövet található (ez vezeti el a káros gázokat, főként metánt). Ebben az esetben a növény tolerálja a vízborítást. Ez az eset pl. rizsnél. Az evaporáció számítása ilyenkor az árnyékolt vízfelszínről történő párolgást jelenti.

  2. Szellőztető szövet nincs a gyökérben. A növény nem tolerálja a vízborítást. Ez fordul elő a leggyakrabban. Az evaporáció számítása ilyenkor az árnyékolt talajfelszínről történő párolgást jelenti.

Vízmérleg számítása a talajvíz hatása nélkül

Mély termőrétegű talajoknál a vízmérleget a talajvíz hatása nélkül számítjuk. Ebben az esetben a víz zavartalanul áramolhat a talaj mélyebb rétegeibe, és a elhagyhatja a maximális gyökerezés mélységét. A növényi produkciót ilyenkor az aszály vagy a túlnedvesedés csökkentheti.

Evaporáció

Az evaporáció a talaj hasznosítható víztartalmától és a talaj infiltrációs kapacitásától, víznyelésétől függ. Ha a felszínen vízborítás van, és ez a felszíni tárolás meghaladja az 10 mm-t, akkor a talajból az aktuális evaporáció sebessége nulla, mivel ilyenkor a vízfelszínéről történik a párolgás az árnyékolt vízfelszín potenciális párolgási sebességével.

Amennyiben a vízborítás kisebb, mint 10 mm, és a beszivárgás sebessége az előző napon meghaladta az 10 mm d-1-t , nincs felszíni víz, így innen nincs párolgás. A talaj aktuális párolgása ilyenkor megegyezik az árnyékolt talaj maximális evaporációjával. Legtöbb modellben, az egyszerűség kedvéért, a felszínen található összes víz egy nap alatt beszivároghat. Ilyenkor az utolsó eső óta eltelt napokat számláló változó (Dslr) alaphelyzetbe áll, értéke 1 lesz.

Ha a beszivárgás sebessége kisebb, mint 10 mm d-1, a beszivárgott víz mennyisége túl kevés ahhoz, hogy alaphelyzetbe állítsa a Dslrváltozót, és így az evaporáció sebessége mérséklődni fog, ahogy elkezdődik a felső talajréteg kiszáradása. A párolgás mérséklődése az idő négyzetgyökével arányos (Stroosnijder, 1987, 1982):

Ha csak kis mennyiségű víz szivárog be a talajba, vagy jobban mondva csak megnedvesíti a talaj felszínét, ez a víz még aznap elpárolog tekintet nélkül a Dslrértékére, azaz, hogy mikor volt a legutóbbi jelentős eső. Ennek alapján az evaporáció sebessége a 148. összefüggés által számított plusz a talajba beszivárgott víz mennyiségével egyenlő. Azonban tekintetbe kell venni, hogy az aktuális evaporáció sohasem haladhatja meg a potenciálist, azaz a maximális evaporációt.

Csapadék

A lehullott csapadéknak csak egy része fogja elérni a talaj felszínét. Egy részét a levelek, szár, stb. felfogják. Ez az intercepció. A talajra jutó csapadék sem fog teljes mértékben beszivárogni, egy része le fog folyni a felszínről, elfolyik. Az elfolyás mértéke átlagos körülmények között 0-20% lehet, de kedvezőtlen fekvésű területeken ennél sokkal magasabb értéket is elérhet. A szántóföldi növényeket szimuláló modellekben azt feltételezik, hogy a csapadéknak fix hányada nem tud a lehullás napján beszivárogni a talajba. Ez a hányad azonban kis mennyiségű csapadék esetén csökkenhet. Ez a redukciós tényező a csapadék mennyiségének függvénye. Sok modellben csak a természetes csapadéknak van be nem szivárgó része, az öntöző víz teljes mértékben elnyelődik.

Vízáteresztés

Ha a talajnedvesség az aktuális gyökérzónában a szabadföldi vízkapacitást meghaladja, a víz átfolyik a potenciális gyökérzóna alsóbb részébe és az altalajba. A modellekben határozott különbséget tesznek az aktuális gyökérzónából az úgynevezett alsóbb rétegekbe folyás, és az alsóbb gyökérzónából az altalajba folyás között. Az előbbit a modellekben PERC-nek, az utóbbit LOSS-nak nevezik. (PERC=percolation, LOSS=kifolyás.)