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

Talajtulajdonságok változatossága és modellezése

Talajtulajdonságok változatossága és modellezése

A talajok változatossága két tág kategóriába sorolható, amelyek egyike a rendszeres (strukturált), másik a véletlenszerű (strukturálatlan, ismeretlen ok miatti) változatosság. A rendszeres változatosság a talaj tulajdonságainak fokozatos vagy jellegzetes földrajzi, felszínalaktani, a talajképző tényezők közötti kölcsönhatások miatti változása. A strukturált változatosság a szubmikrószkópikustól a mega léptékig előfordul. A talajtanos számára a strukturált változatosság teszi lehetővé a talajok felosztását a talajtérképezési egységek, tájföldrajzi elemek szerint (kiemelkedésen, kiugró részen, a lejtő tetején, a lejtő alján, stb. előforduló kategóriák). A nagyléptékű strukturált változatosság mértéke nagyobb lehet, mint a kisléptékűé. Példa erre a gilgai talajokra jellemző duzzadás-zsugorodás jelensége, amelynek következménye a felszín és az altalaj kémiájának és biológiai jellemzőinek méteres vagy még annál rövidebb távolságon belüli megváltozása.

Még finomabb skálájú a szerves- vagy szervetlen talajalkotók strukturált szerveződése, mint a pórusok felületét bevonó agyaghártyák, az oxihidrátok zonációja, és a vízvezető pórusokban a karbonátok és az oldható sók koncentrációja. A gyökerek mentén a mikroszervezetek, valamint az aggregátok közötti felületeken lévő agyagbevonat strukturáltan szervezett. Eloszlásmintázatuk a vízáram, a diffúzió, a megkötődés és a mikrobiológiai kolonizáció folyamatait tükrözik mikron, illetve szubmikron léptékben.

A véletlenszerű talajváltozatosságot a kőzet, a hidrológia, a mállási intenzitás, a biológiai aktivitás, az erózió és hordalék-lerakódás eltérések, a talajművelés időleges hatása, a mintavétel és az elemzés hibája alakítja ki. Az említett hatások megjelennek a strukturált változatosságban is, azonban hatásuk általában finomabb annál, hogy azt elfedje.

A talajtani leírás célja éppen a talajra jellemző változatosság felosztása kisebb változatosságú (homogénebb) elemekre olyan módon, hogy a módszeres (szisztematikus) hiba a lehető legkisebb legyen. A talajtérképezési egységekben általában jelentős változatosság marad. Egy felmérő elemzés azt mutatta, hogy a térképen feltüntetett talajféleség általában csupán 40-től 50 %-ig fedi le a terület talajféleségeit, esetenként ez az arány csupán 20 %. Ennek ellenére azonban a térképezési egységek értelmezési ereje 50-től 85 %-ig terjed, 80 %-os valószínűség esetén.

Az amerikai talaj-felvételezési előírás szerint úgy kell a talajtérképezési egységeket megalkotni, hogy az azokba besorolt talajok 75 %-ban feleljenek meg a talajtani leírásnak.

A talajszelvény leírók és a modell alkalmazók egyaránt szeretnék ismerni a talajtulajdonságok változatosságának legalább a viszonylagos mértékét, nagyságrendjét. A 30. táblázatban olyan azonos talajtípus, azonos genetikai szintjeiből vett minták átlagértéke és szórása található, amelyek azonos besorolású térképezési egységbe tartoznak.

A 30. táblázatban bemutatott átlagértékek és variációs együtthatók (CV-k) értelmezésében a következő szempontok átgondolása segít:

30. táblázat. Talajtulajdonságok csoportosítása változatosságuk szerint

A talaj mélyebb rétegeinek tulajdonságaira adható becslés valóságtartalma a mélységgel csökken, minthogy a talajleírások maximális mélysége általában kisebb, mint 2 m.

Az időben állandó talajjellemzők, mint a szemcseösszetétel, az ásványi összetétel, a talajmélység, és a szín kisebb szórásúak, mint a jóval dinamikusabban változó nedvességtartalomé, vízvezető képességé, redox állapoté, sótartalomé, biológiai aktivitásé, kicserélhető kationtartalomé, vagy a szervesanyag-tartalomé.

A talajtulajdonság szórása függ az anyakőzettől, és az anyakőzet minősége szerint a következő növekvő sorrendbe rendezhető: lösz - szélhordta üledék - mélységi, magmás- és tektonikus kőzetek - erősen kevert anyagok.

Azon talajtulajdonságok, amelyeket egy standardhoz viszonyítva határoznak meg (pl. mechanikai összetétel, pH, szín, stb.) kisebb szórásúak, mint a minőségileg besoroltak (pl., a talajszerkezet, konzisztencia, porozitás, begyökerezettség, stb.). Egy mintavételi helyen, illetve annak 1-2 m-es környezetében az állandó talajtulajdonságok CV-je 5-10 % közötti, a dinamikus változóké pedig 10-20 % közötti. A CV szélsőséges esetben 35 %-ig is terjedhet.

A laboratóriumi mérések elfogadott hibahatára CV = 5 %-ig terjed. A 24. ábra a mintamérettől függő relatív szórást mutatja.

24. ábra. Talajtulajdonságok relatív változatossága a mintaméret függvényében

A területi változatosság modellezésben történő figyelembevétele szakterületenként különböző és függ a modell természetétől. A talajtani modellek többsége nem alkalmas hibaelemzésre. Ennek oka, hogy a modellkészítők a hibaelemzést a modellezett rendszer összetettsége miatt értelmetlennek tartják.

A talajtérképen a talajok területi változatossága talajfolt elhatárolással kerül megjelenítésre. A talajfolt határ megrajzolását reprezentatív talajszelvények feltárásával végzik feltételezve, hogy a megállapított folthatár egyben kijelöli a térbeli variabilitás-mintázatát. Az előző feltételezés azonban nem tartható, hiszen számottevő változatosság marad a körülhatárolt talajfolton belül is. Az sem mindegy, hogy a változatosságot mely talajtulajdonságra vizsgáljuk, hiszen az agyag-, a szervesanyag-tartalom, vagy a térfogattömeg szórása jelentősen eltér a különböző talajfoltokban. Azonban ez a megállapítás nem minden talajtulajdonságra érvényes. Egy hollandiai talajsorozatra számított vízszolgáltató kapacitás szórását lényegesen kisebbnek találták az alapadatok szórásánál, amelyek a térképen szerepeltek. Az eredeti talajtérképen 350 talajfolt szerepelt, míg a számított vízszolgáltató kapacitás 100 térképezési egységet eredményezett. Ebből az következik, hogy a térbeli változatosság a talajtanban jelentősen különbözik aszerint, hogy alaptulajdonságról vagy olyan funkcionális jellemzőről, mint például a vízszolgáltató kapacitás van szó.

A talajtulajdonságok változatosságát klasszikus statisztikai feltételek alapján tárgyaltuk idáig. Meg kell azonban említenünk, hogy létezik egy geostatisztikai módszer, ami a vizsgált változó mintavételi helytől függő, vagyis térbeli viselkedésének elemzésére szolgál. A geostatisztikai vizsgálat a távolságra lévő terepi megfigyelési helyeken mért talajjellemző értékek négyzetes eltérésének számtani átlagán, a kísérleti félvariancia, vagy szemivariancia függvényen alapszik:

A félvariancia értékek távolság szerinti alakulását ábrázoló függvény a szemivariogram (25. ábra), amelyről a következő információk olvashatók le:

  • a félvariancia értéke a h=0 helyen, amelyet röghatásnak (nugget effect) neveznek.

  • a félvariancia felső küszöbértéke, amely a vizsgált jellemző szórásnégyzetét adja (sill).

  • ahol a variancia stabilizálódik, vagyis ameddig a mért értékek nem függetlenek.

A szemivariogram függvény arra ad információt, hogy egy mintavételi ponttól milyen távolságban (α) tekinthető az ott mért talajjellemző érték kiterjeszthetőnek. Az ábrán a szemivariancia értékek leírását szférikus függvény illesztésével mutatjuk be. A röghatás nélküli ábra a lineáris függvény alkalmazása esetén leolvasható hatástávolságot szemlélteti, mutatva a megfelelő szemivariancia függvény megválasztásának jelentőségét.

A szemivariogram függvény ismeretében lehetőség van a terület nem mintázott pontjaira a mintavételi pontok mért értékei alapján becslést adni. Ezeket az eljárásokat nevezik krígelési vagy súlyozott interpolációs eljárásoknak. A geostatisztika további ismeretanyaga nem képezi a modellezés tárgyát, azokat a megfelelő kézikönyvek tartalmazzák.

25. ábra. Szemivariogram