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

Tápanyagmozgás modellezése, Claassen-Barber modell

Tápanyagmozgás modellezése, Claassen-Barber modell

A különböző tápanyagok mozgása a talajban nagyságrendileg különböző tér- és idő paraméterekkel írható le. A talajoldatban kis koncentrációban jelenlévő, ún. lassan mozgó

tápanyagok - a P és K-transzport és felvétel - diffúziós transzportjának felírása nem egyszerű. Elsősorban azért, mert a gyökerek körüli igen kicsi, néhány mm3-es talajtérfogatban lejátszódó folyamatokról van szó, amelyek nehezen lehatárolhatók és mintázhatók. A mechanisztikus-dinamikus modellek hasznosak a folyamatok jobb megismerésében, pl. abban, hogy a talaj-növény rendszer egy-egy komponenséhez, - pl. a talajoldat tápanyag-koncentrációja, a gyökérsűrűség vagy a felvételi kinetikai paraméterek - rendelt érték változása hogyan befolyásolja a teljes tápanyag-szolgáltatási és felvételi folyamatot.

A talajban szilárd formában kevésbé megkötődő, a talajoldatban viszonylag nagy koncentrációban lévő és tömegáramlással a gyökérre mozgó tápanyagok - pl. a nitrát - dinamikáját általában a gyökérzónában, a talajszelvény egészében vagy adott rétegeiben tanulmányozzák. A teljes gyökérzet nitrátfelvétele a begyökerezett talajrétegekből történő nitrátfelvételből adódik össze. Ezekben a vizsgálatokban a tápanyagforgalmi modellt termés-szimulációs modellhez kapcsolják (Füleky, és R. Végh, 1999).

A vizsgált talajtérfogat nagyságától függetlenül az eredmények értelmezésében további nehézségek forrása a gyökér, a talaj-mikroorganizmusok és a közvetlen fiziko-kémiai környezet összetett kölcsönhatásainak figyelembe vétele. A szimulációs technika jól alkalmazható a folyamatok leírására, az egyes tényezők hatásának, jelentőségének vizsgálatára.

A következőkben a szimulációs modelleket céljuk és tárgyuk szerint két csoportba osztva tárgyaljuk. Először a gyökérkörnyezetben, a rizoszférában, az egyetlen gyökérszálhoz történő tápanyagmozgást (talaj-gyökérfelület), majd a gyökérzónában, a teljes gyökérzet tápanyagfelvételét (talaj-növény-atmoszféra rendszerben) leíró szimulációs modelleket mutatjuk be.

A talaj tápanyagtranszportját és a növényi tápanyagfelvételét valamint a tápanyagfelvétel és a tápanyag-szolgáltatás dinamikus kölcsönhatását mechanisztikus modellekkel írják le.

A tápanyagtranszport-modellek általában a gyökér tápanyagfelvételét, a gyökérzet morfológiáját és növekedését, valamint a talajban a gyökérfelszínre történő tápanyagtranszportot leíró matematikai kifejezésekből állnak. A modellekben a tápanyag mozgása tömegáramlás és diffúzió útján történik, és felvételének sebességét a tápanyag gyökérfelületi koncentrációja határozza meg,

Michaelis-Menten típusú összefüggés alapján. Ezek a modellek a gyökeret mint a tápanyagok számára teljes metabolikus gyűjtőhelyet (zero sink) kezelik, vagyis a tápanyagfelvétel nagy sebessége következtében a gyökér felületén az adott tápanyag koncentrációja kicsi. A gyökér tápanyagfelvételi jellemzőit (lmax, Km, co) tápoldatos kísérletekben határozzák meg, ahol a gyökérfelületre történő tápanyagtranszport nem limitálhatja a felvételt, vagyis a felvételi kinetikai paraméterek értéke kizárólag a növény élettani állapotától függ. A gyökérzet morfológiáját és növekedési sebességét jellemző paramétereket teljes növényre vonatkoztatva talajban vagy egyéb háromfázisú közegben lefolytatott kísérletek adataiból nyerik. A következőkben a Claassen-Barber modellt mutatjuk be részletesebben, ami a P- és K- transzport koncentráció eloszlás és felvétel leírására és tanulmányozására az egyik legáltalánosabban használt modell.

A modell két részből áll: a gyökérre történő tápanyagtranszport és a Michaelis-Menten kinetikát követő tápanyagfelvétel leírásából.

A modell alapja a gyökérre tömegáramlással és diffúzióval történő tápanyagmozgást leíró

A (143) összefüggés szerint a gyökérfelszínre történő tápanyag-fluxus egyenlő a Michaelis-Menten kinetikával leírható növényi tápanyagfelvétellel.

A (144) összefüggés alapján lehetővé válik a gyökerek közötti kölcsönhatások (versengés) figyelembe vétele. Az (145) összefüggés az előbbi alternatívája, vagyis nincs a gyökerek között kölcsönhatás; azaz r távolságban a koncentráció azonos a kiindulási koncentrációval.

A modellel becsülhető az egységnyi hosszúságú gyökér által bizonyos idő alatt felvett tápanyagmennyiség és a gyökér körüli koncentráció eloszlás. A növekvő gyökérrendszer teljes tápanyagfelvétele az adott időpontokban funkcionáló gyökérszegmensek időarányos felvételének összege.

Az előbbihez hasonló mechanisztikus modellek bizonyos korlátok között jól alkalmazhatók a tápanyagszolgáltatás, és felvétel folyamatának leírására. Gyakori hibájuk azonban, hogy a tápanyagszolgáltatás extrém tartományaiban nem alkalmasak a jelenség leírására. Például foszforhiányban vagy túlzott káliumellátottság esetén, stb. Ennek oka az a sokrétű adaptációs tevékenység, amelyre a növény a tápanyagstressz elhárítása érdekében képes. Ezek az előző fejezetben már tárgyalt funkciók a növekedési sebesség csökkentése, a metabolikus gyűjtőhelyáthelyezés, a gyökérfelület-növelés (pl. gyökérszőrképződés), a felvételi kinetikai paraméterek változása, a kémiai aktivitás, stb.

A bemutatott Claassen-Barber modellhez hasonló Cushman-modell érzékenységvizsgálatánál kimutatták, hogy a P-felvétel becsült értékére a gyökérfelület változása volt a legnagyobb hatással, majd a talaj transzportparaméterei (a talajoldat kiindulási P-koncentrációja, foszfor-pufferkapacitás, diffúziós együttható), végül a felvételi kinetikai paraméterek következtek.

A gyökérfelület jelentőségére utal, hogy a gyökérszőrképződés által megnövelt felület, mint input paraméter bevonása a Claassen-Barber modellbe jelentősen javította a felvett P-mennyiség becslését a vizsgált 7 növényfajnál.

Foszforhiány esetén igen jelentős lehet a gyökér általi kémiai feltárásból származó felvehető foszformennyiség. A Cushman modellt tesztelve nagymértékben javították a felvett P-mennyiség becslését a fokozott gyökérnövekedés és a pH által szabályozott foszforfeltáródás figyelembe vételével.

Az elmúlt évtizedben jó néhány, a gyökérkörnyezetben folyó tápanyagfeltáródás tanulmányozására alkalmas szimulációs modellt fejlesztettek ki, amelyek alkalmazása és érzékenységi vizsgálata nagymértékben elősegítette e kísérletesen igen nehezen vizsgálható kérdéskör tisztázását. A részfolyamatok modellezése, a sztochasztikusan fellépő kölcsönhatások és ezek küszöbértékeinek feltárása és a folyamatok főirányára gyakorolt hatásuk vizsgálata tette lehetővé a mechanisztikus modellek reprezentációs elméletének továbbfejlesztését. A szimulációs modellek érzékenységi vizsgálata szükséges, és el nem hagyható lépések a gyökérkörnyezetben, ill. a gyökér-talaj határfelületen lejátszódó, tápanyag-szolgáltatási és felvételi folyamatok megismerésében.

Szén- és nitrogénforgalom modellezése

A talaj és növényi szervesanyag minőségét sokszor a C:N aránnyal szokták jellemezni. A C:N arányt tömegszázalékban adják meg. Amennyiben a C:N arány 18:1, vagy ennél szűkebb, akkor nitrogén felszabadulás történik, és a széntartalom szén-dioxiddá alakul. Páter szerint a magyarországi talajok humuszában a C:N arány átlagosan 10:1. 18-30:1 C:N aránynál egyensúlyi állapot áll fenn, amennyi nitrogén felszabadul, annyi le is kötődik. 30:1 C:N aránynál az immobilizáció a jellemző, a nitrogén lekötődik a szervesanyagot bontó szervezetekben.

Az élő szervesanyag a feltalajban az összes szervesanyag 10-15%-t teszi ki, és a talajba kerülő szervesanyagból keletkezhet humusz vagy szervetlen nitrogén vegyületek, valamint élő mikrobiális biomassza alkotja. Az összes szervesanyagban a szerves kötésű C-tartalom a talajban átlagosan 58%. Ezért a talaj szerves széntartalmából meg lehet határozni a talaj összes szervesanyagát, ill. humusztartalmát. Hu%=1,72*C%. Mivel 100/58=1,72.

A humusztartalom minősítése:

kisebb, mint 2% kis

2-4% közepes

nagyobb, mint 4% humuszban gazdag talaj

A talaj összes nitrogéntartalma 0,02-0,4%. Ennek 95-99%-a szerves kötésben, és csak 1-3%-a van a növények számára felvehető formában. A növények számára könnyen felvehető nitrogénforma a nitrifikáció útján keletkezi, ami leggyorsabban 35 C-on és 70:30 víz-levegő aránynál megy végbe.

26. ábra. Talajnedvesség-mineralizáció sebessége közötti kapcsolat

27. ábra. Hőmérséklet- mineralizáció sebessége közötti kapcsolat

Feladat 1:

Hu%= 3

Szerves C-tartalom=3*0,58=1,74%

N-tartalom (C:N arány 10:1) = 0,174%

Felvehető N (az összes 1%) = 0,00174%

1 ha-on 40 cm mélységben 5 200 t talaj van, ha a térfogattömeg 1,3 t/m3. Szerves C-tartalom 90 480 kg/ha. Összes nitrogéntartalom 9 048 kg/ha. Ebből a növények számára felvehető 90 kg/ha (1%-t feltételezve).

Feladat 2:

Egy diesel üzemű gépkocsi 5 l/100 km fogyasztásával a prospektus szerint 150 g CO2bocsát ki kilométerenként. Igaz-e az állítás?

Az üzemanyagokat általánosságban CH2formulával jellemezhetjük (természetesen hosszú láncokba rendezve).

CH2+ 2O2= CO2+ 2H2O

A fogyasztás tehát 0,05 l/km. A diesel üzemanyag sűrűsége átlagban 0,9 kg/l, így 45 g/km üzemanyagot használt fel a gépjármű. Az üzemanyag moláris tömege 14 g, tehát közelítőleg 3,2 mól/km fogyasztás jön ki. A CO2moláris tömege 44 g. Tehát 44 * 3,2 = 141 g. Ez az érték nagyon közel van a prospektusban megadotthoz. A gépjárműben CO2keletkezhet még a kenőanyagok, plusz egyéb anyagok elégetése során is. Tehát a prospektusban közölt adat helytálló.

Szabadon élő mikroszervezetek nitrogénkötése 2-40 kg/ha/év. A denitrifikáció évente a kijuttatott műtrágya 15-30%-t érinti. Kimosódás homokon 50 kg/ha, kötött talajon 20-25 kg/ha. Sok szerző szerint a téli csapadékkal mosódik ki a legtöbb nitrogén.

Győri D, 1984 vizsgálatai szerint a talajlégzés, a CO2kibocsátás 65 C- fokig növekszik, 90 C-nál visszaesik és 110 C -nál újabb maximumot ér el. Az első csúcs a mikorbiális bontás hőmérsékleti optimuma, a második pedig a kémiai oxidáció maximuma. 1 t szén oxidációjakor 3,67 t CO2keletkezik. (12 aránylik a 44-hez).

A növények átlagos széntartalma 45-50%, a lombosfák átlagban 50% szenet tartalmaznak. Egy 10t/ha szárazanyag-tartalmú biomassza tehát 5t/ha C-t tartalmaz, ami 18,35t CO2-nak felel meg. Ennyi CO2-t köt meg tehát a növény a környezetéből, a légkörből.