A klímaváltozás, a talaj- és a talajvízszennyezések hatására vízkészleteink drasztikusan csökkennek, ezért nő a vízgazdálkodási kutatások szerepe. E tekintetben kiemelt kutatási terület a szélsőséges időjárási helyzetek vízforgalomra gyakorolt hatásának vizsgálata, a belvizek és az aszálykárok következményeinek csökkentése, a mezőgazdasági vízigény meghatározása.
A talajok víztartó- és vízvezető-képessége vízgazdálkodási és a környezetvédelmi szempontból egyaránt a legfontosabb talajjellemzők közé sorolható. A víz visszatartása és mozgása a talaj szilárd alkotórészei által közrezárt pórushálózatban történik, ezért ezeket a hidrofizikai tulajdonságokat alapvetően a talajokat alkotó elemi részecskék méret szerinti megoszlása (mechanikai összetétele) és a talaj szerkezeti állapota határozza meg.
A mechanikai összetétel (agyag-, por- és homokfrakciók százalékos aránya) általában hosszú időtávon állandónak tekinthető, míg a talajszerkezet rövid időtartamon belül is jelentősen változhat. Különösképp igaz ez az intenzív növénytermesztés (nehéz művelő- és szállítóeszközök alkalmazása, gyakori forgatás, hiányos szervesanyag-visszapótlás, öntözés) mellett. A talajszerkezet kutatások ezért a talajfizikai és vízgazdálkodási kutatásokon belül egyre hangsúlyosabbá válnak. Sok a bizonytalanság azonban pl. azon a téren, hogy a talajok szerkezeti tulajdonságai miként számszerűsíthetők. Nem tisztázott, hogy miként függ a talajtani és környezeti tulajdonságoktól a talajszerkezet, illetve nem írható le egyértelműen más talajfizikai tulajdonságokra gyakorolt hatása sem.
A talaj szerkezeti elemek (aggregátumok) képződése
A talajok változatos alakú, méretű, szerveződésű szerkezeti elemekből, aggregátumokból állhatnak. Az aggregátumok összetett fizikai (pl. duzzadás-zsugorodás, fagyás-olvadás, természetes keverő hatások), kémiai (pl. oldódás, mállás, adszorpció) és biológiai (pl. mineralizáció) aggregációs és fragmentációs (feldarabolódási) folyamatok eredményeképpen képződhetnek, mely folyamatokat külső (pl. klimatikus, agrotechnikai) tényezők is befolyásolhatnak. Az aggregátumok képződésére vonatkozóan sokféle elmélet létezik.
A leginkább elterjedt „hierarchikus szemlélet” szerint az ásványi szemcsék flokkulációjával induló folyamatban az elsődleges ásványi szemcsék szerves és szervetlen kötőanyagokkal képeznek (stabilabb) mikroaggregátumokat, majd ebből képződnek a nagyobb átmérővel jellemezhető makroaggregátumok. A talajok változatos ásványi és szerves anyag összetételétől, illetve a környezeti feltételektől függően különféle kapcsolódási módok alakulhatnak ki egyidejűleg, melyek fontossága, súlya talajféleségenként, de akár az aggregátumok méretétől függően is változhat (pl. elektrosztatikus kölcsönhatások, kapcsolódás több vegyértékű kation-hidakon keresztül, Fe- vagy Al-oxidok, -hidroxidok által, ligandum-cserével vagy másodlagos kötésekkel, kolloidális mész, gyökérsavak, mikorrhizák, gombák, baktériumok, gyökerek szerkezetképző hatásai).
Miért fontos a talaj aggregátum-stabilitás ismerete?
A talajszerkezetet a szerkezeti elemek alakján (morfológiai szerkezet) és méret szerinti megoszlásán (agronómiai szerkezet) túl az aggregátumok stabilitásával is jellemezhetjük. A talaj aggregátum-stabilitása arról ad tájékoztatást számunkra, hogy a szerkezeti tulajdonságok hogyan változnak az idő függvényében különféle degradációs hatásokra (pl. talajművelő eszközök mechanikai, eső vagy öntözővíz szétiszapoló hatása), illetve milyen egy adott talaj víz- vagy szélerózióra való hajlama.
Mitől függ az aggregátum-stabilitás?
Az aggregátum-stabilitás mértékét befolyásoló fizikai, kémiai, biológiai és környezeti tényezők hatásai nem értelmezhetők a tényezők közötti összefüggések ismerete nélkül. Az egyes tényezők szerepe sok esetben – a körülményektől függően – ellentétes irányú is lehet.
A szerves anyag – lebomlottságának mértékétől függő – szerkezet-stabilizáló hatása például jobban érvényesül a durvább textúrájú (homok fizikai féleségű) talajokon. A finomabb textúrájú talajok estében az agyagásvány-típustól függő stabilizáló hatás jelentősebb. Duzzadó típusú agyagásványok esetében a stabilitást csökkentő diszperziós hatások nyilvánulnak meg, míg a nem duzzadó agyagásványokat tartalmazó talajok aggregátumainak stabilitását az agyagásványok szerves-anyaggal képzett ún. organo-minerális komplexei növelhetik.
Egy-egy tényező hatása különböző léptékekben is megjelenhet; a növényi gyökerek, gombafonalak mind fizikai (összetartó hatás), mind biológiai (élettér) és kémiai folyamatokon (pl. gyökérsavak diszpergáló hatása) keresztül befolyásolják a talaj-aggregátumok képződését és stabilitásának változását. A baktériumok szerepe elsősorban a mikroaggregátum képződési/lebomlási ciklusban jelentős. A talajélőlények által kibocsátott széndioxid hozzájárul a másodlagos karbonát-képződéshez, növelve a kötőerőt az elsődleges szemcsék között.
Az időjárás hatására bekövetkező nedvesedési-száradási ciklusok kismértékben csökkentik az aggregátumok mennyiségét, de növelik azok stabilitását. A talajkémiai jellemzők (pH, CEC) befolyásolják pl. a talaj mikrobiológiai aktivitását, a fémionok oldhatóságát, az agyagásványok diszperziójának mértékét. A bakteriális, növényi és állati biomassza összetevői pedig elsősorban származás és biokémiai összetételtől függően határozzák meg az aggregátumok stabilitását; pl. a növényi szénhidrátok méret szempontjából általában a durvább frakciókkal hozhatók összefüggésbe, míg a mikrobiális eredetű szénhidrátok a finomabb frakciókkal – ezáltal ellenállóbbak. A lipidek többnyire az agyagfrakcióban halmozódhatnak, dúsulhatnak fel.
A talaj aggregátumaira ható tényezők összetett hatása legtöbb esetben befolyásolható az adott terület adottságait figyelembe vevő agrotechnikai műveletek megválasztásával (művelésmód, növényborítottság, tápanyag-utánpótlás stb.).
Általánosságban a művelés hatására a szerves anyag lebomlása gyorsabb, jelentős mértékben megváltozhat a talaj aggregáltsága, az aggregátumok stabilitása (1. ábra).
1. ábra. Az aggregátumok stabilitása szántóföldi művelésű talajon és gyepterületen (Hernádi, 2017)
Az aggregátum-stabilitás mérése
Az aggregátumok stabilitásának vizsgálatát úgy végezzük, hogy az egyes aggregátumokat ismert nagyságú romboló erőnek vetjük alá, majd megmérjük az ennek hatására épen maradt aggregátumok mennyiségét.
Az aggregátum-stabilitás mérésére számos módszer található a szakirodalomban. A legegyszerűbb az ún. Sekera-féle eljárás, melynek során egy Petri-csészében, vízben vizuálisan vizsgáljuk meghatározott méretű és mennyiségű talajaggregátum eliszapolódási képét.
Az aggregátum-stabilitás mérési módszerek közül legelterjedtebb az ún. nedves szitálásos eljárások. Előnyük, hogy azonos módszerrel előkészített, azonos mérési körülmények (szita átmérője, áztatás ideje és a mozgatás amplitúdója) között mért minták esetén egymással összehasonlítható aggregátum-stabilitási mutatókat kapunk. A méréseket végezhetjük szitasorozattal is, ám gyakoribbak az egy szitás (opcionálisan 4–2000 mm, de általában 250 mm) készülékek, mint amilyen az Eijkelkamp gyártmányú mérőeszköz (2. ábra).
2. ábra. Nedves szitálásos készülék a talajok aggregátum-stabilitásának meghatározására (Eijkelkamp)
A nedves szitálásos mérések eredménye jelentős mértékben eltérő lehet a mintavételtől (pl. évszak, nedvességtartalom, mintavételi eszköz) vagy az előnedvesítés módszerétől (pl. szűrőpapírral, kapilláris úton vagy vízgőzben, aerosolban történő nedvesítés, esetleg vákuum alkalmazása) függően. Bár a nedves szitálási módszerek rendkívül elterjedtek, alkalmazásuk egyik korlátja, hogy elsősorban a makroaggregátumok stabilitásának mérésére alkalmasak és a stabil aggregátumokat csak néhány meghatározott mérettartományban képesek mérni, illetve önmagukban a szétiszapolódott részecskék további szemcseméret-eloszlását nem tudják vizsgálni.
Az aggregátumok vízzel szembeni stabilitása jellemezhető az vízeróziós hatások előrejelzésének vizsgálatára/modellezéséhez alkalmazott csepegtető, vagy esőztetéses eljárásokkal is.
Az aggregátum-stabilitás meghatározásának új lehetőségei
A századfordulót követően végzett környezetvédelmi, talajtani, hidrológiai és agronómiai célú kutatások ígéretes alternatívaként számolnak be a korábban ipari (elsősorban gyógyszer- és kerámiaipari) alkalmazású ún. lézeres szemcseanalizátorokkal (Magyarországon legelterjedtebbek a Horiba, Fritsch és Malvern gyártmányú készülékek) végzett aggregátum-stabilitás mérésekről.
Ezeknek a lézerdiffrakción alapuló méréseknek az előnye a gyorsaságuk (max. 3–10 perc/minta) mellett, hogy a mérési eredményt egy folytonos függvényként adják meg, így a kapott adatok könnyebben összevethetők különböző szemcseméret osztályozási rendszerek és mérési módszerek adataival. Emellett az eredmények jól reprodukálhatók (a különböző egyéb mérési módszerekhez képest legalább egy nagyságrenddel pontosabbak). Az újabb készülékek már a talajvizsgálatoknál megkívánt széles (tized mikrontól néhány milliméterig terjedő) mérettartományban is képesek mérni. A mérőegységbe szerelt, vagy csatlakoztatható ultrahangos előkészítő egységekkel, a keverési és átfolyási sebesség megválasztásával a minta mechanikai diszpergálása szabályozható, így az aggregátum-stabilitást meghatározó különböző összetartó erők hatása vizsgálható.
Összefoglalás
A talajok optimális víz-, levegő- és tápanyag-gazdálkodásához és az eredményes növénytermesztéshez elengedhetetlen a megfelelő talajszerkezet kialakítása és fenntartása. A szerkezeti állapot egyik legfőbb jellemzője a talajok aggregátum-stabilitása.
Az aggregátum-stabilitás meghatározását számos módszertani újítás és automatizált mérőberendezés teszi lehetővé. Az aggregátum-stabilitási mutatók pontos, reprodukálható és gyors mérési módszereinek kidolgozása és szabványosítása, illetve a hatótényezők közötti összefüggések részletes feltárása és számszerűsítése napjaink fontos kutatási feladata.
Kutatásunkat az Emberi Erőforrások Minisztériuma Új Nemzeti Kiválóság programjának és a K119475 sz. NKFI pályázat támogatásával végeztük.
Hernádi Hilda12, Barna Gyöngyi2 és
Makó András2
1 Pannon Egyetem GK; 2 MTA ATK TAKI
