Browse

Kutatásunk során Magyarország két dél-alföldi réti csernozjom talajú területét vizsgáltuk azon céllal, hogy in situ körülmények között számszerűsítsük a különböző szélesemények által okozott talajveszteség mértékét, az ezzel együtt járó humusz- és tápanyagáthalmozás nagyságrendjét, valamint a két terület defláció érzékenységében tapasztalt különbségek okait.

Vizsgálati területeink Békés megyében, Makótól K-re mintegy 10 km-re, Apátfalva külterületén, valamint Csongrád megyében Szegedtől ÉNy-ra 2 km-re helyezkedtek el. Kutatásunk célkitűzései az alábbiak voltak: terepi szélcsatornás mérésekre alapozott laboratóriumi mérések alapján különböző szerkezeti állapotú csernozjom talajokra meghatározni

1. ◾ az indítósebességet,
2. ◾ a szélerózióval áthalmozott szedimentben mért makroelem, és humuszanyag feldúsulását,
3. ◾ valamint az ezekre ható talajtani tényezőket.

A hasonló mechanikai összetételű, Szeged és Apátfalva melletti réti csernozjom talajok aggregátum összetételében, valamint a CaCO₃ és humusztartalomban megfigyelhető különbségek hatására a Szeged melletti csernozjom mintaterület talaja defláció érzékenyebb. A Szegedtől É-ra eső csernozjomokon 6,5–9,0 m s^–1 közötti indítósebesség értékeket mértünk, míg Apátfalván 13,0 m s^–1 volt az indítósebesség értéke. Az apátfalvi terület talajának magasabb karbonát- és humusztartalma, valamint aggregátum összetételében mért magasabb morzsa arány az indítósebességérték növelésének irányába hat. A feltalajban a 0,5 mm-nél kisebb aggregátumok magasabb aránya következtében nemcsak kisebb indítósebesség értékeket, hanem nagyobb áthalmozódó talajmennyiséget, valamint ezzel együtt nagyobb mennyiségű humusz- és foszfor elmozdulást mértünk az egységesen 10-10 perces fújatási kísérleteink alkalmával a szegedi mintaterületen. Megállapítható tehát, hogy egyazon talajtípusba eső, s azonos textúrájú (homokos vályog) talajok esetében az aggregátum összetételben, valamint a CaCO₃ és humusztartalomban megfigyelhető eltérések hatására jelentős különbségek tapasztalhatók a defláció érzékenység, az indítósebesség, a szediment szállítás módja és a humusz- és elemáthalmozás mértéke között.

In our research, two Chernozem soil areas were examined in the southern part of the Great Hungarian Plain in order to quantify the amount of the soil loss, humus and nutrient transport caused by different wind events and in order to show the causes of the differences in the sensitivity of deflation between the two areas.

Our study areas were located in Békés County, one of them was near Apátfalva, about 10 km east of Makó, and the other one was 2 km northeast of Szeged in Csongrád County. Our in situ wind tunnel experiments were accomplished on 2–4 June 2011 at Apátfalva and in July 2013 in Szeged. The objectives of our research were the followings:

1. ◾ determination of the enrichment ratios for humus, macro- and microelements in the wind eroded sediments in the case of Chernozem soils with different structures based on field experiments and laboratory measurements;
2. ◾ determination the affecting actual soil factors;
3. ◾ estimation of soil loss and element rearrangement trends on Chernozem arable lands under different wind velocity on plot scale.

Because of the differences in the aggregate size distribution, CaCO₃ and humus content, Chernozem soil near Szeged is more sensitive to deflation than near Apátfalva. Threshold friction velocity was measured between 6.5 and 9.0 m s^–1 near Szeged, while the same parameter was 13.0 m s^–1 at Apátfalva. The higher carbonate and humus content and the higher crumb ratio of the soil on the Apátfalva area result increasing threshold friction velocity. Due to the higher proportion of aggregates smaller than 0.5 mm in the topsoil, we have measured not only lower threshold friction velocities, but also a larger quantity of transported soil and a larger humus and phosphorus loss during the uniform 10-10 minute long wind tunnel experiments in the Szeged sample area. It can be concluded that even in spite of the same soil type and same texture there are significant differences between deflation sensitivity, threshold friction velocity, sediment transport mode, humus and nutrient transportation because of the significant differences in aggregate size distribution, CaCO₃ and humus content.

It means that the agronomic structure of the soils greatly influences the mitigation and aggravation of the soil the stress effects caused by climate change. Extreme weather situations have drawn attention to the fact that improperly applied cultivation methods, tools, and overuse of Chernozem soils can modify the soil structure. One of the most serious affect is the dusting of the surface layer of the soil. During this process the larger macroaggregates disintegrate into microaggregates and the resulting smaller fractions are more exposed to wind erosion.

The dust load affecting our settlements is mainly originated from arable lands. The mitigation of this emission is fundamentally based on the regulation of land use, farming practices and deflation. “Best Management Practices” (BMPs) mean a group of selected tools that can reduce or eliminate the transport of pollutants from diffuse sources before, during and/or after agricultural activities. However, these diffuse agricultural loads caused by wind erosion can only be quantified if the magnitude and spatial movement of the dust and pollutants is monitored.

Munkánk során potenciálisan toxikus fémek frakcióinak meghatározására alkalmazott analitikai módszereket kívántunk értékelni, azok talajféleségtől való függése alapján.

A talajféleségtől való függés mértéke döntően megszabja a módszer használhatóságát. Jelen dolgozat célja, hogy a Cu, a Zn, a Fe és a Ni környezeti mobilitása szempontjából értékelje a vizsgálatba vont egy- és többlépéses kioldásos módszereket.

Vizsgálatainkhoz a TIM adatbázisból származó négy, eltérő fizikai talajféleségű mintát választottunk (homok-, homokos vályog-, vályog- és agyag-talaj sorrendjében növekvő agyag- és humusztartalommal és pH-val).

Öt különböző kivonószerrel végzett egylépéses extrakciót és kétféle szekvens, azaz 3+1 lépéses egymás utáni extrakciós vizsgálatot végeztünk (BCR és McGrath módszerekkel).

Elvégeztük a minták Magyar Szabvány (MSZ 21470-50) szerinti, mikrohullámú kezeléssel egybekötött, H₂O₂+HNO₃ eleggyel való roncsolását is. Az így megállapított elemtartalom környezetvédelmi szempontból teljes („összes”) elemtartalomnak tekinthető.

A mérési eredmények alapján megkíséreltük kiválasztani a vizsgálatba vont módszerek közül azokat, amelyek a talajból már biztonsággal meghatározható mennyiségű elemet vonnak ki, de a kivont mennyiség még nem a teljes elemtartalommal arányos.

A mikrohullámú feltárással kapott Zn-, Cu-, Fe- és Ni-tartalmak, a homok-, homokos vályog-, vályog- és agyag-talaj sorrendben, vagyis az agyag- és humusztartalmukkal, valamint pH-jukkal párhuzamosan nő. Egy olyan összetett rendszerben, mint a talaj, az egyes talajtulajdonságok, így az agyag- és humusztartalom, valamint a pH hatása vizsgálataink alapján nem különíthető el, de mint várható volt, a nagyobb agyag- és humusztartalmú és magasabb pH-jú talajok ezekből az elemekből többet halmoztak fel.

Mivel a kelátképzőket tartalmazó kivonószerek az összes réztartalomnak mintegy harmadát kivonták, a kivont mennyiség a réztartalommal volt arányos, vagyis a réztartalom növekedésével párhuzamosan nőtt.

Ezek a kivonószerek tehát Cu esetében kevésbé alkalmasak az egyes talajféleségek toxicitása közti különbségek kimutatására.

A rézzel ellentétben, a másik három elemnél az egyes talajféleségeknél kivont kis elemmennyiségek esetenként nagyságrendileg is különböztek, így az elméleti meggondolásunknak megfelelően feltételezhető, hogy az egyes talajféleségek toxicitása közti különbséget mutatják.

A két szekvens módszernél a vasnál kapott mérési eredményeket azok szórása miatt nem lehetett értékelni.

Megállapítható, hogy a BCR agresszívebb kivonószereket használ, mint a McGrath módszer, ennek megfelelően a BCR módszerrel a talajok átlagában az elemek 36, a McGrath módszerrel pedig csak 9%-át vontuk ki.

A BCR módszernél nincs vízszerű gyenge kivonószer, amiből a különböző talajok összes elemtartalmából felszabaduló ionok mennyiségére lehetne következtetni. Az ecetsav, a leggyengébb kivonószer, de a kicserélhető elemtartalom mellett kivonja a karbonátokhoz kötött, vagyis biztosan nem szabad ionos elemtartalmat is.

Mivel a BCR módszer minden kivonószerével sok elemet vonunk ki, nincs érdemi különbség az elemek egyes talajoknál mért kivonási százaléka között, ami figyelembe véve, hogy a talajok elemtartalma a homoktól az agyagtalajig nő, azt jelenti, hogy a kivont mennyiség az összes elemtartalommal arányos.

Lényegében ugyanezt mondhatjuk a McGrath módszer két agresszívebb kivonószeréről is, annak ellenére, hogy lényegesen kevesebb elemet vonnak ki. Ezzel szemben a módszer leírása szerint, a 0,1 mólos kalcium-kloridos kivonatból a vízoldható és kicserélhető elemtartalomra lehet következtetni, így minden bizonnyal a talajok toxicitását mutatja.

In this study, we aimed to evaluate some analytical methods used to determine the fractions of potentially toxic metals, based on their dependence on soil type.

The degree of dependence on soil type determines the applicability of the method. The aim of the present paper is to evaluate the single- and multi-step extraction methods included in the study in terms of the environmental mobility of Cu, Zn, Fe and Ni.

For the studies, we selected four samples with different physical soil types from the Soil Information and Monitoring System database.

In order to establish trends, soil samples were selected so that their clay and humus content, i.e., their adsorption capacity as well as their pH increased in the order of sand, sandy loam, loam and clay soils.

One-step extractions with five different extractants and two sequential extraction analyses including 3+1 steps were performed (BCR and McGrath methods).

We also performed the digestion of the samples with H₂O₂ + HNO₃ solvent combined with microwave treatment according to the Hungarian Standard (MSZ 21470-50). The element content determined in this way can be considered as the "total" element content from the environmental point of view.

Based on the results of the analyses, we tried to select from the methods included in the study those that already extract a safe amount of elements from the soil, but the extracted amount is not yet proportional to the total element content.

The Zn, Cu, Fe and Ni contents resulting from microwave digestion increased in the order of sand, sandy loam, loam and clay soils, i.e. in parallel with the clay and humus content and pH of the soils.

As the extractants containing chelating agents extracted about one-third of the total copper content, the amount extracted was proportional to the copper content, i.e. it increased in parallel with the increase in copper content. Thus, in the case of copper, these extractants are less suitable for detecting differences in the toxicity of different soil types.

In contrast to copper, in the case of the other three elements, the small amounts extracted from each soil type also differed in order of magnitude, so according to our theoretical consideration, it can be assumed that they show a difference between the toxicity of each soil type.

The results obtained with iron using the two sequential methods could not be evaluated due to their standard deviation.

It can be stated that BCR uses more aggressive extractants than the McGrath method, accordingly, the BCR method extracted 36%, whereas the McGrath method only 9% of the elements on average of the soils.

The BCR method does not have an aqueous weak extractant, which would indicate the amount of ions released from the total element content of the different soils. Acetic acid is the weakest extractant, but in addition to the exchangeable element content, it also extracts the ionic element content bound to carbonates, which is certainly not free.

Because a large amount of elements is extracted with each extractant in the BCR method, there is no significant difference in the percentage of elements extracted for each soil, which, given that soil element content increases from sand to clay soil, means that the extracted amount is proportional to total element content.

Basically, the same can be said for the two more aggressive extractants of the McGrath method, despite the fact that they extract significantly less amount of elements. In contrast, as described in the method, the water-soluble and exchangeable element content can be inferred from the 0.1 M calcium chloride extract, thus it certainly indicates soil toxicity.

Szervesszén térképezést segítő módszertani kutatásként vizsgáltuk egy szántóföldi művelés alatt álló terület, 3 mélységből származó mintáinak MIR reflektanciáját, illetve szervesszén tartalmát (Walkley-Black). Ezt követően a spektroszkópia mérések eredményeit használtuk a talaj szervesszén-mennyiségének (TOC %) becslésére. Tettük ezt 3 mintakijelölési módszer (Kennard-Stone Sampling - KSS, K-means Sampling - KMS, Latin Hypercube Sampling - LHS) bevonásával, az így kijelölt kalibrációs mintákkal a PLSR modell segítségével becslést végeztünk az adathalmaz további értékeire. Annak érdekében, hogy tábla szintű szervesszén meghatározás során teszteljük becslési pontosságukat, a modellek reprezentativitását – különböző validációs/kalibrációs arány esetén – statisztikai mutatókkal (R², RMSE) ellenőriztük.

Az eredményekben részleteiben vizsgáltuk a különböző becslési modellek reakcióját eltérő arányú kalibráció és validáció esetén. A modellek R² és RMSE értékei alapján kijelöltük, hogy mely modellek működtek pontosan még alacsony kalibráció esetén is, illetve abszolút értelemben véve melyik modell volt leghatékonyabb.

Az összehasonlítás eredményeként kijelenthető, hogy az általunk vizsgált talajkörülmények között a 30% alatti, valamint a 70% feletti mintaszámú kalibráció a mintakijelölési módszerek megbízhatóságának ingadozását eredményezte. Az összes minta 30%-val történő kalibráció esetén legjobb eredményt a KSS adta, így ez tekinthető a leggazdaságosabb módszernek. Az abszolút értékben vett legkisebb hibát a K-means sampling eredményezte, a minták 90%-val történő kalibrációt követően.

Kijelenthető, hogy az alkalmazott módszertan esetünkben alkalmas volt – a reprezentativitás megtartása mellett – a szükséges minták számának, ergo a táblaszintű szervesszén-felmérés költségeinek csökkentésére. Továbbá a mintakijelölési módszerek becslési hatékonyságának összehasonlítására is megfelelt az általunk alkalmazott statisztikai vizsgálat. A módszertan a jövőben kiinduló alapja lehet hasonló jellegű kutatásoknak, valamint tábla szintű szervesszéntérképek elkészítésének. A szélesebb körű alkalmazást megelőzően a modelleket nagyobb varianciájú adathalmazok esetén is tesztelni szükséges.

Within the framework of the present research, we mapped the organic carbon content of an arable area, during which we measured the MIR reflectance and organic carbon content (Walkley-Black) of the soil samples collected from the area at three different depths. Subsequently, the results of spectroscopic measurements were used to improve the estimation of the soil organic carbon content (TOC %). Three sample selection models were involved (KSS, KMS, LHS), and with the selected calibration samples, we estimated the additional values of the data set using the PLSR model. In order to test the accuracy of estimation for a table-level organic carbon determination, the representativeness level of the models was checked with statistical indicators (R2, RMSE) at different validation / calibration ratios.

In the results, we thoroughly examined the response of different estimation models with different ratios of calibration and validation. Based on the R2 and RMSE values of the models, we determined which models worked precisely even at low calibration, and in absolute terms, which model was the most efficient.

As a result of the comparison, it can be stated that under the soil conditions we examined, calibration with a sample number below 30% and above 70% caused significant fluctuations in the reliability of the sampling methods. Kennard-Stone sampling (KSS) gave the most precise results for calibration with 30% of all samples, thus it is considered the most economical method. The smallest error overall was given by K-means sampling after calibration of 90% of the samples.

It can be stated that the methodology used in this study was suitable to reduce the samples required for analysis - while maintaining representativeness - therefore reducing the costs of the field-level organic carbon survey.

Furthermore, the statistical analysis we used to compare the estimation efficiency of the sampling methods was also appropriate. The methodology we use may be the basis for similar research in the future, as well as for the production of table-level organic carbon maps. Prior to wider application, models also need to be tested for higher variance datasets.