Magyar Tudományos Akadémia Agrártudományi Kutatóközpont Talajtani és Agrokémiai Intézet Környezetinformatikai Osztály
Pásztor László: Térbeli Talajinformációs Rendszerek/ Bevezetés a digitális talajtérképezésbe PhD kurzus
1. Bevezetés, alapfogalmak, gondolatok
Budapest, Herman Ottó út 15. Tel/fax.: 36-1-356-3694 e-mail:
[email protected] www.mta-taki.hu
MTA TAKI GIS Lab
Talajtani információk bevezetés, alapok • A talajról röviden
• Talajtani információk • Talajtérképek • Térbeli talajinformációs rendszerek (TTiR) • (Digitális) talajtérképezés
Talajtani információk bevezetés, alapok
Mi is a talaj? „A föld élő bőre.”
„A talaj a földkéreg legkülső, termékeny rétege.” „Térben és időben változó, háromfázisú, polidiszperz rendszer.”
Mi is a talaj? Feltételesen megújuló természeti erőforrás, amely központi helye a biogeokémiai körforgásnak, így az anyag és energiaáramlásnak. A talaj a földkéreg legkülső multifunkcionális része, mely különböző tulajdonságokkal, tulajdonságegyüttesekkel és funkciókkal bír. A többi természeti erőforrás integrátora.
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek
bioszféra
atmoszféra
pedoszféra
litoszféra
hidroszféra
Talajtani információ TÁRSADALMI ELVÁRÁSOK
talajfelvételezések, talajtérképek, térbeli talajinformációs rendszerek, talajföldrajzi adatbázisok
igények folyamatos növekedése
Talajtani információ TÁRSADALMI ELVÁRÁSOK
Felhasználás
(mező)gazdálkodás, földértékelés, szaktanácsadás, területi tervezés vízgazdálkodás környezetvédelem, …
gazdálkodással kapcsolatos lehetőségek, korlátok, problémák degradációs folyamatok detektálása, előrejelzése,
Talajtani információ TÁRSADALMI ELVÁRÁSOK
Felhasználók
gazdálkodók, tervezők, döntéshozók, hivatalnokok, mérnökök, kutatók oktatók hallgatók ...
Talajtani információ Talajtani adatbázisok beépülnek: földhasználati és vidékfejlesztési programokba, agrár-környezetvédelmi programokba, környezeti modellezésbe, környezeti erőforrás felmérésbe, kockázatbecslésbe etc.
Talajtani információ
Talajtani információ
TALAJFUNKCIÓK
TALAJTULAJDONSÁGOK
TALAJFOLYAMATOK
TALAJKÉPZŐDÉS TÉNYEZŐI
Információk: a talaj funkcióiról a talajról a talajfolyamatokról a talajt befolyásoló környezeti tényezőkről az érintett ökoszisztémákról. Várallyay, 1994.
Talajtani információ A talaj sokoldalú funkciói (a)
Feltételesen megújuló természeti erőforrás.
(b)
A többi természeti erőforrás (sugárzó napenergia, légkör, felszíni és felszín alatti vízkészletek, biológiai erőforrások) hatásának integrátora, transzformátora, reaktora. Ily módon biztosít életteret a talajbani élet-tevékenységnek, termőhelyet a természetes növényzetnek és termesztett kultúráknak.
(c)
A primér biomasszatermelés alapvető közege, a bioszféra primér tápanyagforrása.
(d)
Hő, víz és növényi tápanyagok (és – kényszerből – hulladékok) természetes raktározója.
(e)
A talajt (és terresztris ökoszisztémákat) érő, természetes vagy emberi tevékenység hatására bekövetkező stresszhatások puffer közege.
(f)
A természet hatalmas szűrő- és detoxikáló rendszere.
(g)
A bioszféra jelentős gén-rezervoárja, a biodiverzitás nélkülözhetetlen eleme.
(h)
Földtörténeti és történelmi örökségek hordozója. Várallyay, 1997.
Talajtani információ
A talaj sokoldalú funkciói Larson and Pierce, 1991
Harris et al., 1996
•
Serve as an environmental filter and buffer in the immobilization and degradation of environmentally hazardous compounds
•
nutrient relations
•
water relations
•
Provide a medium for plant growth and biological activity
•
toxicant relations
•
Regulate and partition water flow and storage in the environment
•
pathogen relations
•
rooting relations
•
aesthetic relations
•
physical stability
Karlen et al., 1994 •
Water entry, retention and supply
•
Resistance to stress and disturbance
•
Plant growth
Dailey, 1997 •
Buffering & moderation of hydrological cycle
•
Disposal of wastes and dead organic matter
•
Physical support
Doran & Parkin, 1994
•
Retention and delivery of nutrients
•
Sustain plant & animal productivity
•
Renewal of soil fertility
•
Maintain or enhance water & air quality
•
Regulation of elemental cycles
•
Support human health & habitation
Seybold et al., 1997 •
Sustain biological activity, diversity, & productivity
•
Providing support for socioeconomic structures
•
Protection of archeological treasures associated with human habitation
•
Water and solute flow
•
Filtering & buffering of contaminants
•
Nutrient cycling
A talaj sokoldalú funkciói
Talajtani információ
Ökológiai: Biomassza termelés A környezet és az ember védelme Gén rezervoár Nem ökológiai: Fizikai alapközeg Nyersanyag forrás Földtani és kulturális örökség őrzője
Regional Environmental Center for Central and Eastern Europe (REC)
http://soilquality.org/
Tápanyag körforgalom (Nutrient cycling)
A biodiverzitás és élőhelyek biztosítása (Maintaining biodiversity and habitat)
Vízforgalom szabályozása (Water relations)
Szűrő és puffer közeg
Helybeni szolgáltatás
Távolban kifejtett hasznot hajtó szolgáltatás
• Tápanyagszolgáltatás növények számára • A szén megkötés számos talajfunkciót javít
• Víz és levegő minőség javítása • A N és C megkötése csökkenti az üvegházhatású gázok kibocsájtását
• Mind a szántóföldi kultúrák, a füves élőhelyek és az erdők növekedését biztosítja • Növeli a stresszel szembeni ellenállást és rugalmasságot • Csökkenti Reduces pesticide resistance
• Segít fenntartani a genetikai sokféleséget • Támogatja a vadonélő fajokat és csökkenti a kihalási rátát • Javítja a táj esztétikáját
• Erózió kontrol • Kisvízgyűjtők víz utánpótlása • Víz hozzáférés a növények és állatok számára
• Árvíz és üledék kontroll • Talajvíz utánpótlás
• Sók, fémek, mikrotápanyagok szintjének a növények és állatok számára tolerálható tartományban tartása
• Javítja a víz és levegő minőséget
• Növények növekedésének közege • Épületek, utak alapja
• Régészeti emlékek őrzése • Hulladék raktározás
• Fenntartja a produktivitást
• Fenntartja vagy javítja a levegő és/vagy víz minőséget
(Filtering and buffering)
Fizikai támasz (Physical stability and support)
Összetett funkciók (Multiple functions)
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek (EU) Talajvédelmi Stratégia Talajdegradációs folyamatok (Európában)
Víz vagy szél okozta erózió
Szerves- anyagkészlet csökkenése
Nitrát Direktíva,
Víz Keretirányelv,
Kedvezőtlen Adottságú
Tömörödés, szerkezet-leromlás
Területek Lehatárolása,
Biodiverzitás csökkenése
Árvíz Irányelv,
belvíz és EurópaiÁrvíz, Ökoszisztéma talajcsúszás
Szolgáltatások Felmérése
Talajszennyeződés (pontszerű és diffúz) Talajfedés
…
Szikesedés
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek talaj/környezet/fenntarthatóság
Soil quality, soil health, soil security,
bioszféra
atmoszféra
pedoszféra
…
litoszféra
hidroszféra
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek elvárt információ folyamatok
rendszerek
környezeti és antropogén hatások
talajképző tényezők
talajképződés
t = t0 t
rendelkezésre álló információ
talajfejlődés/degradáció
Tápanyag körforgalom: ... üvegházhatású gáz mérlegek, ...
Szűrő és puffer közeg: ... Helicobacter pylori, Radon, ...
Talajtani információ Vízforgalom szabályozás: ... árvíz, belvíz, aszály, öntözés, ...
A biodiverzitás és élőhelyek biztosítása : ... szarvasgomba, földikutya élőhely, habitat fragmentáció ...
Talajtani információ SZOLGÁLTATÁSOK x, y
FUNKCIÓK LEVEZETETT TULAJDONSÁGOK
FOLYAMATOK
t ELSŐDLEGES TALAJTULAJDONSÁGOK/ OSZTÁLYOK
bioszféra
atmoszféra pedoszféra
litoszféra
z
hidroszféra
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek •
térben folytonos/pedon
•
fizikai/kémiai/biológiai
•
indikáció/pedotranszfer
•
tulajdonság/tulajdonság csoport/asszociáció/heterogenitás
•
érvényesség/support/kiterjesztés
•
pont minta/átlag minta/pedon
•
genetikus/diagnosztikus jellemzés
•
„lokális”/”globális” nyelven
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek térben folytonos/pedon
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek fizikai/kémiai/biológiai
Talaj szemcse Víz Gyökér Levegő
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek indikáció/pedotranszfer
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek elsődleges/másodlagos talajtulajdonság; funkció és/vagy folyamat
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek tulajdonság/tulajdonság csoport/asszociáció/heterogenitás
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek érvényesség/support/kiterjesztés
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek pont minta/átlag minta
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek genetikus/diagnosztikus jellemzés
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek „lokális”/”globális” nyelven
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek az adatgyűjtésnek „ára” van
Talajtani információ
Talajtani információ A talajvédelmi tervek mintavételezésének általános szabályai Minden terv esetében kötelező eltérő talajfoltonként talajszelvényt feltárni és bolygatott talajmintát venni, de a terv fajtájától függ, hogy a mintavétellel legfeljebb 5 vagy 10 hektárt jellemezhető. Talajvédelmi terv specifikusan kötelező eltérő talajfoltonként, de legalább 5 hektáronként a kijelölt parcella átlója mentén 20 részmintából képzett átlagmintát vagy a szelvényfeltárásból bolygatatlan, illetve talajvíz mintát venni. Talajmintákból minden terv esetében vizsgálandó paraméterek: - humusztartalom (%), - fizikai féleség (kötöttség vagy leiszapolható rész), - kémhatás pH (H2O, KCL), - összes karbonát tartalom (CaCO3 %) vagy hidrolitos aciditás (y1), - vízben oldható összes sótartalom (%). Talajvédelmi terv specifikus laborvizsgálatok: - fenolftalein lúgosság - tápanyag-ellátottság - báziscsere - mechanikai összetétel - térfogattömeg - PF sor - összes toxikus elemtartalom - szerves szennyezők vizsgálata - kicserélődési savanyúság (y2) - összes karbonát tartalom (CaCO3 %) - talajvízvizsgálat - hígtrágya vizsgálat - szennyvíz, szennyvíziszap vizsgálat
Talajtani információ A talajvédelmi tervek adatainak használhatósága „a talajvédelmi terv készítésének részletes szabályairól” szóló 90/2008. (VII. 18.) FVM rendelet 4. § kimondja, hogy „A talajvédelmi tervben szereplő talajtani adatokat a talajvédelmi hatóság a talajtani adatbázisában rögzíti.” Eljárási adatok
Szelvényleírások és laboradatok a szelvények helyének és a vizsgált terület sarokpontjainak EOV koordinátái VIZGYÁZAT CÉLSPECIFIKUS VIZSGÁLAT! A mintavételi helyszín kiválasztásának, a mintavétel és az adatok térbeli kiterjesztésének módszerét a talajvédelmi terv típus „specifikus kérdése” határozza meg.
Talajtani információ Talajvédelmi terv készítése szükséges a következő esetekben a) a savanyú, a szikes és a homoktalajok javításához, b) a mezőgazdasági célú tereprendezéshez, c) szőlő, gyümölcs, bogyós gyümölcs, illetve - ha jogszabály úgy rendelkezik - egyéb ültetvények telepítéséhez, d) a termőföldön történő, 400 m2-t meghaladó beruházások megvalósítása során a humuszos termőréteg mentéséhez, e) a mezőgazdasági célú hasznosítást lehetővé tevő rekultivációhoz, újrahasznosításhoz, f) az öntözéshez, g) a hígtrágya termőföldön történő felhasználásához az állattartás során keletkező egyéb szervestrágya kivételével, h) a szennyvíz és szennyvíziszap mezőgazdasági felhasználásához, i) a mezőgazdasági területek vízrendezéséhez, j) a nem mezőgazdasági eredetű, nem veszélyes hulladékok termőföldön történő felhasználásához, k) az erózió elleni műszaki talajvédelmi beavatkozások megvalósításához. • elenyésző
mennyiségben készül • erősen helyspecifikus, • ismétlődő a tervek döntő többsége
Talajtani információ
Talajtani információ szelvény/fúrás
gyűjtött
talajtérkép
Térbeli kiterjesztés
elvárt
Talajtani információ -Tulajdonságok származtatása pedotranszfer függvények -Folyamatokra és funciókra vonatkozó információk származtatása környezeti modellek
tematikus származtatás (property inference) gyűjtött
elvárt
Talajtani információ
Talajtani információ szelvény/fúrás
talajtérkép
A térképektől elvárt alapvető gyakorlati haszon a
térbeli predikció: Bizonyos talajtulajdonság becslése egy terület bármely pontjára vonatkozóan ismert helyeken mintázott értékek alapján. # Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y # Y # Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
Térbeli kiterjesztés
# Y
# Y # Y
# Y
Talajtérkép szelvény/fúrás
talajtérkép Tradicionális eszköz
hagyományos talajfolt térkép A térképezendő területet olyan diszjunkt egységekre bontja, amelyeken belül a talaj változékonysága kisebb, mint a teljes térképezett területre vonatkozóan. # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y # Y # Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
Térbeli kiterjesztés
# Y
# Y # Y
# Y
Talajtérkép szelvény/fúrás
talajtérkép
Térbeli becslést nyújtó, modern térinformatikai és matematikai (geostatisztikai, fuzzy, adatbányászati) módszerek
DSM
# Y # Y # Y
# Y # Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y # Y # Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y
# Y # Y
Térbeli kiterjesztés
# Y
# Y # Y
# Y
Talajtérkép
Talajtérkép A tradicionális talajfolt térképek továbbra is igen elterjedtek, mivel: A felhasználók többsége számára ezek nyújtják a legkönnyebben interpretálható eredményeket (vizualitás és egyszerűség). Pontosságuk is növelhető a modern eszközökkel.
Talajtérkép (i) elsődleges talajtulajdonságok vagy osztályok
(ii) másodlagos talajtulajdonságok, elsődleges talajtulajdonságokból levezetve
(iii) talaj funkciók és/vagy -folyamatok talajtulajdonságok és egyéb külső információk alapján származtatott
Talajtérkép Talajtérkép1: elsődleges talajtulajdonságokat vagy osztályokat bemutató talajtérkép
tradicionális térkép talajfoltok
a mért/megfigyelt értékek speciális térbeli kiterjesztése
felvételezés
Talajtérkép Talajtérkép1: elsődleges talajtulajdonságokat vagy osztályokat bemutató talajtérkép tradicionális térkép talajfoltok
a mért/megfigyelt értékek speciális térbeli kiterjesztése
Talajtérkép Talajtérkép2: másodlagos talajtulajdonságokat bemutató talajtérkép:
a mért/megfigyelt értékek speciális térbeli kiterjesztése és tulajdonságok származtatása pedotranszfer függvények vagy környezeti modellek formájában
felvételezés
Talajtérkép Talajtérkép2: másodlagos talajtulajdonságokat bemutató talajtérkép:
Funkcionális talajtérkép (FTT): talajfunkciókat és/vagy folyamatokat bemutató „talaj”térkép
Talajtérkép
A talaj egyes funkcióival, illetve (degradációs) folyamataival kapcsolatos talaj jellemzők regionalizálása révén áll elő
tulajdonságok származtatása környezeti modellek formájában elsődleges másodlagos környezeti talajtérképek talajtérképek tényezők felvételezés
Funkcionális talajtérkép (FTT): talajfunkciókat és/vagy folyamatokat bemutató „talaj”térkép
Talajtérkép
Talajtérkép
A „TALAJTÉRKÉP” nem létezik!
Talajtérkép
A talajtérkép a talajtakaró célspecifikus térbeli modellje
a talajokra vonatkozó ismeretek regionalizálására megalkotása a talajképző folyamatok szem előtt tartásával történik
Talajtérkép
tematika, tulajdonság, paraméter, …
térbeli felbontás, kiterjedés, lépték, … minőség, pontosság, megbízhatóság, …
Talajtérkép SZOLGÁLTATÁSOK
Általános(abb) értelemben vett talajtérkép x, y
FUNKCIÓK
LEVEZETETT TULAJDONSÁGOK
FOLYAMATOK t
bioszféra
ELSŐDLEGES TALAJTULAJDONSÁGOK/ OSZTÁLYOK
atmoszféra pedoszféra
litoszféra z
hidroszféra
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek INTERFÉSZ
Bemenő adatok Talaj paraméterek (kvalitatív/ kvantitatív, mért/becsült, módszer …) Térbeli jellemzők (talajfolt, szelvény sűrűség, reprezentativítás, szelvény mélység …)
Lehetőségek
pedotranszfer, korreláltatás, egyszerűsítés, származtatás, interpoláció, döntés, …
Eredmény térképek Talaj paraméterek (kvalitatív/ kvantitatív, mért/becsült, módszer …) Térbeli jellemzők (talajfolt, szelvény sűrűség, reprezentativítás, szelvény mélység …)
Elvárások
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek Nem független tematikus és térbeli megfontolások +
Egy levezetett (digitális) (talaj) térkép pontossága/megbízhatósága: • nyers alapadatok pontossága ++ • levezetett adatok tematikus + ++ származtatásának pontossága • térbeli származtatás pontossága ++ + + I (xi; pi) (térbeli felbontás és reprezentativitás)
+ + + + ++ + + + + + + ++ + + + δ{ + + + + ++ + + + ++ + + + + + + + + ++ + ++ + + +
Ibecsült (x; p[ptematikus; ptérbeli])
a tematikus és térbeli pontosságot meghatározó tényezők közti kompromisszum az optimális eredmény elérése érdekében.
Talajtérkép tematika, tulajdonság, paraméter, …
Talajtérkép lépték, kiterjedés, térbeli felbontás …
Talajtérkép minőség, pontosság, megbízhatóság …
Talajokra vonatkozó adatok/információk/térképek
tematika, tulajdonság, paraméter, …
lépték, kiterjedés, térbeli felbontás, …
minőség, pontosság, megbízhatóság, …