Földrajzi Konferencia, Szeged 2001.
CSAPADÉK ÁLTAL OLDOTT ANYAGOK MOZGÁSA EGY KISVÍZGYŰJTŐN ÉS SZEREPÜK AZ ERÓZIÓ FOLYAMATÁBAN Tóth Adrienn – Jakab Gergely – Madarász Balázs – Mészáros Erzsébet1 Abstract Méréseinket a Tetves-patak vízgyűjtő területén végeztük, mely a Balaton D-i vízgyűjtőjéhez tartozik. A területen több évtizede folyik eróziós kutatás, mely jellemzően az elhordott talaj mennyiségének mérésére, és a Balaton terhelésének vizsgálatára irányul. Az oldott és szuszpendált anyagok vizsgálatára a patakon felállított két automata mintavevő műszer szolgáltat adatokat, a patakban mért oldott és szuszpendált anyagok származási helyéről eddig nem voltak információink. E hiány pótlására a következő kísérletet állítottuk be 2001. februárban. A patakvölgy egy jellemző keresztszelvénye mentén a természetes csapadékok hatására kialakuló felszíni elfolyást vizsgáltuk csapadékeseményenként. Az elfolyás csapdázására a talaj felszínéig lesüllyesztett edényeket használtunk. Az ily módon nyert mintákat kiegészítettük az elfolyást okozó csapadékból, a talajvízből és a völgyszelvény metszéspontjában a patakból vett mintákkal. A talajvizet a szelvényben létesített két kútból mintáztuk. A vizsgálatok megkezdése előtt a mintavételi helyeken talajmintákat vettünk, melyekből meghatároztuk az adott ponton jellemző, potenciálisan oldható, illetve erodálható tápanyagok mennyiségét. A kiválasztott völgyszelvény tartalmazza a vízgyűjtő egészére jellemző borítottságot, földhasználatot, valamint megtalálható benne a vízgyűjtő felszínén többfelé előforduló eróziós árok. Méréseink az alábbi anyagok mennyiségi meghatározására terjednek ki. Összes nitrogén, nitrit, nitrát, ammónium, összes foszfor, foszfát. A nitrogén és foszfor formák vizsgálatát a Balaton eutrofizációjában játszott szerepük indokolta. A vizsgálati eredményekből képet kapunk a természetes csapadékok beltartalmi értékeiről, ill. az esésvonal mentén lefelé haladva az oldatba vitt anyagok koncentráció változásairól. A kutatás célja A felszíni vizeket világszerte veszélyeztető civilizációs eredetű jelenség, az eutrofizáció a Balatont az 1960-as évektől kezdve, jelenleg is leginkább veszélyeztető folyamat. Okai, befolyásoló tényezői sokrétűek; ezek vizsgálata az 1970-es évektől folyik. Az eutrofizáció elleni védekezés a Liebig törvényen alapul; már a kezdeti kutatások bebizonyították (OLÁH et al. 1977), hogy a Balatonban a foszfor a limitáló tényező, ez határozza meg az elsődleges algatermelést. Később az is bebizonyosodott, hogy bizonyos körülmények között a nitrogén és a fény is limitáló tényezővé válhat, ez azonban nem változtat azon, hogy a vízminőség szabályozásában a foszfor játssza a főszerepet (SISÁK I. – MÁTÉ F. 1993). A tóba érkező vízfolyások tápanyag-szállítása – oldott és lebegtetett formában – széles körben vizsgált és többé-kevésbé ismert. 1
Tóth Adrienn tudományos segédmunkatárs MTA Földrajztudományi Kutatóintézet, 1112 Bp. Budaörsi út 4345. Jakab Gergely tudományos segédmunkatárs, MTA Földrajztudományi Kutatóintézet Madarász Balázs, tudományos segédmunkatárs, MTA Földrajztudományi Kutatóintézet Mészáros Erzsébet tudományos segédmunkatárs, MTA Földrajztudományi Kutatóintézet
1
Tóth Adrienn et al: Csapadék által oldott…
Vizsgálataink során arra kerestük a választ, hogy a csapadékesemények után kialakuló felszíni illetve felszín alatti elfolyás foszfor és nitrogén tartalma hogyan változik a vízválasztótól a patakig. Az irodalomból jól ismert, hogy a foszfor mozgása elsősorban talajrészekhez kötötten, lebegtetett formában történik (STEFANOVITS P. 1992), azonban oldódását bizonyos ionok jelenléte és a pH nagyban befolyásolja (WEDEPOHL K. H. 1978, LINDSAY et al. 1989). Méréseinkkel megpróbálunk az oldott formában szállított foszfor jelentőségéről és viselkedéséről képet kapni. A vizsgált terület leírása A Balaton déli vízgyűjtőjéhez tartozó Tetves-patak vízgyűjtőjének legnagyobb része a Nyugat-Külső-Somogy kistájhoz tartozik, csak az északi, torkolatkörnyéki szakasz nyúlik a Somogyi Parti Síkba. A vízgyűjtő 100,2 km2 kiterjedésű. A patak egy meridionális völgyben, a völgyi vízválasztó északi oldalán ered és Balatonlellétől keletre torkollik a Balatonba. Főmedrének hossza 25,1 km, folyásiránya D-É. A vízgyűjtő talajainak elterjedése szoros összefüggést mutat a domborzattal: a magasabb térszín löszhátain az agyagbemosódásos barna erdőtalajok különböző mértékben erodált változatai fedik a felszínt. A mélyebben fekvő, nagyrészt homokosabb részeket a barnaföld típushoz tartozó talajok jellemzik. A völgyben, a vízfolyás partján az öntésréti talaj a legjellemzőbb talajtípus. A sokéves csapadékátlag 700 mm, éves megoszlását a júniusi főmaximum és a júliusi másodmaximum jellemzi. Az évi középhőmérséklet 10,1 oC. A fagyos napok száma sok év átlagában 95, a hótakarós napoké 35-40. A jellemző szélirány É-ÉNy. Az átlagos evapotranspiráció értéke 556 mm.
Anyag és módszer A mintavételi helyeket a völgy egy Somogybabodot átszelő keresztszelvényének Ny-i kitettségű lejtőjén jelöltük ki (1. ábra). A vízválasztón és a lejtő felső szakaszán nagyüzemileg művelt szántóföld található, az inflexiós sávot magába foglaló lejtőszakasz tagolt, párhuzamosan megtalálható itt a háztáji szántó és a nagymértékű vonalas erózió miatt művelésből kivont terület (jelenleg akácerdő). Az ellaposodó lejtő aljánál található Kisbabod település, majd szántóföld, illetve nádas-csalitos terület a patakig. A felszíni elfolyás vizsgálatára 5 mintavételi helyet létesítettünk („V” jelű pontok). Peremükig leásott vödröket helyeztünk el oda, ahol a mikro-, illetve makro-domborzat miatt az elfolyás lineárissá vált. Az első vödröt a szántó aljára helyeztük el, amely egyúttal egy vízmosás kezdete is. E vízmosás hossza eléri a 300 métert, legnagyobb mélysége pedig a 6 métert. A második és a harmadik vödröket rendre a vízmosás közepén és végén ástuk le. A negyediket egy lejtőirányban művelt szántó (párhuzamos a vízmosással) alján, míg az ötödiket a patakhoz közel, az út menti árokban helyeztük el. Két helyen létesítettünk talajvíz mintavételére alkalmas kutakat („K” jelű pontok), valamint mintákat vettünk a csapadékból és a patakból (2. ábra). A „V1” jelű vödröt a mérések megkezdése után ellopták, így ennek értékeiről nem tudunk beszámolni.
2
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001.
1. ábra. A vizsgált terület légifotója mintavételi pontokkal.
2. ábra. Mintavételi pontok a vizsgált területen.
3
Tóth Adrienn et al: Csapadék által oldott…
A mintavételeket március hónapban végeztük. Minden olyan csapadékeseményt mintavétel követett, mely után a felszíni csapdákban minimum 50 ml folyadék volt. Az elfolyás megszűnése után a felfogott anyagot ülepedni hagytuk, majd a folyadék felső részéből Falcon-csövekbe mintát vettünk. A felszíni elfolyást okozó csapadékesemények után – akkor is, ha az elfolyás mennyisége nem érte el a kívánt mennyiséget – a csapdák tisztításra kerültek (hordalék, folyadék eltávolítása, majd szárazra törlés). A hónap során kilenc olyan csapadékesemény volt melyek következtében teljes mintasorozatot tudtunk venni. E kilenc mintasorozatból négyet választottunk ki teljes vizsgálatra, a többinél csak részleges méréseket végeztünk. A mintákból oldott nitrát, nitrit, ammónium, foszfát tartalmat határoztunk meg. A terület jellemző feltalajaiból, így a nagyüzemileg művelt szántóból, a háztáji szántóból és vízmosás aljából talajmintákat vettünk. A talajokat feltárás nélkül 15 percen illetve 24 órán át rázattuk desztillált vízben, modellezendő a csapadék maximális kioldó hatását (BUZÁS I. 1988.). A mérés Merck SQ 118 típusú spektrofotométerrel történt. A mintákat három párhuzamos mérés átlagával jellemeztük. A csapadékesemények rögzítésére a Kisbárapáti csapadék-mérő állomáson került sor, mely a vizsgált szelvénytől 9 km-re fekszik, DK-i irányban. A márciusban hullott csapadékok mennyiségét a 3. ábra szemlélteti. A vizsgált csapadékok az alábbi jellemzőkkel bírnak (1. táblázat): 1. táblázat. A vizsgált csapadékok főbb jellemzői. Dátum 2001. 03. 02. 2001. 03. 17. 2001. 03. 22. 2001. 03. 27.
Összeg ( mm ) 1.3 7 3.3 8
Intenzitás ( mm/h ) 1.3 1.8 0.4 1.1
3. ábra. Napi csapadékösszegek márciusban (a vizsgált esők zölddel jelölve). mm 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2
4
31
29
27
25
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
3
1
0 nap
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001.
Eredmények A talajmintákból desztillált vízzel oldható foszfor és nitrogénformák mennyiségét az alábbi táblázat tartalmazza (2. táblázat): 2. táblázat. A talajokból desztillált vízzel oldatba vihető foszfor és nitrogén mennyisége, 0 = kimutathatóság alatt (mg/g).
Oldott P Oldott NO2-N Oldott NO3-N Oldott NH4-N Össz. oldott N
15 perces oldás Szántó Háztáji 0,233 3,406 0 0,101 0,93 0,44 0 0 0,93 0,541
Lösz 0,098 0,041 0,76 0 0,801
24 órás oldás Szántó Háztáji 0,074 4,459 0,002 0,037 0,58 0,29 0 0 0,582 0,327
Lösz 0 0,091 0,16 0 0,251
Foszfor tekintetében megállapíthatjuk, hogy kiugróan magas oldott értéket csak a rendszeresen műtrágyázott, kisüzemileg művelt szántóföld talajából mutattunk ki. E feltalaj esetében pozitív összefüggés van az oldás ideje és az oldott foszfor mennyisége között, ami a másik két talajról nem mondható el. Ezeknek viszonylag csekély és talajhoz erősen kötött foszfortartalma nem oldódik jobban az idő múlásával, az ingadozások a mérési és mintavételi hibahatáron belül mozognak. A nitrogénformákról elmondható, hogy ammóniumot egyáltalán nem sikerült kimutatnunk, a nitrit tartalom csekély, a nitrát is csak kevéssel haladja meg a nitrit értékét. Tekintettel a felszín jó oxigénellátottságára, az oldatba vihető nitrogén a talajban oxidált formában van jelen, a redukált formák részaránya csekély. Az oldott foszfor esetében az összes felszíni csapda 1 mg/l alatti értékeket mutatott kivéve a V3 pontot, mely a vízmosás hordalékkúpján található (4. ábra). Itt egyértelmű maximum mutatkozik 5 mg/l feletti értékekkel. A vízmosás oldalait és fenekét alkotó löszből nem tudtunk jelentős mennyiségű foszfort oldatba vinni (2. táblázat), a jelenség oka még nem tisztázott. A felszíni elfolyás másodmaximumát a V4 ponton mértük, a foszforral jobban feltöltött szántó aljában. Az oldott foszfor felszín alatti mozgásáról a következőket mondhatjuk el: A magasabb értékeket a patakhoz közelebbi kútban mértük: 2,5-4 mg/l. A másik kút oldott foszfor tartalma a felszíni elfolyáshoz képest szintén magasnak mondható: 23 mg/l. A két kút között direkt lineáris összefüggést lehet kimutatni (5. ábra). Egzakt magyarázatot nem tudunk adni a K2 kút következetesen magasabb oldott foszfortartalmára, feltételezhetően a talajvíz mozgása állhat a háttérben. Méréseink szerint a talajvíz alapvetően K-Ny irányban mozog, a felszíni lejtésnek megfelelően. Valószínűsíthetően a patakhoz közelebbi kútnál e mozgáshoz hozzáadódik egy D-É irányú áramlás, mely a talajvizet a patakkal párhuzamosan a Balaton felé szállítja. E jelenség magyarázná a kisebb oldott foszfortartalmat a K1 kútban, hiszen oda az „erdő alól” érkezik a talajvíz (a V3 pontban a talajvíz mélyebben van, mint 6 méter). A K2 kút esetében a talajvíz mozgásának eredője ÉNy irányú, tehát a „szántóföld alól” folyik, ezzel magyarázható magasabb oldott foszfor tartalma. Az esők által okozott elfolyások oldott foszfor tartalma viszonylag ugyanazt az alakot veszi fel, és azonos tartományban mozog, ebből arra következtethetünk, hogy az oldott foszfor elhordása független a hullott csapadék intenzitásától, alapvetően az elfolyás mennyiségétől függ.
5
Tóth Adrienn et al: Csapadék által oldott…
4. ábra Az oldott foszfor mennyisége a mintavételi pontokon. mg/l 6
5
4
3
2
1
0 esö
v2 2001.03.02.
v3
v4
2001.03.17.
v5
k1
2001.03.22.
k2
patak
2001.03.26.
5. ábra A talajvízkutakban mért oldott foszfor mennyiségek összefüggése.
K2 4
3.5
3
2.5
y = 2.3171e0.1552x R2 = 0.7794
2
1.5
1 1
1.5
2
2.5
3
3.5 K1
6
mérohely
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001.
A kutakban az oldott nitrogénformák közül szinte kizárólagosan csak a nitrát jelenik meg. Egyértelmű maximum mutatható ki a K1 kútban, mely meghaladja a 10 mg/l értéket, míg az összes többi mérőhely értékei kisebb-nagyobb szórással 2 mg/l alatt maradnak (6. ábra). A kiugrás oka valószínűleg a Kisbabod település derítőiből származó, talajvízzel mozgó nitrát. Hatása a K2 kútban már azért nem mutatható ki, mert ott már a talajvíz a patak irányával megegyezően mozog a Balaton felé. Ebből adódóan minimális szórása van az itt mért értékeknek az összes oldott nitrogén tekintetében is (7. ábra). Azonban itt már a többi oldott nitrogénforma módosítja az eddigi eloszlást. Egyértelmű maximum jelenik meg a vízmosás hordalékkúpján mért mintákban. A magas oldott nitrogéntartalmat itt az ammónium ionok nagyobb koncentrációja okozza (8. ábra), mely a talaj részleges savanyodásának következménye is lehet (FEKETE Z. 1958). A területen alkalmazott szerves- és műtrágyák ismeretében az oldott nitrogén oxidált vagy redukált változatainak elkülönítésével elméleti lehetőség van a mezőgazdasági és a humán környezetterhelés elkülönítésére. A felszín alatti elfolyás –csakúgy, mint a felszíni – a patakhoz közeledve egyre inkább felhígul, veszít nitrogéntartalmából.
6. ábra A nitrát tartalom alakulása a mintavételi pontokon mg/l 14 12 10 8 6 4 2 0 v2
v3 2001.03.02.
v4
v5
2001.03.17.
k1 2001.03.22.
k2
esö
patak
2001.03.27.
7
Tóth Adrienn et al: Csapadék által oldott…
7. ábra. Az összes oldott nitrogén mennyiségének alakulása a mintavételi pontokon. 16 14 12 10 mg/l 8 6 4 2 0 V2
V3 2001.03.02.
V4
V5
2001.03.17.
K1 2001.03.22.
K2
esö
patak
2001.03.27.
8. ábra. Az összes oldott ammónium mennyiségének alakulása a mintavételi pontokon. mg/l 12
10
8
6
4
2
0 v2
8
v3 v4 v5 2001.03.02. 2001.03.17.
k1 k2 esö 2001.03.22. 2001.03.27.
patak
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001.
A patak és a csapadék összes oldott nitrogéntartalmát összehasonlítva nem tapasztaltunk jelentős különbséget, az érték 2 mg/l körül ingadozott, vagyis a patakban mérhető oldott nitrogén mennyisége már a lehulló csapadékban is megtalálható volt. A nitrogén formái azonban eltérést mutatnak. Míg a patakban az oxidált forma, vagyis a nitrát dominál, addig a csapadékokban a redukált formák, a nitrit és az ammónium a jellemző. Összefoglalás Vizsgálataink alapján kijelenthetjük, hogy a foszfor oldott formában is mozog, megjelenik a felszíni elfolyásban csakúgy, mint a talajvízben. A patak oldott foszfor tartalma jellemzően alatta marad a felszíni elfolyásban mért értékeknek, ám a talajvízben mért koncentráció a patak közelében magas. Valószínűsíthetően az oldott foszfor főleg a felszín alatt távozik a területről és a talajvízbe bemosódva mozdul el a Balaton felé. A vízmosás hordalékkúpján mért kiugróan magas oldott foszfor és ammónium koncentráció magyarázatára további mérések szükségesek. Az oldott foszfor- és nitrogénformák vizsgálatakor nem tudtunk összefüggést kimutatni a csapadékok mennyisége vagy intenzitása és az oldott anyagok mennyisége között. A talajvízben az oldott nitrogénformák közül szinte kizárólagosan csak a nitrát jelenik meg, amelynek magas értékei valószínűleg Kisbabod település derítőiből származnak; valószínűsíthetően a humán nitrát-terhelés meghaladja a mezőgazdaság által okozott terhelés mértékét. A felszíni elfolyásban mért oldott nitrogénformák közül magas arányban szerepelt az ammónium, míg a felszín alatt a nitrát volt a jellemző. A területen alkalmazott szerves- és műtrágyák ismeretében az oldott nitrogén oxidált vagy redukált változatainak elkülönítésével elvi lehetőség nyílhat a mezőgazdasági és a humán környezetterhelés elkülönítésére. Irodalom Buzás I. 1988. Talaj- és agrokémiai vizsgálati módszerkönyv p. 155. Fekete Z. 1958.Talaj és trágyázástan Mezőgazdasági Kiadó Budapest p. 445. Lindsay, W. L. – Vlek, P. L. G. – Chien S. H. 1989. Phosphate minerals in Minerals in Soil Environments Soil Science Society of America Madison, USA pp.1110-1113. Oláh J. et al. 1977. A Balaton foszfor anyagcseréje. MTA Biológiai Oszt. Közlem. 20. 11-139. Sisák I. - Máté F. 1993. A foszfor mozgása a Balaton vízgyűjtőjében Agrokémia és Talajtan Tom. 42. No. 3-4. p. 257. Stefanovits P. 1992. Talajtan Mezőgazda Kiadó, Budapest pp. 176-179. Wedepohl, K. H. (editor) 1978. Handbook of Geochemistry Vol. 2/II. Springer-Verlag Berlin p. 15H-5.
9
