A talajnedvesség-tartalom alakulása egy bükkös erdőben és benne kialakított lékekben

A G R O K É M I A É S T A L A J T A N 53 (2004) 1–2

17–34

A talajnedvesség-tartalom alakulása egy bükkös erdőben és benne kialakított lékekben HAGYÓ ANDREA és RAJKAI KÁLMÁN MTA Talajtani és Agrokémiai Kutatóintézet, Budapest

Az erdészeti beavatkozások megváltoztatják a növények, így az erdei fák életfeltételeit, azaz az abiotikus tényezők egyes elemeinek mennyiségét, azok térbeli mintázatát, összességében hasznosulásuk mértékét. A különböző beavatkozások (pl. szálaló-vágás) során keletkezett kisebb-nagyobb lékek ökológiai viszonyai eltérnek a zárt erdőétől és ezért az újulat, valamint a lágyszárú vegetáció hatása is másképpen jelentkezik itt, mint az erdő lombsátra alatt. Az egyik legfontosabb ökológiai tényező a talajnedvesség, melynek léken belüli értékét a növényi vízfogyasztás jelentős mértékű csökkenésén kívül az intercepció megszűnése, a mikroklíma megváltozása és a friss avar mennyiségének a csökkenése együttesen alakítja. Az erdészeti kezelések abiotikus tényezőkre (fény, talajnedvesség stb.) tett hatását (COATES & BURTON, 1997; OAKLAND et al., 2002; SCHUMANN et al., 2003), ill. a talajnedvesség-tartalom térbeli mintázatát több szerző vizsgálta (FAMIGLIETTI et al., 1998; MOHANTY et al., 1998; WESTERN et al., 1998). A kis méretű mesterséges lékek zárt faállományokhoz viszonyított talajnedvességviszonyai azonban kevéssé ismertek (BAUHUS, 1996; GAGNON et al., 2003). Munkánk célja különböző méretű lékek talajnedvesség-tartalomra gyakorolt hatásának vizsgálata bükkös állományban. Mesterséges lékek és az állomány felső 10 cm-es talajrétegének különböző időpontokban mért nedvességtartalmát hasonlítottuk össze, mivel a lékek regenerációjának kezdeti szakaszában a fák magoncai és a lágyszárú vágásnövényzet megjelenése szempontjából a felső talajréteg a meghatározó. A lékekben várhatóan eltérő talajnedvesség-viszonyok alakulnak ki a zárt lombsátor alattihoz képest. SCHUME és munkatársai (2003) szerint a fák jelentős vízfelvételének térbeli variabilitása elfedi a változó talajtulajdonságok hatását. Ezek alapján a következőkre kerestünk választ: – van-e a talajnedvességnek térbeli szerkezete a vizsgált környezetben; – van-e különbség a lékek és a szomszédos állomány felső 10 cm-es talajrétegének nedvességtartalma között a különböző időpontokban, és Postai cím: HAGYÓ ANDREA, MTA Talajtani és Agrokémiai Kutatóintézet, 1022 Budapest, Herman Ottó út 15. E-mail: [email protected]

18

HAGYÓ – RAJKAI

– milyen a 0–10 cm-es talajréteg nedvességtartalom mintázata a különböző méretű lékekben? Anyag és módszer A vizsgálati terület A vizsgálatokat a Börzsöny hegységben, a Királyréti Erdészet területén végeztük. A kutatott állomány a Szén-patak völgyét kísérő K–ÉK-i kitettségű, 25%-os meredekségű lejtőn, 540–610 m tengerszint feletti magasságban helyezkedik el. A talaj andezit alapkőzetű, átlagosan 20–30 cm termőrétegvastagságú, agyagbemosódásos barna erdőtalaj. Az állomány erdészeti kezelés alatt álló, egykorú (kb. 80 éves), homogén szerkezetű szubmontán bükkös. A bükk (Fagus sylvatica) monodomináns; magas kőris (Fraxinus excelsior), korai juhar (Acer platanoides), hegyi juhar (Acer pseudoplatanus), mezei juhar (Acer campestre), kislevelű és nagylevelű hárs (Tilia cordata, Tilia platyphyllos), és gyertyán (Carpinus betulus) fordul még elő. Az állomány a hegygerinctől a völgyfenékig változó növekedésű. A cserjeszint hiányzik, az aljnövényzet igen gyér. A leggyakoribb lágyszárúak: Mycelis muralis, Luzula luzuloides, Carex pilosa, Epilobium montanum, Mercurialis perennis, Athyrium filix-femina és Dryopteris filix-mas. A vadnyomás jelentős. A Börzsönyi-kismedencék földrajzi kistáj évi átlaghőmérséklete 8,5–9 °C, a vegetációs időszak középhőmérséklete 15 °C. Az átlagos évi csapadékmennyiség 800 mm (MAROSI & SOMOGYI, 1990). Mérési módszerek A közel kör alakú lékeket 2000-ben vágták a bükkállományban. A kis lékek átmérője kb. 20 m, a nagy lékeké pedig 35–40 m. A talajminták szemcseméret eloszlását három ismétlésben, pipettás eljárással (BUZÁS, 1993) határoztuk meg. A 0–5, 15–20 és 35–40 cm mélységű talajrétegekből és az avarrétegből vett eredeti szerkezetű minták térfogattömegét, víztartó képességét és telített vízvezető képességét két ismétlésben, laboratóriumi módszerekkel határoztuk meg. A víztartó képességet VÁRALLYAY (1973a) módszerével, a telített vízvezető képességet az állandó- és csökkenő víznyomás módszerével mértük (VÁRALLYAY, 1973b). A talajnedvesség-tartalom térbeli mintázatát és szerkezetét a léknyitást követően 2001-ben és 2002-ben vizsgáltuk egy kis és egy nagy lékben. Két terepi nedvességmérő műszert használtunk: egy Frequency Domain (MCM102, IMAG) (HILHORST, 1998; DIRKSEN, 1999) és egy kapacitív (BR-30) (VÁRALLYAY & RAJKAI, 1987) készüléket. Az MCM102 elektródái 10 cm, a BR-30 szenzoré pedig 1,5 cm hosszúságúak. Az érzékelt talajtérfogat kb. 125, ill. 50 cm³, az elektródák geometriája szerint. Mindkét műszerrel a térfogatos

Talajnedvesség-tartalom egy bükkös erdőben és benne kialakított lékekben

19

(cm³/cm³) nedvességtartalom határozható meg. Az MCM102 műszer hőmérsékletet is mér, így azzal a talajnedvesség-tartalom mellett talajhőmérséklet adatokat is gyűjtöttünk. A nedvességmérők elektródáit az avar eltávolítása után függőlegesen szúrtuk a talajba, így a mérések a talaj 0–10 cm, ill. a kb. 5–6,5 cm közötti rétegére vonatkoztak. A

B 20 15

15 10

10

5 5

0 0

-5 -10

-5

-15

N = 81

N = 152 20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

-20

15

10

5

0

-5

-10

-10 -15

1. ábra A mintavételi elrendezés a nagy (A) és a kis (B) lékben. A vonal a lékek határát jelöli, a pontok a mérési helyeket. A tengelyeken szereplő számok koordináták (m)

A talajnedvesség-tartalom térbeli szerkezetét mindkét lékben két egymást metsző, a lejtő, ill. a szintvonal mentén futó transzekt mentén vizsgáltuk, melyek a lékátmérő hosszban mindkét oldalon benyúltak az állomány alá (1. ábra). A nedvességmérések során 0,5 és 1 méteres mintavételi távolságot alkalmaztunk. A méréseket az MCM102 műszerrel 2001. októberben és 2002. áprilistól júniusig, kb. háromhetente végeztük. A térbeli mintázat feltárása céljából nem szabályos gridben is végeztünk méréseket mindkét lékméretben (1. ábra) 2002. júliustól októberig, kb. háromhetente. A nagy lékben 152, a kis lékben 81 mérési pont volt. A mintavételi pontokat helyzetük szerint három csoportba soroltuk: lék közepe, lék széle, állomány. Egy alkalommal mindkét nedvességmérő műszerrel mértünk, hogy a mérési eredményeinket összehasonlíthassuk. Ezt követően a kevéssé sérülékeny BR-30 készüléket használtuk a köves talajban. 2002 áprilisában 41 pontot mértünk a lombsátor alatt az MCM102 műszerrel úgy, hogy a mérést követően 5 cm átmérőjű, 10 cm magasságú bolygatatlan talajmintákat vettünk az elektródák beszúrásának helyéről. Meghatároztuk a bolygatatlan minták kő-, szervesanyag-, ill. humusztartalmát, térfogattömegét és

20

HAGYÓ – RAJKAI

szárítószekrényes módszerrel a nedvességtartalmát. A kőtartalmat a 2 mm-nél nagyobb szemcsék tömegmérésével határoztuk meg (g/g%). Csapadékot a nagy lékbe telepített csapadékmérővel mértünk, az adatokat csak a nagy lékre tekintettük érvényesnek. Adatelemzés A talajnedvesség-tartalom térbeli szerkezetét a transzekt adatok geostatisztikai analízisével vizsgáltuk, amihez a Variowin 2.2 szoftvert (PANNATIER, 1996) használtuk. A nedvességadatok normalitását a Kolmogorov–Szmirnov próbával teszteltük. A nedvességadatokból számított félvariancia értékekre függvényt illesztettünk. A legmegfelelőbb függvénytípus szférikus vagy Gauss görbe volt. A gridben mért adatok alapján talajnedvesség-tartalom térképeket készítettünk a Surfer 8 programmal (Golden Software, 2002). A térképi interpolációt az ún. radiális bázisfüggvénnyel végeztük, ami kis mintaelemszám esetén (< 250) is jó eredménnyel alkalmazható (CARLSON & FOLEY, 1991). A radiális bázisfüggvény-interpoláció egy interpolációs módszercsoport, amelyben a bázisfüggvények helyettesítik a krígelésnél alkalmazott variogramokat. A bázisfüggvények közül a négyzetes függvényt használtuk: B (h) = SQRT (h² + R²), ahol: h = az anizotropikusan újraskálázott relatív távolság adott pont és a grid csomópont között; R² = a felhasználó által megadott simítási tényező: (az adatok kiterjedésének átlóhossza)²/(25 * adatpontok száma).

Az állomány és a lék talajnedvesség-tartalmának statisztikai összehasonlítására varianciaanalízist használtunk. A normalitást Kolmogorov–Smirnov próbával, a varianciák homogenitását Levene próbával teszteltük. Post hoc tesztként az LSD-tesztet alkalmaztuk, ill. ahol nem teljesült a varianciák homogenitása, a Dunnett C tesztet. A két lék, ill. a kis lék két különböző időpontban mért talajnedvesség-tartalmának összehasonlítására Mann–Whitney tesztet használtunk. A bolygatatlan talajminták mért jellemzőit Spearman korrelációs próbával vizsgáltuk. A statisztikai elemzéseket az SPSS 11.5 for Windows szoftverrel (SPSS, 2002) végeztük. Eredmények és értékelésük A talaj fizikai jellemzői A mért térfogattömeg és porozitás értékek az erdőtalajokra általánosan jellemző 0,2 (avar) – 1,9 g/cm³, ill. 30–65%-os (FISHER & BINKLEY, 2000) intervallumba esnek (1. táblázat). A talajfelszínről gyűjtött avar térfogattömege kisebb, porozitása pedig nagyobb, mint a talajmintáké, vagyis több vizet tárolhat, mint az azonos vastagságú talajréteg.

Talajnedvesség-tartalom egy bükkös erdőben és benne kialakított lékekben

21

1. táblázat A talajminták és az avarréteg hidrofizikai jellemzői (1)

Mintavétel mélysége a) avar 0–5 cm 15–20 cm 35–40 cm

(4)

(2)

(3)

Térfogattömeg, g/cm³

Összporozitás, %

Hidraulikus vezetőképesség (K), cm/nap

0,22 0,90 1,13 1,32

74,7 64,9 57,3 50,4

195 – 390 és 3457 4000 és 340

(5) Nedvességtartalom a szabadföldi a hervadásvízkapacitás pont értéken értékén cm³/cm³ % cm³/cm³ %

42,4 38,3 33,8 37,9

29,1 12,3 10,2 12,6

A talajnedvesség a lékekben és az állomány alatt A talajjellemzők általában normál vagy lognormál eloszlásúak (NIELSEN et al., 1973). Méréseink szerint a talajnedvesség-tartalom minden mérési időpontban normál eloszlású volt (p > 0,05). A különböző mérési időpontok félvariogramjai eltérő térbeli szerkezetet mutatnak (2. táblázat). Mindegyik félvariogramra nagy röghatás jellemző, 2. táblázat A transzekt adatokból számított félvariogram modellek paraméterei és a talajnedvességtartalom átlagai (Θ átlag) (1)

Időpont (hónap, nap)

(2)

Mérési távolság, m

05. 08. – L* 05. 08. – SZ* 06. 05. – L* 06. 05. – SZ*

0,5 0,5 0,5

04. 18. – L 04. 18. – L 04. 18. – L* 04. 18. – SZ 04. 18. – SZ 04. 18. – SZ* 05 .07. – L* 05. 07. – SZ* 05. 28. – L* 05. 28. – SZ*

1 0,5 0,5 1 0,5 0,5 1 1 0,5 0,5

(3)

(4)

Mérési Röghatás, pontok % száma, N 118 121 119 106

185 186 104 112 105 113

A. Kis lék 21,4 23,2 42,0 34,3 B. Nagy lék 28,90 31,16 21,87 46,55 36,40 17,60 15,77 36,75 24,01 38,64

(5)

(6)

Hatástávolság, m

Küszöbszint, %

Θ átlag, v/v%

12,6 4,1 11,6 14,6

16,1 7,9 75,6 66,3

38,99 37,90 36,45 34,05

10,6 12,2 6,9 3,7 3,8 24,9 16 14,5 31,7 21,4

6,80 8,36 5,67 4,90 15,6 5,06 2,47 21,07 38,22 84,0

(7)

35,5 34,3 36,9 35,2 30,1 28,7

Megjegyzés: SZ: lejtő irányú, L: szintvonal irányú transzekt; * Kiugró érték kiszűréssel

22

HAGYÓ – RAJKAI

melynek oka a talaj változó és többnyire jelentős kőtartalma lehet. Az áprilisban mért adatokból a kiugró értékeket kiszűrve csökkent a röghatás, de továbbra is jelentős maradt. A továbbiakban a kiugró értékeket mindig kiszűrtük. A mérési távolság és a röghatás kapcsolata nem egyértelmű, mivel a távolságot 1 m-ről 0,5 m-re csökkentve a röghatás nem minden esetben csökkent. A talajnedvesség-tartalom anizotrópnak bizonyult, vagyis a hatástávolság a szintvonal mentén, ill. lejtő irányban eltérő volt. A nagy lékben áprilisban és május elején a talajnedvesség-tartalom átlaga közel azonos volt. A vegetációs időszak kezdetekor (áprilisban) nem volt szignifikáns különbség a lék és az állomány alatti talajnedvesség-tartalom között (2. ábra, 3. táblázat). Ez azzal magyarázható, hogy a hóolvadás és a tavasz eleji esőzések során a talaj egyenletesen benedvesedett, a fák vízfogyasztása pedig még nem csökkentette jelentős mértékben az állomány alatti talajnedvességA

B

2. ábra A nagy lék felső 10 cm-es talajrétegének nedvességtartalma 2002. április 18-án a szintvonal (A) és a lejtő irányú (B) transzekt mentén

Talajnedvesség-tartalom egy bükkös erdőben és benne kialakított lékekben

23

3. táblázat A transzekt adatok varianciaanalízisének eredményei (1)

Időpont

04. 18. – L 05. 7. – L 05. 7. – SZ 05. 28. – L 05. 28. – SZ

F (ANOVA)

Post Hoc teszt (LSD)

A. Nagy lék 1,9 – 12,1** 1–2** 14,0** 1–2*, 1–3**, 2–3** 38,3** 1–2**, 2–3** 53,8** 1–2**, 2–3**

F (ANOVA)

Post Hoc teszt (LSD)

05. 8. – L 05. 8. – SZ 06. 5. – L°

B. Kis lék 20,5** 0,05 41,0**

1–2**, 1–3** – 1–2*, 2–3*

06. 5. – SZ

22,3**

1–2**, 2–3**

(1)

Időpont

Megjegyzés: 1, 3: állomány alatti, 2: lékbeni transzekt rész. ** α = 0,01, * α = 0,05, °: Post Hoc teszt: Dunnett C

A

B

3. ábra A nagy lék felső 10 cm-es talajrétegének nedvességtartalma 2002. május 7-én a szintvonal (A) és a lejtő irányú (B) transzekt mentén

24

HAGYÓ – RAJKAI

tartalmat. Május elején viszont szignifikáns különbség volt nemcsak a lék és az állomány alatti, hanem a szintvonal mentén a két állomány alatti rész között is (3. ábra, 3. táblázat). Ennek oka a mérés előtti, május 5–6-án esett 15 mm csapadék lehetett, ami a már kifejlődött lombsátor miatt egyenetlenül nedvesítette be a talajt (4. ábra). 45 40

Csapadék (mm)

35 30 25 20 15 10 5

2002.11.22

2002.11.08

2002.10.25

2002.10.11

2002.09.27

2002.09.13

2002.08.30

2002.08.16

2002.08.02

2002.07.19

2002.07.05

2002.06.21

2002.06.07

2002.05.24

2002.05.10

2002.04.26

2002.04.12

2002.03.29

2002.03.15

2002.03.01

0

Idő (nap)

4. ábra A nagy lékben hullott csapadék (mm) a 2002. márc. 1.–nov. 30. közötti időszakban

A május végi, szárazabb állapot félvariogramja jóval nagyobb küszöbszintű és a hatástávolság lejtő irányban nagyobb, mint a másik két mérési időpontban (2. táblázat). A lék és az állomány talajnedvesség-tartalma között szignifikáns a különbség (5. ábra, 3. táblázat). A talajnedvesség-tartalom átlaga a léken belül hasonló, mint május elején, a zárt lombsátor alatt pedig annál szignifikánsan kisebb. Vagyis a talaj felső rétege az állomány alatt száradt jelentősebb mértékben. A lékben a kis borítású aljnövényzet párologtatása és a szabad talajfelszínről történő evaporáció lényegesen kisebb mértékben csökkentette a feltalaj nedvességtartalmát az állomány által fedett terület evapotranszspirációjához képest. BAUHUS (1996) folyamatos mérésen alapuló vizsgálatai, melyeket németországi bükkösben végzett, hasonló eredményeket adtak. Eszerint 30 m átmérőjű lékekben (5 cm mélységben) a talajnedvesség nagyobb volt, mint az állomány alatt. A talajnedvesség-különbséget a hőmérséklet gradienssel és a gyökerek vízfelvételével magyarázták. A talajhőmérséklet napi maximum értékeinek vegetációs időszakra számított átlaga a lék közepén kisebb volt, mint az állomány alatt, amit a nagyobb éjszakai kisugárzással és az egész éves igen nagy talajnedvesség-tartalommal magyaráztak.

Talajnedvesség-tartalom egy bükkös erdőben és benne kialakított lékekben

25

A

B

5. ábra A nagy lék felső 10 cm-es talajrétegének nedvességtartalma 2002. május 28-án a szintvonal (A) és a lejtő irányú (B) transzekt mentén 4. táblázat A talaj felső 10 cm-es rétegének átlaghőmérséklete (°C) a kis és a nagy lékben, ill. az állomány alatt a négy mérési időpontban (1)

(2)

(3)

(1)

(2)

(3)

Időpont

Lék

Állomány

Időpont

Lék

Állomány

A. Nagy lék

04. 18. 05. 7. 05. 28. 07. 15.

8,63 12,28 17,05 20,56

B. Kis lék

9,16 11,89 15,41 19,92

05. 8. 06. 5. 06. 28. 07. 12.

11,87 14,16 17,75 19,97

11,93 14,31 17,63 19,60

Mintaterületünkön mindkét lékre négy mérési adatsor tartalmaz talajhőmérséklet adatokat a 0–10 cm-es talajrétegre. A nagy lékben az átlaghőmérséklet az áprilisi méréskor kisebb, május 28-án és július 15-én nagyobb volt, mint az

26

HAGYÓ – RAJKAI

állomány alatt, május 7-én pedig elhanyagolható volt a különbség (4. táblázat). A talajhőmérséklet és a talajnedvesség-tartalom között nem találtunk kimutatható összefüggést. A

B

6. ábra A kis lék felső 10 cm-es talajrétegének nedvességtartalma 2002. május 8-án a szintvonal (A) és a lejtő irányú (B) transzekt mentén

A kis lékben a röghatás és a küszöbszint értékei a júniusi mérési időpontban nagyobbak, mint májusban (2. táblázat), amikor az átlag talajnedvesség-tartalom nagyobb (Mann–Whitney, U = 2335,0; p < 0,01). A májusi méréskor nem különbözött a lék és a zárt lombsátor alatti talajnedvesség-tartalom (6. ábra). Júniusban a lékben szignifikánsan nagyobb volt a talajnedvesség-tartalom, mint az állomány alatt (7. ábra, 3. táblázat). A kis lékben nem tért el a felső 10 cm-es talajréteg hőmérséklete az állomány alattitól egyik mérési időpontban sem, vagyis a talajnedvesség alakulása a talajhőmérséklettel közvetlenül nem magyarázható. A talaj nedvességtartalmát a lékméret sem befolyásolta jelentősen. Május elején a lékekben és az állomány alatt sem tért el szignifikánsan a talaj nedves-

Talajnedvesség-tartalom egy bükkös erdőben és benne kialakított lékekben

27

A

B

7. ábra A kis lék felső 10 cm-es talajrétegének nedvességtartalma 2002. június 5-én a szintvonal (A) és a lejtő irányú (B) transzekt mentén A

B

20

20

15

15 42

42

10

40

10

38 36

5

34

5

32 30

0

28

0

26 24

-5

22 20

16 14

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

15

10

5

0

-5

-10

-15

22 20 18

-10

8 6 4

-15 20

28 26 24

16 14 12 10

12

-15

34 32 30

-5

18

-10

40 38 36

-20

8. ábra A nagy lék aktuális talajnedvesség térképe a BR-30 (A) és az MCM102 (B) mérések alapján (2002. július 15.)

28

HAGYÓ – RAJKAI

ségtartalma. Később az állomány alatt a transzspiráció következtében azonban jelentősebb mértékben száradt a talaj, mint a gyér aljnövényzetű lékekben. Annak ellenére, hogy a különböző talajréteg-vastagság (0–10 és 5–6,5 cm) nedvességtartalmát érzékelték, az MCM102 és a BR-30 műszerekkel gridelrendezésben egyidejűleg mért értékek jól egyeztek (8. ábra). Július és október között a lékekben az átlag talajnedvesség-tartalom mindig nagyobb volt (25 és 30% között), mint az állomány alatt (12 és 23% között) (9. ábra). A lék szélére eső mérési pontok elkülönültek, ezek talajnedvességtartalom átlaga minden időpontban a lék és az állomány átlagértékei közötti volt (15–24%). A talajnedvesség-tartalom varianciája minden időpontban és mindkét lékben nagyobb volt, mint a zárt lombsátor alatt (5. táblázat), ami feltehetően a növényzet kiegyenlítő hatásának elmaradásával magyarázható. A lombsátor alatt a talajfelszínt ugyanis egyenletesen vastag avarréteg borítja, míg a lékben az evaporációt a változó vastagságú, de általában vékony vagy hiányzó avarréteg kevésbé gátolja. A bükkállomány homogén, így feltehetőleg a fák vízfogyasztásának mintázata is homogén. A lékekben az aljnövényzet borítása is foltos, valaA 35 30 25

B

Állomány

35

Lék széle Lék

30 25

20

20

15

15

10

10

5

5

0 Tn 07.15. Tn 07.30. Tn 08.27. Tn 09.11. Tn 10.03.

Állomány Lék széle Lék

0 Tn 07.12. Tn 07.31. Tn 08.23. Tn 09.05. Tn 10.04.

9. ábra A talajnedvesség-tartalom átlagok (v/v%) az állomány, lék széle és lék esetében. A: Nagy lék. B: Kis lék (2002. július–október) 5. táblázat A zárt lombsátor alatt és a lékben mért talajnedvesség-tartalom adatok varianciájának összehasonlítása F-próbával a különböző mérési időpontokban (1)

F

Időpont

(1)

A. Nagy lék

07. 30. 08. 27. 09. 11. Megjegyzés: ** α = 0,01

F

Időpont B. Kis lék

9,5** 3,7 13,0**

07. 31. 08. 23. 09. 5. 10. 4.

45,1** 10,7** 38,4** 2,0

Talajnedvesség-tartalom egy bükkös erdőben és benne kialakított lékekben

29

mint a kőtartalom és a térfogattömeg heterogenitása miatt eltérő víztartó képességű talajfoltok is növelik a nedvességtartalom varianciáját. A 2002. július 30-án, ill. 31-én végzett mérések alapján a két lék átlag talajnedvesség-tartalma (Mann–Whitney, p > 0,1) és varianciája (F-teszt, p > 0,1) sem különbözik szignifikánsan. A talajnedvesség-tartalom térbeli mintázata viszont különböző. A kis lékben a talajnedvesség-tartalom a lék közepe felől az A

B

20

15

15 10 5 0 -5 -10 -15

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

42

10

42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

40 38 36 34

5

32 30 28 26

0

24 22 20 18 16

-5

14 12 10

15

10

5

0

-5

-10

-10 -15

-20

10. ábra

A lékek talajnedvesség-tartalom térképe. A: Nagy lék (2002. júl. 30.). B: Kis lék (2002. júl. 31.)

állomány felé folyamatosan csökken feltehetően a lék oldalát alkotó fák vízfelvétele miatt (10. ábra). A nagy lék talajnedvesség-tartalom mintázata több centrumú, vagyis nemcsak a lék szélétől való távolság, hanem a talajjellemzők (térfogattömeg, kő- és humusztartalom) és a növényzet léken belüli heterogenitása is befolyásolja. Az elektromos és szárítószekrényes talajnedvesség-mérési eredmények összevetése és a talajnedvesség egyéb talajjellemzőkkel való kapcsolata Az MCM102 műszerrel mért talajnedvesség-értékek többnyire kisebbek, mint a szárítószekrényes módszerrel meghatározottak (11. ábra). A talajnedvesség-értékek közti különbség abszolút értékben 0 és 17% közötti, az átlagos különbség 5,1%. A különbség magyarázata a BR-30-as készülék által nem érzékelt 0–5 cm-es talajréteg MCM102-es nedvességértékekbeni érvényesülése. A 41 bolygatatlan minta kőtartalma nagy varianciát mutatott, 1 és 44 (g/g%) között volt. A térfogattömeg a kevéssé, a humusztartalom pedig a leginkább variábilis talajjellemzők közé tartozik (RAJKAI, 2001). Varianciájuk ennek megfelelően alakult (6. táblázat).

30

HAGYÓ – RAJKAI 55 szárítószekrény MCM102

50 45 40 35 30 25 20 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

11. ábra Az MCM102 műszerrel és szárítószekrényes módszerrel meghatározott nedvességtartalmak (2002. április 3., N = 41) 6. táblázat A bolygatatlan talajminták jellemzőinek átlagai és szórásai (2002. április 3., N = 41) (1)

(2)

(3)

Jellemző

Átlag

Variancia

1,05 14,6 5,0

0,005 116,2 0,782

a) Térfogattömeg (g/cm³) b) Kőtartalom (g/g %) c) Humusztartalom (%)

A szárítószekrényes nedvességtartalom a kőtartalommal negatívan (R = -0,414, p < 0,01), a humusztartalommal pozitívan korrelált (R = 0,358, p < 0,05). A kövek vizet csupán a felületükön kötnek, ezért csökkentik a mért térfogati talajnedvesség-tartalmat. A humusz növeli a talajban a fajlagos felületet, ezáltal pedig a hervadáspont körüli nedvességpotenciál-tartományban a nedvességtartalmat. A humusz a talajszerkezet javításán keresztül a talaj víztartó képességét is növeli. Ezzel magyarázható a humusztartalom és a talajnedvességtartalom pozitív korrelációja. Az MCM102 készülékkel mért értékek nem mutattak korrelációt a kő- és a humusztartalommal, míg a szárítószekrényes mérést azok szisztematikusan befolyásolták. BAUHUS (1996) kimutatta, hogy 30 m átmérőjű lékek létrehozása utáni két évben nem csökkent a lékek talajának humusztartalma. Ennek alapján feltételezhető, hogy az általunk mért lék és állomány közötti talajnedvesség-tartalom különbségeket – a mérési módszertől függetlenül – nem a talaj humusztartalmának, hanem vízgazdálkodásának megváltozása eredményezi. A térfogattömeg nem korrelált a talajnedvesség-tartalommal, ami arra utal, hogy a mért talajnedvesség-tartalom különbség nem a térfogattömeg varianciájából adódik.

Talajnedvesség-tartalom egy bükkös erdőben és benne kialakított lékekben

31

Összefoglalás Az erdészeti beavatkozásokkal együtt járó, a természetes lékdinamikát közelítő léknyitás talajnedvesség-tartalomra gyakorolt hatását tanulmányoztuk bükkös állományban, a Börzsöny hegységben. A K–ÉK-i kitettségű lejtőn elhelyezkedő, kb. 80 éves állományban 2000 telén létrehozott, kör alakú lékeket vizsgáltuk. A terület talaja andezit alapkőzeten kialakult, átlagosan 20–30 cm termőréteg-vastagságú, erodálódott agyagbemosódásos barna erdőtalaj. Feltételeztük, hogy a talajnedvesség-viszonyok a zárt lombkorona alatt és a lékekben különböznek. A talajnedvesség-mérések egy kis (kb. 20 m átmérőjű) és egy nagy (kb. 35 m átmérőjű) lékben, ill. környezetükben, vegetációs időszakban háromhetente és a vegetációs időszakon kívül összesen két alkalommal történtek transzekt, ill. grid elrendezésben. Kimutattuk, hogy a felső 10 cm-es talajréteg nedvességtartalma esős időszakok után kis mértékben különbözött a lékben és a zárt lombsátor alatt. Száraz időszakok után pedig szignifikánsan nagyobb volt a lékekben, mint az állomány alatt. A talajnedvesség-tartalom átlaga mindkét lékben minden mérési időpontban közel volt a szántóföldi vízkapacitás értékhez. Vizsgálatainkból arra következtettünk, hogy a lékek nyitása megváltoztatja a talaj felső rétegének nedvességviszonyait, ahogy azt bükkös állomány lékeiben leírták (pl. BAUHUS, 1996). Méréseink szerint is a talaj a lékekben nedvesebb, mint a zárt lombsátor alatt. A két vizsgált lékméret hatása a talajnedvességtartalom nagyságára hasonló volt, míg a léken belüli térbeli mintázat különbözött. A lékhatás általánosabb érvényű jellemzéséhez a talajnedvesség-tartalom több lékben és hosszabb időn keresztül történő vizsgálatára van szükség. A méréseket a talajnedvesség-tartalmon kívül a fényre, mint abiotikus tényezőre is tervezzük kiterjeszteni. A munka a QLK5–CT-1999-01349 (EU 5. keretprogram) kutatási program támogatásával folyt. Kulcsszavak: talajnedvesség-tartalom, mintázatelemzés, bükk, erdészeti kezelés hatása Irodalom BAUHUS, J., 1996. C and N mineralization in an acid forest soil along a gap-stand gradient. Soil Biol. Biochem. 28. 923–932. BÚZÁS I. (szerk.), 1993. Talaj- és agrokémiai vizsgálati módszerkönyv 1. Fizikai, vízgazdálkodási és ásványtani talajvizsgálati módszerek. INDA 4231 Kiadó. Bpest. CARLSON, R. E. & FOLEY, T. A., 1991. Radial Basis Interpolation Methods on Track Data. Lawrence Livermore National Laboratory, UCRL–JC-1074238.

32

HAGYÓ – RAJKAI

COATES, K. D. & BURTON, P. J., 1997. A gap-based approach for development of sylvicultural systems to address ecosystem management objectives. Forest Ecology and Management. 99. 337–354. DIRKSEN, C., 1999. Soil Physics Measurements. Catena Verlag GmbH. Reiskirchen. FAMIGLIETTI, J. S., RUDNICKI, J. W. & RODELL, M., 1998. Variability in surface moisture content along a hillslope transect: Rattlesnake Hill, Texas. Journal of Hydrology. 210. 259–281. FISHER, R. F. & BINKLEY, D., 2000. Ecology and Management of Forest Soils. 3rd ed. John Wiley & Sons, Inc. New York. GAGNON, J. L. et al., 2003. Dynamics of artificial regeneration in gaps within a longleaf pine flatwoods ecosystem. Forest Ecology and Management. 172. 133–144. GOLDEN SOFTWARE, Inc., 2002. Surfer 8. User’s Guide. HILHORST, M. A., 1998. Dielectric Characterisation of Soil. Doctoral Thesis. Wageningen Agric. Univ. Wageningen. MAROSI S. & SOMOGYI S., 1990. Magyarország kistájainak katasztere. II. MTA Földrajztudományi Kutató Intézet. Budapest. MOHANTY, B. P., SHOUSE, P. J. & VAN GENUCHTEN, M. T., 1998. Spatio–temporal dynamics of water and heat in a field soil. Soil & Tillage Research. 47. 133–143. OAKLAND, T. et al., 2002. Variation in environmental conditions, understorey species number, abundance and composition among natural and managed Picea abies forest stands. Forest Ecology and Management. 177. 17–37. PANNATIER, Y., 1996. VARIOWIN: Software for Spatial Data Analysis in 2D. Springer–Verlag. New York. RAJKAI K., 2001. Modellezés és modellhasználat a talajtani kutatásban. Agrokémia és Talajtan. 50. 469–508. SCHUMANN, M. E., WHITE, A. S. & WITHAM, J. W., 2003. The effects of harvestcreated gaps on plant species diversity, composition, and abundance in a Maine oak–pine forest. Forest Ecology and Management. 176. 543–561. SCHUME, H., JOST, G. & KATZENSTEINER, K., 2003. Spatio–temporal analysis of the soil water content in a mixed Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.)–European beech (Fagus sylvatica L.) stand. Geoderma. 112. 273–287. SPSS® Base 11.5. User’s Guide, 2002. VÁRALLYAY GY., 1973a. A talajok nedvességpotenciálja és új berendezés annak meghatározására az alacsony (atmoszféra alatti) tenziótartományban. Agrokémia és Talajtan. 22. 1–22. VÁRALLYAY GY., 1973b. Berendezés bolygatatlan szerkezetű talajoszlopok hidraulikus vezetőképességének meghatározására. Agrokémia és Talajtan. 22. 23–38. VÁRALLYAY, GY. & RAJKAI, K., 1987. Soil moisture content and moisture potential measuring techniques in Hungarian soil surveys. Proc. Intern. Conf. on Measurement of Soil and Plant Water Status. I. 183–184. WARRICK, A. W. & NIELSEN, D. R., 1980. Spatial variability of soil physical properties in the field. In: Applications of Soil Physics. (Ed.: HILLEL, D.) Academic Press. New York. WESTERN, A. W., BLÖSCHL, G. & GRAYSON, R. B., 1998. Geostatistical characterisation of soil moisture patterns in Tarrawarra catchment. J. Hydrology. 205. 20–37. Érkezett: 2004. május 25.

Talajnedvesség-tartalom egy bükkös erdőben és benne kialakított lékekben

33

Effects of Gap Creation on Soil Water Content in a Beech Stand A. HAGYÓ and K. RAJKAI Research Institute for Soil Science and Agricultural Chemistry of the Hungarian Academy of Sciences, Budapest

S um ma ry Studies were made on the effect on soil moisture content caused by the forestry practice of creating gaps, simulating natural gap dynamics, in a beech forest in the Börzsöny Mountains. The tests were made on round gaps created in winter 2000 in the approx. 80-year-old stand, situated on an east to northeast-facing slope. The soil of the area, formed on andesite, is an eroded brown forest soil with clay illuviation with an average 20–30 cm tilth layer. Soil moisture conditions were assumed to differ under the closed canopy and in the gaps. Soil water content measurements were made in a transect and a grid pattern every three weeks during the vegetation period and on two occasions outside the vegetation period in and around two gaps, one small and one large, with diameters of approx. 20 and 35 m. It was found that the water content of the upper 10 cm soil layer only differed slightly after rain in the gaps and under the closed canopy, while in dry weather it was significantly higher in the gaps than under the tree stand. The average soil water content in both gaps at all measurement dates was close to field water capacity. It was concluded from the results that the formation of gaps changed the moisture conditions in the upper soil layer, as previously described in gaps in beechwoods (e.g. BAUHUS, 1996). The present measurements confirmed that the soil in the gaps was moister than under the closed canopy. The effect of the two gap sizes on the magnitude of the soil moisture content was similar, while the spatial patterns within the gaps differed. If the gap effect is to be generally characterized, studies on the soil water content of a larger number of gaps will be required over a longer period. The measurements should be expanded to include not only the soil moisture content, but also the light, as a further abiotic factor. Table 1. Hydrophysical properties of the soil samples and the leaf litter. (1) Depth of sampling. a) Leaf litter. (2) Bulk density, g/cm³. (3) Total porosity, %. (4) Hydraulic conductivity, K, cm/day. (5) Moisture content in terms of field water capacity, and wilting point, cm³/cm³, %. Table 2. Parameters of the semivariogram models calculated from transect data and the mean soil moisture contents (Θ mean). (1) Date (month, day). (2) Measurement distance, m. (3) No. of measurement points, n. (4) Nugget effect, %. (5) Range, m. (6) Sill, %. (7) Θ mean, v/v, %. A. Small gap. B. Large gap. Note: SZ: transect down the slope, L: transect across the slope; *With the elimination of extreme values. Table 3. Results of variance analysis on the transect data. 1, 3: Transect sections under the canopy, 2: in the gap. **α = 0.01, *α = 0.05, °: Post Hoc test: Dunnett C. A. Large gap. B. Small gap.

34

HAGYÓ – RAJKAI

Table 4. Mean temperature of the upper 10 cm of soil in the small (B) and large (A) gaps and under the canopy at the four measurement dates. (1) Date. (2) Gap. (3) Canopy. Table 5. Comparison of the variance of soil moisture content data under the closed canopy and in the gaps using the F-test at various measurement dates. (1) Large gap. (2) Small gap. Remark: **α = 0.01. Table 6. Means and variances of the properties of undisturbed soil samples (3 April 2002, n = 41). (1) Property. a) Volume mass, g/cm³; b) stone content, g/g %; c) humus content, %. (2) Mean. (3) Variance. Fig. 1. Sampling pattern in the large (A) and small (B) gaps. The continuous line indicates the borders of the gaps, and the dots the measuring points. The numbers on the axes are coordinates (m). Fig. 2. Moisture content of the upper 10 cm of soil in the large gap on 18 April 2002 along transects across the slope (A) and down the slope (B). Horizontal axis: distance from the middle of the gap, m. Vertical axis: Soil moisture content, v/v %. Fig. 3. Moisture content of the upper 10 cm of soil in the large gap on 7 May 2002 along transects across the slope (A) and down the slope (B). For horizontal and vertical axes: see Fig. 2. Fig. 4. Rainfall in the large gap (mm) between 1 March and 30 November 2002. Horizontal axis: time, days. Vertical axis: Rainfall, mm. Fig. 5. Moisture content of the upper 10 cm of soil in the large gap on 28 May 2002 along transects across the slope (A) and down the slope (B). Fig. 6. Moisture content of the upper 10 cm of soil in the small gap on 8 May 2002 along transects across the slope (A) and down the slope (B). For horizontal and vertical axes: see Fig. 2. Fig. 7. Moisture content of the upper 10 cm of soil in the small gap on 5 June 2002 along transects across the slope (A) and down the slope (B). For horizontal and vertical axes: see Fig. 2. Fig. 8. Current soil moisture map of the large gap based on BR-30 (A) and MCM102 (B) measurements (15 July 2002). Fig. 9. Means of soil moisture contents (July–October 2002). a) Below the canopy; b) edge of gap; c) gap. Fig. 10. Soil moisture content map of the large (30 July 2002) and small (31 July 2002) gaps. Fig. 11. Moisture contents determined using the MCM102 instrument and the gravimetric method (3 April 2002, n = 41).