Skip to main content
Fenntartható technológiák

MTA FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉS ÉS TECHNOLÓGIÁK NEMZETI PROGRAM

Fenntartható technológiák alprogram

Blog Archives

A talajhasználat és a talajok üvegházhatású gáz, továbbá NH3 emissziójának rendszerszemléletű vizsgálatai és összefüggések elemzése

A légkörben található üvegházhatású gázok (szén-dioxid, dinitrogén-oxid) és az ammónia (NH3), ezek forrásai és elnyelői, illetve a légköri koncentrációjukban bekövetkező növekedés okai és a csökkentés lehetőségei a tudományos kutatások egyik központi kérdése. Az üvegházhatású gázoknak hosszú a légköri élettartamuk, következésképpen a légkörben meglehetősen jól keverednek, ezért nemcsak helyi vagy regionális, hanem globális jelentőségűek is. Ehhez képest az NH3 inkább regionális szinten fejti ki hatását. A mezőgazdasági tevékenységből származó ÜHG-k légköri koncentrációjának növekedése, továbbá az NH3-kibocsátás globális probléma a fokozódó klímaváltozás és környezeti-, humánegészségügyi kockázatok miatt. A mezőgazdasági termelés során a kijuttatott műtrágya mennyisége és típusa, valamint a talajművelési technológiák meghatározóak a kibocsátások mértékének alakulásában. A mezőgazdasági jó gyakorlat elengedhetetlen része a fenti gázok kibocsátásainak mérséklése. Az Európai Unióban 2005 és 2018 között a mezőgazdasági eredetű kibocsátások csökkentek legkevésbé, ez jól mutatja, hogy az ágazati szabályozások nem segítik a kibocsátások csökkentését. A mezőgazdasági eredetű kibocsátás csökkentésben a további potenciálok felderítése és kiaknázása a cél. A mezőgazdasági eredetű CO2 kibocsátás csökkentési kötelezettség eléréséhez elengedhetetlen, hogy számba vegyük azokat az agrotechnikai és agronómiai lehetőségeket, melyek segítségével a kibocsátások csökkenthetők és a szénelnyelés növelhető. Az NH3 kibocsátás csökkentésében megfogalmazott célok szintén nem érhetők el a szerves és szervetlen műtrágyák hatékonyabb használata, valamint a különböző környezeti, valamint talajfizikai, talajkémiai és talajbiológiai tényezők NH3 kibocsátásra gyakorolt hatásának pontos mérése és vizsgálata nélkül.
A tervezett kutatás szabadföldi és optimalizációs klímakamrai kísérletekben egyidőben vizsgálja a fent nevezett gázok emisszióját befolyásoló talajkémiai, talajbiológiai és talajfizikai paramétereket. A talajok tápanyagellátottságának függvényében különböző talajkondíciók mellett, több növényfajon (C3-as, C4-es) komplex módon vizsgáljuk a talaj-növény-légkör rendszerben a C- és N-körforgalom elemeit a gázkibocsátásokkal összefüggésben. Elemezzük a talajerőforrás, tápanyagtartalom, a növénynövekedés és élettani paraméterek, a rizoszféra mikroorganizmusok funkcionális diverzitása és a gázkibocsátások közötti összefüggéseket. A fent nevezett gázok mérését segítő módszertani fejlesztést végzünk, több műszer parallel alkalmazásával validáló, kalibráló mérésekre alapozva.

A mért és számított adatokból adatbázist építünk. A projekt keretében együttműködünk a Szegedi Tudományegyetem Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékével. A kutatás összhangban van a Talajvédelmi stratégia és az Országos Levegőterhelés-csökkentési Program célkitűzéseivel. Eredményei hozzájárulnak talajhasználatot optimalizáló, a talajegészséget és fenntartható gyakorlatot támogató technológiák fejlesztéséhez és döntéstámogatáshoz.

Hidrológiai modellezést támogató talajhidrofizikai kategóriarendszer kidolgozása és térképezése

A talajhidrológiai tulajdonságok (mint pl. a talajok pórusméret-eloszlásával összefüggő víztartó és vízvezető képesség) meghatározzák, hogy a felszínre érkező csapadék, vagy öntözővíz mekkora része képes a talajba szivárogni, milyen mennyiség folyik el a felszínen, mennyi nedvesség és milyen hosszan tud a talajban tározódni. Ezek alapvetően meghatározzák többek között a talajban végbemenő hidrológiai és biogeokémiai folyamatokat. Mintaterületeken történő hidrológiai monitoring és alkalmankénti talajfizikai és -kémiai mérések nagyban elősegítik a hidrológiai modellek bemenő paramétereinek pontosítását, illetve a becslési eljárások validálását.
A tervezett kutatási feladatok megvalósítását az intézetben végzett, a talajhidrológiai tulajdonságok becslésével és térképezésével foglalkozó kutatási projektek alapozzák meg (KH124765, WaterJPI – iAqueduct, H2020 – OPTAIN, K48302, K119475, K134563, OTKA 101065, OTKA 131792, melyek eredményei a klímaváltozás szempontjából is kiemelten fontosak.

A kutatás során a Várallyay-féle talaj vízgazdálkodási kategóriarendszer statisztikai vizsgálatokon alapuló megújítása a célunk, a BO/00088/18 számú Bolyai Kutatási ösztöndíj eredményeire építve, a kialakított talajcsoportok szakértői szabályokkal kiegészített továbbfejlesztésével és térképezésével. Olyan talajhidrológiai csoportosítási rendszer létrehozását tervezzük, ami tartalmazza a hazánkban előforduló, jellegzetes talajhidrofizikai tulajdonságokkal rendelkező talajokat és biztosítja a talajok vízgazdálkodását figyelembe vevő modellek talajhidrológiai bemeneti adatigényét. A létrehozott csoportosítási rendszert a mintaterületeken történő talaj-növény-víz rendszert vizsgáló mérésekkel támasztjuk alá.

A MARTHA (Magyarországi Részletes Talajfizikai és Hidrológiai Adatbázis) adatbázist bővítjük általános talajszelvény és további talajhidrológiai adatokkal. Vizsgáljuk, hogy a kettős porozitást figyelembe vevő modell alkalmazása mennyiben pontosítja a víztartó képesség görbe közelítését. A kibővített adatbázis talajszelvényeinek hidrofizikai tulajdonságai alapján statisztikai módszerekkel és szakértői szabályok alapján vízgazdálkodási talajcsoportokat képzünk. A vízgazdálkodási csoportok és a könnyen hozzáférhető talajtulajdonságok közötti kapcsolatot adatbányászati módszerekkel vizsgáljuk, majd alkalmazzuk az eljárást a talajhidrológiai csoportok térképezéséhez. Validálási pontként a mintaterületek adatait is felhasználjuk.

A tervezett vizsgálatokkal számszerűsítjük, hogy milyen fizikai féleségű, illetve talajtípusú talajoknál milyen mértékben pontosítható a talajok víztartó képességének leírása mind a mikro-, mind a makroporozitást figyelembe vevő modellel. A talajhidrológiai csoportok létrehozása és térképezése meghatározó információt nyújt a vízgyűjtő szintű hidrológia modellek hidrológiai válaszegységeinek kialakításához. A talajhidrológiai csoportok kialakítása fontos bemenő adatként szolgál a talajok vízgazdálkodási tulajdonságaihoz kötődő országos és regionális elemzésekhez és tervezésekhez, valamint átfogó képet ad a talajok vízgazdálkodási jellemzőiről.
A talajhidrológiai csoportok térképe, valamint a talajnedvesség monitoring adatok támogatják a fenntartható mezőgazdasági és vízgazdálkodási tervezést.

Nagyméretarányú genetikus talajtérképezésből származó talajinformációk feldolgozása a talaj-specifikus aszályérzékenység előrejelzésére

Mezőgazdasági szempontból az éghajlatváltozás egyik legfontosabb következménye a szélsőséges vízháztartási helyzetek gyakoriságának növekedése. A talajban potenciálisan tárolt vízkészletek felmérésének és megóvásának alapja a talaj vízgazdálkodásának ismerete. A talaj vízgazdálkodását hidrofizikai tulajdonságai (vízbefogadó-, vízvezető- és víztartó képesség) határozzák meg, a jövőben elkerülhetetlen az ezzel kapcsolatos, célszerűen tervezett adatgyűjtés, s emellett az egyszerűen mérhető talajparaméterekre épülő ún. becslőmódszerek fejlesztése.

Hazai (NKFIH OTKA K 48302; K 62436; K 119475; K 134563; TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0064) és nemzetközi projektekben (FP7-SPACE-2010-1/263188; NKM-108/2017; NKM 2019-17) végzett előzetes kutatási tapasztalataink azt mutatják, hogy azonos időjárási helyzetek a különböző talajokon és különböző növénykultúrák állományain eltérő „aszály- vagy belvízérzékenységet” eredményeznek.

A projekt fő célkitűzése a korszerű térinformatikai rendszerekbe illesztett, a felszíni talajrétegen túl a mélyebben fekvő talajrétegekről is megbízható információt nyújtó, országos vízgazdálkodási térképek és hidrofizikai adatbázisok felépítése, mely minden eddiginél hatékonyabban képes támogatni a szélsőséges vízháztartási helyzetek előrejelzését, illetve az általuk okozott károk mérséklését.

A különböző térképi adattárakban (egykori mezőgazdasági nagyüzemek, megyei növényvédelmi és agrokémiai állomások, földhivatalok jogutódjai) felelhető és még megmenthető, papírra rögzített 1:10.000 térképi anyagok és a hozzájuk kapcsolódó szöveges magyarázók alapvető és hiánypótló talajinformációkat nyújtanak termőterületeink állapotáról. A tervezett munka lépései: (1) 1:10.000 talajtérképek, szöveges magyarázók, laborvizsgálati jegyzőkönyvek összegyűjtése, adatrögzítés, térinformatikai feldolgozás kiválasztott régióra (Csongrád-Csanád vármegye); (2) Talajtani alaptérképek elkészítése; (3) Tematikus hidrofizikai-vízgazdálkodási céltérképek elkészítése; (4) Aszály- és belvízérzékenységi modellezés, térképezés.

A tervezett feladatok elvégzése alapvető információkkal szolgálhat pl. a tervezett Operatív Aszály- és Vízhiánykezelő Rendszer kidolgozása, az öntözésfejlesztési beruházások megalapozása vagy a jelenlegi belvíz-veszélyeztetettségi térkép metodikájának továbbfejlesztése számára. A talajok hidrofizikai tulajdonságainak részletesebb ismerete országos térbeli adatokkal segíthetné a természetes vízvisszatartási intézkedések kidolgozását, a felszín alatti vízkészlet-modellezést, a mezőgazdasági vízgazdálkodási szakpolitikai program kidolgozását vagy az időjárási szélsőségek hatására bekövetkező várható talajmozgások előrejelzését.
Az elkészítendő térképek a gazdák számára is segítséget nyújthatnának a megfelelő talajhasználat, a helyes talajvédelmi gyakorlat kialakításához. Egy olyan mintaprojektet kívánunk megvalósítani a Dél-Alföld egy kiválasztott területére, mely példaként szolgálhatna a továbbiakban az országos szintű feladatok megvalósításához.

Innovatív módszerek a természeti erőforrások fenntartható hasznosításában

A nyersanyag, energia és vízellátás kielégítő mennyiségű és minőségű biztosítása napjaink egyik legnagyobb kihívása. A nyersanyag és energia függőség csökkentése kiemelt prioritási terület hazánkban és a világban. Ezért fontos minden olyan fejlesztés, amely előrelépést teremt a természeti erőforrások fenntartható hasznosításában, valamint a függőség csökkentésében. A megcélzott kutatási program négy kiemelt területen kíván kutatásokat végezni az alábbi hipotézisekkel:

  • A hosszú idejű hidrológiai adatsorok sokkal több információt hordozhatnak, mint amit a jelenlegi tradicionális módszerekkel kinyerünk. Új értelmezési eljárások kidolgozásával sokkal pontosabb képet nyerhetünk a földi vízkörforgalom elemeit, többek közt a felszín alatti vízkészleteinket érintő jelenlegi és lehetséges jövőbeli változásokról.
  • A mesterséges intelligencia alapú módszerek alkalmazása új lehetőséget jelenthet a hidrogeofizikai módszerfejlesztésben, amely közvetlen hasznosítást nyerhet a vízkutatásban és a geotermikus energiahasznosításban.
  • A hidrogén, mint megújuló energiaforrás tárolása biztonságos és hatékony módon megoldható felszín alatti közegben.
  • Az elsődleges bányászati előfordulások mellett a körforgásos gazdaság irányelveit szem előtt tartva kiváló forrásként szolgálhatnak a bányászati- és ipari melléktermékek, valamint az elektronikai hulladékok.

Műtrágyázásból eredő nitrogénveszteség mértékének vizsgálata. A környezeti nitrogénterhelés becslése szántóföldi kultúráknál, fizikai mérési módszerekkel.

Műszer- és módszerfejlesztés

A projektben kifejlesztésre kerül egy olyan mérőrendszer, amely az NH3 mellett alkalmas az üvegház hatású és sztratoszferikus ózonbontó N2O fluxus egyidejű mérésére is, melynek forrása a talaj, de a növény is kibocsáthatja. Klímakamrás kísérletek tervezése. Modellfejlesztés a talaj – növény és a légkör közti NH3 és N2O fluxus szimulálására.

További tervezett feladat egy, az aeroszol részecskék koncentráció mérésére alkalmas nyitott kamrás, fotoakusztikus (PA) mérőrendszer tesztelése, kalibrációja és az analitikai paraméterek meghatározása. Áramlásakusztikai és PA jelkeltési numerikus modellezések végzése az áramlási sebesség növelésével. A PA mérőrendszer drónra telepítésének, illetve terepi használat tervének kidolgozása. A lézer fényforrás és a nyitott kamra integrálása, tesztelése.

Lézeres gerjesztésű biomassza és elemi szén (korom) részecskék kontrollált laboratóriumi modellezésére alkalmas mérési elrendezés kifejlesztése. Gázfázisú kereszteffektusok és hatásaik feltérképezése.

Szántóföldi vizsgálatok

Egyik cél az NH3 és N2O fluxus folyamatos nagyfrekvenciás PA mérése örvény-kovariancia módszerrel szántóföld fölött. Ezen kívül kiegészítő talaj, növény, meteorológiai méréseket tervezünk, több ponton a talaj NH3 és N2O kibocsátásának folyamatos mérésével. Az állomány teljes gázkibocsátásának és a talaj kibocsátásának párhuzamos mérése, a talaj és növény NH3 és N2O fluxusainak elkülönítése céljából.

A talaj – növény és a légkör közti NH3 és N2O fluxus modellezése. Modellek kidolgozása, tesztelése és alkalmazása.

Klímakamrás vizsgálatok

Klímakamrás tenyészedény kísérletek végzése. NH3 és N2O koncentráció mérése a kamrákban PA módszerrel, külön a növényeknél, külön a talajoknál, annak a megállapítására, milyen mértékben történik a gázcsere a talaj – légkör, illetve a növény – légkör között.

A növényi szárazság stressz és a nitrogénellátottság hatása a gázok kibocsátásának mértékére. A klímaváltozás hatásának becslése a gázemisszióra. Fontos kérdés, hogy a klímaváltozás miatt jelenleg és a jövőben is várhatóan gyakrabban előforduló abiotikus eredetű növényi stressz (pl. hő stressz, szárazság stressz) hogyan befolyásolja a kibocsátást ezért klorofill fluoreszenciás vizsgálatokat végzünk stresszhelyzetekben és kontroll körülmények között.

A 14N/15N izotóparány PA nagy pontosságú, ppb szintű mérésének kifejlesztése. 14N/15N izotóparány mérése. A talaj – növény – légkör rendszerben lejátszódó folyamatokat nyomon követhetjük a 14N/15N stabilizotóp-arány mérésével, ugyanis minden fizikai és kémiai átalakulás izotópdúsulás-változással jár. Mivel a 15N aránya csupán 0,36% szükség lehet a dúsításra, a szubsztráthoz adagolt 15NH4Cl formájában. További vizsgálati lehetőségek és célok között szerepel a 15N nyomjelzéses technika alkalmazása a 15NH4+ mellett a 15NO3– izotóp dúsítással is. A két módszer vagy-vagy kombinációjával és a felszabaduló gázok izotóparány mérésével fontos információt nyerhetünk a talajban végbemenő, nem teljes mértékben tisztázott folyamatok mechanizmusára vonatkozóan.

Égetés eredetű részecskék vizsgálata

Biomassza és alacsony érettségű elemi szén részecskék kontrollált laboratóriumi körülmények közötti előállítása és fotoakusztikus vizsgálata. Hullámhossz és lézerparaméter meghatározás a PA rendszerfejlesztéshez. Rezonátor és PA detektoregység tervezése és fejlesztése. Drónra telepíthető nyitott kamrás rendszer tervezése, fejlesztése. Biomassza eredetű részecskék spektrális válasza és az energetikai sajátosságai közötti összefüggések vizsgálata drónra telepített rendszerrel. Légköri emissziós mérések. Kátránygömb részecskék spektrális válaszának laboratóriumi körülmények közötti mérése. Szavanna tüzek emissziós vizsgálata nemzetközi együttműködések keretein belül. Biomassza eredetű részecskék spektrális válaszának vizsgálata drónra telepített rendszerrel. Mérési modell kidolgozása és véglegesítése. Spektrális válasz alkalmazhatóságának igazolása a kibocsátó biomassza forrás beazonosítására. Klimatikus hatások becslése. Drónra telepített PA rendszerek alkalmazhatóságának igazolása a kibocsátás közvetlen közelében és távoli emissziós környezetben. A spektrális válaszban rejlő összetétel és kibocsátó forrás jellemzők feltárása.

Szervesanyag mennyiség és minőség hatása a talajszerkezet stabilitására

A talajokban raktározott szén alapvető fontosságú a talajtermékenység alakulásában. A szerves szénkészletek befolyásolják a talajok tápelemeinek körforgalmát, a talajok szerkezetét, víztárolási, szűrési és pufferolási képességeit, továbbá a talajlakó élőlények életfeltételeit, sokféleségét, genetikai és funkcionális diverzitását. A talajok szénraktározó képessége, a szénkészletek minőségének megítélése is csak több szempontból, alapvetően a talajok fizikai, kémiai tulajdonságainak, biológiai aktivitásnak és sokféleségnek egyidejű vizsgálatával, kölcsönhatásaik figyelembevételével lehetséges.

Hazai (GINOP; NVKP; OTKA, ELKH) és nemzetközi projektekben (H2020; Norway Grant; NKM 2019-17) és nemzetközi projektekben (H2020-SFS-2016-2-727217-2 ReMix, HU09-0029-A1-2013 – Norway Grant; NKM 2019-17) végzett előzetes kutatási tapasztalataink azt mutatják, hogy a mezőgazdasági művelés alatt álló talajok jelentős része kitett a szerkezetromlásból és szervesanyag vesztésből eredő talajdegradációnak, mely kedvezőtlenül befolyásolja a termőtalajok aszály- és belvízérzékenységét. A globális környezeti problémák és a helytelen használat okozta talajromlás egyre nagyobb igényt támasztanak gyors, költséghatékony és környezetbarát adatgyűjtő és talajegészséget diagnosztizáló módszerek iránt.

A projekt fő célkitűzése a talajhasználat–talajművelés–tápanyaggazdálkodás együttes hatásának elemzése a szerves-anyag jellemzőkre, szerkezeti állapotra és a vízgazdálkodásra, jelenleg folyó szabadföldi és laboratóriumi kísérletekre, illetve archivált mintáira és azok vizsgálati eredményeire építve.

A talaj szilárd alkotóiból összeálló aggregátumok kialakulása és szerkezetének tartóssága a fizikai, kémiai és biológiai talajkörnyezet függvénye. A mikrobiális tevékenységből származó mikorrhiza gombák által termelt glikoprotein, a glomalin, kiemelt szerepet játszik a stabil talajaggregátumok kialakításában. A glomalint termelő arbuszkuláris mikorrhiza (AM) gombák a legősibb és legelterjedtebb gyökérszimbionták. Gazdasági jelentőségük nagy, a szárazföldi növények 80-90 %-val, köztük haszonnövényeink többségével létesítenek kölcsönösen előnyös szimbiotikus kapcsolatot. Az AM gombák gyökérbeni jelenléte kedvezően hat a gazdanövény tápanyagellátására és stressz-toleranciájára. A glomalin a talajok szerves szén- és nitrogénraktárainak jelentős részét adja. A glomalin bioindikációs jelentősége abban rejlik, hogy viszonylag stabil mikrobiológiai indikátor szemben más térben és időben dinamikusan változó mikrobiális talajjellemzővel, mindeközben szoros összefüggést mutat fizikokémiai paraméterekkel is és jellemzi a talaj – AM gomba – növény rendszer állapotát.

A kutatás során természetes állapotú és különféle módon kezelt talajmintákon történő mérések eredményeiből egy talajszerkezeti és szerves szén adatbázis kerül kialakításra, mely lehetőséget ad a szerkezetesség, a szerves-anyag karakter és a vízgazdálkodási tulajdonságok összefüggés-vizsgálatára. A kutatási eredmények szintézise, összefüggéseik elemzése lehetőséget biztosít a talajegészség indikációjának megalapozásához. A felépítendő adatbázis alapján olyan glomalin, mikro- és makroaggregátum stabilitási, pórusméret-eloszlási indikátorok kerülnek kidolgozása, melyek lehetővé teszik a különböző típusú talajok vízgazdálkodási és szénforgalmi szempontú, viszonylag gyors, standardizált értékelését.

A talajfizikai, talajkémiai és talajbiológiai vizsgálatokra épített komplex indikáció segítséget nyújthat a jelenlegi földhasználati mód talajminőségre gyakorolt hatásának értékelésében és a földhasználat-váltás fenntartható technológiájának tervezésében.

Különböző erdőkezelések hatása, a talaj lebontó közösségeire és a talajegészségre

Az erdők természetességének megőrzése és növelése elsősorban a fenntartható (tartamosság) erdőgazdálkodás révén lehetséges. A gazdasági fenntarthatóság mellett, az erdők védelmi, ökológiai és turisztikai funkcióinak fenntartásához a biológiai sokféleségük növelését, termékenységüket, megújuló képességüket, vitalitásukat biztosító erdőkezelési technológiákra van szükség.

Az Ökológiai Kutatóközpont és a Pilisi Parkerdő Zrt. szakemberei 2014-től kezdve a Hosszú-hegy 70 éves gyertyános-kocsánytalan tölgyes erdőállományában öt, jelentősen eltérő megjelenésű állományképet (egyenletes bontás, lék, mikrotarvágás, hagyásfacsoport, kontroll) alakítottak ki. A 2018-ban indított Pilis Lék kísérlet folyamatos erdőborítás mellett különböző méretű és alakú lombkoronalékek (kis területű záródáshiányos foltok) hatásaival foglalkozik.
Kutatásunk során a különböző erdészeti beavatkozások erdei talajra, a lebontó közösségek biodiverzitásra gyakorolt hatását vizsgáljuk a Pilis Üzemmód és Pilis Lék Kísérletekben. A jelen kutatást két ELKH kutatóhely (ÖK és TAKI) együttműködésével valósítjuk meg.

Célunk felmérni, hogy az egyes erdészeti beavatkozások miként hatnak a talajlakó mezofauna és rizoszféra mikroorganizmusok (baktériumok, szimbionta gombák) közösségeire (genetikai és funkcionális diverzitásukra), s ezen keresztül a talajegészségre. Azt feltételezzük, hogy az erdei biodiverzitás és talajegészség, a zavarás mértékével ellentétes kapcsolatban van.

A kutatás hozzájárul a globális kihívásoknak megfelelő ökológiailag fenntartható erdőgazdálkodás és az integrált természetvédelem gyakorlati megvalósításához. Az eredmények ismeretében, a későbbiekben ki lehet választani azt az erdőgazdálkodási formát, ami legkevésbé károsítja a környezetet.