 |
Development of new methodology for 3D soil hydraulic property mapping and testing its application on the catchment of Lake Balaton
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124765 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Tóth, Brigitta |
| Title in Hungarian |
3D talaj-vízgazdálkodási térképkészítés új módszertanának kidolgozása és alkalmazásának tesztelése a Balaton vízgyűjtőjén |
| Title in English |
Development of new methodology for 3D soil hydraulic property mapping and testing its application on the catchment of Lake Balaton |
| Keywords in Hungarian |
talajhidrológiai paraméterek, pedotranszfer függvény, adatbányászat, digitális talajtérképezés, geostatisztika, víztartó képesség, hidraulikus vezetőképesség, Mualem-van Genuchten modell |
| Keywords in English |
soil hydraulic properties, pedotransfer functions, data mining, digital soil mapping, geostatistics, water retention, hydraulic conductivity, Mualem-van Genuchten model |
| Discipline |
| Soil sciences, soil biology, soil chemistry, soil physics (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Soil physics |
|
| Panel |
Complex agricultural sciences |
| Department or equivalent |
Institute for Soil Sciences (Centre for Agricultural Research) |
| Participants |
Jolánkai, Zsolt
Koós, Sándor
Kozma, Zsolt
Laborczi, Annamária
Makó, András Szabolcs
Pásztor, László
Rajkai, Kálmán
Szatmári, Gábor
Takács, Katalin
Tóth, Gergely
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2019-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
19.292 |
| FTE (full time equivalent) |
3.27 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás célja új módszereken alapuló talajhidrológiai becslő függvények kidolgozása hazánk talajaira, valamint 100 m felbontású 3D talaj-vízgazdálkodási térképek készítése a Balaton vízgyűjtőjére.
A kutatás első lépésében a részletes térképeken már ma is hozzáférhető talajtulajdonságok, egyéb környezeti jellemzők (klíma, morfometriai jellemzők) és a pontszerűen mért talajhidrológiai paraméterek közötti kapcsolatokat vizsgáljuk és írjuk le pedotranszfer függvényekkel (PTF). A függvények kidolgozásához a Magyarországi Részletes Talajfizikai és Hidrológiai Adatbázist (MARTHA) használjuk, ami 3937 talajszelvény 15005 talajrétegének általános és talajhidrológiai adatait tartalmazva jól reprezentálja hazánk szántóföldi művelés alatt álló területeinek talajjellemzőit, és aminek adataihoz hozzákapcsolhatók egyéb környezeti (pl. klimatikus) adatok is. Az új PTF-ekkel a rendelkezésre álló általános talajadatok és környezeti segédváltozók alapján készítjük el a mintaterület többrétegű talajhidrológiai térképeit.
A kutatás során dolgozzuk ki a talaj-vízgazdálkodási térképek készítésének környezeti változókat is figyelembe vevő új módszertanát, hangsúlyt fektetve a térképek megbízhatóságának számszerű jellemzésére. A talaj-vízgazdálkodási térképeket a Balaton vízgyűjtőjén szimulált, mezőgazdasági szempontból is releváns hidrológai modellekben értékeljük. Az értékelés célja annak megállapítása, hogy az új 3D talajhidrológiai térképek modellbe építésével milyen mértékben és irányban változnak a vízgyűjtő szimulált vízháztartási és vízminőségi indikátorai és ezek mennyire javítják a szimuláció pontosságát és megbízhatóságát.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A hazánkban rendelkezésre álló talajhidrológiai térképek térbeli és tematikus megbízhatósága nem megfelelő (pl. EU-SoilHydroGrids, 1:10000-es talaj-vízgazdálkodási kartogramok). A talaj-vízgazdálkodási tulajdonságok méréssel történő meghatározása költséges és időigényes, ezért a csak mért értékekre alapozott talajhidrológiai térképezés vízgyűjtő léptéken nem lehetséges. A vízgazdálkodást érintő mezőgazdasági beavatkozások pontos tervezéséhez azonban elengedhetetlen a talajvíztartó-képesség és hidraulikus vezetőképesség számszerű pontos ismerete.
A tervezett kutatás kiinduló hipotézise, hogy a hazai talajféleségeinket jól reprezentáló MARTHA adatbázis adatait, valamint egyéb környezeti változókat (klíma, morfometria) elemezve a korábbiaknál jóval pontosabb matematikai összefüggések (pedotranszfer függvények, PTF-ek) dolgozhatók ki a talaj legfontosabb hidrológiai tulajdonságai, valamint könnyen mérhető jellemzői és egyéb környezeti változók között. A mintaterületre rendelkezésre álló talajtérképek és környezeti változók alapján az új PTF-ekkel a vízgyűjtő egészére számítani és három dimenzióban térképezni tudjuk a talajhidrológiai tulajdonságokat. Úgy gondoljuk, hogy a környezeti segédváltozók bevonása a PTF-ek kidolgozásába, majd a térképezésbe szignifikánsan javítja a talajhidrológiai térképek pontosságát és megbízhatóságát. Feltételezzük, hogy az új módszertannal előállított 3D talaj-vízgazdálkodási térképek ezáltal javítják az adatbázisra épülő mezőgazdasági és egyéb alkalmazások pontosságát is, amit a vízgyűjtőre alkalmazott hidrológiai modellek szimulációjával és ezek eredményeinek mért adatokkal történő összevetésével tesztelünk.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatás több szempontból is jelentős nemzetközi eredményekkel kecsegtet. Egyedisége részben a PTF-ek kidolgozásához rendelkezésre álló MARTHA adatbázis világviszonylatban kiemelkedő adatszámából, információtartalmából és minőségéből ered, amit tovább erősít, hogy jelen pályázat keretében környezeti változókkal is bővítjük azt. Másrészt a mintaterületre rendelkezésre álló 3D talajadatok térbeli felbontása, részletessége és információtartalma szintén kiemelkedő nemzetközi viszonylatban. Az összefüggések vizsgálatát és a térképezést a legújabb statisztikai, illetve geostatisztikai módszerekkel végezzük. A talajhidrológia területén várhatóan tudományos újdonságot hoz a sokrétű adatokon végzett elemzés, ezen belül is a talajfejlődés által determinált stabilabb és az időben gyorsabban változó jellemzők összetett hatásainak értékelése.
Társadalmi jelentőségét tekintve várható eredményeink hozzájárulhatnak talajinformációkat is figyelembe vevő klímatudatos és vízmegőrző talajhasználati eljárások tervezéséhez, valamint a Balaton vízgyűjtő modellek pontosításához, ezáltal a vízgyűjtő gazdálkodás még pontosabb tervezéséhez is.
A talaj-vízgazdálkodási térképezésben jelenleg a világszínvonalat a (kutatócsoportunk tagjai vezetésével) 2016-ban elkészült európai talajhidrológiai térképek képviselik. A most tervezett kutatással kiemelkedő adatokon, a legkorszerűbb vizsgálatokkal előállított új többrétegű részletes talajhidrológiai térképek világviszonylatban is mintát nyújthatnak a többszintű talajhidrológiai térképek tudományos megalapozására, elkészítésére, validálására és vízgyűjtő területen történő alkalmazhatóságának bemutatására.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A különböző talajok a rájuk érkező csapadékot eltérő mértékben képesek befogadni és a beszivárgó vízből is eltérő mennyiséget tudnak megtartani. Ezek a jellemzők, amiket összefoglalóan a talajok vízgazdálkodási tulajdonságainak hívunk, függnek az egyszerűbb talajjellemzőktől és alapvetően határozzák meg az egyes területek mezőgazdasági potenciálját, ökológiai jellemzőit, de például azt is, hogy egy csapadékosabb időszak alatt mennyi víz folyik el a felszínen, akár árvizet is okozva.
A talajok vízgazdálkodási tulajdonságait (mennyi vizet tárolnak, és hogy vezetik a vizet) számszerűen is jellemezhetjük, mérésük azonban költséges és időigényes. Ezért inkább olyan adatbázisokat elemzünk, amikben az általános talajtulajdonságok mellett mérésekből származó víztartó és vízvezető képesség adatok is vannak. Az így feltárt összefüggéseket matematikai képletekkel írjuk le, ezzel általánosítva, hogy az egyszerű talajtulajdonságokból milyen víztartó és vízvezető képesség következik. Az általánosító matematikai képleteket alkalmazzuk ahhoz, hogy az egyszerű talajtulajdonságokat tartalmazó meglévő térképek alapján talaj-vízgazdálkodási térképeket készítsünk.
Az új talaj-vízgazdálkodási térképek segítenek pontosítani a talajok szerepét a mezőgazdasági termelésben és általában az ökológiai rendszerekben, így például hatásukat az aszályérzékenységben, a belvíz-, erózióveszélyeztetettségben.
Kutatásunk célja, hogy rendelkezésre álló talaj- és környezeti információk segítségével olyan talajhidrológiai térképeket állítsunk elő a Balaton vízgyűjtőjére, melyek kielégítik a hidrológiai, meteorológiai, mezőgazdasági és ökológiai modellek talaj-vízgazdálkodási folyamatokhoz kapcsolódó igényeit.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The aim of the research is to develop soil hydraulic prediction methods applicable for Hungarian soils and prepare 3D soil hydraulic maps at 100 m resolution for the catchment of Lake Balaton.
In the first step we will analyse the relationship between easily available information – such as basic soil properties, environmental variables (climatic, morphometric) – and soil hydraulic properties and describe it with pedotransfer functions (PTFs). We will develop the PTFs on the Hungarian Detailed Soil Hydrophysical Database, called MARTHA (acronym of the Hungarian name of the database), which represents soil properties of the country’s arable land. It includes general and hydropedological data of 15005 soil layers from 3937 soil profiles and can be further extended with other environmental variables (e.g. climatic properties). We will apply the new PTFs on the soil and environmental information available on the study site to prepare the multi-layered soil hydraulic maps of the catchment.
During the research we will develop new methodology for soil hydraulic property mapping, considering environmental variables which are already considered in the phase of PTF development and we will put strong emphasis on the quantitative characterization of the maps’ reliability. We will test the application of soil hydraulic maps in hydrological models, which are also relevant for agricultural management and run the models on the spatial dataset of the catchment of Lake Balaton. The aim of the analysis is to quantify the influence of the new 3D soil hydraulic maps on water quantity and quality indicators of the simulation and on the accuracy and reliability of the models’ results.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Soil hydraulic maps currently available for Hungary have low spatial and thematic reliability (e.g.: EU-SoilHydroGrids, 1:10000 scale soil hydraulic maps). Direct measurement of soil hydraulic properties is costly and time consuming, therefore measurement-based catchment scale mapping of these soil properties is not possible. Reliable quantitative information on soil moisture retention capacity and hydraulic conductivity, however, is crucial for the appropriate planning of agricultural land use influencing soil water management.
The working hypothesis of our planned research is that based on the MARTHA database and environmental information more accurate pedotransfer functions (PTFs) can be derived. With the PTFs we can calculate the soil hydraulic properties of the whole catchment in three dimensions based on existing soil and environmental information of the study site. Involving environmental variables both in the PTFs and digital mapping can significantly improve the accuracy and reliability of soil hydraulic layers. We assume that the performance of agricultural and other applications relying on the 3D soil hydraulic properties dataset – derived by the new PTFs and mapping methodology – will significantly improve. Its applicability will be tested in hydrological models by comparing the results of simulations versus the measured values from the catchment of Lake Balaton.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The planned research can deliver results with significant international interest. Its uniqueness is ensured by the MARTHA database, which will be the basis for the derivation of the PTFs and the applied methodology. On a world scale, MARTHA is a prominent database regarding its data size, information content and quality as well, which will be further enhanced in this project by extending the dataset with environmental variables. Furthermore, the available 3D soil data for the study site is internationally exceptional in spatial resolution, detail and information content. We will apply cutting edge statistical and geostatistical methods to examine the relationships and carry out the spatial modelling. The analysis of the diverse data will likely provide scientific novelty in the field of hydropedology, especially by the evaluation of the complex effects of stable soil properties and those showing greater temporal variability.
Considering their social importance, the expected results can contribute to the planning of soil management practices which are climate conscious, water preserving and rely on soil information. Furthermore, the new spatial database would refine the hydrological models’ accuracy on the catchment of Lake Balaton and promote its management.
In the field of soil hydraulic mapping, the current world standard is represented by the EU-SoilHydroGrids, which were prepared with the lead of our research team in 2016. With the proposed research, the newly developed, 3D soil hydraulic maps relying on high quality input data would provide internationally a new scientific reference for the preparation, validation and application of soil hydraulic maps.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Precipitation enters to different soils by different rates and soils can hold this infiltrating water in different amount. The special features, which are called soil hydraulic properties, depend on basic soil characteristics (e.g. clay content or humus content) and determine the agricultural potential and ecological conditions of a given area. Furthermore, these features define how much water will run-off on the surface after a rainy period with the potential to cause even floods.
Soil hydraulic properties (providing information on how much water can be stored in the soil and how it moves) can be quantified, but their measurement is expensive and time consuming. Therefore, the analysis of databases, which contain data on both general soil properties and measured soil moisture retention capacity and hydraulic conductivity values are essential. The established relationships will be described with mathematical formulas to generalize the physical connection between simple soil characteristics and soil moisture retention capacity or hydraulic conductivity. The generalized mathematical formulas will be used to create soil hydraulic property maps based on existing basic soil maps.
The new soil hydraulic maps help to improve our understanding on the role of soils in agricultural production and ecosystems, and their influence on drought, excess inland water and erosion sensitivity.
The aim of our research is to prepare soil hydraulic maps for the catchment of Lake Balaton based on existing soil and environmental information, which satisfy the soil hydraulic information needs of hydrological, meteorological, agricultural and ecological models.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Szabó Brigitta, Szatmári Gábor, Takács Katalin, Laborczi Annamária, Makó András, Rajkai Kálmán, Pásztor László: Mapping soil hydraulic properties using random forest based pedotransfer functions and geostatistics, HYDROLOGY AND EARTH SYSTEM SCIENCES 23: (6) pp. 2615-2635., 2019 | | Kozma Zsolt, Decsi Bence, Manninger Miklós, Móricz Norbert, Makó András, Szabó Brigitta: Becsült talajhidrológiai paraméterek szimulációs vizsgálata a NAIK Erdészeti Tudományos Intézet két mintaterületén, AGROKÉMIA ÉS TALAJTAN 68: (1) pp. 13-36., 2019 | | László Pásztor, Annamária Laborczi, Gábor Szatmári, Sándor Koós, Zsófia Bakacsi, András Makó, Brigitta Tóth: Digital soil maps for the support of national mapping and assessment of ecosystem services, GEOPHYSICAL RESEARCH ABSTRACTS 21: 5645, 2019 | | Laszlo Pasztor, Brigitta Toth, Gábor Szatmári, Annamaria Laborczi: Understanding and Quantifying the Categories of a National Legacy Map on Water Management by Data Mining Methods and Newly Elaborated, Digital Hydro-Physical Soil Property Maps, In: Asim, Biswas (szerk.) Pedometrics 2019, University of Guelph; International Union of Soil Sciences (IUSS) (2019) p. 111., 2019 | | Szabó Brigitta, Gyurkó Dávid, Weynants Melanie, Weber Tobias KD: Web interface for European hydraulic pedotransfer functions (euptfv2), , 2019 | | Gabor Szatmari, Katalin Takacs, Annamaria Laborczi, András Makó, Kálmán Rajkai, László Pásztor, Brigitta Toth: Generalized Pedotransfer Functions versus Direct Geostatistical (RFK) Inference as Alternative for Quantifying the Uncertainty of Soil Hydraulic Maps, In: Asim, Biswas (szerk.) Pedometrics 2019, University of Guelph; International Union of Soil Sciences (IUSS) (2019) p. 87., 2019 | | Van Looy, K., Bouma, J., Herbst, M., Koestel, J., Minasny, B., Mishra, U., Montzka, C., Nemes, A., Pachepsky, Y., Padarian, J., Schaap, M., Tóth, B., Verhoef, A., Vanderborght, J., van der Ploeg, M., Weihermüller, L., Zacharias, S., Zhang, Y., Vereecken, H.: Pedotransfer functions in Earth system science: challenges and perspectives., Reviews of Geophysics 55: 1199-1256., 2017 | | Molnár, S., Barna, Gy., Draskovits, E., Földényi, R., Hernádi, H., Bakacsi, Zs., Makó, A.: A BET-fajlagos felület, a humuszanyagok és további talajtulajdonságok összefüggéseinek vizsgálata jellemző hazai talajtípusokon., Agrokémia és Talajtan, 68, 57–77., 2019 | | Makó A., Hernádi H., Barna Gy., Balázs R., Molnár S., Labancz V., Tóth B., Bakacsi Zs.: A talajok mechanikai összetétel vizsgálata pipettás ülepítéses módszerrel: a hazai és a nemzetközi szabvány szerinti eljárások összehasonlítása és konverziója., Agrokémia és Talajtan 66. 295-315., 2017 | | Manfreda, S., McCabe, M.F., Miller, P.E., Lucas, R., Pajuelo Madrigal, V., Mallinis, G., Ben Dor, E., Helman, D., Estes, L., Ciraolo, G., Müllerová, J., Tauro, F., de Lima, M.I., de Lima, J.L.M.P., Maltese, A., Frances, F., Caylor, K., Kohv, M., Perks, M., Ruiz-Pérez, G., Su, Z., Vico, G., Tóth, B.: On the Use of Unmanned Aerial Systems for Environmental Monitoring., Remote Sensing 10: 641., 2018 | | Stankovics, P.; Tóth, G.; Tóth, Z.: Identifying Gaps between the Legislative Tools of Soil Protection in the EU Member States for a Common European Soil Protection Legislation., Sustainability, 10: 2886., 2018 | | Tóth, B., Weynants, M., Pásztor, L., Hengl, T.: Recent development in preparation of European soil hydraulic maps., American Geophysical Union, Fall Meeting 2017, 2017 | | Tóth B. , Takács K. , Laborczi A. , Szatmári G. , Rajkai K. , Tóth G., Pásztor L. , Makó A.: A kibővített MARTHA ver3.0 adatbázis és alkalmazása talajhidrológiai számításokhoz, Talajtani Vándorgyűlés, Program és Absztrakt füzet, 19-20., 2018 | | Kozma Zs., Decsi B., Móricz N., Makó A., Manninger M., Tóth B.: Új hazai és európai 3D talajhidrológiai térképek tesztelése az Erdészeti Tudományos Intézet két mintaterületén, Talajtani Vándorgyűlés, Program és Absztrakt füzet, 20-21., 2018 | | Makó András, Szabó Brigitta, Rajkai Kálmán, Szabó József, Bakacsi Zsófia, Labancz Viktória, Hernádi Hilda, Barna Gyöngyi: Evaluation of soil texture determination using soil fraction data resulting from laser diffraction method, INTERNATIONAL AGROPHYSICS 33: (4) pp. 445-454., 2019 | | Zsolt Jolankai, Zsolt Kozma, Brigitta Szabo, Laszlo Pasztor, Mate Kardos: Evaluation of 3D soil hydraulic data using the SWAT model on the Zala and Kapos catchments, Hungary, In: Andreas, Klik (szerk.) International soil and water assessment tool conference (SWAT 2019), University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna (2019) p. 120., 2019 | | Tóth, G., Hermann, T., da Silva, M.R., Montanarella, L.: Monitoring soil for sustainable development and land degradation neutrality, Environmental Monitoring and Assessment 190: 57., 2018 | | Rajkai, K, Ács, F., Tóth, B., Makó, A.: Dynamics of water storage and retention in soil., In: Oweis, T. (Eds.) Water management for sustainable agriculture. 31 p. Cambridge: Burleigh Dodds Science Publishing., 2018 | | Tóth, B., Makó, A., Bakacsi, Zs.: Water purification and regulation, http://landmark2020.eu/meeting/egu-2018/, 2018 | | Rajkai K, Ács Ferenc, Tóth Brigitta, Makó András: Dynamics of water storage and retention in soil, In: Oweis, T (szerk.) Water management for sustainable agriculture, Burleigh Dodds Science Publishing (2018) pp. 31-74., 2018 | | Tóth Brigitta, Takács Katalin, Laborczi Annamária, Szatmári Gábor, Rajkai Kálmán, Tóth Gergely, Pásztor László, Makó András: A kibővített MARTHA ver3.0 adatbázis és alkalmazása talajhidrológiai számításokhoz, In: Bakacsi, Zs; Kovács, Zs; Koós, S (szerk.) Talajtani Vándorgyűlés : Absztrakt és program füzet, Magyar Talajtani Társaság (2018) pp. 19-20., 2018 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
