Nutrient losses caused by wind erosion on sandy soils in the Danube-Tisza Interfluve, based on wind tunnel experiments

2013 ◽  
Vol 62 (2) ◽  
pp. 285-298 ◽  
Author(s):  
Károly Tatárvári ◽  
Gábor Négyesi
Keyword(s):  
Wind Tunnel ◽  
Wind Erosion ◽  
Sandy Soils ◽  
Nutrient Losses ◽  
Wind Tunnel Experiments

A Duna-Tisza köze homoktalajai a szélerózió által erősen veszélyeztetettek, a szélerózió során a talaj összetevőinek áthelyeződésével együtt a tápanyagok is jelentősen koncentrálódhatnak. Munkánk során arra kerestük a választ, hogy mezőgazdasági területeken a szélerózió mennyiben változtatja meg a talaj felső 0–10 cm- es rétegének mezőgazdasági, környezetvédelmi szempontból fontos összetevőit, úgymint: összes só %, CaCO3-, NO3-NO2-N-, P2O5-, K2O-, Na-tartalom.A kritikus indítósebesség és a kötöttség között összefüggést tapasztaltunk, hiszen az Arany-féle kötöttségi szám rálátást ad a talaj mechanikai összetételére is. Az Arany-féle kötöttségi szám a fontos vízgazdálkodási tulajdonságok mellett a szélerózió érzékenységgel is összefüggésbe hozható (1. táblázat). A nagy agyagfrakció tartalom csak abban az esetben nyújt a szélerózió ellen megfelelő védelmet, ha az adott talaj mechanikai összetételében az iszapfrakció is megfelelő arányban megtalálható.Összességében elmondható, hogy kis iszap- és agyagtartalmuknak, a kis humusztartalomnak, valamint az ebből adódó gyenge nedvességmegkötő és növényzeteltartó képességüknek köszönhetően, a vizsgált talajok szélerózió által rendkívül veszélyeztetettek. A vizsgált mintákkal egyező fizikai féleségű talajokon egy viharos erejű szél öt perc alatt a feltalaj 3—5 cm vastag rétegét mozdíthatja el.A hordalék sókoncentrációja minden esetben nagyobb volt, mint a kontrollmintáké. Erőteljes NO3-NO2-N felhalmozódást figyeltünk meg a szél által elhordott talajfrakciókban. A hordalék NO3-NO2-N-tartalma a talaj eredeti NO3-NO2-N tartalmának kétszeresét is túllépheti. A hordalékban a nitrit-nitrát-nitrogénhez hasonlóan a foszfor-, a kálium- és a nátriumtartalom feldúsulását tapasztaltuk. Az elemtartalom másfél-, kétszeresére nőhet az eredeti talajmintákéhoz képest. Kis szélsebességnél a nagyobb agyag- és iszaptartalmú talajokon a tápelemveszteség kicsi, de nagy szélsebességnél éppen ezen talajoknál nagyon jelentős lehet.

Estimation of nutrient movement caused by wind erosion on chernozem soils in wind tunnel experiments

2011 ◽  
Vol 60 (1) ◽  
pp. 87-102 ◽  
Author(s):  
Andrea Farsang ◽  
József Szatmári ◽  
Gábor Négyesi ◽  
Máté Bartus ◽  
Károly Barta
Keyword(s):  
Wind Tunnel ◽  
Wind Erosion ◽  
Wind Tunnel Experiments ◽  
Chernozem Soils

Összefoglalva megállapítható, hogy nagyobb szélsebesség hatására több talajanyag erodálódott, és ezzel együtt megnőtt az áthalmozott tápanyag mennyisége is. Minden vizsgált szélsebesség esetében a szélerózió következtében 3–7%-kal megnőtt az 1 mm és annál nagyobb szemcsék, illetve aggregátumok aránya a kiindulási talajanyag felső 0–1 cm-es rétegében. A finomabb szemcse-, illetve aggregátum-átmérők esetén a fújatást követően csökkenést tapasztaltunk. A leginkább a 315 μm és az annál kisebb szemcsék aránya csökkent, átlagosan 1–2%-kal. A minták kémiai és fizikai elemzéseiből megállapítható, hogy a láda utáni humuszosabb, aggregátumosabb szerkezetű minták N-tartalma nagyobb, mint az alapmintáé. A fogók mintáiban nem tapasztaltunk feldúsulást egy vizsgált elem esetében sem, a fogókban összegyűlt talajanyag kálium- és foszfortartalma is kisebb volt, mint az alapmintáé. Ennek oka, hogy az itt csapdázódott üledékben kisebb a tápanyag-megkötődés helyéül szolgáló leiszapolható rész aránya, mint a kiindulási talajanyagban. A vizsgálatainkból látszik, hogy a szélerózió hatására a lebegtetve, illetve ugráltatva áthalmozott talajszemcsékkel és aggregátumokkal szállított humusz 500–3500 kg/ha nagyságrendben mozoghat a vizsgált csernozjom területen akár egyetlen szélesemény hatására is. A kálium-áthalmozódás mértéke elérheti a 100 kg/ha értéket, a foszforé a 70 kg/ha-t, a nitrogénveszteség mértéke pedig akár 200–300 kg/ha is lehet egy szélesemény alkalmával. E tápanyagmennyiség nagy része több száz méter, de akár kilométeres távolságokra is távozhat a területről. Az általunk végzett szélcsatornás vizsgálatok eredményei becslésnek tekinthetők, hiszen vizsgálatunk során növénymaradvány-mentes, szitált és légszáraz talajanyaggal dolgoztunk. A szitálás eredményeként csupán a 2 mm-es és annál kisebb aggregátumok maradtak meg, ami azonban az intenzív művelés alá vont, porosodott, leromlott szerkezetű talajfelszín körülményeit jól közelíti. Ugyanakkor a természetben zajló széleróziós eseményeknek a szélcsatorna-kísérlet csak leegyszerűsített modellváltozata, hiszen az általunk szimulált szélesemények 15 percig tartottak, s nem tudtunk széllökéseket előállítani, melyek a széleróziós események alakulásában nagy jelentőségűek. Ennek tudatában kell a kapott eredményeket értékelni, mégis érdemes velük foglalkozni. A terepi mérésekkel szemben a szélcsatornában végzett vizsgálatoknak éppen az a legfontosabb előnye, hogy ellenőrzött, kontrollált körülmények között végezzük a méréseket, így rengeteg olyan szempontot meg tudunk vizsgálni, amit terepi mérésekkel lehetetlen lenne. Ilyen szempontok a pontos szélsebesség és szélirány hatása, az erodált felület nagysága és tulajdonságai. Kutatásunk következő lépése a szélcsatornás kísérletekkel vizsgált mintaterületeken terepi, mobil szélcsatornás vizsgálatok végzése, valamint terepi üledékcsapdák elhelyezésével a valós szélesemények által elszállított talaj mennyiségének és minőségének meghatározása. Célunk mind pontosabb képet alkotni a hazai jó minőségű csernozjom talajok szélerózió okozta tápanyagveszteségének mértékéről. A mezőgazdasági művelés alatt álló csernozjom területek feltalajában a tápanyag és szerves anyag szélerózió útján történő mozgási törvényszerűségeinek feltárása több szempontból is hasznos: segítséget jelent a területi tervezésben, a defláció szempontjából optimális területhasználat és művelési módok meghatározásában. Képet kapunk arról, hogy a legnagyobb gazdasági potenciállal rendelkező termőtalajunk milyen veszélyeknek van kitéve, s hogy a nem megfelelő időben, nem megfelelő nedvességviszonyok mellett történő talajművelés következtében kialakuló szerkezetromlás (porosodás) miatti deflációs károk milyen tápanyagveszteséggel járhatnak együtt.

scholarly journals Windbreak and airflow performance of different synthetic shrub designs based on wind tunnel experiments

PLoS ONE ◽  
2020 ◽  
Vol 15 (12) ◽  
pp. e0244213
Author(s):  
Xia Pan ◽  
Zhenyi Wang ◽  
Yong Gao ◽  
Zhengcai Zhang ◽  
Zhongjv Meng ◽  
...  
Keyword(s):  
Wind Speed ◽  
Wind Tunnel ◽  
Wind Erosion ◽  
Protective Effects ◽  
Wind Tunnel Experiments ◽  
Speed Reduction ◽  
Environmental Threats ◽  
Wind Speeds ◽  
Airflow Field ◽  
Reduction Effect

Wind erosion has gained increasing attention as one of the most serious global ecological and environmental threats. Windbreaks are effective at decreasing wind erosion by reducing wind speed to protect crops, livestock, and farmsteads, while providing wildlife habitats. Synthetic shrubs can act as novel windbreaks; however, there is limited knowledge on how their design affects wind speed. This study determined the protective effects (airflow field and sheltering efficiency) based on the design of synthetic shrubs in a wind tunnel. Broom-shaped synthetic shrubs weakened the wind speeds mainly at the middle and upper parts of the shrubs (5–14 cm), while for hemisphere-shaped shrubs this effect was greatest near their bases (below 4 cm) and least in the middle and upper parts (7–14 cm). Spindle-shaped synthetic shrubs provided the best reduction effect in wind range and strength. Moreover, the wind speed reduction ratio decreased with improved wind speeds and ranged from 26.25 cm (between the second and third rows) to 52.5 cm (after the third row). These results provide strong evidence that synthetic shrubs should be considered to decrease wind speed and prevent wind erosion.

scholarly journals Influence of Soil Moisture and Crust Formation on Soil Evaporation Rate: A Wind Tunnel Experiment in Hungary

Agronomy ◽  
2021 ◽  
Vol 11 (5) ◽  
pp. 935
Author(s):  
Gábor Négyesi ◽  
Szilárd Szabó ◽  
Botond Buró ◽  
Safwan Mohammed ◽  
József Lóki ◽  
...  
Keyword(s):  
Soil Moisture ◽  
Wind Tunnel ◽  
Wind Velocity ◽  
Soil Texture ◽  
Wind Erosion ◽  
Sandy Loam ◽  
Sandy Soils ◽  
Wind Tunnel Experiment ◽  
Crust Formation ◽  
Four Levels

In both arid and semiarid regions, erosion by wind is a significant threat against sustainability of natural resources. The objective of this work was to investigate the direct impact of various soil moisture levels with soil texture and organic matter on soil crust formation and evaporation. Eighty soil samples with different texture (sand: 19, loamy sand: 21, sandy loam: 26, loam: 8, and silty loam: 6 samples) were collected from the Nyírség region (Eastern Hungary). A wind tunnel experiment was conducted on four simulated irrigation rates (0.5, l.0, 2.0, and 5.0 mm) and four levels of wind speeds (4.5, 7.8, 9.2, and 15.5 m s−1). Results showed that watering with a quantity equal to 5 mm rainfall, with the exception of sandy soils, provided about 5–6 h protection against wind erosion, even in case of a wind velocity as high as 15.5 m s−1. An exponential connection was revealed between wind velocities and the times of evaporation (R2 = 0.88–0.99). Notably, a two-way ANOVA test revealed that both wind velocity (p < 0.001) and soil texture (p < 0.01) had a significant effect on the rate of evaporation, but their interaction was not significant (p = 0.26). In terms of surface crusts, silty loamy soils resulted in harder and more solid crusts in comparison with other textures. In contrast, crust formation in sandy soils was almost negligible, increasing their susceptibility to wind erosion risk. These results can support local municipalities in the development of a local plan against wind erosion phenomena in agricultural areas.

scholarly journals Wind tunnel experiments on the effects of tillage ridge features on wind erosion horizontal fluxes

2005 ◽  
Vol 23 (10) ◽  
pp. 3195-3206 ◽  
Author(s):  
M. Kardous ◽  
G. Bergametti ◽  
B. Marticorena
Keyword(s):  
Wind Tunnel ◽  
Wind Erosion ◽  
Friction Velocity ◽  
Soil Surface ◽  
Trapping Efficiency ◽  
Wind Tunnel Experiments ◽  
Soil Factors ◽  
Roughness Effect ◽  
Data Set ◽  
Horizontal Flux

Abstract. In addition to the well-known soil factors which control wind erosion on flat, unridged surfaces, two specific processes affect the susceptibility of tillage ridged surfaces to wind erosion: ridge-induced roughness and ridge- trapping efficiency. In order to parameterize horizontal soil fluxes produced by wind over tillage ridges, eight-ridge configurations composed of sandy soil and exhibiting ridge heights to ridge spacing (RH/RS) ratios ranging from 0.18 to 0.38 were experimented in a wind tunnel. These experiments are used to develop a parameterization of the horizontal fluxes over tillage ridged surfaces based only on the geometric characteristics of the ridges. Indeed, the key parameters controlling the horizontal flux, namely the friction velocity, threshold friction velocity and the adjustment coefficient, are derived through specific expressions, from ridge heights (RH) and ridge spacing (RS). This parameterization was evaluated by comparing the results of the simulations to an additional experimental data set and to the data set obtained by Hagen and Armbrust (1992). In both cases, predicted and measured values are found to be in a satisfying agreement. This parameterization was used to evaluate the efficiency of ridges in reducing wind erosion. The results show that ridged surfaces, when compared to a loose, unridged soil surface, lead to an important reduction in the horizontal fluxes (exceeding 60%). Moreover, the effect of ridges in trapping particles contributes for more than 90% in the flux reduction while the ridge roughness effect is weak and decreases when the wind velocity increases.

scholarly journals Estimation of Soil Material Transportation by Wind Based on in Situ Wind Tunnel Experiments

2013 ◽  
Vol 6 (3-4) ◽  
pp. 13-20 ◽  
Author(s):  
Andrea Farsang ◽  
Rainer Duttmann ◽  
Máté Bartus ◽  
József Szatmári ◽  
Károly Barta ◽  
...  
Keyword(s):  
Organic Matter ◽  
Wind Tunnel ◽  
Wind Erosion ◽  
Soil Aggregates ◽  
Soil Surface ◽  
Bare Soil ◽  
Wind Tunnel Experiments ◽  
Erosion Rates ◽  
Short Time

Abstract 25% and 40% of territory of Hungary is moderate to highly vulnerable to deflation. However, precise estimates about the soil loss and related losses of organic matter and nutrients due to wind erosion are missing in most cases. In order to determine magnitudes of nutrient masses removed at wind velocities that frequently occur in SE Hungary, in-situ experiments using a portable wind tunnel have been conducted on small test plots with an erosional length of 5.6 m and a width of 0.65 m. The wind tunnel experiments have been carried through on a Chernozem which is typical for this region. In order to compare the effects of soil coverage on the masses of blown soil sediment and adsorbed nutrients, two soil surface types have been tested under similar soil moisture und atmospheric conditions: (1) bare soil (dead fallow) and (2) bare soil surface interrupted by a row of maize plants directed downwind along the center line of the test plots. The results of our experiments clearly show that a constant wind velocity of 15 m s-1 (at a height of 0.3 m) lasting over a short time period of 10 minutes can already cause noticeable changes in the composition and size of soil aggregates at the top of the soil surface. Due to the grain size selectivity of the erosive forces the relative share of soil aggregates comprising diameters > 1 mm increased by 5-10% compared with the unaffected soil. Moreover it has shown that short time wind erosion events as simulated in this study can result in erosion rates between 100 and 120 g m-2, where the erosion rates measured for bare soils are only slightly, but not significantly higher than those of the loosely vegetated ones. Soil samples taken from sediment traps mounted in different heights close to the outlet of the wind tunnel point to an enrichment of organic matter (OM) of about 0.6 to 1 % by mass referred to the control samples. From these findings has been calculated that the relocation of organic matter within short term wind erosion events can amount to 4.5 to 5.0 g OM m-2. With the help of portable field wind tunnel experiments we can conclude that our valuable, high quality chernozems are struck by wind erosion mainly in drought periods.

The role of water content in wildfire ash mobilization by wind erosion under laboratory conditions

2020 ◽  
Author(s):  
Jan Keizer ◽  
Ricardo Martins ◽  
Adriana Xavier ◽  
Diana Vieira ◽  
Ana Miranda ◽  
...  
Keyword(s):  
Wind Tunnel ◽  
Water Content ◽  
Wind Erosion ◽  
Shear Velocity ◽  
Measurement Scale ◽  
Second Phase ◽  
Wind Tunnel Experiments ◽  
Strawberry Tree ◽  
Water Ratio

&lt;p&gt;The Portuguese ASHMOB project (CENTRO-01-0145-FEDER-029351) is addressing the overall lack of knowledge on the mobilization of wildfire ash with time since fire. More specifically, ASHMOB is looking into the lateral transport of wildfire ash by water as well as wind erosion. ASHMOB involves a combined measurement-modeling approach comprising five phases: (i) wildfire ash collection and characterization; (ii) wind tunnel experiments of ash mobilization by wind erosion; (iii) hydraulic laboratory experiments of ash mobilization by rainfall splash, run-on and their combination; (iv) adjusting selected wind and water erosion models to accommodate erosion of wildfire ash; (v) validating the adjusted models by field measurements in a recently burnt area. &amp;#160;The current presentation concerns the second phase and, in particular, wind tunnel experiments aiming to assess the influence of water content on the post-fire ash mobilization. The experiments were performed in the wind tunnel of the Atmosphere Aerodynamics Laboratory of Aveiro University&amp;#8217;s Department of Environment and Planning, which is an open-circuit wind tunnel with 13 m long and a test section of 6.5x1.5x1.0 m (LxWxH), often used for physical modelling of urban flows and air quality. For these experiments, wildfire ash was used from three different land cover types, i.e. Maritime Pine and Eucalypt forest plantations and Strawberry tree woodlands (or, more concretely, woodland patches). These ashes were collected as soon as possible after three wildfires that occurred during the summer of 2019 in central Portugal, typically within 2 weeks. The pine, strawberry tree and eucalypt ashes were collected following wildfires in july in Vila de Rei, august in F&amp;#225;tima and september in Albergaria-a-Velha, respectively. The experiments involved one specific ash load of 10 mm, based on findings of earlier experiment with varying ash loads, and ash-to-water ratio of 1:0, 1:0.25, 1:0.5, 1:0.75, 1:1, 1:1.5 and 1:2 (w&lt;sub&gt;ash&lt;/sub&gt;/w&lt;sub&gt;water&lt;/sub&gt;) at the start of the experiments. Ash mobilization with stepwise increasing wind speeds up till 9 m.s&lt;sup&gt;-1&lt;/sup&gt; was measured continuously using a measurement scale linked to a computer and was also filmed from above using a Go-Pro video camera. For each combination of ash type and ash-to-water ratio, 5 replicate experiments were run. Preliminary analysis of the obtained results revealed a clear role of water content in the mobilization by wind of all three types of wildfire ash, with marked increased shear velocity with increasing ash-to-water ratio. At the same time, shear velocity also differed markedly between the woodland types, with consistently lower shear velocity for pine ash than for eucalypt as well as strawberry tree ash at the different ash-to-water ratios.&lt;/p&gt;

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document