-245561-494

5481630-442454

نشریه حفاظت منابع آب و خاك، سال سوم، شماره سوم، بهار 1393

اشتقاق و اعتبارسنجی توابع انتقالی طیفی پارامتریک به منظور برآورد ویژگی هاي هیدرولیکی خاك در
VIS-NIR-SWIR گستره

ابراهیم بابائیان، مهدي همایی2* و علی اکبر نوروزي3

دانشجوي دکتري؛ گروه خاك شناسی؛ دانشگاه تربیت مدرس؛ دانشکده کشاورزي؛ تهران، ایران
استاد؛ گروه خاك شناسی؛ دانشگاه تربیت مدرس؛ دانشکده کشاورزي؛ 336-14115، تهران، ایران
[email protected] :نویسنده مسئول مکاتبات*
استادیار؛ پژوهشکده حفاظت خاك و آبخیزداري، تهران، ایران

21379744239

تاریخ دریافت:04/08/1392 تاریخ پذیرش: 28/12/1392

چکیده
ویژگی هاي هیدرولیکی خاك اهمیت زیادي در چرخۀ آبی طبیعت دارند. هدف از انجام این پژوهش، امکان سنجی استفاده از اطلاعات طیفی خاك در گستره مرئی ،مادون قرمز نزدیک و میانی( 2500-350 نانومتر) به منظور برآورد پارامتریک ویژگی هاي هیدرولیکی خاك بود .بدین منظور، بازتاب ابرطیفی نمونه هاي خاك با استفاده از دستگاه اسپکترورادیومتر و به کمک روش هاي استاندارد اندازه گیري شد. پس از انجام پیش پردازش هاي طیفی، همبستگی بین مقادیر بازتاب در هر یک از طول موج هاي منحنی هاي حذف پیوستار طیفی با پارامترهاي هیدرولیکی مدل معلم- ون گنوختن( *n ، و *Ks) مورد بررسی قرار گرفت. سپس با استفاده از روش رگرسیون مرحله اي چندگانه، روابط ریاضی مربوطه پی ریزي و تحت عنوان توابع انتقالی طیفی پارامتریک( PSTFs) نامگذاري شدند. بر اساس نتایج، بیشترین ضریب همبستگی بین متغیرها در طول موج هاي نزدیک به 550 و 2300 نانومتر (براي پارامترهاي* و n ) و 1927 نانومتر (براي پارامتر *Ks) به دست آمد. توابع انتقالی طیفی دقت تقریباً یکسانی در برآورد پارامترهاي *R=0/54) ) و R=0/58) n) نشان دادند. در حالی که این توابع، بهترین تخمین ها را براي پارامتر *Ks با ضریب همبستگی( R) برابر با 76/0 نشان دادند. با استفاده از توابع انتقالی طیفی، مقدار رطوبت خاك به ازاي تمامی پتانسیل هاي ماتریک با متوسط RMSE برابر -cm3 cm3 017/0 برآورد شد. بر اساس نتایج این پژوهش، اگرچه پارامترهاي هیدرولیکی تخمینی با دقت بسیار بالایی همراه نبودند، لیکن این رویکرد ضمن آن که می تواند به عنوان کاربرد نوینی از طیف سنجی خاك مطرح شود، می تواند به عنوان روشی غیرمستقیم براي برآورد پارامتریک ویژگیهاي هیدرولیکی خاك نیز معرفی شود .

کلید واژه ها: بازتاب طیفی؛ ضریب آبگذري اشباع؛ منحنی حذف پیوستار؛ منحنی رطوبتی

مقدمه
ویژگی هاي هیدرولیکی خاك شامل منحنی مشخصه رطوبتی و هدایت هیدرولیکی اشباع/غیراشباع خاك به عنوان پارامترهاي ورودي مهم بسیاري از مدل هاي هیدرولوژیک و به منظور مطالعه حرکت آب در خاك ،انتقال املاح و آلاینده ها، انتقال گرما و جابجایی گازها در خاك مطرح هستند. توابع انتقالی خاك( PTFs)1 یکی از روشهاي غیرمستقیم در اندازهگیري ویژگیهاي هیدرولیکی خاك است که در آنها از مشخصه هاي زودیافت خاك همچون توزیع اندازه ذرات، مقدار کربن آلی و جرم ویژه ظاهري خاك استفاده می شود (خداوردي لو و همایی ،1381؛ قربانی دشتکی و همایی ،
1381، 1383، 1386؛ نوابیان و همکاران ،1382؛ فرخیان فیروزي و همایی ،1383، 1384؛ مطلبی و همکاران ،1387، 1389). پژوهش هاي بسیاري در زمینه اشتقاق توابع انتقالی خاك براي خاك هاي مختلف در دنیا ( ;2001 ,.Vereecken et al., 1989, 1990; Schaap et al1999 ,.Wosten et al) و نیز در ایران (Homaee and ,.Farrokhian Firouzi, 2008; Ghorbani dashtaki et al
2011 ,.; Khodaverdiloo et al2010) انجام شده است .این مسئله نشان می دهد به دلیل وجود تغییرپذیري مکانی در ویژگی هاي خاك ،معمولاً توابع انتقالی به دست آمده در هر منطقه منحصر به آن منطقه است و نتایج تخمین در دیگر مناطق با عدم اطمینان بیشتري همراه است .مروري جامع بر نوع متغیرهاي ورودي و دقت توابع انتقالی ارائه شده در چند دهه اخیر نشان می دهد که توابع انتقالی خاك با محدودیت هایی همچون؛ وابستگی به نوع و میزان دقت روش هاي اندازه گیري متغیرهاي ورودي، وابستگی به میزان دقت آزمایشگر، عدم درنظر گرفتن ویژگی هایی همچون ساختمان و مینرالوژي رس، وابستگی زمانی توابع به دلیل وجود اثرات فرسایش و شخم، عدم وجود اطلاعات جانبی و تکمیلی در مورد شرایطی که در آن نمونه برداري خاك انجام شده و یا وضعیت پوشش گیاهی و سطح زمین مواجه است( 2010 ,.Vereecken et al).
طی چند دهه اخیـر، از انعکـاس طیفـی2 خـاك دردامنه هاي طیفی مرئی( VIS)، مادون قرمز نزدیک( NIR) و مادون قرمز میانی( SWIR) (طول موج بین 350 تـا 2500 نـانومتر) بـه عنـوان روش ی سـریع، مقـرون بـه ص رفه وغیرمخرب براي تخمین ویژگی هاي خـاك اسـتفاده شـدهاست. تمرکز این تحقیقات بر مطالعه ویژگی هـاي مبنـایی
Ben-Dor and Banin, 1995; )خاك شامل توزیع اندازه ذراتمقـدار مـاده آلـی ،(Brown, 2007; Gomez et al., 2008 Gomez et al., )مقـدار آهـک ،(Nocita et al., 2013) هـدایت الکتریکـی ،(2008; Lagacherie et al., 2008 Janik et )ظرفیت تبادل کاتیونی ،(Wang et al., 2012) و تعیین غلظت برخی (al., 2009; Savvides et al., 2010 Janik et al., )عناصر ماکرو و میکرو در خاك بوده است2009; Genot et al., 2011; Kodaera and Shibusawa,
013). بازتاب طیفی خاك متأثر از برهمکـنش رطوبـت،بافت، ساختمان و مقدار ماده آلی خاك با یکدیگر است . مهمترین اجزاي خاك که بر مقدار بازتاب طیفی از خ اك مؤثرن د شـامل ن وع و فراوانـی ک انی ه اي رس (کائولینایت، اسمکتایت و ایلایت)، کربنات ها، گروه هـايهیدروکسیل آب خاك، ترکیبات آلی و اکسیدهاي آهـن وآلومینیوم می باشند. برخی مشخصه هاي جـذبی در گسـترهطول موج مرئی طیف هاي خاك مربوط به وجود ترکیبات تیره ماده آلی خاك می باشد. در حـالی کـه مشخصـه هـايجذبی ماده آلی در گستره مـادون قرمـز نزدیـک و میـانیمربوط به وجود گروه هـايNH ،CH و CO در ترکیبـاتآلـی اسـت( 2000Workman, ). پـژوهش هـا نشـان داده مشخصه هاي جذبی در طول موج هاي نزدیـک بـه 1400، 1900 و 2200 نــــانومتر مربــــوط بــــه وجــــود آب هیگروسکوپیک در خاك و نیـز گـروه هـاي هیدرکسـیلموجود در شبکه کانی هاي رس می باشد( Viscara Rossel et al., 2006c). در مورد اثر بافت خاك بر مقدار بازتـابطیفی می توان گفت به دلیل آنکه خاك هاي شنی نسبت به خاك هاي رسی رطوبت کمتري در خـود نگـه مـی دارنـد،بازتاب طیفی بالاتري نسبت به خاك هاي ریز بافت دارند .
تاکنون مطالعات اندکی در مورد برآورد ویژگی هـايهیدرولیکی خاك به کمـک داده هـاي طیفـی انجـام شـدهاست. در پژوهشی Janik و همکاران( 2007) با استفاده از بازتاب طیفی در گستره مادون قرمـز دور ( 20000-2500 نــانومتر) و روش رگرســیون حــداقل مربعــات جزئــی(PLSR)، مقدار رطوبت خاك را در پتانسیلهاي ماتریـک
67702168589314

سال

سوم

/
شماره

3
/

سال

سوم

/

شماره

3

/

4273278260131

سال

سوم

/
شماره

3
/

بهار

93

سال

سوم

/

شماره



قیمت: تومان

دسته بندی : منابع آب خاک

دیدگاهتان را بنویسید