بخشی از مقاله
چکیده
اندازه گیری ظرفیت تبادل کاتیونی خاک در سطوح وسیع بسیار وقت گیر و پرهزینه است. بنابراین، محققان به دنبال روش ها و روابطی هستند که بتوان این قبیل خصوصیات خاک - خواص دیریافت - را از روی ویژگی هایی که به طور ساده به دست می آیند - خواص زودیافت - ، تخمین بزنند. پژوهش حاضر به منظور تخمین ظرفیت تبادل کاتیونی - CEC - با استفاده از ویژگی های زودیافت خاک و به کمک هوش مصنوعی صورت خواهد گرفت. نمونه برداری در 143 نقطه در سطح بخش دوربن شهرستان خاش شامل قسمت های بیابانی، باغ ها و اراضی کشاورزی به گونه ای انجام خواهد شد که حتی الامکان توزیع ویژگی های مختلف خاک را پوشش دهد.
در هر نقطه انتخابی، یک نمونه از عمق صفر تا 30 سانتی متری خاک برداشته و به آزمایشگاه منتقل می گردد. نمونه های جمع آوری شده، توسط هوا خشک و کوبیده شده سپس از الک 2 میلی متری عبور داده خواهند شد و به دنبال آن تعدادی از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک از جمله بافت خاک، ظرفیت تبادل کاتیونی، درصد کربن آلی، اسیدیته در گل اشباع و درصد کربنات کلسیم - آهک - در این بخش اندازه گیری خواهند شد. شبکه مورد استفاده در مدل شبکه عصبی، شبکه پرسپترون چند لایه و شبکه پیشخور تعمیم یافته با توابع انتقال مختلف و مؤثر خواهد بود، که تعداد مناسب لایه و نرون های پنهان به روش آزمون و خطا انتخاب میشود. هم چنین، آنالیز حساسیت به منظور تشخیص مؤثرترین ورودیها - ویژگیهای زودیافت - در برآورد ظرفیت تبادل کاتیونی - ویژگی دیریافت - توسط نرم افزار Neurosolution 5 انجام خواهد شد.
مقدمه
آلودگی خاک ابعاد مختلف تولیدات کشاورزی و در نتیجه سلامت انسان را تحت تأثیر قرار میدهد. امروزه، فلزات سنگین و ترکیبات آلی سمی دو آلاینده خطرناک خاک مزارع محسوب میشوند. دسترسی و غلظت فلزات سنگین و ترکیبات آلی، به صورت معنیدار، با ویژگیهای خاک در ارتباط است. بدیهی است ظرفیت تبادل کاتیونی خاک شاخصی مهم از کیفیت خاک و پتانسیل آلایندهها در محیط زیست است
ارزیابی و طراحی برنامههای مدیریتی نیازمند اطلاعاتی دقیق از ویژگیهای خاک از جمله ظرفیت تبادل کاتیونی است. هم چنین، امروزه استفاده از دادههای قابل اطمینان خاک در مقیاس وسیع، برای طراحی سامانههای کاربری اراضی، مدیریت آلودگیهای خاک و پیشبینی تخریب اراضی رو به گسترش است - McBratney . - et al ., 2005 اندازهگیری برخی از ویژگیهای مهم خاک، ممکن است مشکل، بسیار وقتگیر و یا پرهزینه باشد. بنابراین، محققان به دنبال روشها و روابطی هستند که بتوان این قبیل خصوصیات خاک - خواص دیریافت - را از روی ویژگیهایی که به طور ساده به دست میآیند - خواص زودیافت - ، تخمین بزنند.
ظرفیت تبادلی کاتیونی عبارت از حداکثر مقدار کاتیونی که وزن معینی از خاک، قادر است جذب سطحی یا نگهداری نماید. این ظرفیت را بر حسب سانتی مول بار بر یک کیلوگرم خاک خشک - cmol+/kg soil - نشان میدهند. ظرفیت تبادل کاتیونی - - CEC یک شاخص مفید برای حاصلخیزی خاک می باشد زیرا توانایی خاک برای تامین سه ماده غذایی مهم - کلسیم، منیزیم، پتاسیم - را نشان می دهد.
CEC توانایی خاک برای حفظ کاتیونها از طریق جذب الکتریکی می باشد، کاتیونهای Ca2+ ، Mg2+، K+،Na+،Al3+ پنج کاتیون قابل تبادل و فراوان در خاک می باشند. خاک هایی که CEC بالایی دارند دارای درصد پایینی از کاتیون های موجود در آب خاک هستند و بنابراین خیلی مستعد برای از دست دادن مواد مغذی از طریق آبشویی می باشند. ظرفیت تبادل کاتیونی یکی از ویژگیهای شیمیایی خاک است و در جذب و رهاسنجی عناصر غذایی مورد نیاز گیاه و برآورد پتانسیل خطر فلزات سنگین و برخی آلایندههای آلی کاتیونی نقش موثری دارد. همچنین CEC اغلب یکی از مهمترین خصوصیات خاک است که در پایگاه دادهها مورد نیاز است - Manrique et al.,1991 - و به عنوان ورودی در مدلهای خاک و زیست محیطی مورد استفاده قرار میگیرد - Keller et al.,2001 - ، این ویژگی شاخص خوبی برای تعیین کیفیت و بهرهوری خاک بوده و مقدار آن بسته به میزان مواد آلی، مقدار و نوع رس و شرایط خاک متغیر است. رسها و مواد آلی خاک به علت دارا بودن سطح ویژه زیاد و باردار بودن نقش مهمی در ظرفیت تبادل کاتیونی دارند و با افزایش مقدار رس و مواد آلی خاک مقدار ظرفیت تبادل کاتیونی آن افزایش مییابد.
pH خاک نیز در خاکهای دارای بار وابسته pH با تاثیر بر گروه های عامل، در مقدار CEC مؤثر می باشد. با افزایش pH و اضافه کردن آهک در خاکهای هوا زده می توان CEC را اصلاح نمود pH خاک بر روی CEC تاثیر گذار است زیرا هنگامی که pH افزایش می یابد تعداد بارهای منفی روی کلوئید ها افزایش می یابد بنابراین CEC نیز افزایش می یابد. همچنین اضافه کردن ماده آلی موثرترین روش اصلاح CEC خاک می باشد. CEC بر طبق نوع خاک تغییر می کند، گیاخاک دارای CEC بالایی است زیرا کلوئید های ماده ی ارگانیک که دارای مقادیر زیادی از بارهای منفی هستند، CEC گیاخاک 2 الی5 مرتبه بزرگتر از خاک رس مونت مورولینایت است و تا 30 مرتبه بزرگتر از خاک رس کائولینایت است .
خاک رس به علت ساختار شیمیایی اش ظرفیت بالایی برای جذب و نگهداری کاتیونها دارد. محدوده تغییرات ظرفیت تبادل کاتیونی در خاکها از کمتر از یک سانتیمول بر کیلوگرم برای خاکهای شنی با مواد آلی کم تا بیش از 25 سانتیمول بر کیلوگرم برای خاکهای رسی با مواد آلی زیاد متغیر میباشد -
اندازهگیری ظرفیت تبادل کاتیونی امری ضروری، ولی مستلزم صرف وقت و هزینه میباشد. در مورد مشخصاتی که اندازهگیری مستقیم آنها مشکل و پرهزینه میباشد، تجزیه اطلاعات موجود به نحوی که منجر به برآورد آنها از دادههای اندازهگیری شده و زودیافت موجود شود، راهی آسان و بهصرفه خواهد بود. بنابراین با استفاده از روشهای غیرمستقیم با صرفهجویی در زمان و هزینه و با دقت مناسب میتوان CEC خاک را از سایر خصوصیاتی که به آسانی قابل اندازهگیری هستند و در همه بانکهای اطلاعاتی خاک موجود میباشند،
برآورد نمود با توجه به اینکه بررسی تغییرات ظرفیت تبادل کاتیونی خاک به ویژه در مناطقی با وسعت زیاد، پرهزینه و زمانبر است. از این رو نیاز به روشهایی احساس میشود که بتوانند بهراحتی سطح گستردهای از مناطق را پایش کرده و روند تغییرات CEC را مورد بررسی قرار دهند. امروزه با پیشرفت علوم، استفاده از فناوریهای جدید مانند دریافت و پردازش دادهها از طریق ماهواره و بهکارگیری نرمافزارها و سیستمهای پردازش اطلاعات، نقش مهمی در مدیریت منابع آب و خاک دارد. این فناوریها اغلب موجب کاهش هزینه و افزایش دقت و سرعت در انجام پروژهها میگردد. برقراری معادلات چند متغیره بین ویژگی های پایه ای خاک و مقادیر ظرفیت تبادل کاتیونی به دست آمده در آزمایشگاه،
