بخشی از مقاله
چکیده
پایش و مدیریت شوری یکی از مهمترین مسائل کشاورزی مدرن میباشد. تهیه نقشه شوری خاک برای مدیریت ویژه مکانی اهمیت بسیار زیادی دارد، زیرا نمکهای محلول اضافی در ناحیه توسعه ریشه میتواند مشکلاتی برای رشد گیاه ایجاد نماید. در همین راستا، زمین آمار یکی از روشهایی است که امروزه در جهت بررسی تغییرپذیری مکانی ویژگیهای خاک بهکار میرود. در این تحقیق 188 نمونه خاک سطحی از شرق استان مازندران جمع آوری گردید. همبستگی مکانی متغیر شوری و بهترین مدل برازش داده شده - مدل گوسی - بوسیله واریوگرام مشخص و دامنه موثر برای این متغیر 23 کیلومتر بدست آمد. بهمنظور تعیین نقشه پراکنش این متغیر، روشهای درونیابی کریجینگ، عکس فاصله وزنی - IDW - و اسپلاین - RBF - مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین دقت این روشها از طریق معیارهای آماری دقت - MAE - ، انحراف - MBE - و ریشه میانگین مربعات خطا - RMSE - محاسبه گردید. نتایج تحقیق نشان داد که هر چه بهسمت دریا پیش میرویم شوری اراضی افزایش مییابد که این بهدلیل حمل قطرات آب از سطح دریاچه خزر توسط باد میباشد. بنابراین، تهیه نقشه شوری خاک بهمنظور ارائهی برنامههای مدیریتی بهتر ضروری میباشد.
کلمات کلیدی: شوری، زمینآمار، کریجینگ، مازندران
مقدمه
تغییرات مکانی خاک، بهعنوان یکی از متغیرهای محیطی، عبارت از تغییر در یک ویژگی خاک بهعنوان تابعی از موقعیت جغرافیایی است. - فرانزن و همکاران، . - 2006 از دیرباز تغییرات مکانی خاکها مورد توجه خاکشناسها بوده و امروزه نیز چگونگی دستیابی به اطلاعات کمی و دقیق از این تغییرات بهمنظور ارزیابی کیفیت زیستمحیطی خاک، خطر آلودگی خاک و سیر قهقرایی خواص خاک بهعنوان جزئی از محیط زیست و ارائه تفسیرهای توسعهای غیرکشاورزی از خاکها چالشهای نوینی را فراروی متخصصان خاک قرار داده است - محمدی، . - 1377همچنین مدیریت خاک بر اساس مجموعهای از نقاط گسسته نمونهبرداری، امکان پذیر نمیباشد و بایستی این دادهها در قالبی پیوسته از اطلاعات تبدیل گردند.
بدین منظور، بهکارگیری ابزارهای تجزیه و تحلیل و پردازش ریاضی و آماری، که توانایی به کارگیری همزمان اطلاعات کمی و عددی متغیر مورد نظر و اطلاعات مربوط به موقعیت نسبی جغرافیایی دادهها را دارند، ضروری است. مجموعهی روشهای آماری مربوط را آمار مکانی مینامند، آمار مکانی فراهم-آورنده چارچوبی نظری و کاربردی به منظور تجزیه و تحلیل مکانی دادهها است. این شاخه کاربردی از علم آمار، وظیفه توصیف، تخمین و پیشبینی، تفسیر و کنترل فرایندها و متغیرهای مکانی را بهعهده دارد - محمدی، . - 1385 بهنظر میرسد با توجه به نقش اساسی خاک و کیفیت آن در ریسکهای زیست محیطی و سلامت جامعه بشری، بکارگیری چنین روشها و تکنیکهای آماری بهمنظور برآورد هر چه دقیقتر ویژگیهای خاک بیش از پیش ضروری باشد - محمدی، . - 1377
زمین آمار در خاکشناسی از اواخر دهه 70 میلادی توسط کمپبل - 1978 - آغاز گردید. بعد از آن، مطالعههای تکمیلی گستردهای توسط وبستر - - 1985، برگس - 1980 - و مکبرتنی - 1982 - انجام شد. در ایران، زمین آمار برای اولین بار توسط حاج رسولیها و همکاران - 1980 - بهمنظور تجزیه و تحلیل تغییرات شوری در خاکشناسی استفاده گردید. در سالهای اخیر، کاربرد این نظریه توسط محققین کشور در علوم خاک رو به افزایش بوده و از جمله بایستی به پژوهشهای عالمی و همکاران - - 1989، امینی - - 1378، محمدی - 1377 - ، رفیع الحسینی و محمدی - 1380 - و مومنی - 1374 - اشاره نمود - محمدی، . - 1385
مواد و روشها
استان مازندران با 24091 کیلو متر مربع مساحت از استانهای سرسبز شمال فلات ایران است و در کرانه دریای خزر قرار دارد. اراضی شرق این استان با مساحت تقریبی 80 هزار هکتار جهت مطالعه انتخاب گردید.
نمونهبرداری خاک
جهت نمونهبرداری ابتدا یک پایگاه داده ای مکانی و توصیفی در محدوده مورد مطالعه تهیه و با استفاده از نرم افزار ArcGIS لایههای اطلاعات مکانی - نقشه - و اطلاعات توصیفی - جداول - مانند محدوده اراضی، توپوگرافی، تهیه گردید. سپس شبکهبندی با فواصل دو کیلومتری جهت تعیین موقعیت نمونهبردای در سیستمتصویر UTM ایجاد شد. این نقاط دارای مختصات جغرافیایی بودند که از طریق نرم افزار Datatrac از کامپیوتر به GPS انتقال داده شدند. به-منظور نمونهبرداری صحرایی، مختصات جغرافیایی نقاط نمونهداری به دستگاه GPS داده شد، سپس در موقعیت یاد شده در صحرا بهصورت شعاعی - دایره ای به شعاع 50 متر که مرکز آن توسط GPS معلوم شد - نمونهبرداری صورت گرفت. نمونهها به آزمایشگاه منتقل و هدایت الکتریکی در عصاره 1:5 خاک به آب توسط دستگاه هدایت سنج الکتریکی تعیین شد. مهمترین آمارههای توصیفی و بررسی نرمال بودن داده ها از طریق آمارههای چولگی و کشیدگی با استفاده از نرمافزار SAS 9.1 محاسبه گردید - طهرانی و همکاران، . - 1386
بررسی روند با استفاده از واریوگرام رویهای
در این روش واریوگرام را در جهتهای مختلف جغرافیایی رسم کرده و از این طریق میتوان جهتهای کم یا بدون روند را پیدا کرده و در همان جهات اقدام به تخمین مقادیر در نقاط نمونهبرداری نشده نمود. استفاده از رویه واریوگرام در بررسی وجود روند، ابزار مناسبی است. در این حالت جهتی که بیشترین شیب را دارد، دارای وابستگی مکانی کم و جهت دارای شیب کم، دارای وابستگی مکانی زیاد است و این جهتی است که بهمنظور برآورد مقادیر در نقاط نمونهبرداری نشده مورد استفاده قرار میگیرد - وو و ژانگ، . - 2009
محاسبه واریوگرام و برازش مدل تئوری برآن
تابع واریوگرام ابزار کلیدی در نظریه متغیرهای ناحیهای است و براساس این فرض شکل گرفته که سمیواریانس بهطور نرمال توزیع یافته و دادهها از فرضیات پایائی1 پیروی میکنند. واریوگرام تجربی عبارت است از متوسط مجذور اختلاف بین دو مشاهده Z - x - و Z - x+h - در دو موقعیت مکانی واقع در فضای نمونهبرداری است که توسط آرایه h ازهم جدا شدهاند. برای رسم واریوگرام باید مقادیر 2 را به ازای مقادیر مختلف طول گام - h - محاسبه نمود. سپس مقدار واریوگرام به ازای فواصل مختلف h در یک نمودار رسم N h 1گردد.: - h - نیم تغییرنما برای N جفت داده که با فاصله h از هم جدا شدهاند.
واریوگرام - تغییرنما - در حقیقت سنجش گر میانگین عدم شباهت داده ها در دو موقعیت مکانی x و x+h بهعنوان تابعی از فاصله بین آنها - h - است، بهعبارت دیگر نیمتغییرنما گرافی است که واریانس بین نقاط جدا از هم را بهعنوان تابعی از فاصله جدا کننده آنها رسم می کند - یانگ و همکاران، . - 2005در این تحقیق از نرم افزار GS+ - version 5.1 - برای رسم واریوگرام استفاده گردید، مدلی که دارای کمترین مجموع مربعات باقیمانده - RSS - و بیشترین ضریب تبیین - R2 - بود، از میان مدلهای کروی، نمایی، گوسی و خطی و غیره بر واریوگرام تجربی برازش داده شد. برای تهیه نقشهها از نرم افزار ArcGIS استفاده گردید - رابرتسون و همکاران، . - 2008
روشهای درونیابی
بهمنظور برآورد مقادیر متغیر شوری خاک در نقاط نمونهبرداری نشده از روشهای درونیابی وزندهی عکسفاصله، اسپلاین و کریجینگ استفاده گردید.
-1 وزندهی عکسفاصله : - IDW - همه روشهای درونیابی براساس این تئوری شکل گرفتهاند که نقاطی که به-هم نزدیکترند، همبستگی بیشتری دارند و بههم شبیهترند نسبت به آنهایی که از هم دورند. در روش وزن دهی عکسفاصله، فرض بر این است که نسبت همبستگیها و شباهتها بین همسایهها متناسب است با فاصله بین آنها که میتواند بهصورت تابع عکسفاصله هر نقطه از نقاط همسایگی اش تعریف شود.در این روش باید شعاع همسایگی و پارامتر نمایی مربوط به تایع عکس فاصله تعیین گردد.
:Z* - x0 - مقدار تخمین زده شده برای متغیر Z در نقطه مورد تخمین :Z - xi - مقدار نمونههای واقع در همسایگی محل تخمین
:Di فاصله نقطه مورد تخمین تا هر یک از نمونههای واقع در همسایگی آن :N تعداد نقاط واقع در همسایگی برای ارزیابی نقطه مورد تخمین
: ضرایبی که وزنها را براساس فاصله تغیین میکند - حسنیپاک، . - 1386
-2 اسپلاین یا توابع شعاع محور : - RBF - این روش میتواند روی دادههای نویز داری که بهطور نامنظم در یک منطقه پخش شدهاند اعمال شده و یک درونیابی چند متغیره هموار روی دادهها انجام دهد. این روش تاکنون توسط محققین بهمنظور درونیابی پارامترهای مختلف مورد استفاده قرار گرفته است و تجربیات نشان می دهد که میتواند
