بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر، به منظور افزایش کارایی تجزیه و تحلیل رفتار خاک و یا جایگزین نمودن روش های دشوار و پرهزینه آزمایشگاهی، از روشهای دورسنجی استفاده شده است. یکی از روش های فیزیکی دورسنجی، فن آوری طیف سنجی خاک می باشد. بازتاب طیفی خاک در دامنه های طیفی مرئی - vis - و مادون قرمز نزدیک - NIR - - طول موج های بین 350 تا 2500 نانومتر - به عنوان روش هایی جایگزین استفاده می شود.
روش های طیف سنجی بازتابی مرئی- فروسرخ بر مبنای حساسیت ترکیبات آلی و معدنی خاک به بازتاب امواج مرئی و فروسرخ استوار شده است و از این ویژگی برای مطالعات کشاورزی و زیست محیطی خاک ها استفاده می شود. بیشتر این فناوری ها، غیر مخرب بوده و در استفاده از آنها یکپارچگی اولیه سیستم خاک حفظ می شود.
افزون بر این، طیف سنجی و به ویژه طیف سنجی مادون قرمز امکان مشخص کردن اجزای مختلف خاک را نیز فراهم میکند. در استفاده از این فناوری همچنین میتوان به طور همزمان چندین ویژگی خود را با یک اندازه گیری در مزرعه و در آزمایشگاه برآورد کرد.
در این مقاله، سعی شده است که با معرفی روش طیف سنجی مرئی- فروسرخ به عنوان یک روش جایگزین برای روش های مرسوم آزمایشگاهی در تعیین ویژگی های خاک، این رهیافت علمی نوین را در خاکشناسی، مورد بحث و بررسی قرار داد که می تواند به کاهش تعداد نمونه های خاک در پروژه های مدیریت خاک و اراضی، کمک شایان توجهی نماید.
.1 مقدمه
خاک یکی از منابع طبیعی و خدادادی می باشد که بشر برای تولید غذا، فیبر و انرژی از آن استفاده می کند. خاک حرکت آب را تنظیم می کند و به عنوان فیلتری برای عناصر سمی و سایر آلاینده ها عمل می نماید. خاک همچنین، نقش مخزن عناصر غذایی در رشد گیاهان را داراست و به عنوان مخزنی برای کربن نیز می باشد که می تواند آثار گرمایش جهانی را تعدیل کند
توانایی خاک در انجام هر کدام از این وظایف به ساختمان، ترکیب و ویژگی های شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی آن دارد که همه این ویژگی های خاک در طول زمان و مکان تغییر می کند . - 6 - خاک سیستمی ناهمگن و پویا با فرآیندها و مکانیسم هایی بسیار پیچیده می باشد. مطالعه خاک به عنوان یک سیستم کامل و یک منبع مهم طبیعی، نیازمند توسعه روش هایی تحلیلی است. روش های تحلیلی بسیاری جهت برقراری ارتباط بین ویژگی های فیزیکی و شیمیایی اجزای منفرد خاک پیشنهاد شده، لیکن در اغلب آنها اثرات متقابل این اجزاء بر هم لحاظ نشده است
از آنجا که اندازه گیری مستقیم ویژگی های فیزیکی و شیمیایی خاک زمان بر و پرهزینه بوده و همچنین در تعیین این ویژگی ها، به دلیل تغییرپذیری زمانی و مکانی نیاز به مطالعه های صحرایی و نمونه برداری هایی فراوان می باشد؛ لذا در دهه های اخیر جستجو برای یافتن روش هایی غیرمستقیم، ارزان، سریع و به آسانی قابل دسترس، به یکی از اولویتهای مهم پژوهشی در علوم خاک تبدیل شده است
.2 طیف سنجی و اهمیت آن در خاکشناسی و کشاورزی
استفاده از طیف سنجی انعکاسی مرئی- مادون نزدیک در دو دهه اخیر توجهات زیادی را به خود جلب کرده است. این رشد چشمگیر به علت اطلاعات زیادی است که طیف ها با خود به همراه دارند. به علاوه، توسعه آمار چند متغیره و تکنیک های داده کاوی باعث افزایش کاربرد این روش در علوم خاک و کشاورزی شده است . - 2 - از مهم ترین مزایای تکنیک طیف سنجی مرئی - مادون قرمز نزدیک این است که این روش غیرمخرب، سریع، ارزان، دارای حداقل آماده سازی نمونه و بدون ضرر و تخریب برای محیط زیست می باشد
به تهیه منحنی بازتاب پدیده یا پدیده های مورد نظر در محدوده ای از طول موج های مشخص طیف سنجی گویند. طیف سنجی بازتابی مرئی- فروسرخ بر مبنای حساسیت ترکیبات آلی و معدنی خاک به بازتاب امواج مرئی و فروسرخ استوار شده است و از این ویژگی برای مطالعات کشاورزی و زیست محیطی خاک ها استفاده می شود . - 1 - طی دو دهه اخیر، تحقیقات در مورد طیف سنجی بازتاب امواج مرئی - Visible - و فروسرخ - Infrared - در علوم خاک به سرعت افزایش یافته است
فرکانسهای پایه ای مولکولی مرتبط با اجزای خاک بیشتر در دو محدوده مرئی و فروسرخ وجود دارد. تمرکز بیشتر مطالعات، روی اجزای اصلی خاک مانند مواد آلی خاک، بافت خاک، مینرالوژی خاک و همچنین، دسترسی عناصر غذایی خاک، حاصلخیزی خاک، ساختمان خاک و فعالیت های میکروبی آن می باشد
دلایل متفاوتی در مورد توجه به طیف سنجی بازتابی مرئی- فروسرخ در مقایسه با روش های آزمایشگاهی وجود دارد. به عنوان مثال در این روش آماده سازی نمونه فقط شامل هوا خشک کردن و نرم کردن نمونه خاک می باشد. نمونه خاک دچار تغییر و تحول نمی شود، مواد شیمیایی - که بیشتر آنها خطرناک هستند - مصرف نمی شوند، اندازه گیری در چند ثانیه انجام می شود، تعداد زیادی از ویژگی های خاک فقط با یکبار اسکن کردن قابل تشخیص هستند و این روش قابلیت اجرا هم در آزمایشگاه و هم در مزرعه را داراست
.3 روش های طیف سنجی و بازتاب طیفی
طیف سنجی می تواند به دو شکل زمینی - Field - و تصویری - Imaging - صورت گیرد. در هر دو حالت طیف سنجی انرژی الکترومغناطیسی گسیل شده از یک منبع نور به پدیده برخورد نموده، بخشی از آن منعکس، قسمتی جذب و بخشی دیگر عبور داده می شود. بنابراین طیف سنجی یک نوع اندازه گیریکمّی انعکاس، جذب یا عبور است. اسپکترورادیومترها برای این اندازه گیری مورد استفاده قرار می گیرند
تهیه طیف خاکها در یک اتاق تاریک و با شرایط استاندارد انجام می شود. طیف سنجی نمونه های خاکدر ایران عمدتاً با استفاده از دستگاه Fieldspec شرکت ASD آمریکا انجام می گیرد. بازتاب مطلق نمونه ها در دامنه 350 تا 2500 نانومتر و با درجه وضوح یک نانومتر ثبت می شود که در مجموع تعداد بیشماری نقطه در هر طیف به دست می آید. نمونه های هوا خشک در یک پتری دیش با قطر 10 سانتیمتر و ضخامت یک سانتیمتر قرار داده می شوند. منبع نور یک لامپ تنگستن هالوژن کوارتز بوده که داخل محفظه نوری نگهداری می شود. نور از فاصله 20 سانتیمتری با زاویه 20 درجه نسبت به عمود به هر نمونه تابانده شده و بازتاب از طریق یک چشمی فایبر اپتیک که به طور عمودی با فاصله 15 سانتیمتری در بالای پتری دیش قرار دارد، ثبت می شود
شکل - 1 نحوه قرارگیری نمونه ها نسبت به منبع نور و سنسور دستگاه طیف سنج
پس از هر پنج قرائت متوالی، نمونه 90 درجه چرخانده شده و پنج قرائت دیگر انجام می شود تا از اختلاف طیفی محتمل که از تغییرات توزیع اندازه ذرات منشا می گیرد، جلوگیری شود - شکل . - 2 سپس از ده طیف به دست آمده میانگین گیری می شود. دقت و پاسخ آشکارساز با استفاده از یک صفحه سفید استاندارد واسنجی می شود، در صورتیکه قرائت سفید پایداری لازم را نداشته باشد، دستگاه یکبار خاموش و روشن می شود.
.4 کاربرد روش های طیف سنجی در بخش های مختلف علوم خاک و تعیین ویژگی های خاک
مقدار رطوبت خاک، ماده آلی، اکسیدهای آهن و آلومینیوم و مقدار و نوع رس از اجزای اصلی خاک هستند که طیف بازتابی را به طور مستقیم تحت تاثیر قرار می دهند و در این مورد با نام متغیرهای اولیه شناخته می شوند . پژوهش های مختلف نشان داده اند که بازتاب طیفی خاک به وسیله برخی از ویژگی های خاک همچون رطوبت، بافت، ساختمان و مقدار ماده آلی تحت تأثیر قرار می گیرد
از دیگر ویژگی های مهم خاک که بر مقدار بازتاب طیفی آن مؤثر بوده می توان به نوع و فراوانی کانی های رسی - کائولینایت، اسمکتایت و ایلایت - ، کربنات ها، گروه های هیدروکسیل آب خاک، ترکیبات آلی و اکسیدهای آهن و آلومینیوم اشاره کرد
