بخشی از مقاله
چکیده
اطلاع از توزیع مکانی کربن آلی خاک و فاکتورهای کنترل کننده آن برای مدیریت اراضی مناطق خشک ضروری است. در پژوهش حاضر مقادیر، توزیع و متغیرهای کمکی محیطی موثر بر توزیع کربن آلی خاک در سطح 41000 هکتار از اراضی زهک دشت سیستان بررسی شدند. تعداد 460 نمونه خاک از عمق 0-30 سانتیمتر با فواصل 750 متری برداشت و کربن آلی خاک اندازهگیری شد
متغیرهای کمکی شامل خصوصیات اولیه و ثانویه مستخرج از مدل رقومی، دادههای سنجش از دور و نقشه اجزای بافت خاک و کاربری اراضی بودند. از تکنیک درختان تصمیمگیری تصادفی جهت ایجاد ارتباط بین کربن آلی خاک و متغیرهای محیطی استفاده شد. نتایج نشان داد که کربن آلی خاک در محدوده مطالعاتی با میانگین 0/32 درصد از 0/01 تا 1/4 درصد متغیر بود. نقشه رس خاک، شاخص شوری و شاخص پوشش گیاهی نرمال شده دارای بیشترین اهمیت در تخمین مکانی کربن آلی خاک بودند. نقشه های پیشبینی شده نشان داد که قسمتهای دارای رس بیشتر داری کربن بالاتری بودند. مناطقی که دارای شوری خاک بالا و فرسایش بادی بودند کربن کمتری داشتند.
مقدمه
سنجش مقدار و توزیع مکانی کربن آلی خاک اهمیت زیادی دارد زیرا اطلاعات مهمی درباره وضعیت حاصلخیزی خاک، مقدار ترسیب کربن، اثرات تغییر کاربری و تغییر اقلیم فراهم میکند. کربن آلی خاک نقش حیاتی در نگهداری خصوصیات بیولوژیکی، فیزیکی و شیمیایی و فرایندهایی موجود در خاک دارد. با نقشهبرداری رقومی خاک1 میتوان نقشه خصوصیات و کلاسهای خاک مثل کربن آلی خاک را تهیه کرد.
نقشهبرداری رقومی خاک بیانگر مجموعهای از محاسبات رایانهای برای پیش بینی پراکنش خاک ها در سیمای سرزمین می باشد که همگام با پیشرفت های به وجود آمده در پردازش اطلاعات، تکامل یافته است و با استفاده از مدل های مختلف، اقدام به ساده سازی پیچیدگیهای موجود در سامانه طبیعی خاک مینماید - . - Minasny et al., 2010 مدلهای مختلفی در نقشهبرداری رقومی خاک مورد استفاده قرار میگیرند که شامل شبکه، عصبی مصنوعی، درخت تصمیم، فازی، درختان تصمیم گیری تصادفی - RF2 - و ... باشد.
RF یک مدل با کارکرد پیچده، توسعه یافته از مدل طبقهبندی و رگرسیون درختی - CART3 - میباشد. در این تکنیک اهمیت متغیرها نیز تعیین میشود. مقادیر درست متغیرها با مقادیر که به طور تصادفی برای هر درخت تولید شده است جایگزین میشود و اثر این تغییر را روی پیشبینی اندازهگیری میکند؛ اگر این جایگزینی اثری روی خطای اندازهگیری نداشته باشد اهمیت آن متغیر کم است و اگر مقدار خطای اندازه گیری افزایش یابد آن متغیر مهم میباشد
روش درختان تصمیم گیری تصادفی را برای پیش بینی و منشاء کربن آلی خاک در محیط تروپیکال استفاده کردند و آن را یک ابزار نیرومند برای تخمین مکانی و درک ارتباطات خاک- زمین یافتند.
روشهای درختان تصمیم گیری تصادفی و درخت رگرسیون - - RT 4 را برای پیش بینی توزیع بافت خاک استفاده کرده و مشاهده کردند که روش درختان تصمیم گیری تصادفی دارای دقت بالاتری نسبت به درخت رگرسیون بود.
روش درختان تصمیمگیری تصادفی را روش مناسبی برای بهروزرسانی نقشههای خاک و تخمین کلاسهای خاک و در استان گلستان یافتند و شاخص پوشش گیاهی، ژئومورفولوژی و نقشه قدیمی خاک را به عنوان مهمترین متغیرها در پیشبینی کلاسهای خاک معرفی کردند.
از تکنیکهای مختلف، نقشه رقومی خاک ذخیره کربن آلی خاک، را تهیه کردند. نتایج آنها دقت بالای نقشههای تهیه شده با روش RF را نشان داد و مهمترین متغیر کمی را غلظت نیتروژن کل یافتند. تحقیق حاضر جهت استفاده از مدل درختان تصمیمگیری تصادفی برای تعیین توزیع و فاکتورهای تاثیر گذار در تغییرپذیری کربن آلی خاک در اراضی شهرستان زهک دشت سیستان انجام شد.
مواد و روشها
محدوده مورد مطالعه دارای مساحت حدود 41000 هکتار، در اراضی شهرستان زهک دشت سیستان، و در شمال استان سیستان و بلوچستان واقع شده است - شکل . - 1 منبع آب منطقه مورد مطالعه، رودخانه هیرمند بوده که از کوههای هندوکوش در افغانستان سرچشمه میگیرد و پس از 1100 کیلومتر به دشت سیستان در ایران میرسد. مواد مادری منطقه بهطور عمده رسوبات آبرفتی رودخانه هیرمند هستند.
رژیم رطوبتی منطقه اریدیک و رژیم حرارتی آن مورد هایپرترمیک است. میانگین بارندگی سالیانه حدود 55 میلیمتر و میانگین تبخیر سالیانه حدود 4500 میلیمتر است. از لحاظ شیب، منطقه تقریبا" مسطح و با شیب 1-2 درصد می باشد. منطقه تحت تاثیر فرسایش بادی قرار دارد و در قسمت جنوب شرقی منطقه مطالعاتی تپههای شنی قرار دارد. نمونهبرداری با فواصل 750 متری در عمق 0-30 سانتیمتر و به تعداد 460 نمونه انجام شد و پس از ارسال به آزمایشگاه و عبور از الک دو میلیمتری، هدایت الکتریکی عصاره اشباع نمونههای برداشت شده تعیین گردید.
شکل -1 موقعیت منطقه مورد مطالعه
از مدل ارتفاعی رقومی - DEM5 - با بزرگنمایی 30 متر خصوصیات مختلف زمین شامل ارتفاع، شیب، جهت شیب، انحنای سطح، انحنای نیمرخ، شاخص خیسی، شاخص توپوگرافی LS - حاصلضرب طول شیب و جهت شیب - و سطح پایه شبکه کانالها، شبکه کانالها و عمق دره با استفاده از نرم افزار SAGA استخراج شدند . - Wilson & Gallant, 2000 - از تصاویر IRS، لندست 5 و لندست 8 باندهای مختلف و شاخص پوشش گیاهی نرمال شده - - NDVI6 و شاخص شوری تفاضلی نرمال شده - NDSI7 - تهیه و در مدل سازی استفاده شدند.
در این معادله NIR و Red مقادیر انعکاس امواج مادون قرمز نزدیک و قرمز هستند.
نقشه کاربری اراضی نیز به عنوان متغیر مورد استفاده قرار گرفت. نقشه اجزاء بافت خاک که با استفاده از دادهای بافت خاک در همان 460 نقطه با روش میانیابی تهیه شده بود به عنوان متغیر کمکی استفاده شدند. فاصله از رودخانه هم با استفاده از GIS تهیه و در مدلسازی استفاده شد.
لایههای مختلف متغیرهای تولید شده با پیکسلهای 30 متر مربعی و مقادیر مختلف کربن خاک وارد نرم افزار - 2016 - R 3.2.5گردید و مدل درختان تصمیم گیری تصادفی اجرا گردید. در مدلهای نهایی از متغیرهایی که اهمیت بیشتری داشتند، استفاده شدند. در مدل RF تعداد درختان در جنگل و تعداد متغیرهای محیطی در گره هر درخت توسط کاربر مشخص میشود و مناسبترین مقدار این دو پارامتر با روش سعی و خطا جهت بدست آوردن کمترین مقدار خطا بدست آمد.
ارزیابی دقت مدل:
361 نمونه برای آموزش دو مدل و از 99 نمونه برای اعتبار سنجی استفاده شد - شکل. - 3 به منظور ارزیابی دقت مدلها ریشه میانگین مربعات خطا - RMSE - - بیانگر دقت میانگین پیشبینی میباشد و شدت خطا منتظره را نشان میدهد - و خطای میانگین - ME - - برای تعیین اریب و تمایل به کم یا بیش برآورد - برای دادههای آموزش و تست محاسبه گردید.
نتایج و بحث
نتایج تحلیل آماری کربن آلی خاک نشان داد که مقدار کربن آلی خاک از مقدار 0/01 درصد که مربوط به نمونه تپههای شنی میباشد تا 1/4 درصد متغیر بود . میانگین کربن آلی نمونههای برداشت شده 0/32 درصد بود که شاید جزو پایینترین مقادیر کربن آلی در کشور باشد. دمای بالا، تبخیر زیاد - حدود 4500 میلیمتر در سال - و بارندگی اندک - حدود 55 میلیمتر در سال - ، فرسایش شدید بادی از عوامل اصلی کمبودن کربن آلی در خاکهای منطقه مطالعاتی میباشد. همچنین افزایش بقایای گیاهی به خاک به دلیل برداشت برای مصرف دام نیز ناچیز میباشد.
