پديد آورندگان :
حسيني، ويدا دانشگاه كردستان - گروه علوم و مهندسي خاك , داوري، مسعود دانشگاه كردستان - گروه علوم و مهندسي خاك , خالق پناه، ناصر دانشگاه كردستان - گروه علوم و مهندسي خاك
كليدواژه :
پتانسيل ماتريك , داده‌هاي طيفي خاك , رگرسيون خطي چندگانه گام به گام , ويژگي هاي مبنايي خاك
چكيده فارسي :
سابقه و هدف: منحني نگهداشت آب در خاك از جمله ويژگي‌هاي مهم هيدروليكي خاك بوده كه در شبيه سازي جريان آب و انتقال املاح در بخش غير‌اشباع خاك كاربرد دارد. اندازه‌گيري مستقيم منحني‌هاي نگهداشت آب در خاك دشوار، زمان‌بر و پرهزينه مي‌باشد؛ بدين منظور محققين روش‌هايي غيرمستقيم همچون توابعي انتقالي را براي برآورد منحني نگهداشت آب در خاك با استفاده از داده‌هاي سهل الوصول پيشنهاد كرده‌اند. در چند دهه اخير، استفاده از داده‌هاي طيفي خاك به‌عنوان روشي سريع، كم‌هزينه و غيرمخرب در برآورد ويژگي‌هاي مبنايي خاك به طور گسترده‌اي مورد توجه قرار گرفته است. در اين پژوهش امكان استفاده از داده‌هاي طيفي خاك در گستره مرئي- مادون قرمز نزديك، به‌عنوان متغير ورودي توابع انتقالي و ارزيابي عملكرد آن در مقايسه با ويژگي‌هاي مبنايي خاك در برآورد منحني نگهداشت آب در خاك بررسي گرديد.
مواد و روش‌ها: تعداد 100 نمونه خاك، جمع‌آوري و منحني‌هاي بازتاب طيفي آنها در گستره 2500-350 نانومتر با استفاده از دستگاه اسپكتروراديومتر زميني اندازه‌گيري شد. برخي از ويژگي‌هاي مبنايي خاك شامل توزيع اندازه ذرات، جرم ويژه ظاهري و حقيقي، مقدار كربن آلي و كربنات كلسيم معادل به همراه مقادير رطوبت در پتانسيل‌هاي ماتريك 10-، 33-، 50-، 100-، 300-، 500-، 1000- و 1500- كيلو پاسكال با دستگاه صفحات و غشاء فشاري تعيين شد. منحني بازتاب طيفي نمونه‌ها با استفاده از نرم‌افزار RS3 موجود بر روي رايانه قابل‌حمل متصل به دستگاه اسپكتروراديومتر، با تعداد 5 قرائت براي هر نمونه خاك ثبت شد. پس از انجام پيش‌پردازش‌هاي طيفي، همبستگي بين مقادير جذب در هر يك از طول موج‌هاي مورد‌مطالعه با مقادير رطوبت خاك در مكش‌هاي مختلف بررسي شد. سپس با استفاده از روش‌رگرسيوني خطي چندگانه گام‌به‌گام و بهره‌گيري از داده‌هاي مبنايي و طيفي خاك، روابطي رياضي به‌ترتيب تحت‌عنوان توابع انتقالي خاكي (PTFs) و طيفي (STFs) پي‌ريزي شد. به‌منظور ارزيابي دقت توابع پيشنهادي از آماره‌‌هايي همچون ضريب تبيين تعديل شده (R2adj)، ريشه ميانگين مربعات خطاي نرمال‌شده (NRMSE)، ميانگين خطا (ME) و نسبت انحراف دقت (RPD) استفاده شد.
يافته ها: توابع انتقالي خاكي (PTFs) در انتهاي خشك منحني نگهداشت آب در خاك در مقايسه با انتهاي مرطوب آن برآورد‌هاي دقيق‌تري ارائه كردند. دليل اين موضوع را مي‌توان وجود همبستگي بالاي رطوبت خاك با توزيع اندازه ذرات خاك در انتهاي خشك منحني نگهداشت آب خاك بيان كرد. نتايج حاصل از ارزيابي آماره‌ها نشان داد كه PTFs پي‌ريزي شده جهت برآورد نگهداشت آب در خاك در مكش‌هاي 10 تا 1500 كيلو‌پاسكال از دقت پيش‌بيني خوبي برخوردار بودند. اين در حالي است كه STFs در مقايسه با PTFs پيشنهادي در برآورد پارامترهاي مورد‌مطالعه نيز، داراي نتايجي معقول اما به‌نسبت ضعيف‌تري بودند.
نتيجه‌گيري كلي: در مجموع نتايج اين پژوهش نشان داد، برغم نتايج نسبتاً كم‌دقت‌تر STFs نسبت بهPTFs به‌دليل صرف هزينه، زمان و داده‌برداري صحرايي كمتر، استفاده از داده‌هاي طيفي خاك مي‌تواند به‌عنوان روشي غيرمستقيم و نوين براي برآورد مقادير رطوبت حجمي خاك به ازاي پتانسيل‌هاي ماتريك مختلف مورد استفاده قرار گيرد.
چكيده لاتين :
Background and objectives: The soil water retention curve (SWRC), as an important hydraulic soil property, is used in modeling water flow and solute transport in the unsaturated zone of the soil. Direct measurements of SWRC are difficult, time-consuming and costly. Hence, researchers have proposed indirect methods such as pedotransfer functions to estimate soil water retention curve using readily available soil data. Over the last decades, soil spectral data as a rapid, low cost, and non-destructive method has been widely applied to estimate basic soil properties. Consequently, in this study, the feasibility of using soil spectral information in the visible and near-infrared region, as input variables for transfer functions, and evaluation its performance was investigated compared to basic soil properties in estimating soil water retention curve.
Materials and methods: A number of 100 soil samples were collected and their spectral reflectance over 350-2500 nm region were measured using a handheld spectroradiometer apparatus. Some basic soil properties such as particle size distribution, particle density, bulk density, organic carbon content and calcium carbonate equivalent, and soil moisture content at matric potentials of -10, -33, -50, -100, -300, -500, -1000, and -1500 kPa were also determined with pressure plate - membrane apparatus. Spectral reflectance curves of the samples were recorded using RS3 software on a portable computer connected to a spectroradiometer with 5 readings per soil sample. After spectral preprocessing, the correlation coefficient between absorption features of soil in each wavelength with soil moisture content at different matric potentials were investigated. Stepwise multiple linear regression was applied to derive pedo-transfer functions (PTFs) and spectral transfer functions (STFs) that uses basic soil properties and soil spectral reflectance as input, respectively. The accuracy of the proposed functions were assessed by adjusted coefficient of determination (R2adj), normalized root mean square error (NRMSE), mean error (ME), and the ratio of performance to deviation (RPD).
Results: Pedo-transfer functions (PTFs) provided more accurate estimates at the dry-end of the soil moisture curve than the wet-end, due to the high correlation of soil moisture with soil particle size distribution at the dry-end of the soil moisture curve. The results of the statistical parameters showed that the derived PTFs for estimating soil water retention at 10 to 1500 kPa matric suctions have good prediction accuracy. However, STFs also had reasonable but poorer results than the proposed PTFs in estimating the studied characteristics.
Conclusion: Overall, the results of this study revealed that, despite the relatively poorer results of STFs than PTF, due to lower costs, time and field data, soil spectral data can be used as an indirect and novel method for estimating volumetric soil moisture content at different matric potentials.
