ارزيابي توابع انتقالي طيفي و توابع انتقالي خاك در پيش‌بيني نگهداشت آب در خاك

Assessing spectrotransfer functions and pedotransfer functions in predicting soil water retentions

ويژگي‌هاي هيدروليكي خاك اثري مهم بر جريان آب، انتقال املاح و گازها در محيط خاك داشته و اهميتي بسياردرمطالعات هيدرولوژيك دارند. اگرچه اخيراً اطلاعات طيفي خاك در گستره مريي، مادون قرمز نزديك و مياني به عنوان روشي كم هزينه، سريع و غيرمخرب در تخمين ويژگي‌هاي مبنايي خاك مورد استفاده قرار گرفته، ليكن مطالعات بسيار اندكي در مورد برآورد ويژگي‌هاي هيدروليكي خاك به كمك داده‌هاي طيفي خاك صورت گرفته است. هدف از اين پژوهش، ارزيابي عملكرد داده‌هاي طيفي خاك در مقايسه با ويژگي‌هاي مبنايي خاك به عنوان متغيرهاي ورودي توابع انتقالي در مطالعه وضعيت نگهداشت آب در خاك بود. بدين منظور، تعداد 174 نمونه خاك جمع‌آوري و منحني‌هاي بازتاب طيفي آنها در گستره 2500-350 نانومتر با استفاده از دستگاه اسپكتروراديومتر زميني اندازه‌گيري شد. برخي ويژگي‌هاي فيزيكي خاك به همراه مقادير رطوبت در پتانسيل هاي ماتريك 330-، 1000-، 3000-، 5000-، 10000- و 15000- سانتي‌متر به روش صفحات فشاري اندازه‌گيري شد. چهار سناريو شامل توابع انتقالي طيفي (STFs)، توابع انتقالي خاك (PTFs)، توابع انتقالي مركب (SPTFs) و توابع انتقاليRosetta مورد بررسي و مقايسه قرار گرفت. بر پايه نتايج به‌دست آمده، همبستگي بالا و معني‌داري در سطح 1 درصد بين ويژگي‌هاي مبنايي و هيدروليكي خاك با مقادير بازتاب طيفي به‌ويژه در گستره مادون قرمز مياني مشاهده شد. STFsدر مقايسه با ديگر توابع انتقالي، دقت بيشتري (011/0=RMSR سانتي‌متر مكعب بر سانتي‌متر مكعب، 60/0 < R2) در برآورد رطوبت خاك در همه مكش‌ها به ويژه در بخش مياني و انتهاي خشك منحني رطوبتي داشت. از طرفي، SPTFs و PTFs دقت تقريباً يكساني داشتند، با اين تفاوت كه در انتهاي مرطوب منحني رطوبتي (330- و 1000- سانتي‌متر)، PTFs برآورد‌هاي نسبتاً بهتري ارايه كردند. تخمين‌هاي Rosetta در مقايسه با سه تابع انتقالي ديگر، دقتي كمتر در همه مكش‌ها به ويژه در انتهاي مرطوب منحني رطوبتي داشتند. به طور كلي، نتايج اين پژوهش نشان داد داده‌هاي طيفي خاك مي‌توانند به عنوان روشي غيرمستقيم در مطالعه وضعيت نگهداشت آب در خاك مورد استفاده قرار گيرند.

Soil hydraulic properties have important effects on describing water flow, solute and gass transports and also are important in hydrological studies. Although spectral information over visible near-infrared and shortwave infrared range, as a rapid, cost-effective and non-destructive method, has been recently applied to predict a number of soil properties, only few attempts have been conducted to predict soil hydraulic properties. The objective of this study was to assess whether inclusion of soil spectral data as a uniqe set of the predictors and alternative to basic soil properties would improve water retention predictions. Consequently, a number of 174 soil samples were taken and the spectral reflectances of the soils over 350 to 2500 nm range were measured, using a handheld spectroradiometer apparatus. The water retention at six matric potentials of -330, -1000, -3000, -5000, -10000 and -15000 cm were also measured by using preassure plate apparatus. Four scenarios including spectrotransfer functions (STFs), pedotransfer functions (PTFs), spectropedotransfer functions (SPTFs) and Rosetta PTFs were investigated. The transfer functions were first derived and compared with each other as well as with Rosetta PTFs afterwards. Based on the obtained results, basic soil properties and water retention parameters indicated high and significant (1% significancancy level) correlations with spectral reflectance values particularly in near and shortwave infrared ranges. The STFs indicated higher accuracy (R2 > 0.60; RMSR < 0.011 cm3 cm-3) than the others especially at mid and dry end of retention curve. Although SPTFs and PTFs provided similar predictions, but PTFs were estimated narrowly better predictions at wet-end part of retention curve (-330 and -1000 cm). Weak predictions were obtained by Rosetta PTFs for all water contents particularly at the wet part of retention curve. These results suggest the efficacy of the spectral data, which can be used as an indirect method to predict soil water retention status.