استفاده از روش طيف‌سنجي بازتابي مريي-فروسرخ در برآورد برخي ويژگي‌هاي خاك در خاك‌هاي گچي-آهكي

Visible-near infrared reflectance spectroscopy for assessment of soil properties in gypseous and calcareous soils

روش‌هاي طيف‌سنجي بازتابي مريي-فروسرخ بر مبناي حساسيت تركيبات آلي و معدني خاك به بازتاب امواج مريي و فروسرخ استوار شده است و از اين ويژگي براي مطالعات كشاورزي و زيست‌محيطي خاك‌ها استفاده مي‌شود. علي‌رغم مطالعات گسترده‌ در زمينه طيف‌سنجي بازتابي مريي-فروسرخ خاك‌ها، اين مطالعات در خاك‌هاي گچي ايران انجام نشده است. هدف از اين پژوهش، دستيابي به روشي است كه بتواند از طريق طيف بازتابي مريي-فروسرخ پيش‌بيني قابل قبولي از ويژگي‌هاي شيميايي خاك‌هاي گچي-آهكي ارايه دهد. بدين منظور، تعداد 102 نمونه خاك از عمق‌هاي 30-0 سانتي‌متري در پنج استان جمع‌آوري شد. در نمونه‌ها مقادير گچ، كربنات كلسيم معادل، ظرفيت تبادل كاتيوني، شوري، pH، كاتيون‌هاي تبادلي كلسيم، منيزيم، سديم و پتاسيم، مقادير رس، شن و سيلت با روش‌هاي استاندارد، اندازه‌گيري شدند. سپس نمونه‌هاي خاك با دستگاه طيف‌بين با قدرت تفكيك يك نانومتر در دامنه 350 تا 2500 نانومتر اسكن شدند. واسنجي بين داده‌هاي طيفي و آزمايشگاهي به‌روش اعتبارسنجي داخلي با كمك مدل‌هاي PLSR و BRT انجام شد. داده‌هاي خام طيف بازتاب و داده‌هاي مشتق اول به‌طور جداگانه و نيز داده‌هاي تركيبي اين دو مورد استفاده قرار گرفتند. سپس داده‌ها به‌طور تصادفي به دو گروه 70 و 30 درصدي تقسيم شدند و از هر دو گروه يك بار به‌عنوان سري واسنجي و بار ديگر به‌عنوان سري اعتبارسنجي استفاده شد. بر اساس نتايج، در بين ويژگي‌هاي خاك بهترين پيش‌بيني مدل‌ها براي گچ (0.79=R2)، كربنات كلسيم معادل (0.71=R2)، ظرفيت تبادل كاتيوني (0.72=R2)، كلسيم تبادلي (0.81=R2)، منيزيم تبادلي (0.67=R2)، درصد رس (0.82=R2)، درصد شن (0.85=R2)، درصد سيلت (0.66=R2) و مواد آلي خاك (0.79=R2) به‌دست آمد. مقايسه دو مدل نشان داد كه در حالت اعتبارسنجي داخلي، مدل BRT تقريباً در همه متغيرها برآورد بهتري داشت اما وقتي از دو سري جداگانه واسنجي و اعتبارسنجي استفاده شد، بين دو مدل تفاوت چنداني ديده نشد. با توجه به نتايج، به نظر مي‌رسد كه روش طيف‌سنجي مريي-فروسرخ مي‌تواند به‌عنوان يك روش جايگزين براي روش‌هاي مرسوم آزمايشگاهي در تعيين ويژگي‌هاي خاك مطرح باشد و به كاهش تعداد نمونه‌هاي خاك در پروژه‌هاي مديريت منابع طبيعي و آبخيزداري كمك كند.

Reflectance spectroscopy can be used to study agricultural and environmental aspect of soil that are sensitive to soil organic and inorganic compounds. Despite the extensive studies in the field of visible-near infrared reflectance spectroscopy, there are rare researches in gypseous and calcareous soils. The objective of this study was to obtain a model that can predict chemical properties of gypseous soils via reflectance spectroscopy methods. Soil samples were collected from 102 locations in five different provinces in 0-30 cm of depth. Some chemical properties of soils, such amount of gypsum, equivalent calcite, cation exchange capacity, pH, EC, exchangeable calcium, magnesium, sodium and potassium and amount of silt, clay and sand were measured by standard methods in the laboratory. Air-dried soil samples were scanned at one nm resolution from 350 to 2500 nm, and calibrations between properties and reflectance spectra were developed using cross-validation under Partial Least Squares Regression (PLSR) and Boosted Regression Trees (BRT). Raw reflectance and first derivative reflectance data were used separately and combined for all samples in the data set. Data were additionally divided into two random subsets of 70 and 30 percent of the full data, which were each used for calibration and validation. Strongest correlations were obtained with gypsum, equivalent calcium carbonate, cation exchange capacity, exchangeable Ca and Mg, organic matter, sand and clay contents. Overall, BRT provided better predictions when under cross-validation. However, PLSR and BRT results were comparable in terms of prediction accuracy when using separate data sets for calibration and validation. In conclusion, VNIR spectroscopy was variably successful in estimating soil properties and showed its potential for substituting laboratory analyses or providing inexpensive co-variable data in environmental studies.