برآورد مقدار كربن آلي خاك با استفاده از داده هاي ابر طيفي در گستره VIS-NIR-SWIR

سابقه و هدف: مقدار كربن آلی خاك به عنوان یكی از مهمترین ویژگی‌های خاك، اهمیت بسیاری در توسعه و مدیریت پایدار كشاورزی دارد. مقدار مواد آلی خاك كه عموما بر اساس مقدار كربن آلی آن اندازه گیری می‌شود، معمولا به عنوان شاخص كلیدی كیفیت و عملكرد خاك قلمداد می گردد (24). وجود مواد آلی مكفی خاك، تاثیرات مثبتی بر باروری خاك، ظرفیت نگهداشت آب خاك و ترسیب كربن دارد (35؛ 26؛ 25؛ 30). تحقیقات اخیر نشان داده است كه فعالیت‌های انسانی همانند عملیات مكانیكی كاشت و فعالیت‌های توسعه‌ای اقتصادی منجر به درخطر افتادن محتوای مواد آلی خاك شده است (23؛ 22). بنابراین پایش مستمر میزان كربن آلی خاك می تواند نقشی مهمی در كنترل كیفیت و عملكرد خاك داشته باشد. از آنجا كه روش‌های معمول آزمایشگاهی اندازه‌گیری كربن آلی خاك، به ویژه در مقیاس‌های مكانی بزرگ، عمدتاً پرهزینه و زمان‌بر هستند به همین دلیل، روش‌های ارزیابی سریع، كم‌هزینه و با دقتِ میزان كربن آلی خاك، می‌تواند یك اقدام بسیار ارزشمند برای مدیریت بلندمدت خاك باشد. هدف از انجام این پژوهش مطالعه رفتار طیفی خاك به‌منظور برآورد مقدار كربن آلی خاك با استفاده از روش‌های رگرسیون حداقل مربعات جزئی (PLSR) و رگرسیون حداقل مربعات جزئی توأم با بازنمونه‌گیری (bagging-PLSR) و نیز بررسی اثر روش‌های مختلف پیش‌پردازش داده‌های طیفی بر دقت برآورد كربن آلی خاك بود. مواد و روش‌ها: تعداد 200 نمونه خاك در مقیاس حوزه آبخیز (داده‌های واسنجی) و 40 نمونه در مقیاس مزرعه (داده‌های اعتبارسنجی) از دو عمق خاك (صفر تا 10 و 10 تا 30 سانتیمتر خاك) به‌صورت نمونه‌برداری مركب در یك شعاع 10 متری جمع‌آوری و پس از هوا خشك‌كردن از الك 2 میلی‌متر عبور داده شد. برخی ویژگی‌های فیزیكوشیمیایی خاك‌ها در آزمایشگاه اندازه‌گیری شد. پس ‌از آن، بازتاب طیفی خاك در گستره مرئی، مادون‌قرمز نزدیك و میانی (2500-350 نانومتر) با استفاده از دستگاه اسپكترو‌رادیومتر اندازه‌گیری و ارتباط بین 2000 باند با مقدار كربن آلی خاك مورد ‌بررسی قرار گرفت. یافته‌ها: بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، بهترین روش‌های پیش‌پردازش به‌منظور واسنجی مدل PLSR شامل حذف روند به روش موجك (1/94=RPD) و SNV توأم با فیلتر میانه (1/92=RPD) بود. تعداد فاكتور مناسب مدل‌های تخمینگر در دو روش PLSR و bagging-PLSR برابر 17 بدست آمد. نتایج اعتبارسنجی مدل‌ها به ازای تمامی روش‌های پیش‌پردازش نشان داد، روش‌های PLSR و bagging-PLSR به ترتیب با گستره مقادیر RMSE برابر با % 1/11-0/167 و % 1/03-0/142 در برآورد مقدار كربن آلی خاك همراه بودند. همچنین، به ازای مقادیر كربن آلی >1/2 درصد، دقت تخمین در هر دو روش كاهش یافت. نتیجه‌گیری: یافته‌های پژوهش نشان داد كه استفاده از بازتاب طیفی خاك در محدوده مرئی، مادون‌قرمز نزدیك و مادون‌قرمز میانی(VIS، NIR و SWIR) می‌تواند مقدار كربن آلی خاك را مورد‌مطالعه قرار دهد. همچنین منحنی‌های طیفی خاك‌های مختلف سه مشخصه جذب در طول‌موج‌های 1414، 1913 و 2207 نانومتر را نشان داد كه مربوط به مقدار آب موجود در شبكه كانی‌های رسی خاك و رطوبت هیگروسكوپی خاك بوده و می‌تواند به‌عنوان مشخصه‌های منحصربه‌فرد هر خاك محسوب شود. این باندها اهمیت زیادی در برآورد مقدار كربن آلی خاك دارند. پیش‌پردازش داده‌های طیفی خاك و انتخاب مناسب‌ترین روش پیش‌پردازش، یكی از مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار بر دقت روش‌های رگرسیون حداقل مربعات جزئی(PLSR) و رگرسیون حداقل مربعات معمولی با بازنمونه‌گیری(bagging-PLSR) در برآورد مقدار كربن آلی خاك بود. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، روشbagging-PLSR نسبت به روش PLSR دقت بالاتری در برآورد مقدار كربن آلی خاك نشان داد.