بررسی کارایی متغیرهای محیطی بر مدل سازی توزیع مکانی ظرفیت تبادل کاتیونی خاک در دشت سیستان با استفاده از روشهای زمین آماری

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، خوزستان، ایران.

2 گروه خاکشناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، خوزستان، ایران

3 گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده مهندسی آب و خاک، دانشگاه زابل، سیستان و بلوچستان، ایران.

4 بخش تحقیقات خاک و آب، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی گلستان، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، گرگان، گلستان، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: نقشه‌های خاک یکی از نیازهای اصلی برای کاربران و تصمیم‌سازان علوم زمین می‌باشد. آگاهی دقیق از توزیع مکانی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک مانند ظرفیت تبادل کاتیونی برای تصمیم‌گیری مناسب در مدیریت مؤثر کشاورزی می‌تواند مهم باشد. ظرفیت تبادل کاتیونی خاک یکی از ویژگی‌های کلیدی برای مدیریت حاصلخیری و تولید گیاهی است و مدل‌سازی مکانی آن برای کشاورزان و مدیران این حوزه دارای اهمیت است.. مطالعات پیشین ثابت نموده است که می‌توان از روش‌های زمین‌آماری به طور موفقیت-آمیزی برای پیش‌بینی و پهنه‌بندی ویژگی‌های خاک استفاده نمود. از این‌رو با عنایت به اینکه اندازه‌گیری ظرفیت تبادل کاتیونی خاک به عنوان یکی از ویژگی‌های دیربافت و هزینه‌بر از چالش‌های پیش روی محققان محسوب می‌شود و همچنین در رابطه با بررسی روند تغییرات مکانی ظرفیت تبادل کاتیونی در دشت سیستان مطالعه‌ای انجام نشده است، لذا این مطالعه با هدف تهیه نقشه‌ پراکنش مکانی ظرفیت تبادل کاتیونی خاک و تعیین عوامل (متغیرهای) محیطی تاثیرگذار بر تغییرات مکانی این ویژگی و همچنین مقایسه روش‌های مختلف میان‌یابی در پیش‌بینی مقادیر ظرفیت تبادل کاتیونی اراضی دشت سیستان انجام شد.
مواد و روش‌ها: به‌منظور انجام این پژوهش تعداد 422 نقطه به روش‌ نظارت شده تصادفی در دشت سیستان انتخاب و سپس در تابستان سال 1403 از خاک سطحی (عمق 20-0 سانتی‌متری) در نقاط پیشنهادی نمونه‌برداری شد. همچنین، در این مطالعه از داده‌های سنجش از دوری شامل تصاویر سنجنده OLI ماهواره لندست 8 (باندهای منفرد و شاخص‌های حاصل از نسبت‌گیری باندی) مربوط به نزدیک‌ترین زمان نمونه‌برداری از خاک استفاده شد. شاخص‌های سنجش از دوری مورد نظر با استفاده از نرم‌افزار ArcGIS نسخه شماره 10.8.2 محاسبه و استخراج شدند. هم‌چنین متغیر‌های محیطی مشتق شده از مدل رقومی ارتفاعی محدوده مطالعاتی با قدرت تفکیک مکانی 30 متر از پایگاه استر بارگیری شده و سپس با کمک نرم افزار SAGAGIS نسخه شماره7.5 استخراج شدند. سپس در نرم افزار ArcGIS مقادیر متناظر شاخص‌های حاصل از تصاویر ماهواره‌ای و مدل‌های رقومی ارتفاعی در نقاط نمونه‌برداری شده استخراج و به صورت جدول در نرم افزار Excel ذخیره گردید. در مجموع 81 متغیر محیطی در سه دسته متغیرهای خاکی، سنجش از دوری و مستخرج شده از مدل رقومی ارتفاع مورد سنجش قرار گرفتند. در گام بعد، متغیرهایی که همبستگی معنی‌داری با ظرفیت تبادل کاتیونی خاک نشان دادند وارد فرآیند مدل‌سازی و تجزیه و تحلیل‌های زمین‌آماری شدند. روش‌ وزن‌دهی معکوس فاصله (در سه حالت توان اول، دوم و سوم)، کریجینگ ساده و معمولی و کوکریجینگ ساده و معمولی به عنوان روش‌های زمین ‌آماری برای میان‌یابی و پیش‌بینی مقادیر ظرفیت تبادل کاتیونی در نقاط نمونه برداری نشده مورد استفاده قرار گرفتند. تأثیر تمامی متغیرهای محیطی منتخب به صورت جداگانه و ترکیبی در روش‌های کوکریجینگ ساده و معمولی بر دقت پیش‌بینی ظرفیت تبادل کاتیونی توسط این مدل‌ها بررسی گردید. همچنین، به منظور ارزیابی دقت مدل‌های مختلف از دو آماره ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) و میانگین خطا (ME) استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که میانگین ظرفیت تبادل کاتیونی در دشت سیستان 67/12 سانتی‌مول در هر کیلوگرم خاک می‌باشد. بهترین مدل تغییرنما بر اساس حداقل مجموع مربعات (RSS) و حداکثر مقدار ضریب تبیین (R2) برای پیش‌بینی تغییرپذیری مکانی ظرفیت تبادل کاتیونی در خاک‌های دشت سیستان، مدل گوسی (60/0 = R2 و 289 = RSS) به‌دست آمد. بررسی همبستگی مکانی ظرفیت تبادل کاتیونی در منطقه مطالعاتی متوسط به‌دست آمد که احتمالاً به دلیل پیچیدگی‌های ژئومورفولوژیکی منطقه و تغییرات در محیط‌هـای رسـوبگذاری است. نتایج تحلیل همبستگی بین ظرفیت نبادل کاتیونی و متغیرهای کمکی استفاده شده در این پژوهش حاکی از آن است که متغیرهای مستخرج از مدل رقومی ارتفاع بیشترین همبستگی را با ظرفیت تبادل کاتیونی خاک دارند. در بین متغیرهای خاکی، درصد رس، در بین متغیرهای سنجش از دوری، باند مادون قرمز نزدیک و در بین متغیرهای مستخرج از مدل رقومی ارتفاع ، ارتفاع منطقه از سطح دریا به عنوان موثرترین متغیرهای پیش‌بینی کننده ظرفیت تبادل کاتیونی تشخیص داده شدند. از بین روش‌های میان‌یابی استفاده شده، روش کوکریجینگ معمولی بهترین عملکرد (011/0- = ME و 116/7 = RMSE) را در مقایسه با روش‌های کریجینگ و وزن‌دهی عکس فاصله نشان داد و به عنوان مدل منتخب برای تهیه نقشه پراکنش مکانی ظرفیت تبادل کاتیونی در منطقه مورد استفاده قرار گرفت. از بین سناریوها و روش‌های مختلف میان‌یابی به‌کارگرفته شده در این پژوهش، روش کوکریجینگ معمولی با تلفیق هر سه متغیر درصد رس، باند مادون قرمز نزدیک و ارتفاع منطقه از سطح دریا به‌عنوان بهترین و دقیق‌ترین روش تهیه نقشه ظرفیت تبادل کاتیونی خاک در دشت سیستان انتخاب شد. بررسی الگوی پراکنش مکانی ظرفیت تبادل کاتیونی در منطقه نیز حاکی از آن است که مقدار ظرفیت تبادل کاتیونی خاک در قسمت‌های جنوب شرقی و بخش‌هایی از جنوب منطقه کمترین مقدار (کمتر از 6 سانتی‌مول در هر کیلوگرم خاک) است و در قسمت‌های شرقی، بخش‌هایی از جنوب و شمال غرب منطقه دارای مقدار کم تا متوسط (12-6 سانتی‌مول در هر کیلوگرم خاک) است. در بخش‌های مرکزی، شمال شرق و غرب منطقه مقادیر متوسط تا زیاد (24-12 سانتی‌مول در هر کیلوگرم خاک) و در بخش‌های کوچکی از شمال شرق و غرب منطقه بیشترین مقدار ظرفیت تبادل کاتیونی خاک (بیشتر از 24 میلی‌اکی‌والان بر 100 گرم خاک) مشاهده شد.
نتیجه‌گیری: در کل می‌توان چنین نتیجه‌گیری نمود که الگوی پراکنش مکانی تغییرات مکانی ظرفیت تبادل کاتیونی خاک در منطقه به شدت تحت تاثیر پراکنش اندازه ذرات خاک، ژئومورفولوژی منطقه و شرایط هیدرولوژیکی است. یافته‌های این پژوهش حاکی از آن است که تلفیق متغیرهای محیطی منتخب در این پژوهش که منعکس کننده شرایط خاک‌سازی در منطقه و یا عوامل موثر بر آن هستند، همراه با استفادده از روش زمین‌آماری کوکریجینگ می‌تواند به تهیه نقشه‌های ظرفیت تبادل کاتیونی خاک با دقت خوب منجر شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluating the effectiveness of environmental variables in modeling spatial distribution of cation exchange capacity in Sistan Plain using geostatistical approaches

نویسندگان [English]

  • Khalilollah Mirakzehi 1
  • سعید Hojati 2
  • Ali Shahriari 3
  • Mohammad Reza Pahlavan-Rad 4
1 Department of Soil science, Faculty of Agriculture, Shahid Chamran University, Ahvaz, Khuzestan, Iran
2 Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, Shahid Chamran University of Ahvaz,, Khuzestan, Iran
3 Dept. of Soil Science and Engineering, University of Zabol, Zabol, Sistan and Balouchestan, Iran.
4 Soil and Water Research Department, Golestan Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Gorgan, Iran.
چکیده [English]

Background and Objectives: Soil maps are essential for various users and land-use decision-makers. Improving the accuracy of these maps is of significant importance. Soil properties exhibit complex spatial and temporal variations due to the combined interactions of biological, physical, and chemical processes at different scales. Precise knowledge of the spatial distribution of soil characteristics is crucial for effective agricultural management and informed decision-making. Soil cation exchange capacity (CEC) is an important property that serves as a reliable indicator of plant nutrition, pollutant adsorption, and the prevention of leaching from the soil. Given the significance of this property, its measurement in soil studies can be costly and time-consuming, making it one of the challenging, labor-intensive, and expensive tasks faced by researchers. However, previous studies have shown that geostatistical methods can effectively predict and map soil properties. Therefore, this study aims to compare the effectiveness of auxiliary variables and geostatistical methods in producing a map of soil cation exchange capacity in the Sistan Plain.

Materials and Methods: For this research, data from 422 soil profiles in the Sistan Plain were utilized. Sampling locations were selected using a controlled random sampling method. Additionally, this study employed time series remote sensing data, including Landsat 8 OLI sensor images (single bands and indices derived from band ratios), to prepare relevant indices. For this research, data from 422 soil profiles in the Sistan Plain were utilized. Sampling locations were selected using a controlled random sampling method. Additionally, this study employed time series remote sensing data, including Landsat 8 OLI sensor images (single bands and indices derived from band ratios), to prepare relevant indices. These indices were calculated and extracted using ArcGIS software version 10.8.2. Environmental variables derived from the region's digital elevation model were obtained with SAGAGIS software. The corresponding values of the indices extracted from satellite images and the digital elevation model were retrieved at each sampling point in ArcGIS and compiled into tables stored in Excel. A total of 81 environmental variables were examined, including categorized into soil variables, remote sensing variables, and those derived from the digital elevation model. Variables showing significant correlation with soil cation exchange capacity were selected for modeling and geostatistical analyses. Inverse distance weighting methods (with power parameters of one, two, and three), simple and ordinary kriging, and simple and ordinary cokriging were employed as geostatistical approaches for interpolation and prediction of cation exchange capacity values at unsampled locations. The influence of each selected environmental variable was individually assessed within the cokriging methods concerning their effect on the prediction accuracy of cation exchange capacity. To evaluate the accuracy of the various models, two statistics were used: root mean square error (RMSE) and mean error (ME).

Results: The results indicated that the best variogram model for predicting the spatial variability of cation exchange capacity in the soils of the Sistan Plain, based on the minimum residual sum of squares (RSS) and the maximum R² value, is the Gaussian model. The spatial suitability index, calculated as the ratio of local variance to the threshold, indicated that the cation exchange capacity of the soils in the Sistan Plain falls within the moderate spatial suitability class. Correlation analysis revealed that topographic variables derived from the digital elevation model had the strongest correlation with soil cation exchange capacity. An examination of the spatial distribution pattern of cation exchange capacity in the region showed that the lowest values (less than 6 cmol/kg) were found in the southeastern and southern areas. Low to moderate values (6–12 cmol/kg) were observed in the southern, eastern, and parts of the northwestern regions; moderate to high values (12–24 cmol/kg) were found in the central, northeastern, and western areas; and the highest values (greater than 24 cmol/kg) appeared in small sections of the northeast and west. Among the methods tested, ordinary cokriging performed best. When combined with ordinary cokriging, the soil clay percentage among soil variables, NIR_TOA among remote sensing variables, and elevation among variables extracted from the digital elevation model demonstrated the best performance and were selected as the most accurate method for mapping soil cation exchange capacity in the Sistan Plain.

Conclusion: Soil CEC is a key characteristic for managing soil fertility and plant production, making the spatial modeling of this parameter crucial for farmers and land managers. This study found that the average CEC in the Sistan Plain ranged from low to moderate values (12.67 centimoles per kilogram of soil). The spatial correlation of CEC in the Sistan region was moderate, likely due to the complex geomorphology and variations in depositional environments. Geostatistical methods, particularly cokriging with auxiliary variables, can effectively produce geostatistical maps, greatly assisting various land users in better management. Ultimately, ordinary cokriging, which utilized a combination of three selected auxiliary variables, was identified as the best and most accurate method for mapping soil cation exchange capacity in the Sistan Plain. The lowest CEC values were observed in the southeastern and southern parts of the area, while the highest values were found in small sections of the northeast and west. Additionally, CEC values ranged from low to high in the central, northeastern, and western parts of the region. The spatial distribution pattern of soil CEC appears to be strongly influenced by the distribution of soil particle sizes in the area. The results demonstrate that incorporating combined environmental variables that reflect soil formation conditions or influencing factors, alongside cokriging, can lead to accurate and practical mapping outcomes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Digital Soil Mapping
  • Co-kriging
  • Arid region
  • Flood Plain