استفاده از روش طیف‌سنجی بازتابی مرئی-فروسرخ در برآورد برخی ویژگی‌های ‏خاک در خاک‌های گچی-آهکی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشیار، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس

3 استادیار، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری

4 دانشیار، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز

چکیده

روش‌های طیف­‌سنجی بازتابی مرئی-فروسرخ بر مبنای حساسیت ترکیبات آلی و معدنی خاک به بازتاب امواج مرئی و فروسرخ استوار شده است و از این ویژگی برای مطالعات کشاورزی و زیست‌محیطی خاک­‌ها استفاده می­‌شود. علی‌رغم مطالعات گسترده­ در زمینه طیف­‌سنجی بازتابی مرئی-فروسرخ خاک‌ها، این مطالعات در خاک‌های گچی ایران انجام نشده است. هدف از این پژوهش، دستیابی به روشی است که بتواند از طریق طیف بازتابی مرئی-فروسرخ پیش‌بینی قابل قبولی از ویژگی‌های شیمیایی خاک‌های گچی-آهکی ارائه دهد. بدین منظور، تعداد 102 نمونه خاک از عمق‌های 30-0 سانتی‌متری در پنج استان جمع­‌آوری شد. در نمونه­‌ها مقادیر گچ، کربنات کلسیم معادل، ظرفیت تبادل کاتیونی، شوری، pH، کاتیون‌های تبادلی کلسیم، منیزیم، سدیم و پتاسیم، مقادیر رس، شن و سیلت با روش‌های استاندارد، اندازه­‌گیری شدند. سپس نمونه­‌های خاک با دستگاه طیف­‌بین با قدرت تفکیک یک نانومتر در دامنه 350 تا 2500 نانومتر اسکن شدند. واسنجی بین داده­‌های طیفی و آزمایشگاهی به‌روش اعتبارسنجی داخلی با کمک مدل‌های PLSR و BRT انجام شد. داده­‌های خام طیف بازتاب و داده­‌های مشتق اول به‌طور جداگانه و نیز داده­‌های ترکیبی این دو مورد استفاده قرار گرفتند. سپس داده­‌ها به‌طور تصادفی به دو گروه 70 و 30 درصدی تقسیم­ شدند و از هر دو گروه یک­‌بار به‌عنوان سری واسنجی و ­بار دیگر به‌عنوان سری اعتبارسنجی استفاده شد. بر اساس نتایج، در بین ویژگی‌های خاک بهترین پیش­‌بینی مدل‌ها برای گچ (0.79=R2کربنات کلسیم معادل (0.71=R2ظرفیت تبادل کاتیونی (0.72=R2کلسیم تبادلی (0.81=R2منیزیم تبادلی (0.67=R2درصد رس (0.82=R2درصد شن (0.85=R2درصد سیلت (0.66=R2) و مواد آلی خاک (0.79=R2) به‌دست آمد. مقایسه دو مدل نشان داد که در حالت اعتبارسنجی داخلی، مدل BRT تقریباً در همه متغیرها برآورد بهتری داشت اما وقتی از دو سری جداگانه واسنجی و اعتبارسنجی استفاده شد، بین دو مدل تفاوت چندانی دیده نشد. با توجه به نتایج، به نظر می‌­رسد که روش طیف­‌سنجی مرئی-فروسرخ می­‌تواند به‌عنوان یک روش جایگزین برای روش‌های مرسوم آزمایشگاهی در تعیین ویژگی‌های خاک مطرح باشد و به کاهش تعداد نمونه‌­های خاک در پروژه­‌های مدیریت منابع طبیعی و آبخیزداری کمک کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • Akbar Hassani 1
  • Hosseinali Bahrami 2
  • Aliakbar Noroozi 3
  • Shahin Oustan 4
1 PhD Student, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University, Iran
2 Associate Professor, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University, Iran‎
3 Assistant Professor, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, Iran‎
4 Associate Professor, Faculty of Humanities and Social Science, Tabriz University, Iran
چکیده [English]

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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Calibration
  • BRT
  • PLSR
  • Soil reflectance
  • Validation