بررسی توزیع جانبی و عمودی کربنات کلسیم در خاک با استفاده از زمین آمار و توابع اسپلاین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیئت علمی

2 گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده محیط زیست و منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء بهبهان، بهبهان

3 گروه مهندسی علوم خاک، پردیش کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران

4 گروه خاکشناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد

چکیده

در بیشتر مطالعات انجام‌شده روی توزیع کربن خاک، به توزیع سه‌بعدی کربن معدنی کمتر توجه شده است. کربنات کلسیم شکل غالب کربناتها در خاکهای مناطق خشک و نیمه‌خشک است که دانستن توزیع سه‌بعدی آن برای شناسایی عوامل موثر بر توزیع آن، پیش‌بینی برخی رفتارهای مهم و مدیریت بهتر خاک اهمیت دارد. این پژوهش با هدف بررسی توزیع سه‌بعدی کربنات کلسیم خاک در منطقه‌ای به وسعت 3600 هکتار در دشت سیلاخور (استان لرستان) انجام گرفت. برای این منظور، تابع اسپلاین با سطح برابر به داده‌های کربنات کلسیم به‌دست‌آمده از 103 مکان تا عمق یک متری برازش داده شد و مقادیر کربنات کلسیم در پنج عمق استاندارد پروژه جهانی نقشه‌برداری رقومی برآورد گردید. سپس از کریجینگ معمولی برای تهیه نقشه پیوسته تغییرات جانبی کربنات کلسیم در همه عمق‌ها استفاده شد. بررسی‌های زمین‌آماری نشان داد که در همه عمق‌ها مدل کروی بهترین مدل برای نشان دادن ساختار تغییرات مکانی کربنات کلسیم بود. نسبت اثر قطعه‌ای به آستانه واریوگرام برای همه عمق‌ها کمتر از 25 درصد بود که بیانگر پیوستگی مکانی قوی کربنات کلسیم بود. بررسی ناهمسانگردی بیانگر بیشتر بودن دامنه واریوگرام‌ها در امتداد دشت نسبت به امتداد عمود بر آن بود که نشان‌دهنده پیوستگی مکانی بیشتر در این امتداد به دلیل یکنواختی بیشتر مواد مادری، کاربری اراضی و شیب بود. نتایج برازش توابع اسپلاین بیانگر کارآیی خوب آنها در تخمین تغییرات عمودی کربنات کلسیم (88/0=R2 و 99/0=RMSE) بود. نقشه‌های توزیع جانبی و توابع اسپلاین هر دو بیانگر روند افزایشی کربنات کلسیم با عمق بودند. در بخش‌های شرقی و جنوبی منطقه به دلیل زهکشی ضعیف و در نتیجه کاهش آبشویی، مقدار کربنات کلسیم در خاکها بالا و روند افزایشی آن با عمق زیاد محسوس نبود. به‌طورکلی نتایج نشان داد که کاربرد همزمان توابع اسپلاین با روش‌های زمین‌آماری، رویکرد امیدوارکننده‌ای در بررسی تغییرات سه‌بعدی خواص خاک و برطرف کردن برخی مشکلات نقشه‌های سنتی است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Study of lateral and vertical distribution of soil calcium carbonate using geostatistics and spline functions

چکیده [English]

In most studies on the distribution of soil carbon, three-dimensional distributions of soil inorganic carbon were neglected. Calcium carbonate is the most common carbonate in arid and semi-arid soils. Information on its spatial three-dimensional distribution is very important to determine factors controlling its distribution, to predict soil behavior and to improve soil management practice. This study aimed to map three-dimensional distributions of soil calcium carbonate (SCC) in an area of 3600 ha located in Silakhor plain (Lorestan province). An equal-area spline depth function (ESDF) was fitted to the measured SCC data of 103 pedons and the amounts of SCC at the five standard depths of the global soil map project were estimated.Then, ordinary kriging was employed to map the lateral distribution of SCC at all specified depths. Geostatistical analysis showed that spherical model was the best model representing spatial structure of calcium carbonate in all depths. All experimental variograms had a nugget to sill ratio less than 25 % which indicated strong spatial dependence for SCC. Anisotropy analysis indicated that ranges of variograms for all specified depths in the northwest-southeast direction were more than perpendicular direction. It indicated that SCC had more spatial dependence along Silakhor plain due to small variations in land use, slope and parent materials along the plain. Spline functions showed good performance in predicting vertical distribution of SCC (R2=0.88, RMSE=0.99). Both lateral continuous maps and spline functions indicated an increasing trend in SCC with increasing depth. In the eastern and southern parts, due to poor drainage and low leaching, SCC was high and its increasing trend with depths was not significant. Generally, results indicated that the combination of spline functions and geostatistical method is a promising approach to map three-dimensional distribution of SCC and to deal with some of the problem arising from legacy soil maps.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Continuous soil map
  • Silakhor plain
  • spline functions
  • three-dimensional soil mapping

مراجع

References
Adhikari K., Kheir R.B., Greve M.B., Bøcher P.K., Malone B.P., Minasny B., McBratney A.B., and Greve M.H. 2013. High-resolution 3-D mapping of soil texture in Denmark. Soil Science Society of America Journal, 77: 860-876.
Akpa S.I.C., Odeh I.O.A., and Bishop T.F.A. 2014. Digital mapping of soil particle-size fractions for Nigeria. Soil Science Society of America Journal, 78: 1953-1966.
Amirian-Chakan A. 2012. Spatial modeling of land suitability using fuzzy sets theory and geo-statistics techniques. Ph.D. dissertation, University of Tehran, Tehran. (In Persian).
Amirinejad A.A., Kamble K., Aggarwal P., Chakraborty D., Pradhan S., and Mittal R.B. 2011. Assessment and mapping of spatial variation of soil physical health in a farm. Geoderma, 160: 293-303.
Andronikov S.V., Davidson D.A., and Spiers R.B. 2000.Variability in contamination by heavy metals: sampling implications. Water, Air and Soil Pollution, 120: 29-45.
Badí D., Martí C., Aznar J.M., and León J. 2013. Influence of slope and parent rock on soil genesis and classification in semiarid mountainous environments. Geoderma, 193: 13-21.
Bishop T.F.A., McBratney A.B., and Laslett G.M. 1999. Modelling soil attribute depth functions with equal-area quadratic smoothing splines. Geoderma, 91: 27-45.
Campbell N.A., Mulcahy M.J., and McArthur W.M. 1970. Numerical classification of soil profiles on the basis of field morphological properties. Australian Journal of Soil Research, 8: 43-58.
Egli M., and Fitz P. 2001. Quantitative aspects of carbonate leaching of soils with differing ages and climate. Catena, 46: 35-62.
Esvaren H., Reich P.F., Kimble J.M., Beinroth F.H., Padmanabhan E., and Moncharoen P. 2000. Global carbon stocks. In: Lal et al.(Ed.), Global Change and Pedogenic Carbonate. CRC Press, Boca Ratan, pp. 15-25.
Greve M.H., Kheir R.B., Greve M.B., and Bøcher P.K. 2012. Using digital elevation models as an environmental predictor for soil clay contents. Soil Science Society of America Journal, 76: 2116-2127.
Kerry R., and Oliver M.A. 2003. Variograms of ancillary data to aid sampling for soil surveys. Precision Agriculture, 4: 261-278.
Landi A., Mermut A.R., and Anderson D.W. 2004. Carbon distribution in a hummocky landscape from Saskatchewan, Canada. Soil Science Society of America Journal, 68: 175-184.
Lark R.M. 2010. Two contrasting spatial processes with a common variograms: inference about spatial models from higher-order statistics. European Journal of Soil Science, 61: 479-492.
Laudicina V.M., Scalenghe R., Pisciotta A., Parello F., and Dazzi C. 2013. Pedogenic carbonates and carbon pools in gypsiferous soils of semiarid Mediterranean environment in south Italy. Geoderma, 192: 31-38.
Liu F., Zhang G., Sun J., Zhao Y., and Li D. 2012. Mapping the three-dimensional distribution of soil organic matter across a Subtropical Hilly Landscape. Soil Science Society of America Journal, 77: 1241-1253.
Maki A., Kenji T., Kiukazu K., and Teruo H. 2007.Morphological and physio-chemical characteristics of soils in a steppe region of the Kherlen river basin, Mongolia. Journal of Hydrology, 333: 100-108.
Malone B.P., McBratney A.B., Minasny B., and Laslett G.M. 2009. Mapping continuous depth functions of soil carbon storage and available water capacity. Geoderma, 154: 138-152.
Malone B.P., McBratney A.B., Minasny B. 2011. Empirical estimates of uncertainty for mapping continuous depth functions of soil attributes. Geoderma, 160: 614-626.
McBratney A.B., and Webster R. 1986. Choosing functions for semi-variograms of soil properties and fitting them to sampling estimates. Journal of Soil Science, 37: 617-639.
McBratney A.B., Mendonça-Santos M.L., and Minasny B. 2003. On digital soil mapping. Geoderma, 117: 3-52.
Minasny B., McBratney A.B., Mendonca-Santos M.L., Odeh I.O.A., and Guyon B. 2006. Prediction and digital mapping of soil carbon storage in the Lower Namoi Valley. Australian Journal of Soil Research, 44: 233-244.
Mishra U., Lal R., Slater B., Calhoun F., Liu D., and Van Meirvenne M. 2009. Predicting soil organic carbon stock using profile depth distribution functions and ordinary kriging. Soil Science Society of America Journal, 73: 614-621.
Moral F.J., Terrón J.M., and Rebollo F.J. 2011. Site-specific management zones based on the Rasch model and geo-statistical techniques. Computer and Electronic in Agriculture, 75: 223-230.
Nelson R.E. 1982. Carbonate and gypsum. In: A. L. Page et al. (Ed.), Methods of Soil Analysis-Part 2. 2nd Ed. Agronomy Monograph. 9. ASA and SSSA, Madison, WI, pp. 11-199.
Oliver M.A., and Webster R. 1990. Kriging: a method of interpolation for geographical information systems. International Journal of Geographical Information System, 4: 313-332.
Ponce-Hernandez R., Marriott F.H.C., and Beckett P.H.T. 1986. An improved method for reconstructing a soil profile from analysis of a small number of samples. Journal of Soil Science, 37: 455-467.
Presley D.R., Ransom M.D., Kluitenberg G.J., and Finnell P.R. 2004. Effects of thirty years of irrigation on the genesis and morphology of two semiarid soils in Kansans. Soil Science Society of America Journal, 68:1916-1926.
Soil Survey Staff. 2014. Keys to Soil Taxonomy (11th Ed). USDA-NRCS, Washington.
Sreenivas K., Dadhwal V.K.,  Kumar S., Sri Harsha G., Mitrana  T., Sujatha  G., Janaki Rama Suresh  G., Fyzee, M.A., and Ravisankar T. 2016. Digital mapping of soil organic and inorganic carbon status in India. Geoderma, 269: 160-173.
Taghizadeh-Mehrjardi R., Minasny B., Sarmadian F., and Malone P.B. 2014a. Digital mapping of soil salinity in Ardakan region, central Iran. Geoderma, 213, 15-28.
Taghizadeh-Mehrjerdi R., Amirin Chakan A., and Sarmadian F. 2014b. 3D digital mapping of soil cation exchange capacity in Dorud, Lorestan province. Journal of Water and Soil, 28: 998-1010. (In Persian)
Tan W.F., Zhang R., Cao H., Huang C.Q., Wang M., Koopal M.K., and Yang G.K. 2014. Soil inorganic carbon stock under different soil types and land uses on the loess plateau region of China. Catena, 121: 22-30.
Tesfahunegn G.B., Tamene L., and Vlek P.L.G. 2011. Catchment-scale spatial variability of soil properties and implications on site-specific soil management in northern Ethiopia. Soil and Tillage Research, 117:124–139.
Wang Y., Zhang X., and Huang C. 2009. Spatial variability of soil total nitrogen and soil total phosphorus under different land uses in a small watershed on the Loess Plateau, China. Geoderma, 150: 141–149.
Webster R. 2001. Statistics to support soil research and their presentation. European Journal of Soil Science, 52: 331-340.
Wilford J., de Caritat P., and Bui E. 2015. Modelling the abundance of soil calcium carbonate across Australia using geochemical survey data and environmental predictors. Geoderma, 259-260, 81-92.
Zamanian k., Pustovoytov K., and Kuzyakov Y. 2016. Pedogenic carbonates: forms and formation processes. Earth Science Reviews. (In press).
Zhao W.,  Zhang R., Huang C., Wang B., Cao H., Koopal L.K., and Tan T. 2016. Effect of different vegetation cover on the vertical distribution of soil organic and inorganic carbon in the Zhifanggou Watershed on the loess plateau. Catena, 139: 191-198.
تحقیقات کاربردی خاک
دوره 5، شماره 2
اسفند 1396
صفحه 1-15

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 19 مهر 1395
  • تاریخ بازنگری: 12 بهمن 1395
  • تاریخ پذیرش: 07 بهمن 1396

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار