برآورد مقدار کربن آلی خاک با استفاده از داده‌های ابر طیفی در گستره VIS-NIR-SWIR

سابقه و هدف: مقدار کربن آلی خاک به عنوان یکی از مهمترین ویژگی‌های خاک، اهمیت بسیاری در توسعه و مدیریت پایدار کشاورزی دارد. مقدار مواد آلی خاک که عموما بر اساس مقدار کربن آلی آن اندازه گیری می‌شود، معمولا به عنوان شاخص کلیدی کیفیت و عملکرد خاک قلمداد می گردد (24). وجود مواد آلی مکفی خاک، تاثیرات مثبتی بر باروری خاک، ظرفیت نگهداشت آب خاک و ترسیب کربن دارد (35؛ 26؛ 25؛ 30). تحقیقات اخیر نشان داده است که فعالیت‌های انسانی همانند عملیات مکانیکی کاشت و فعالیت‌های توسعه‌ای اقتصادی منجر به درخطر افتادن محتوای مواد آلی خاک شده است (23؛ 22). بنابراین پایش مستمر میزان کربن آلی خاک می تواند نقشی مهمی در کنترل کیفیت و عملکرد خاک داشته باشد. از آنجا که روش‌های معمول آزمایشگاهی اندازه‌گیری کربن آلی خاک، به ویژه در مقیاس‌های مکانی بزرگ، عمدتاً پرهزینه و زمان‌بر هستند به همین دلیل، روش‌های ارزیابی سریع، کم‌هزینه و با دقتِ میزان کربن آلی خاک، می‌تواند یک اقدام بسیار ارزشمند برای مدیریت بلندمدت خاک باشد. هدف از انجام این پژوهش مطالعه رفتار طیفی خاک به‌منظور برآورد مقدار کربن آلی خاک 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 کربن آلی خاک بود.مواد و روش‌ها: تعداد 200 نمونه خاک در مقیاس حوزه آبخیز (داده‌های واسنجی) و 40 نمونه در مقیاس مزرعه (داده‌های اعتبارسنجی) از دو عمق خاک (صفر تا 10 و 10 تا 30 سانتیمتر خاک) به‌صورت نمونه‌برداری مرکب در یک شعاع 10 متری جمع‌آوری و پس از هوا خشک‌کردن از الک 2 میلی‌متر عبور داده شد. برخی ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی خاک‌ها در آزمایشگاه اندازه‌گیری شد. پس ‌از آن، بازتاب طیفی خاک در گستره مرئی، مادون‌قرمز نزدیک و میانی (2500-350 نانومتر) با استفاده از دستگاه اسپکترو‌رادیومتر اندازه‌گیری و ارتباط بین 2000 باند با مقدار کربن آلی خاک مورد ‌بررسی قرار گرفت.یافته‌ها: بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، بهترین روش‌های پیش‌پردازش به‌منظور واسنجی مدل PLSR شامل حذف روند به روش موجک (94/1=RPD) و SNV توأم با فیلتر میانه (92/1=RPD) بود. تعداد فاکتور 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 % 11/1-167/0 و % 03/1-142/0 در برآورد مقدار کربن آلی خاک همراه بودند. همچنین، به ازای مقادیر کربن آلی >2/1 درصد، دقت تخمین در هر دو روش کاهش یافت.نتیجه‌گیری: یافته‌های پژوهش نشان داد که استفاده از بازتاب طیفی خاک در محدوده مرئی، مادون‌قرمز نزدیک و مادون‌قرمز میانی(VIS، NIR و SWIR) می‌تواند مقدار کربن آلی خاک را مورد‌مطالعه قرار دهد. همچنین منحنی‌های طیفی خاک‌های مختلف سه مشخصه جذب در طول‌موج‌های 1414، 1913 و 2207 نانومتر را نشان داد که مربوط به مقدار آب موجود در شبکه کانی‌های رسی خاک و رطوبت هیگروسکوپی خاک بوده و می‌تواند به‌عنوان مشخصه‌های منحصربه‌فرد هر خاک محسوب شود. این باندها اهمیت زیادی در برآورد مقدار کربن آلی خاک دارند. پیش‌پردازش داده‌های طیفی خاک و انتخاب مناسب‌ترین روش پیش‌پردازش، یکی از مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار بر دقت روش‌های رگرسیون حداقل مربعات جزئی(PLSR) و رگرسیون حداقل مربعات معمولی با بازنمونه‌گیری(bagging-PLSR) در برآورد مقدار کربن آلی خاک بود. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، روشbagging-PLSR نسبت به روش PLSR دقت بالاتری در برآورد مقدار کربن آلی خاک نشان داد.