توسعه و مقایسه توابع انتقالی خاک و توابع انتقالی طیفی برای برآورد نگه‌داشت آب در برخی از خاک‌های استان کردستان

سابقه و هدف: منحنی نگه‌داشت آب در خاک از جمله ویژگی‌های مهم هیدرولیکی خاک بوده که در شبیه سازی جریان آب و انتقال املاح در بخش غیر‌اشباع خاک کاربرد دارد. اندازه‌گیری مستقیم منحنی‌های نگه‌داشت آب در خاک دشوار، زمان‌بر و پرهزینه می‌باشد؛ بدین منظور محققین روش‌هایی غیر‌مستقیم همچون توابعی انتقالی را برای برآورد منحنی نگه‌داشت آب در خاک با استفاده از داده‌های سهل الوصول پیشنهاد کرده‌اند. در چند دهه اخیر، استفاده از داده‌های طیفی خاک به‌عنوان روشی سریع، کم‌هزینه و غیرمخرب در برآورد ویژگی‌های مبنایی خاک به طور گسترده‌ای مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش امکان استفاده از داده‌های طیفی خاک در گستره مرئی مادون قرمز نزدیک، به‌عنوان متغیر ورودی توابع انتقالی و ارزیابی عملکرد آن در مقایسه با ویژگی‌های مبنایی خاک در برآورد منحنی نگه‌داشت آب در خاک بررسی گردید. مواد و روش‌ها: تعداد 100 نمونه خاک، جمع‌آوری و منحنی‌های بازتاب طیفی آنها در گستره 2500-350 نانومتر با استفاده از دستگاه اسپکترورادیومتر زمینی اندازه‌گیری شد. برخی از ویژگی‌های مبنایی خاک شامل توزیع اندازه ذرات، جرم ویژه ظاهری و حقیقی، مقدار کربن آلی و کربنات کلسیم معادل به همراه مقادیر رطوبت در پتانسیل‌های ماتریک 10، 33، 50، 100، 300، 500، 1000 و 1500 کیلو پاسکال با دستگاه صفحات و غشاء فشاری تعیین شد. منحنی بازتاب طیفی نمونه‌ها با استفاده از نرم‌افزار rs3 موجود بر روی رایانه قابل‌حمل متصل به دستگاه اسپکترورادیومتر، با تعداد 5 قرائت برای هر نمونه خاک ثبت شد. پس از انجام پیش‌پردازش‌های طیفی، همبستگی بین مقادیر جذب در هر یک از طول موج‌های مورد‌مطالعه با مقادیر رطوبت خاک در مکش‌های مختلف بررسی شد. سپس با استفاده از روش‌رگرسیونی خطی چندگانه گام‌به‌گام و بهره‌گیری از داده‌های مبنایی و طیفی خاک، روابطی ریاضی به‌ترتیب تحت‌عنوان توابع انتقالی خاکی (ptfs) و طیفی (stfs) پی‌ریزی شد. به‌منظور ارزیابی دقت توابع پیشنهادی از آماره‌‌هایی همچون ضریب تبیین تعدیل شده (r^2adj)، ریشه میانگین مربعات خطای نرمال‌شده (nrmse)، میانگین خطا (me) و نسبت انحراف دقت (rpd) استفاده شد. یافته ها: توابع انتقالی خاکی (ptfs) در انتهای خشک منحنی نگهداشت آب در خاک در مقایسه با انتهای مرطوب آن برآورد‌های دقیق‌تری ارائه کردند. دلیل این موضوع را می‌توان وجود همبستگی بالای رطوبت خاک با توزیع اندازه ذرات خاک در انتهای خشک منحنی نگهداشت آب خاک بیان کرد. نتایج حاصل از ارزیابی آماره‌ها نشان داد که ptfs پی‌ریزی شده جهت برآورد نگه‌داشت آب در خاک در مکش‌های 10 تا 1500 کیلو‌پاسکال از دقت پیش‌بینی خوبی برخوردار بودند. این در حالی است که stfs در مقایسه با ptfs پیشنهادی در برآورد پارامترهای مورد‌مطالعه نیز، دارای نتایجی معقول اما به‌نسبت ضعیف‌تری بودند.نتیجه‌گیری کلی: در مجموع نتایج این پژوهش نشان داد، برغم نتایج نسبتاً کم‌دقت‌تر stfs نسبت بهptfs به‌دلیل صرف هزینه، زمان و داده‌برداری صحرایی کمتر، استفاده از داده‌های طیفی خاک می‌تواند به‌عنوان روشی غیرمستقیم و نوین برای برآورد مقادیر رطوبت حجمی خاک به ازای پتانسیل‌های ماتریک مختلف مورد استفاده قرار گیرد.

Developing and comparing pedotransfer functions and spectral transfer functions for predicting water retention in some soils of Kurdistan province

Background and objectives: The soil water retention curve (SWRC), as an important hydraulic soil property, is used in modeling water flow and solute transport in the unsaturated zone of the soil. Direct measurements of SWRC are difficult, timeconsuming and costly. Hence, researchers have proposed indirect methods such as pedotransfer functions to estimate soil water retention curve using readily available soil data. Over the last decades, soil spectral data as a rapid, low cost, and nondestructive method has been widely applied to estimate basic soil properties. Consequently, in this study, the feasibility of using soil spectral information in the visible and nearinfrared region, as input variables for transfer functions, and evaluation its performance was investigated compared to basic soil properties in estimating soil water retention curve.Materials and methods: A number of 100 soil samples were collected and their spectral reflectance over 3502500 nm region were measured using a handheld spectroradiometer apparatus. Some basic soil properties such as particle size distribution, particle density, bulk density, organic carbon content and calcium carbonate equivalent, and soil moisture content at matric potentials of 10, 33, 50, 100, 300, 500, 1000, and 1500 kPa were also determined with pressure plate membrane apparatus. Spectral reflectance curves of the samples were recorded using RS3 software on a portable computer connected to a spectroradiometer with 5 readings per soil sample. After spectral preprocessing, the correlation coefficient between absorption features of soil in each wavelength with soil moisture content at different matric potentials were investigated. Stepwise multiple linear regression was applied to derive pedotransfer functions (PTFs) and spectral transfer functions (STFs) that uses basic soil properties and soil spectral reflectance as input, respectively. The accuracy of the proposed functions were assessed by adjusted coefficient of determination (R2adj), normalized root mean square error (NRMSE), mean error (ME), and the ratio of performance to deviation (RPD). Results: Pedotransfer functions (PTFs) provided more accurate estimates at the dryend of the soil moisture curve than the wetend, due to the high correlation of soil moisture with soil particle size distribution at the dryend of the soil moisture curve. The results of the statistical parameters showed that the derived PTFs for estimating soil water retention at 10 to 1500 kPa matric suctions have good prediction accuracy. However, STFs also had reasonable but poorer results than the proposed PTFs in estimating the studied characteristics.Conclusion: Overall, the results of this study revealed that, despite the relatively poorer results of STFs than PTF, due to lower costs, time and field data, soil spectral data can be used as an indirect and novel method for estimating volumetric soil moisture content at different matric potentials.