تحلیل توزیع مکانی پوسته‌های زیستی خاک بر اساس شاخص biological soil crust (bsci)

پیشینه و هدف پوسته‌های زیستی خاک مجموعه‌ای از گلسنگ‌ها، خزه‌ها، قارچ‌ها، سیانوباکتری‌ها و غیره هستند که بخش از اکوسیستم خاک را تشکیل داده‌اند. برآورد تراکم و نحوه توزیع پوسته‌های زیستی خاک در مناطق خشک و نیمه‌خشک کشور ایران که موضوع فرسایش و هدر رفت خاک از اهم مسائل است، اهمیت بسزایی دارد. روش‌های مبتنی بر تکنیک سنجش‌ازدور به لحاظ هزینه و زمان کمتر روش‌هایی کارآمد برای دستیابی به این هدف مهم می‌باشند. دشت سگزی یکی از نقاط بحرانی فرسایش بادی در ایران است و شناسایی و تعیین نحوه توزیع پوسته‌های زیستی خاک به‌عنوان عامل اصلاح‌کننده خاک گامی موثر در کاهش فرسایش بادی منطقه است. در این تحقیق شاخص bsci (biological soil crust) برای تهیه نقشه پراکنش پوسته‌های زیستی خاک با غالبیت گلسنگ به کار گرفته‌شده است. مواد و روش ها محدوده موردمطالعه بخشی از بیابان سگزی (بیابان‌های مرکزی ایران) است  که در استان اصفهان از کشور ایران واقع‌شده است. محدوده موردمطالعه با مساحت 199.5 هکتار بین طول‌های شرقی32 ́ 52 ̊ 51 تا 41 ́ 27 ̊ 52 و عرض‌های شمالی 31 ́ 33 ̊ 32 تا 01 ́ 55 ̊ 32 گسترده شده است. شیب  متوسط دشت سگزی 1.08 درصد و ارتفاع متوسط آن 1680 متر است. بر اساس آمار ایستگاه هواشناسی شرق اصفهان (ایستگاه شهید بهشتی) متوسط بارش سالیانه منطقه 106 میلی‌متر است. بر اساس طبقه‌بندی اقلیمی دومارتن، اقلیم منطقه از نوع خشک و براساس طبقه‌بندی آمبرژه از نوع خشک سرد است. شاخص bsci شاخصی ترکیبی از روابط مورداستفاده برای برآورد پوشش گیاهی و سطح خاک لخت است و رابطه ریاضی آن شیب‌خط خاک لحاظ شده است. برای محاسبه خط خاک در یک منطقه، نخست باید پیکسل‌هایی که دارای خاک لخت بوده و هیچ پوشش گیاهی ندارند جدا شوند. به‌منظور محاسبه معادله خط خاک، در چهارفصل سال تصاویر ماهواره landsat oli 8 مربوط به سال 1397ز سایت سازمان زمین‌شناسی آمریکا دانلود شده و تعداد 20 الی 30 پیکسل خالص خاک لخت استخراج و با ترسیم مقادیر بازتاب این پیکسل‌ها در محدوده باند قرمز و مادون‌قرمز نزدیک ضرایب خط خاک برای هر یک از فصل‌های سال در دشت سگزی محاسبه شد. بر اساس این شاخص، شناسایی پوسته‌های زیستی با غالبیت گلسنگ، با استفاده از انعکاس طیفی حداقل visnir و شیب بین باند قرمز و سبز در مقایسه با خاک لخت و پوشش گیاهی خشک صورت می‌گیرد. با استفاده از نرم‌افزار envi نقشه پراکنش پوسته‌های زیستی با غالبیت گلسنگ در چهارفصل از سال 1397 در دشت سگزی تهیه شدند. سپس نقشه‌های تهیه‌شده براساس نقاط زمینی اعتبارسنجی شده و میزان صحت کل و شاخص کاپا در هر چهارفصل محاسبه شدند. نمونه‌های گلسنگ جمع‌آوری‌شده بر اساس خصوصیات مرفولوژیکی آن‌ها و با استفاده از استریومیکروسکوپ، میکروسکوپ معمولی و معرف‌های رنگی متداول از قبیل هیدروکسید پتاسیم (koh) شناسایی شدند. پس از اعمال شاخص bsci بر روی تصویر ماهواره لندست 8، با استفاده از نرم‌افزار envi پروفیل طیفی مربوط به 4 نقطه از دشت سگزی در چهارفصل از سال تهیه شد و میزان بازتابش طیفی در چهارفصل از سال در نقاط مختلف بررسی شدند. نتایج و بحث شیب‌خط خاک در فصل بارش که هم‌زمان با رشد گیاهان علفی و یک‌ساله است در مقایسه با فصل تابستان که حداقل میزان بارش را داشته و همچنین گیاهان یک‌ساله خشک‌شده و از بین رفته‌اند، کمتر است. در اردیبهشت‌ ماه شیب‌خط خاک حداقل بوده (0.39) و در اواخر تابستان حداکثر مقدار خود را دارد (0.78). در حقیقت شیب‌خط خاک از اسفندماه تا اردیبهشت رو به کاهش نهاده و سپس با از بین رفتن پوشش گیاهی یک‌ساله و افزایش سطح خاک لخت بیشتر شده است. نقشه‌های پراکنش پوسته‌های زیستی در هر چهارفصل سال طی بازدیدهای میدانی اعتبار سنجی شدند و سال معلوم شد که بیشترین میزان صحت نقشه مربوط به نقشه تولیدشده از تصویر لندست 8 مربوط به فصل تابستان با میزان صحت کل 94 درصد و شاخص کاپا برابر با 0.7412 بوده است. تفسیر پروفیل طیفی شاخص bsci نشان دادن که بازتابش طیف مربوط به زفره و فشارک که بر روی نقاط با پراکنش گلسنگ‌ها تهیه‌شده است بسیار نزدیک به هم بوده و همچنین پروفیل طیف مربوط به اواسط پاییز و اوایل بهار کاملاً منطبق بر هم است. درحالی‌که در فساران که فاقد پوشش پوسته‌های زیستی بود مقدار بازتابش بیشتر است و اختلافی جزئی بین نمودار بازتابش پاییز و بهار وجود داشت. هرچند مقادیر بازتابش طیفی از اراضی کشاورزی و نقاط پراکنش پوسته‌های زیستی بسیار نزدیک به هم است لیکن نمودار طیفی هر چهارفصل اختلاف زیادی با یکدیگر دارند. لیکن در همه فصول از سال و در همه نقاط کمترین بازتابش در اول زمستان و بیشترین بازتابش در فصل تابستان اتفاق افتاده است. اقلیم دشت سگزی مدیترانه‌ای بوده و بارش در فصل سرد سال انجام می‌شود هم‌زمان با افزایش بارش‌ها از اواسط پاییز گیاهان یک‌ساله و خزه‌ها در پای بوته‌ها شروع به رشد نموده و در اوایل زمستان به اوج خود رسیده‌اند و دوباره در آغاز بهار هم‌زمان با کاهش بارندگی‌ها رو تراکم آن‌ها کاهش‌یافته است. چنانچه طیف مربوط به زمستان در همه نقاط کمترین بازتابش را داشته است. درحالی‌که در اواخر فصل تابستان که گیاهان یک‌ساله و خزه‌ها خشک‌شده‌اند بیشترین بازتابش طیفی را داشته است. در فساران که منطقه‌ای لم‌یزرع و محل دپوی زباله‌هاست، حداکثر میزان بازتابش را نشان داده است. بنابراین شاخص bsci نسبت به درصد ماده آلی خطای فاحشی در تشخیص پوسته‌های زیستی خاک دارد و درجایی که ماده آلی بالا باشد ممکن است تشخیص درستی از پوسته‌های زیستی خاک ارائه ندهد. البته ازآنجاکه شاخص bsci برای تشخیص ترکیبات گلوگان در بافت‌های گلسنگ تعریف‌شده است. میزان خطای در خصوص ماده آلی به حداقل کاهش می‌یابد. همان‌طور که مشاهده‌شده است در نقشه نهایی در فساران پوشش پوسته‌های زیستی وجود ندارد و تنها در نواحی اطراف فساران در مناطق زراعی پوسته‌های زیستی خاک مشاهده می‌شوند. در مناطق زراعی با توجه به دخالت انسان و کشت و زرع میزان گیاهان یک‌ساله متفاوت با عرصه منابع طبیعی در فصول مختلف سال است و به همین دلیل بااینکه بازتابش طیفی تقریباً نزدیک به زفره و فشارک است لیکن نمودار طیفی پاییز و زمستان کاملاً از یکدیگر تفکیک‌شده‌اند. نتیجه گیری شباهت طیفی مهم‌ترین پوشش سطحی خاک ازجمله پوشش گیاهی، دخالت عوامل انسانی در افزایش یا کاهش ماده آلی خاک، خاک لخت و غیره میزان کارایی شاخص bsci را محدود می‌کند و ازاین‌رو در بازه زمانی تصاویر ماهواره‌ای و شرایط منطقه‌ای تاثیر زیادی در میزان دقت شاخص bsci  دارد.

Spatial analysis of biological soil crust based on Biological Soil Crust (BSCI) index

Background and ObjectiveBiological soil crusts are a collection of lichens, mosses, fungi, cyanobacteria, etc. that are part of the soil ecosystem. Estimation of density and distribution of biological soil crusts in arid and semiarid regions of Iran, which is the subject of soil erosion and wastage is very important. Methods based on remote sensing techniques are important in terms of cost and time less efficient methods to achieve this goal. Segzi plain is one of the critical points of wind erosion in Iran and identifying and determining the distribution of biological soil crusts as a soil modifier is an effective step in reducing wind erosion in the region. In this research, BSCI (Biological Soil Crust) index has been used to prepare the distribution map of lichendominated biological soil crusts. Materials and Methods The study area is part of the Sajzi Desert (Central Deserts of Iran) which is located in Isfahan province of Iran. The study area with an area of 199.5 hectares is spread between the eastern lengths of 51o52’32 to 52o27’41 and the northern widths of 32o33’31 to 32o55’01. The average slope of Segzi plain is 1.08 percent and its average height is 1680 meters. According to the statistics of the East Isfahan Meteorological Station (Shahid Beheshti Station), the average annual rainfall in the region is 106 mm. According to the Dumarten climatic classification, the climate of the region is dry and according to the Amberge classification it is cold. The BSCI index is a combination of the relationships used to estimate vegetation and bare soil surface, and its mathematical relationship is the slope of the soil line. To calculate the soil line in an area, one must first separate the pixels that have bare soil and no vegetation. In order to calculate the soil line equation, in four seasons of a year, images of Landsat OLI 8 satellite related to 2018 were downloaded from the site of the US Geological Survey and 20 to 30 pixels of pure bare soil were extracted by drawing the reflection values ​​of these pixels in the red and infrared band. Red near soil line coefficients was calculated for each season in the Segzi Plain. Based on BSCI index, lichendominated biological soil crust are identified using at least VISNIR spectral reflection and the slope between the red and green bands compared to bare soil and dry vegetation. Using ENVI software, the distribution shells of biological shells with lichen dominance were prepared in four seasons since 2018 in Segzi plain. Then, the prepared maps were validated based on land points and the total accuracy and kappa index were calculated in all four seasons. The collected lichen samples were identified based on their morphological characteristics and using a stereomicroscope, conventional microscope and common color reagents such as potassium hydroxide (KOH). After applying the BSCI index on the Landsat  OLI 8 satellite image, using ENVI software, spectral profiles related to 4 points of Segzi plain in four seasons of the year were prepared and the spectral reflection in four seasons of the year in different points were examined. Results and Discussion The slope of the soil line is lower in the rainy season, which coincides with the growth of herbaceous and annual plants, compared to the summer season, which has the least amount of rainfall, and the annual plants have dried up and become extinct. In May, the slope of the soil line was minimal (0.39) and in late summer it has its maximum value (0.78). In fact, the slope of the soil line has decreased from midAugust to May, and then has increased with the loss of annual vegetation and the increase of bare soil surface. The distribution maps of bioshells in all four seasons of the year were validated during field visits and the year it was found that the highest accuracy of the map related to the map produced from Landsat 8 image is related to summer with 94% total accuracy and Kappa index equal to 0.7412. Interpretation of the spectral profiles of the BSCI index shows that the reflections of the spectra related to the zephyr and strain prepared on the lichen dispersion points are very close to each other and also the spectral profiles of the midautumn and early spring are quite consistent. Whereas in the faults, which did not cover the biological crust, the amount of reflection was higher and there was a slight difference between the reflection diagrams of autumn and spring. Although the reflectance values of a range of agricultural lands and the distribution points of biological crusts are very close to each other, the spectral diagrams of all four seasons are very different from each other. But in all seasons of the year and in all places, the least reflection has occurred at the beginning of winter and the most reflection has occurred in summer. The climate of Segzi plain is Mediterranean and precipitation occurs in the cold season of the year. Simultaneously with the increase of precipitation from the middle of autumn, annual plants and mosses at the base of shrubs begin to grow and reach their peak in early winter and again at the beginning of spring. Decreases in rainfall have reduced their density. If the winter spectrum has the least reflection in all places. While in late summer, when the annuals and mosses have dried up, it has had the greatest spectral reflection. Fasaran, which is a barren area and a landfill, it has shown its maximum reflection. Therefore, the BSCI index relative to the percentage of organic matter has a significant error in the detection of biological soil crust, and where the organic matter is high may not provide an accurate diagnosis of soil bioshells. Of course, since the BSCI index is defined for the detection of throat compounds in lichen tissues. The error rate for organic matter is reduced to a minimum. As it has been observed in the final map, there is no cover of biological soil crusts in Fasaran and only soil biological crusts are observed in the areas around Fasaran in the agricultural areas. In agricultural areas, due to human intervention and cultivation, the amount of annual plants is different from the field of natural resources in different seasons of a year have become. Conclusion Spectral similarity of the most important soil surface, including vegetation, the involvement of human factors in increasing or decreasing soil organic matter, bare soil, etc. limits the efficiency of the BSCI index and therefore in the time period of satellite images and regional conditions have a great impact on It has the accuracy of BSCI index.