Authors
University of Zanjan
Abstract
Keywords
مقدمه
خاک از جمله سرمایه‌های ارزشمندی است که در عرصه‌های تولید محصولات کشاورزی، منابع طبیعی و محیط‌زیست نقش اساسی ایفا می‌کند. خاک جایگاه مناسبی برای رشد و نمو گیاه و ایجاد پوشش گیاهی است و در صورتی که این سرمایه ارزشمند حفظ نگردد، کمبود مواد غذایی، فرسایش خاک و تخریب منابع طبیعی را به دنبال خواهد داشت (Kavianpoor et al., 2012). خصوصیات خاک و عناصر غذایی موجود در خاک اغلب از نقطه‌ای به نقطه دیگر متغیر بوده و بنابراین مدیریت‌های زراعی، نظیر پخش یکنواخت کود در سطح مزرعه، ممکن است به ایجاد نقاطی در مزرعه که بیش از حد نیاز و یا کم‌تر از احتیاج، کود دریافت نموده‌اند منجر شود. چنین عدم توازن و تخصیص بهینه نهاده‌ها که بدون در نظر گرفتن تغییرات مکانی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک انجام گرفته است، نه‌تنها موجب اثرات منفی بر مقدار عملکرد و تولید محصول می‌شود بلکه عواقب نامناسب زیست‌محیطی مانند آلودگی منابع زیرزمینی را نیز به‌دنبال خواهد داشت (Yamagishi et al., 2003). بنابراین شناخت الگوهای مکانی خصوصیات خاک دانشی است که برای بهبود مدیریت منابع طبیعی (Liu et al., 2004; Boruvka et al., 2007; Wang et al., 2009))، تخمین خصوصیات خاک در مکان‌های نمونه‌برداری نشده (Wei et al., 2008; Liu et al., 2007) و اصلاح الگوهای نمونه‌برداری در مطالعات اکولوژیکی کشاورزی (Yan and Cai, 2008; Rossi et al., 2009) حائز اهمیت است. از سوی دیگر اطلاع از الگوی تغییرات مکانی ویژگی‌های خاک می‌تواند راه‌گشای بشر در انجام مدیریت صحیح و پیشرفته اراضی در راستای بهره‌برداری اصولی از خاک به‌عنوان یکی از منابع مهم انرژی باشد (Miao et al., 2006; santra et al., 2008). برای مطالعه تغییرپذیری خاک باید از ابزار آماری استفاده نمود.
امروزه روش‌های زمین‌آماری و در صدر آن‌ها، تکنیک‌های مختلف کریجینگ توجه پژوهش‌گران علوم خاک را به خود جلب کرده است (Lark, 2002; Yasrebi et al., 2008; Zhu and lin, 2010; Sun et al., 2012). نجفیان و همکاران (2012)، به‌منظور بررسی اهمیت الگوهای مکانی ویژگی‌های حاصلخیزی خاک و سایر عوامل بیرونی برای توسعه فعالیت‌های کشاورزی، مطالعه‌ای را در 132 هکتار از اراضی مرودشت در مرکز ایران انجام دادند. بر اساس نتایج به‌دست آمده توسط این محققین، نیتروژن و پتاسیم همبستگی مکانی متوسط داشتند. دامنه ساختار مکانی برای فسفر قابل دسترس بیش‌ترین مقدار و برابر 480 متر و برای نیتروژن کل 429 متر بود. این محققین با توجه به نتایج پژوهش خود اعلام کردند الگوهای نمونه‌برداری برای تخمین تغییرپذیری بایستی با خصوصیات مختلف خاک و مدیریت مزرعه مطابقت داده شود. بنابراین تغییرپذیری مکانی ویژگی‌های شیمیایی خاک با همبستگی مکانی قوی، می‌تواند به‌راحتی مدیریت شود و برای توصیه‌های حاصلخیزی در یک مکان خاص توسعه یابد. نتایج پژوهش کیو و همکاران (2011)، نشان داد با وجود مدیریت یکنواخت و مسطح بودن منطقه از لحاظ توپوگرافی، سطوح مواد مغذی طی سال‌های متمادی، تغییرات قابل توجهی داشتند. برای نمونه مقادیر فسفر کل در منطقه از 14 تا 53 میکروگرم در گرم متغیر بود. همچنین دامنه همبستگی مکانی برای خصوصیات مختلف، متفاوت بود (از 268 متر برای نیتروژن تا 700 متر برای فسفر). جایور و همکاران (2011)، به‌منظور ارزیابی تأثیر خصوصیات شیمیایی خاک بر روی عملکرد محصول ذرت در راستای توصیه‌های مدیریتی و حاصلخیزی در مکان‌های خاص، تغییرپذیری مکانی ویژگی‌های شیمیایی خاک (از جمله نیتروژن، پتاسیم و فسفر) را در منطقه‌ای از کشور کلمبیا مورد مطالعه قرار دادند. تجزیه و تحلیل نتایج به‌دست آمده از مطالعه این متغیر‌ها توسط تکنیک زمین‌آمار نشان داد که توزیع مکانی و همبستگی این ویژگی‌ها با عملکرد محصول رابطه مستقیم دارد. این تحقیق، با هدف بررسی تغییرات مکانی عناصر حاصلخیزی خاک شامل ازت، فسفر و پتاسیم، و تهیه نقشه‌های پراکنش مکانی این عناصر انجام شد. علت انتخاب عوامل مورد بررسی، اهمیت آن‌ها در حاصلخیزی خاک و مدیریت کوددهی بوده است که کمبود آن‌ها اغلب رشد و کیفیت گیاه رادر این منطقه محدود می‌سازند.
مواد و روش‌ها
منطقه مورد مطالعه
دانشگاه زنجان در پنج کیلومتری جاده زنجان به تبریز با وسعتی بالغ بر 410 هکتار در عرض‌های جغرافیایی 36 درجه و 41 دقیقه تا 36 درجه و 45 دقیقه شمالی و طول جغرافیایی 48 درجه و 27 دقیقه تا 48 درجه و 56 دقیقه شرقی قرار گرفته است (شکل 1). میانگین ارتفاع این منطقه 1651 متر از سطح دریا است. رژیم رطوبتی و حرارتی بر اساس اطلاعات نقشه رژیم رطوبتی و حرارتی کشور به‌ترتیب زریک و مزیک است عمده واحد های فیزیوگرافی در منطقه مورد مطالعه شامل واحد های دشت دامنه‌ای آبرفتی و فلات ها هستند. مواد مادری زمین‌شناسی در منطقه مورد مطالعه عمدتاً شامل پادگانه‌های جوان آبرفتی است (سازمان زمین‌شناسی کشور، 1383). خاک‌های منطقه مورد مطالعه شامل دو رده اینسپتی‌سول (Inceptisols) و انتی‌سول (Entisols)، و تحت رده های زرپت (Xerepts)، زروفلونت (Xerofluvents) و زراورتنت (Xerorthents) است. تحت گروه های غالب منطقه شامل خاک های تیپیک کلسی‌زرپت (Typic Calcixerepts)، تیپیک زروفلونت (Typic Xerfluvents) و تیپیک زراورتنت (Typic Xerorthents) است. در منطقه مورد نظر 12 فامیل خاک شناسایی شده بود. (Keys to soil taxonomy, 2014).
نمونه‌برداری و آماده‌سازی نمونه‌ها
طراحی مناسب سیستم نمونه‌برداری یکی از بخش‌های مهم برای بررسی تغییرات مکانی و ارزیابی خصوصیات منطقه مورد مطالعه است. با توجه به هدف مطالعه حاضر که تهیه نقشه‌های پراکنش ویژگی‌های مورد بررسی بود، روش شبکه بندی منظم انتخاب گردید. برای این منظور ابتدا یک شبکه نظام‌دار با فواصل 250×250 متر بر روی نقشه توپوگرافی محدوده مورد مطالعه، مطابق با مقیاس مطالعات نیمه‌تفصیلی، طراحی و در سال 1391، 47 نیم‌رخ خاک، حفر و در آن‌ها از خاک سطحی (عمق‌های صفر تا 25 سانتی‌متر) و خاک عمقی (عمق 25 تا 50 سانتی‌متر) نمونه‌برداری شد.
نمونه ها، بعد از هوا خشک شدن، کوبیده شده و از الک دو میلی‌متری عبور داده شدند. سپس بر روی نمونه‌های عبور داده شده از الک دو میلی‌متری تجزیه‌های آزمایشگاهی انجام شد. اندازه‌گیری فسفر به‌روش اولسن (Olsen and Sommers, 1982)، پتاسیم به‌روش فلیم فتومتری با عصاره‌گیر استات آمونیوم (Thomas, 1982) و نیتروژن کل به‌روش کجلدال توسط دستگاه WELP مدل UDK 129 (Bremner and Mulvaney, 1982) انجام گرفت.
تجزیه‌های آماری و زمین‌آماری
برای بررسی چگونگی توزیع داده‌ها و دستیابی به خلاصه‌ای از اطلاعات آماری، آمار کلاسیک به‌کار گرفته‌شده و ویژگی‌های آماری نظیر میانگین، میانه، حداقل، حداکثر، انحراف معیار، ضریب تغییرات، چولگی و کشیدگی مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور از محیط نرم‌افزاری اس‌پی‌اس‌اس نسخه 21 استفاده شد. همچنین برای بررسی نرمال بودن توزیع آن‌ها از آزمون کولموگروف-اسمیرنوف استفاده شد. برای تجزیه و تحلیل ساختار مکانی متغیر مورد بررسی، پس از ارزیابی وضعیت همسان‌گردی بر اساس تغییرنمای رویه‌ای، اقدام به محاسبه تغییرنماهای تجربی و برازش مدل بر تابع تغییر‌نما گردید. بدین منظور از محیط نرم‌افزاری وریووین نسخه 2/2 استفاده شد. تابع تغییر‌نما عبارت است از متوسط مجذور اختلافات بین دو مشاهده در دو موقعیت مکانی واقع در فضای نمونه‌برداری که توسط آرایه از هم جدا شده اند. معادله زیر یک تابع تغییر‌نما را نشان می‌دهد:
معادله 1
در این معادله تعداد زوج نمونه‌های به‌کاررفته در محاسبه تغییر‌نما در فاصله و جهت تفکیک ، و به‌ترتیب مقادیر متغیر Z در نقاط و هستند.
برای ارزیابی و انتخاب بهترین مدل توصیف‌کننده ساختار تغییرات مکانی از معیار‌های ارزیابی جذر میانگین مربع خطا و میانگین خطای تخمین استفاده شد.
معادله 2
معادله 3
در این معادلات و به‌ترتیب مقادیر واقعی و مقادیر برآورد شده متغیر مورد بررسی و تعداد مشاهده‌ها است. یک تخمین‌گر خوب باید دارای میانگین خطای تخمین صفر یا نزدیک به صفر باشد و جذر میانگین مربع خطا، تا حد ممکن، کم‌ترین مقدار عددی را داشته باشد. به‌عبارت دیگر، هر چه مقادیر این دو شاخص کوچک‌تر باشند، دقت روش مورد استفاده برای تخمین بیش‌تر است (محمدی، 1385). برای انتخاب بهترین مدل توصیف‌کننده ساختار تغییرات مکانی هر سه عنصر مورد مطالعه، مدل‌های کروی، نمایی و گوسی بر تغییرنمای تجربی به‌دست آمده برازش داده شد و شاخص‌های اعتبارسنجی مذکور برای تمامی مدل‌ها محاسبه شد. مدلی که کم‌ترین مقدار شاخص‌های میانگین خطای تخمین و جذر میانگین مربع خطا را داشت به عنوان مدل بهینه انتخاب شد. پس از انتخاب مناسب‌ترین مدل بیان‌کننده ساختار تغییرات مکانی برای هر سه خصوصیت مورد مطالعه، از روش کریجینگ معمولی و نرم‌افزار آرک جی آی اس نسخه 10 به‌منظور ترسیم نقشه‌های پهنه‌بندی استفاده شد.
نتایج
نتایج خلاصه آماری خصوصیات مورد مطالعه در جدول 1 گزارش شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود مقادیر به‌دست آمده برای آزمون کولموگروف- اسمیرنوف و همچنین اختلاف کم مقادیر میانگین و میانه داده‌ها حاکی از توزیع نرمال داده‌ها برای هر سه خصوصیت نیتروژن کل، فسفر و پتاسیم است. طبق طبقه‌بندی (Wilding, 1985) اگر ضریب تغییرات کم‌تر از 15 درصد باشد تغییرپذیری کم، بین 15 تا 35 درصد تغییرپذیری متوسط و در صورتی که بیش از 35 درصد باشد تغییرپذیری زیاد است. در میان سه عنصر مورد مطالعه، نیتروژن کم‌ترین ضریب تغییرات را دارا بود و تغییرپذیری آن نسبت به دو عنصر دیگر کم‌تر بود.
برازش مدل‌های مختلف بر واریوگرام‌های تجربی به‌دست آمده برای هر سه عنصر نیتروژن، فسفر و پتاسیم سازگاری بیش‌تر مدل نمایی را با تغییرنماهای ترسیم‌شده نشان داد. در واقع مدل نمایی توصیف بهتری از ساختار تغییرات مکانی این ویژگی‌ها ارائه می‌دهد.
بحث و نتیجه‌گیری
نتایج این پژوهش نشان داد که تغییرات مکانی تمامی عناصر نیتروژن، فسفر و پتاسیم، از مدل نمایی تبعیت می‌کنند. کاظمی پشت مساری و همکاران (1391) مدل بهینه برای متغیر نیتروژن کل را نمایی گزارش نمودند. فاتحی (1391) نیز در مطالعه‌ای در استان کرمانشاه مدل نمایی را به‌عنوان بهترین مدل برازش داده شده بر تغییرنمای تجربی فسفر خاک و کلاس همبستگی مکانی این متغیر را قوی گزارش نمود. در مورد عنصر پتاسیم نیز ویندورف و ژو (2010) و دالچیاوون و همکاران (2012) مدل نمایی را برای توصیف تغییرات مکانی پتاسیم مناسب دانستند. دامنه تأثیر نیتروژن کل طبق نتایج گزارش شده در جدول 2 در دو عمق مورد بررسی متفاوت و در عمق اول و دوم به‌ترتیب 1287 و 1196 متر برآورد شد. درحالی‌که التیب و همکاران (2003) با بررسی تغییرات مکانی نیتروژن کل در دو عمق صفر تا 20 سانتی‌متری و 20 تا 30 سانتی‌متری در 2300 هکتار از اراضی منطقه‌ای در مالزی فاصله نمونه‌برداری در مورد نیتروژن کل بین 434 متر و 475 متر برای خاک سطحی و عمقی گزارش کردند. اختلاف بین دامنه تأثیر خصوصیات خاک در مطالعات مختلفی گزارش شده است. نکته قابل‌توجه این است که دامنه تأثیر ویژگی‌های خاک مانند سایر ویژگی‌های خاک تابعی از مقیاس مورد مطالعه و فاصله نمونه‌برداری است (Doberman, 1994).
شکل 3 نقشه‌های پهنه‌بندی نیتروژن کل را در دو عمق مورد بررسی نشان می‌دهد. همان‌طور که دیده می‌شود در نقشه مرتبط با عمق سطحی فقط در قسمت‌هایی از شمال و جنوب منطقه نیتروژن کل بین 1/0 تا 15/0 است که همین مقدار نیز طبق دسته‌بندی بروس و ریمونت (1982) در شمار خاک‌های با نیتروژن کم جای می‌گیرند. بررسی‌ها نشان داد در مناطقی که مقادیر کربن آلی بالا بود، نیتروژن کل نیز افزایش نشان داد. مقادیر نیتروژن کل در لایه زیرین به‌مراتب کاهش یافت. بررسی‌های صحرایی نشان داد در شمال و جنوب منطقه که بیش‌ترین مقدار نیتروژن کل را به خود اختصاص داده‌اند، کاربری‌های باغی و زراعی وجود دارد. کاربری باغی در شمال و قسمت کوچکی از غرب منطقه باعث اضافه شدن بقایای گیاهی به خاک شده و افزایش کربن آلی و متعاقب آن نیتروژن کل را در این نواحی باعث می‌شود. در جنوب منطقه نیز عملیات کشاورزی مداوم و اضافه نمودن کودهای حاوی نیتروژن می‌تواند دلیل بالا رفتن نیتروژن کل باشد. آیشا و همکاران (2010) بالا بودن مقادیر نیتروژن کل در منطقه مورد بررسی خود را، به بالا بودن مقادیر کربن آلی در همان مناطق نسبت داده و همبستگی مثبت و معنی‌‌داری بین کربن آلی خاک و نیتروژن کل نشان دادند. نتایج پژوهش پنگ و همکاران (2013) نیز حاکی از تأثیر مثبت و معنی‌دار مقادیر کربن آلی بر درصد نیتروژن خاک بود. این پژوهش‌گران گزارش کردند که فاکتورهای ساختاری نظیر توپوگرافی، پوشش گیاهی و اقلیم از فاکتورهای اصلی در تغییرپذیری مکانی کربن آلی و نیتروژن کل است.
بر اساس نقشه‌های پهنه‌بندی فسفر در منطقه در خاک سطحی در بیش‌تر مساحت منطقه مقدار فسفر بین 15 تا 51 میلی‌گرم بر کیلوگرم اندازه‌گیری شد. در واقع بر این اساس در لایه سطحی مطالعه شده غالب منطقه مطالعاتی، از نظر مقدار فسفر خاک غنی است. در قسمت‌های شمالی و جنوبی منطقه، فسفر خاک در حد غنی و خیلی غنی قرار دارد. این حدود، منطبق بر محدوده‌ای است که عملیات کشاورزی متراکم در بخش جنوبی و کاربری باغی و زراعی در بخش شمالی منطقه انجام می‌شود. اضافه کردن کودهای دامی، بقایای گیاهی و کودهای شیمیایی حاوی فسفر مقادیر این عنصر را در این نواحی افزایش می‌دهد. افزایش فسفر در خاک در اثر کاربرد کودهای حیوانی به‌عنوان یکی از مهم‌ترین منابع ماده آلی به‌همراه کودهای شیمیایی در خاک‌های مختلف گزارش شده است (Reddy et al., 1999). پهنه‌های با فسفر کم که مقادیر آن بین چهار تا 15 میلی‌گرم بر کیلوگرم متغیر است غالباً در مناطقی واقع شده‌اند که از نظر کاربری اراضی مسکونی یا بایر است. سن و همکاران (2007) گزارش کردند که تغییرپذیری مکانی عناصر غذایی از جمله فسفر در اراضی با کاربری کشاورزی ناشی از مقادیر متنوع کوددهی و الگوی کشت رایج در منطقه است.
در تفسیر نقشه‌های پهنه‌بندی عنصر پتاسیم همان‌طور که در شکل 5 مشاهده می‌شود می‌توان اظهار داشت که در مجموع مقادیر این عنصر نسبت به حد بهینه‌ای که برای آن در خاک‌ها در نظر گرفته شده بسیار کم‌تر است و محدوده مطالعاتی حتی در لایه سطحی نیز با کمبود این عنصر مواجه است. علت کمبود این عنصر را می‌توان به آهکی بودن خاک‌های محدوده مورد مطالعه نسبت داد. همان‌طور که قبلاً اشاره شد ماده مادری خاک‌های منطقه مطالعاتی آهکی است و خاک‌های این محدوده با آهکی بین 10 تا 40 درصد در شمار خاک‌های آهکی تا خیلی آهکی قرار دارند و از آن‌جایی که ذرات آهک فاقد سطح تبادلی برای جذب کاتیون‌ها از جمله پتاسیم است مقدار این عنصر در این خاک‌ها کاهش می‌یابد. همچنین بخش‌های وسیعی از منطقه مورد مطالعه دارای بافت‌های سبک است و از آن جا که شن نیز فاقد سطوح تبادلی است مقادیر کاتیون‌های تبادلی نظیر پتاسیم در این خاک‌ها بسیار کم است. در مجموع بر اساس نتایج این پژوهش پراکنش عناصر غذایی پر مصرف در منطقه تصادفی نبوده و از یک الگوی مکانی تبعیت می‌کنند. نقشه‌های حاصلخیزی تهیه شده نشان داد خاک‌های منطقه از نظر عنصر فسفر در حد متوسط تا غنی قرار دارند در حالی‌که محدوده مورد مطالعه از نظر دو عنصر نیتروژن و پتاسیم دچار کمبود هستند. بنابراین در مناطق با کاربری زراعی یا باغی که با کمبود این عناصر مواجه‌اند برای جلوگیری از کاهش عملکرد و باروری لازم است تا با مصرف کودهای حاوی این عناصر این کمبود جبران شود.
)