رطوبت خاک

دمای هوا به عنوان یکی از مهمترین فراسنج های جوی در تامین انرژی مورد نیاز گیاه در مراحل مختلف فنولوژی نقش بسزایی دارد. به تبع آن، دمای خاک نیز با تاثیرگذاری در فعل و انفعالات شیمیایی خاک و انتقال مواد غذایی از ریشه به اندام های رویشی و زایشی و در نتیجه عملکرد بهتر و بیشتر محصول حایز اهمیت است. هدف از این تحقیق، برآورد دمای اعماق مختلف خاک با توجه به مشاهدات دمای هوا در سطوح رطوبتی مختلف خاک بود که برای نیل به این مقصود طی یک دوره پنج ماهه (از اول اسفندماه سال 1384 تا پایان تیرماه سال (1385 آمار مربوط به دمای هوا، رطوبت و دمای اعماق 5 و 15 سانتی متری خاک ثبت گردید. تحلیل های آماری با استفاده از نرم افزارهای SPSS، Statgraph و Excel و بر اساس روش های استاندارد آماری صورت گرفت.

جنگل های بلوط زاگرس نقش ارزنده ای در تغذیه آب های زیر زمینی، پایداری کشاورزی، حفاظت خاک و کنترل سیل دارند. بااین وجود، تغییرات اقلیمی از جمله کاهش بارش موجب خشکیدگی بخش قابل توجهی از این منابع ارزشمند شده است. هدف از اجرای این تحقیق یافتن رویکردهای مناسب سازگاری با تغییرات اقلیمی به منظور کاهش شدت خشکیدگی درختان جنگلی از طریق استحصال آب باران و ذخیره آن در خاک بود که در بخشی از جنگل های استان کرمانشاه در قالب طرح آزمایشی بلوک های کامل تصادفی انجام یافت. تیمارهای مورد آزمایش شامل بانکت+قرق، قرق، بانکت بدون قرق و شاهد با سه تکرار بودند. بانکت ها به طور منقطع و هلالی شکل به طول ۷ متر و فاصله تقریبی چهار متر به شکل زیگزاکی ایجاد شدند. نتایج این تحقیق نشان داد که اعمال تیمار بانکت+قرق بعد از سه سال، موجب کاهش خشکیدگی ۳۷ پایه و احیای ۱۹ پایه در هکتار (در مقایسه با تیمار شاهد) گردید (درمجموع ۵۷ پایه). تیمار قرق گرچه موجب احیای پایه های خشکیده نگردید، اما موجب کاهش تشدید خشکیدگی به تعداد ۳۸ پایه در هکتار گردید. تأثیر تیمار بانکت بدون قرق منجر به کاهش خشکیدگی به تعداد شش پایه در هکتار به دلیل عدم حفاظت و چرای دام شد. نهایتاً افزایش معنی دار کربن آلی خاک و بهبود جرم مخصوص ظاهری نیز بر اثر اعمال تیمارهای بانکت و قرق به دست آمد که به نوبه خود منجر به افزایش ظرفیت ذخیره رطوبت خاک شدند. بر اساس نتایج این تحقیق، فائق آمدن بر خشکیدگی جنگل های زاگرس مستلزم مدیریت مستقیم و جامع جنگل ها با رویکردهایی مبتنی بر سازگاری با شرایط خشکسالی و حذف عوامل تخریب، به ویژه عوامل برهم زدن نیمرخ خاک مانند شخم و کاربرد ماشین آلات سنگین در عرصه های جنگلی است. اساس این رویکردها حفظ رطوبت خاک، سازگاری با شرایط خشکسالی، حذف عوامل تشدید خشکیدگی درختان جنگلی و تداوم پژوهش های بیشتر است.

رطوبت خاک در فرایندهای تعاملی بین جو و زمین و تغییرات جهانی اقلیم نقش مهمی ایفا می کند. در سه دهة گذشته، محققان بسیاری به تعیین رطوبت خاک، با استفاده از داده های سنجش از دوری، توجه داشته اند. روش های مثلثی و ذوزنقه ای از روش های سنجش از دوری اند که با ترکیب داده های حرارتی و مرئی، شاخصی برای میزان رطوبت را تعیین می کنند. یکی از مهم ترین موارد تأثیرگذار در دقت این روش ها، دقت تعیین لبه های خشک و مرطوب در نمودار پراکندگی دما/ پوشش گیاهی است. درنتیجه، ناتوانی در تعیین لبه های مذکور، در برخی روزها و شرایط، امکان استفاده از این روش ها را محدود می کند. هدف این مطالعه مطرح کردن روشی برای تعیین دقیق لبه های خشک و اشباع، در تمامی روزها و شرایط، با استفاده از تلفیق داده های سری زمانی دما و پوشش گیاهی است. به منظور تحقق این هدف، خطوط هم رطوبت به منزلة خطوطی معرفی می شوند که رطوبت در امتداد آن ها مقدار ثابتی است و برای تعیین لبه های خشک و مرطوب در هر روز به کار رفته اند. شاخص میزان رطوبت خاک پیشنهادی برای 28 روز در سال 2014، در منطقه ای از شهر مونیتوبا در کشور کانادا، با استفاده از ویژگی های دو خط انتخاب شده از میان خطوط هم رطوبت به دست آمده ازطریق داده های دمای سطح، دمای هوا و شاخص پوشش گیاهی سنجندة MODIS، محاسبه و با استفاده از داده های زمینی ایستگاه های رطوبت سنجی شبکة RISMA واقع در این منطقه، ارزیابی شده است. در تمامی 28 روز، تصویر شاخص پیشنهادی که معرف میزان رطوبت خاک است، به منزلة خروجی روش پیشنهادی به دست آمد. ضریب همبستگی شاخص به دست آمده با میزان رطوبت خاک در روزهای بدون پوشش گیاهی به 92/0 رسیده و این مقدار ضریب همبستگی، در روزهای با پوشش گیاهی انبوه، کمتر بوده است.

در سال های اخیر مقوله خشکسالی به یک معضل جهانی به ویژه در مناطق خشک و نیمه خشک جهان تبدیل شده است. بدون شک شناسایی و پایش خشکسالی را می توان گامی مهم در جهت مبارزه و کاهش خسارات ناشی از آن دانست. رطوبت خاک و تغییرات زمانی و مکانی آن یکی از مهمترین متغیرهای محیطی است که به دلیل اندازه گیری های دشوار، پرهزینه و وق تگیر میدانی، تاکنون به طور گسترده در شاخص های خشکسالی استفاده نشده است. در سال های اخیر با رشد فزاینده پایگاه های داده جهانی مبتنی بر برآوردهای ماهواره ای و همچنین افزایش توانایی های سخت افزاری و نرم افزاری در مدل سازی فرایندهای پیچیده حاکم بر بیلان آب در سطح زمین، کوشش زیادی به منظور استفاده مناسب از این ابزارهای نوین جهت کاهش مشکلات موجود در این زمینه به عمل آمده است. تحقیق حاضر، یک روش جدید برای پایش سیر تکاملی و شدت خشکسالی با شاخص خشکسالی مبتنی بر رطوبت خاک حاصل از سیستم جهانی تلفیق اطلاعات زمینی( GLDAS-SMDI ) ارائه می دهد شاخص فوق براساس این واقعیت استوار است که رطوبت خاک، فراسنجی تعیین کننده در بسیاری از فرایندهای پیچیده زیست - محیطی محسوب می گردد که نقش مهمی در وقوع خشکسالی دارد. در این تحقیق، از خروجی رطوبت خاک حاصل از سیستم جهانی تلفیق اطلاعات زمینی جهت تهیه نقشه توزیع مکانی خشکسالی در طی دوره آماری 200 4 -2001 در محدوده ایران مرکزی استفاده شده است. ارزیابی دقت این شاخص با استفاده از معیارهای ارزیابی R و RMSE درمقایسه با نقشه توزیع مکانی خشکسالی مبتنی بر شاخص SPI حاصل از داده های بارش ماهانه 50 ایستگاه سینوپتیک انجام گرفته است. نتایج حاصل از بررسی معیارهای ارزیابی نشان داد که شدت خشکسالی برآورد شده به وسیله شاخص GLDAS-SMDI ازهمبستگی معنی داری با نقشه شدت خشکسالی SPI درسطح اطمینان 95 % برخوردار بوده است. ازاین رو شاخص خشکسالی GLDAS-SMDI به خوبی می تواند در سیستم های هشدار سریع خشکسالی مورد استفاده قرار گیرد.

در این پژوهش، برای اولین بار در ایران، تابش کل خورشیدی (GSR) با به کارگیری داده های ساعتی رطوبت خاک و بدون استفاده از داده های ساعت آفتابی و مقدار ابرناکی برآورد شد. بدین منظور، از هشت متغیر روزانه شامل میانگین دمای هوا، بیشینه دما، کمینه دما ، فشار هوا، رطوبت نسبی هوا، بارندگی، دمای میانگین خاک، و رطوبت خاک در کنار تابش کل روزانه در ایستگاه تحقیقاتی هواشناسی دانشگاه بوعلی سینا در یک دوره 435روزه (ثبت شده توسط واقعه نگاشت GEONICA) و مدل های رگرسیون خطی، سیستم استنتاج عصبی- فازی تطبیفی (ANFIS)، شبکه عصبی پرسپترون چندلایه (MLP)، و شبکه عصبی رگرسیون تعمیم یافته (GRNN) استفاده شد. نمونه های ورودی- هدف به دو صورت تصادفی و غیرتصادفی وارد مدل ها شد که نتایج گواه بر دقت بهتر مدل ها در نمونه های تصادفی شده تحت شرایط استفاده از کل متغیرها به عنوان ورودی بود. بررسی ها حاکی از برتری مدل MLP با 04/3RMSE= مگاژول بر متر مربع در روز و %33/86=R2 بود. افزون براین، به کارگیری کمترین متغیرهای هواشناسی شامل سه متغیر دمای میانگین هوا، رطوبت نسبی هوا، و دمای خاک در مدل GRNN توانست با 45/3RMSE= مگاژول بر مترمربع در روز و %52/82R2= عملکرد بسیار مطلوبی در تخمین GSR ارائه دهد. رگرسیون خطی چند متغیره نیز فقط توانست یافتن ورودی ها را تسهیل کند.

رطوبت خاک، بسیاری از فرایندها را در سیستم آب و هوایی کنترل  نموده و یک متغیر بسیار مهم در این سیستم به حساب می آید. همچنین رطوبت خاک یکی از پارامترهای بنیادی محیط زیست است که بر زندگی گیاهی، جانوری و میکروارگانیسم ها مستقیماً تأثیرگذار بوده و نقش عمده ای در تبادلات انرژی بین هوا و خاک ایفا می کند. هدف از انجام این تحقیق امکان برآورد تغییرات رطوبت سطحی خاک با استفاده از داده های حرارتی سنجنده های ماهواره ای چند زمانه مودیس (داده های صبح و عصر سنجنده دو ماهواره ترا و آکوا) و با محاسبه اینرسی حرارت ظاهری  می باشد. در این پژوهش از تصاویر مودیس در دو بازه زمانی مختلف، یکی در بازه 19/11/1397 تا 25/11/1397 و بازه دیگری در فصل تابستان یعنی 13/05/1397 تا 18/05/1397 در منطقه مرتاضیه استان یزد استفاده شده است. همچنین از شاخص رطوبتی دما- پوشش گیاهی که بیشترین استفاده را در تحقیقات گذشته در بررسی رطوبت خاک داشته،برای ارزیابی دقت استفاده شده است. نتایج این تحقیق، دقت مناسب داده های ماهواره ای در برآورد شاخص رطوبتی حاصل از اینرسی حرارت ظاهری را نشان داد. همچنین بین شاخص خشکی دما- پوشش گیاهی و اینرسی حرارت ظاهری در روزهای مشخص، رابطه خطی برقرار شد و مقدار خطا در روز 16/05/1397 به میزان 15/0= RMSE و 86/0=R 2 و در روز 20/11/1397 میزان 18/0= RMSE و 76/0=R 2 بوده است. نتایج همچنین بیانگر آن است که بین اینرسی حرارت ظاهری و تغییرات رطوبت سطحی خاک رابطه خطی و مستقیمی وجود دارد.

خشکسالی به عنوان مخاطره ای اقلیمی، تأثیر بسزایی بر محیط زیست و به تبع آن انسان و سایر موجودات زنده دارد. ازاین رو پایش و پیش بینی این پدیده امری لازم و ضروری می باشد. در این پژوهش با هدف بررسی و ارزیابی پیش بینی خشکسالی در نیمه غربی کشور از شاخص خشکسالی استاندارد شده چند متغیره (MSDI) و روش های مبتنی بر هوش مصنوعی استفاده شده است. جهت پیش بینی مقادیر این شاخص در محدوده مطالعاتی، از داده های ماهانه بارش و رطوبت خاک پایگاه داده MERRA طی دوره 36 ساله (1980-2016) به عنوان ورودی و مقادیر محاسبه شده MSDI بعنوان خروجی بهره برده شد. نتایج تحلیل خشکسالی ماهانه براساس این داده ها نشان داد که شدیدترین خشکسالی در منطقه مورد مطالعه حد فاصل ماه های مارس تا اکتبر به وقوع پیوسته و کانون اصلی وقوع این پدیده، استان های لرستان و خصوصاً ایلام و کرمانشاه می باشند. این نتایج با بررسی نقشه های فصلی و سالانه نیز مطابقت دارد. طبق طبقه بندی شاخص MSDI، خشکسالی شدید در منطقه مورد مطالعه ثبت نشده است و خشکسالی ها در طبقه متوسط قرار داشتند. نتایج حاصل از مدل سازی شبکه های عصبی مصنوعی نیز نشان داد که استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی به طور کلی از توانایی شبیه سازی مناسبی برخوردار می باشند. از بین الگوریتم های استفاده شده جهت بهینه سازی شبکه عصبی مصنوعی، الگوریتم ژنتیک، بهترین عملکرد را نسبت به سایر روش ها در پیش بینی خشکسالی ها دارا می باشد.

رخدادهای گردوغبار یکی از مهمترین و چالش برانگیزترین مخاطرات محیطی و اقلیمی کل کشور و به ویژه استان خوزستان است. هدف اساسی این تحقیق آشکارسازی نقش تغییرات پوشش گیاهی و رطوبت خاک در توزیع درون سالی رخدادهای گردوغبار استان خوزستان است. در این راستا از 3 دسته داده استفاده گردید. داده های مربوط به کدهای گردوغبار ایستگاهی که طی دوره آماری 2010-2020، برای ایستگاه های سینوپتیک استان خوزستان در مقیاس ساعتی اخذ شد. دسته دوم داده های پوشش گیاهی ماهانه که از محصول NDVI (MOD13C3) سنجنده MODIS اخذ شد و در نهایت داده های رطوبت لایه 5 سانتی متری فوقانی خاک از سنجنده SMAP بصورت ماهانه فراهم گردید. با تحلیل فراوانی کدهای گردوغبار، فراوانی ماهانه رخدادهای گردوغبار، غلظت و تداوم گردوغبار بررسی گردید. با به دست آوردن مقادیر میانگین فضایی دو شاخص رطوبت لایه 5 سانتی متری فوقانی خاک و شاخص NDVI ماهانه، اقدام به تحلیل همبستگی و ارتباط بین شاخص های گردوغبار و این شاخص ها گردید. نتایج بیانگر آن بود براساس میانگین دوره 2010-2020، دوره 4 ماه می تا اوت دوره پیک گردوغبار در سطح استان است. دوره حداقل 11 روز گردوغباری در هر ماه وجود دارد و غلظت گردوغبار بیش از 2800 میکروگرم بر مترمکعب در هوا بوده و تداوم ماندگاری رخداد گردوغبار در سطح استان حداقل 40 ساعت است. بررسی شاخص های رطوبت لایه فوقانی خاک و پوشش گیاهی نشان داد، دقیقاً در سطح استان در همین دوره پیک گردوغبار، رطوبت خاک لایه فوقانی خاک در بخش وسیعی از نواحی مرکزی و جنوبی استان به کمتر از 10 درصد رسیده و همزمان شاخص پوشش گیاهی نیز در این بخش ها به کمتر از 18/0 رسیده است. علاوه بر آن در این تحقیق مشاهده گردید که تغییرات ماهانه رطوبت لایه 5 سانتی متر فوقانی خاک با ضریب همبستگی 88/0- بیشترین تأثیر را در کنترل غلظت گردوغبار در سطح استان خوزستان دارد.

گردوغبار یکی از مخاطرات طبیعی است که عمدتاً در مناطق خشک و نیمه خشک جهان رخ می دهد و به همین دلیل یکی از معضلات اصلی کشور ایران نیز به شمار می رود. استان البرز ازجمله مناطقی است که به دلیل شرایط آب و هوایی، کاهش بارندگی و وجود منشأهای داخلی تولید گردوغبار در سال های اخیر به شدت در معرض طوفان های محلی گردوغبار قرار گرفته است. در این پژوهش به بررسی خصوصیات خاک و تأثیر آن بر فرسایش بادی و سرعت آستانه در کانون های تولید گردوغبار استان البرز پرداخته شده است. در منطقه ی مطالعاتی، 27 نمونه خاک تا عمق 5 سانتی متری جمع آوری و به آزمایشگاه منتقل گردید. همچنین از دستگاه تونل باد جهت اندازه گیری سرعت آستانه استفاده شد. مطالعات حاصل از تحلیل گلباد و گل طوفان در منطقه نشان داد که جهت باد غالب در منطقه، از شمال غرب است و بیش از نیمی از بادهای منطقه دارای توان فرسایشی می باشند و توانایی جابجایی ذرات خاک و تولید گردوغبار را دارند. به منظور بررسی رابطه ی خصوصیات خاک و سرعت آستانه، از آزمون رگرسیون و روش حذف پس رو استفاده شد. نتایج نشان داد رطوبت خاک، اندازه ی ذرات، میزان آهک و مقاومت برشی و فشاری خاک، تأثیرگذارترین پارامترهای مؤثر بر سرعت آستانه هستند. هرچه میزان آهک در خاک بیش تر باشد، با ایجاد چسبندگی بیش تر ذرات، مقاومت فشاری و برشی خاک و همچنین سرعت آستانه افزایش می یابد؛ از جهتی با افزایش درصد ذرات با قطر بین 1/0 تا 5/0 میلی متر در خاک، سرعت آستانه کاهش می یابد. میزان درصد سدیم در خاک های نمونه برداری شده بسیار بالاست و همین عامل باعث ازهم پاشیدگی ذرات خاک و کاهش سرعت آستانه ی فرسایش بادی در منطقه ی موردمطالعه می شود. نتایج پژوهش نشان داد که رطوبت، مهم ترین و بارزترین پارامتر مؤثر بر سرعت آستانه ی فرسایش بادی در کانون گردوغبار است.

به دلیل ناپیوستگی در برداشت نمونه ها و نداشتن دسترسی به اطلاعات کافی در ارتباط با شناخت ویژگی های مناطق و نیز، صرف هزینه و زمان زیاد جهت برآورد آب قابل دسترس خاک و تغییرات مکانی آن، استفاده از تصاویر ماهواره ای به صرفه است. "مدل ذوزنقه ای حرارتی- مرئی" بر اساس تفسیر توزیع پیکسل در فضای LST-VI، است که فضای LST-VI برای تخمین رطوبت سطحی خاک یا تبخیر-تعرق واقعی استفاده می شود. هدف از این مطالعه برآورد رطوبت خاک با استفاده از تصاویر ماهواره ای لندست 8 در سال های ک 2015، 2016 و 2017 و با استفاده از توزیع پیکسل در فضای LST-VI(TOTRAM) و STR-VI (OPTRAM) می باشد. بر اساس رابطه ی رگرسیونی برازش شده برای دو مدل، بیشترین ضریب تعیین به دست آمده برای مدل TOTRAM در سال 2015 و 2017 برابر با 99/0 می باشد و برای مدل OPTRAM در سال 2017 برابر با 97/0 می باشد که نشان دهنده ی برازش و پراکنش دقیق داده ها در فضای LST-VI و STR-VI توسط مدل های مورد نظر می باشد. در حالت کلی می توان نتیجه گرفت که مدل OPTRAM بهتر و دقیق تر از مدل TOTRAM توانسته است رطوبت خاک را پیش بینی کند. چون ضرایب رگرسیونی به دست آمده برای OPTRAM مثبت و برای TOTRAM منفی است؛ یعنی STR-VI در محدوده ی طول موج مرئی نسبت به LST-VI در محدوه ی طول موج حرارتی، دقیق ترین برآورد از رطوبت خاک را در نواحی فاقد داده های کنترل زمینی می تواند داشته باشد.