مطالعه وضعیت پایداری خاکدانه های خیس (WAS)، به عنوان شاخصی رایج از ساختمان خاک و نیز ارزیابی کیفیت آن، برای مدیریت بهینه منابع خاک و آب، حائز اهمیت است. در پژوهش حاضر، برای مدل سازی پایداری خاکدانه های خیس از مدل های یادگیری ماشین جنگل تصادفی (RF)  و جنگل تصادفی بهینه شده با الگوریتم ژنتیک (GA-RF) استفاده شد. بدین منظور، ویژگی های بافت، ماده آلی و آهک 55 نمونه خاک از جنگل های ارسباران تعیین و سپس با ترکیب های ورودی مختلف بر اساس مقادیر همبستگی با پارامتر WAS، مدل سازی با استفاده از هفت سناریو انجام شد. به منظور تعیین توانایی مدل های اجرا شده، سه شاخص عملکرد ضریب همبستگی (CC)، جذر میانگین مربعات خطای نرمال شده (NRMSE)  و ضریب ویلموت (WI)  مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که مدل RF5 در بین مدل های جنگل تصادفی با 038/0NRMSE =، 736/0CC = ،  789/0WI =  و مدل GA-RF5 در بین مدل های جنگل تصادفی بهینه شده با الگوریتم ژنتیک با 031/0NRMSE = ، 800/0CC = ،  842/0WI =   با ورودی درصد شن و سیلت و رس، بهترین عملکرد را داشتند. علاوه براین نتایج RF1  ) 047/0NRMSE = ، 589/0CC = ،  721/0WI = ( و GA-RF1  ) 036/0NRMSE = ، 662/0CC = ،  797/0WI = ( نشان داد که درصد رس بالاترین درجه همبستگی را با پایداری خاکدانه ها دارد. همچنین، با اضافه شدن کربنات کلسیم معادل در سناریو 7، بهبود عملکرد و تأثیر مثبت این ویژگی در پیش بینی پایداری خاکدانه های خیس مشاهده گردید. بنابراین، مدل جنگل تصادفی بهینه شده با الگوریتم ژنتیک برای تعیین دقیق و مناسب پایداری خاکدانه های خیس در مطالعات مربوط به خصوصیات خاک توصیه می گردد.

در این تحقیق اندازه گیری پایداری ساختمان خاک به سه روش کمپر و روسنا، لی بیسونس و لوی و میلر انجام گرفت. شاخص های پایداری به ترتیب به صورت پایداری خاکدانه در آب (WAS)، میانگین وزنی قطر خاکدانه در شرایط خیس کردن سریع (MWDf)، ملایم (MEDs) و خیس کردن همراه با تکان دادن (MWDsh)، و نسبت پایداری (SR) بیان می شود. نوزده نمونه خاک با دامنه وسیعی از خصوصیاتی نظیر ماده آلی، کربنات کلسیم معادل، ECe و SAR در تعیین شاخص های پایداری به کار گرفته شد. هدف از این تحقیق، بررسی میزان تاثیرپذیری هر شاخص از خصوصیات مزبور، شناخت محدودیت های اندازه گیری شاخص ها و بررسی میزان هماهنگی بین سه شاخص است. شاخص WAS برای 19 خاک بین 6 تا 89 درصد تغییر کرد که 64 درصد (R= 0.8**) آن به تبع از تغییرات کربن آلی بود. بعد از کربن آلی، کربنات کلسیم معادل (R= -0.62**) و (R= -0.52*) بیشترین تاثیر را بر تغییرات WAS داشتند. با وجود تغییرات وسیع درصد شن، سیلت و رس بین خاک ها، بافت خاک تاثیر معنی داری بر WAS نشان نداد. از این رو بکارگیری این شاخص برای مقایسه پایداری ساختمان در خاک هایی که بیشتر از نظر بافت متفاوت هستند ممکن است منطقی نباشد. اندازه گیری شاخص MWD در خاک های با رس غالب به دلیل چسبندگی ذرات پس از مرحله غربال تر و خشک کردن عملا با مشکل مواجه شد و لذا این شاخص در 12 نمونه خاک اندازه گیری گردید. نتایج نشان داد که تفاوت مقادیر MWDf، MWDs و MWDsh معنی دار نیست و لذا اندازه گیری MWDf با توجه به سهولت و سرعت عمل، به عنوان شاخص پایداری در روش لی بیسونس حداقل در خاک های مورد بررسی کافی به نظر می رسد. هشتاد و چهار درصد (R= 0.91**) تغییرات MWDf در محدوده 0.32 تا 1.17 میلی متر با تغییرات میزان کربن آلی قابل تفسیر بود. به عبارت دیگر این شاخص پایداری اساسا تابع مقدار کربن آلی در خاک است. بر خلاف WAS، شاخص MWD تاثیرپذیری معنی داری از کربنات کلسیم معادل و SAR نداشت ولی بطور معنی داری با درصد شن (R= 0.74**) و درصد رس (R= -0.61*) همبستگی نشان داد. بنابراین بکارگیری این شاخص برای مقایسه پایداری ساختمان بین خاک هایی مناسب خواهد بود که تفاوت آنها عمدتا بر مبنای بافت و نه بر مبنای خصوصیاتی نظیر کربنات کلسیم معادل، ECe یا SAR باشد. شاخص پایداری لیوی و میلر یعنی SR که دامنه نظری آن از صفر تا یک می باشد بین 0.30 تا 0.89 در 14 نمونه خاک تغییر کرد. تاثیرپذیری این شاخص از خصوصیات خاک مشابه MWDf بود یعنی بیشترین عامل تاثیرگذار بر این شاخص کربن آلی، درصد شن و رس بودند. از نظر مطابقت بین سه شاخص پایداری مورد مطالعه، ضرایب همبستگی خطی MWDf و SR با WAS به ترتیب 0.73 و 0.87 در سطح احتمال یک درصد معنی دار شدند. بر مبنای شاخص SR، تعداد 14 نمونه خاک از نظر پایداری در سه گروه کیفی پایداری بالا (SR≥0.81)، متوسط (0.42<SR<0.81) و کم (SR<0.42) جای گرفتند. انتخاب یا تعیین محدوده بر مبنای شاخص SR (یا WAS و (MWD جهت قرار دادن خاک ها در گروه های مختلف پایداری و به کارگیری آن برای قضاوت و ارزیابی رفتار خاک در تعامل با مدیریت های مختلف مسلما نیاز به بررسی گسترده تری دارد.

سابقه و هدف: پایداری خاکدانه یک شاخص فیزیکی مهم برای بیان حساسیّت خاک ها به فرسایش می باشد. بسته به اندازه ی خاکدانه، پایداری خاکدانه می تواند دچار تغییر شود. برخی روش ها شامل الک خشک، الک تر و رهاسازی قطره ی آب، به طور رایج برای ارزیابی پایداری خاکدانه ها در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می گیرند. شاخص میانگین وزنی قطر خاکدانه های پایدار در هر دو روش الک خشک و الک تر مورد استفاده قرار می گیرد و در روش آزمون قطره ی آب، تعداد قطره ی مورد نیاز برای تخریب خاکدانه تعیین می شود. این شاخص ها تنها برای ارزیابی پایداری خاکدانه در نمونه های خاکدانه ی با اندازه ی یکسان انجام می شود. بنابراین استفاده از این شاخص ها در نمونه های خاکدانه ی با اندازه ی مختلف ممکن است سبب برخی از خطاها در ارزیابی حساسیّت خاک به فرسایش شود. بنابراین، این مطالعه به منظور ارائه ی شاخص مناسب پایداری خاکدانه برای اندازه های خاکدانه در برابر فرسایش بین شیاری در یک نمونه خاک منطقه ی نیمه خشک انجام گرفت. مواد و روش ها: چهار کلاس اندازه ی خاکدانه شامل کوچک تر از 2، 2 تا 4، 4 تا 8 و 8 تا 11 میلی متر از یک خاک کشاورزی با بافت لوم رسی در غرب زنجان، واقع در شمال غرب ایران جمع آوری شد. حدود 600 کیلوگرم نمونه از هر اندازه ی خاکدانه از عمق صفر تا 30 سانتی متر با استفاده از الک های مربوطه از زمینی کشاورزی از حجمی معادل 10 مترمکعب خاک برداشت شد. نمونه های خاکدانه به کرت هایی با ابعاد 120 سانتی متر در 130 سانتی متر تحت شیب 9 درصد منتقل شدند. در مجموع 12 کرت با استفاده از طرح بلوک های کامل تصادفی برای چهار کلاس اندازه ی خاکدانه با سه تکرار مورد بررسی قرار گرفت. کرت ها در معرض هفت رخداد باران شبیه سازی شده با شدّت یکسان 70 میلی متر بر ساعت به مدّت 30 دقیقه با فواصل زمانی هفت روز قرار گرفتند. در پایان هر رخداد مقدار هدررفت خاک هر اندازه ی خاکدانه اندازه گیری شد. پایداری خاکدانه در برابر ضربه ی مکانیکی (MWDdry)، خیس شدن در آب (MWDwet) و ضربه ی قطره ی آب (WDT) به ترتیب با استفاده از روش های الک خشک، الک تر و رهاسازی قطره ی آب برای هر کلاس اندازه خاکدانه تعیین شد. به علاوه پایداری خاکدانه به ازای جرم خاکدانه به ترتیب برای هر سه روش با شاخص های MWDdry-m، MWDwet-m و WDTm بیان شد. در کنار آن، سایر ویژگی های فیزیکی و شیمیایی شامل توزیع اندازه ی ذرات، سنگ ریزه، چگالی ظاهری، ضریب آب گذری اشباع، کربن آلی و کربنات کلسیم در آزمایشگاه اندازه گیری شدند. یافته ها: بر اساس نتایج، هم بستگی مثبت معنی دار بین اندازه ی خاکدانه و پایداری خاکدانه اندازه گیری شده با روش های خشک (99/0=r)، الک تر (89/0=r) و آزمون قطره ی آب (93/0=r) وجود داشت. با افزایش اندازه ی خاکدانه، پایداری خاکدانه بر اساس این روش ها، افزایش یافت. با این وجود ارزیابی پایداری خاکدانه به ازای جرم خاکدانه نشان داد که هم بستگی منفی بین اندازه ی خاکدانه و پایداری خاکدانه به ازای جرم خاکدانه در روش الک تر (95/0-=r)، الک خشک (88/0-=r) و آزمون قطره ی آب (88/0-=r) وجود دارد. اگرچه خاکدانه های درشت نسبت به خاکدانه های کوچک، پایداری بیش تری در برابر تنش های خارجی مانند ضربه ی مکانیکی، خیس شدن در آب و ضربه ی قطره ی آب دارند اما پایداری آن ها نسبت به جرم خود، کم تر از خاکدانه های کوچک می باشد. بر خلاف انتظار، هدررفت خاک هر کلاس اندازه ی خاکدانه با افزایش پایداری خاکدانه اندازه گیری شده با روش های خشک، الک تر و آزمون قطره ی آب افزایش یافت در صورتی که هدررفت خاک با افزایش پایداری خاکدانه ی تعیین شده در این سه روش به ازای جرم خاکدانه کاهش یافت. نتیجه گیری: این پژوهش نشان داد که شاخص های MWDwet، MWDdry و WDT، شاخص هایی مناسب برای ارزیابی پایداری اندازه های خاکدانه در یک خاک در برابر فرسایش بین شیاری نیستند؛ بلکه پایداری خاکدانه ی تعیین شده در این سه روش به ازای جرم خاکدانه مفهومی بهتر برای ارزیابی حساسیّت اندازه های خاکدانه به فرسایش بین شیاری هستند. در این میان، MWDwet-m، به عنوان مناسب ترین شاخص در این زمینه است.

خاکدانه سازی فرایندی مهم و موقت در بحث ساختمان خاک است که علاوه بر خصوصیات ذاتی خاک متاثر از کاربردی و مدیریت اراضی بوده و پایداری آن بر ویژگی های مهم خاک مانند نفوذپذیری، تهویه، مقاومت، فرسایش، انتقال آب، املاح، گازها و گرما اثر قابل توجهی دارد. در این پژوهش ، باهدف بررسی اثر ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی خاک بر پایداری خاکدانه ها،نمونه های دست نخورده خاک (از دو عمق 10-0 و 20-10 سانتی متر) از مناطق گلستان، مازندران، کرمانشاه و آذربایجان غربی در تابستان سال 1378 برداشت شده و پس از انتقال به آزمایشگاه، درصد پایداری درخاکدانه های 2/8 - 2 میلی متر و مقدار پراکنش رس در آنها به روش پوجاسوک و کی 1990 اندازه گیری شده است. تجزیه واریانس داده های پژوهش برای پارامتر پایداری خاکدانه های تر نشانگر معنی دار بودن تفاوت خاکها در همه مناطق نمونه برداری بوده است. ترتیب بزرگی میانگین پایداری خاکدانه ها با آزمون دانکن و در سطح آماری پنج درصد چنین بوده است: مازندران، گلستان، کرمانشاه، آذربایجان غربی. تحلیل رگرسیون برای مجموعه مناطق و برای داده های هر منطقه نیز انجام شده و نشانگر آن بوده در مجموعه مناطق، تغییرات پایداری خاکدانه ها به طور عمده متاثر از مقدار مواد آلی R به توان دو برابر است با 0.723 در سطح احتمال 0.0001 است، در حالیکه در منطقه گلستان مقدار رس و در منطقه آذربایجان غربی مقدار شن بیشترین تاثیر را داشته اند. نتایج تحلیل رگرسیون به روش گام به گام نیز منجر به ارائه معادله هایی شده است که از آنها مقدار پایداری خاکدانه های تر در مناطق مربوطه را میتوان از روی متغیرهای دیگر خاک برآورد نمود.

با توجه به محدودیت های موجود در تعیین میزان حساسیت خاک به فرسایش آبی یا فرسایش پذیری خاک از طریق آزمون های میدانی، کاربرد روش های آزمایشگاهی روی نمونه های کوچک خاک (کمتر از 100 گرم)، افزون بر ساده بودن، نیازمند هزینه و وقت کمتری است. نتایج پژوهش های مختلف در این زمینه بیانگر آن است که از بین روش های مختلف آزمایشگاهی، مبنی بر استفاده از خصوصیات خاک، آزمون های مربوط به ساختمان خاک و پایداری خاکدانه ها موثرتر است و به آن ها بیشتر توجه شده است. در این تحقیق، با تکیه بر مشاهدات و تغییرات ماکروسکوپی در مقیاس واحدهای همگن، در بخشی از خاک های حوضه آبخیز طالقان، به وسعت 3260 هکتار، 84 نقطه به عنوان نقاط نمونه برداری خاک انتخاب شد. به منظور تمایز بین مکانیسم های شکستگی خاکدانه ها و ارزیابی رفتار ساختمانی خاک ها در شرایط مختلف محیطی، پایداری خاکدانه ها با لحاظ کردن سه تیمار خیس شدن سریع خاکدانه ها، خیس شدن آهسته خاکدانه ها و شکستگی ناشی از تکان دادن خاک پس از خیس کردن اولیه و با استفاده از روش لی بیسونایس اندازه گیری شد. اثر اشکال مختلف فرسایش آبی بر پایداری خاکدانه ها نیز با استفاده از شاخص پایداری مرطوب خاکدانه ها بررسی شد. نتایج نشان داد مکانیسم های مختلف شکستگی خاکدانه ها اثر معنی داری در میزان شکستگی خاکدانه ها دارد. مکانیسم ناپایداری خاک های طالقان فرایند واریختگی است که در اثر فشار هوای محبوس شده در هنگام خیس شدن سریع خاکدانه ها ایجاد می شود و این شرایط هنگام وقوع باران های شدید روی خاک خشک رخ می دهد. همچنین، نتایج نشان داد اختلاف معنی داری بین پایداری مرطوب خاکدانه ها در اشکال مختلف فرسایش آبی وجود ندارد.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

فرسایش بادی و آبی از عوامل اصلی در آسیب به خاک و منابع طبیعی هستند. در تحقیقات پیشین تاکید زیادی بر نقش پایداری خاکدانه ها در کنترل فرسایش خاک و جلوگیری از حرکت و جابجایی آنها توسط عوامل فرسایشی شده است. بدین منظور، استفاده از مواد پلیمری به منظور کنترل فرسایش بادی مورد توجه قرار گرفته است اما مساله موجود میزان تاثیر و مدت زمان دوام این محصولات در خاک های مختلف است که می بایستی مشخص گردد. این پژوهش در راستای ارزیابی تاثیر امولسیون پلیمری بر پایه پلی وینیل استات (PVA) بر شاخص پایداری خشک خاک ها، تغییرات آن در طول زمان و انتخاب میزان بهینه در خاک های مختلف انجام شده است. بدین منظور پس از تهیه سه نمونه خاک با بافت سبک، متوسط و سنگین از نقاط مختلف و انجام آزمایش های تعیین رطوبت طبیعی نمونه ها، دانه بندی به طریق هیدرومتری و الک و تعیین حدود آتربرگ خاک بر روی آنها، با استفاده از سه نوع خاک با چهار سطح 0، 25، 40 و 50 گرم از ماده پلیمری در هر متر مربع خاک به ترتیب با غلظت های 0، 25، 40 و 25 گرم در لیتر، 12 تیمار آزمایشی تهیه گردید. سپس میانگین وزنی قطر خاکدانه خشک (MWD) هر تیمار در سه تکرار و در بازه های زمانی 1 روز، 1، 3 و 6 ماه پس از تهیه، اندازه گیری شد. نتایج تحلیل آماری نشان داد که در بیشتر بازه های زمانی مورد نظر، افزودن ماده پلیمری به صورت معنی داری میزان MWD خاک ها را نسبت به نمونه های تیمار شده با آب (شاهد) افزایش داده اند. همچنین، میزان ماده پلیمری و حجم امولسیون پلیمری اضافه شده تواما بر میزان پایداری خاکدانه تاثیر می گذارد. تاثیر تمام تیمارهای پلیمری بر میزان شاخص پایداری خاکدانه های ایجاد شده در ماسه بادی نسبت به تیمار شاهد حتی پس از 6 ماه هم کاملا چشمگیر است. مقادیر MWD خاک متوسط تمام تیمارها تا 3 ماه بالاتر از شاهد بوده و پس از 6 ماه، تنها تیمار 50 گرم بر متر مربع ماده پلیمری همچنان دارای مقادیر بزرگتری نسبت به تیمار شاهد است. در خاک سنگین تیمار شده با پلیمر نیز، تنها MWD تیمار 50 گرم بر متر مربع است که پس از 6 ماه با خاک شاهد در سطح 1 درصد تفاوت معنی دار داشته و همچنان دارای ابعاد بزرگتری نسبت به تیمار شاهد است. سرانجام تیمار با میزان 25 گرم پلیمر بر مترمربع خاک (با غلظت 25 گرم در لیتر) به دلیل آنکه کمترین میزان پلیمر و کمترین میزان حجم امولسیون اضافه شده به خاک را داراست به عنوان گزینه موثر انتخاب گردید.

از آنجا که خاکورزی سنتی (مرسوم) باعث شکسته شدن خاکدانه ها به ویژه در خاکهای لومی و لومی شنی گردیده و حساسیت خاک را در برابر فرسایش آبی و بادی افزایش می دهد، استفاده از سایر روشهای خاکورزی در اراضی کشاورزی بخصوص در دیمزارها امری ضروری است. در این طرح تحقیقاتی، تاثیر سه نوع عملیات خاکورزی شامل خاکورزی مرسوم (تهیه بستر بذر با گاوآهن بشقابی)، خاکورزی حفاظتی (کاشت بذر با کمبیناتور بدون هیچگونه عملیات خاکورزی دیگر و نگهداری تمام بقایا بر روی سطح خاک پس از عملیات برداشت) و حداقل خاکورزی (کاشت بذر با کمبیناتور بدون هیچگونه عملیات خاکورزی دیگر و نگهداری 30 درصد بقایا پس از عملیات برداشت) همراه با تیمار شاهد (بدون کشت و کار) در قالب طرح بلوکهای کامل تصادفی در سه تکرار بر میزان ماده آلی، پایداری خاکدانه ها و میزان پیشروی طولی آبکندها در اراضی گندم دیم حساس به فرسایش آبکندی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصله نشان داد که تیمارهای خاکورزی حداقل و حفاظتی در مقایسه با تیمار خاکورزی مرسوم، باعث افزایش معنی دار مقدار ماده آلی خاک و پایداری خاکدانه ها (به صورت شاخص MWD) و کلیه تیمارها در مقایسه با تیمار شاهد باعث کاهش معنی دار میزان پیشروی طولی آبکندهای پایین دست گردید. بنابراین، برای افزایش مواد آلی و پایداری خاکدانه ها و در نتیجه جلوگیری از گسترش انواع فرسایش آبی بویژه فرسایش آبکندی در شرایط مشابه، اعمال روشهای خاکورزی حفاظتی یا حداقل پیشنهاد می گردد.

پایداری خاکدانه و ساختمان خاک به عنوان شاخص های کلیدی سلامت خاک مرتع بوده و از عوامل مؤثر در کنترل فرسایش خاک به شمار می روند. تحقیق حاضر به منظور بررسی اثر قرق بر وضعیت پایداری خاکدانه ها و ساختمان خاک در چهار منطقه از مراتع استان گلستان شامل چهارباغ، اینچه برون، گمیشان و مراوه تپه انجام شد. نمونه برداری خاک از دو عمق 20-0 و 40-20 سانتی متر با حفر پروفیل و به روش تصادفی-سیستماتیک و در امتداد هر ترانسکت در هر یک از سایت های قرق و مجاور قرق مناطق چهارگانه انجام شد. پایداری خاکدانه ها به روش الک تر در آزمایشگاه مورد اندازه گیری قرار گرفت. نتایج حاصل برای سایت های قرق و مجاور قرق و نیز دو عمق مربوطه به ترتیب با استفاده از آزمون تی نمونه های مستقل و جفتی مورد تجزیه و تحلیل آماری قرار گرفت. نتایج نشان داد در اغلب سایت های مورد مطالعه مقادیر پایداری در خاک سطحی نسبت به خاک عمقی بیشتر می باشد. نتایج بررسی اثر قرق مرتع بر تغییر مورفولوژیکی و وضعیت ساختمان خاک نشان از نقش مثبت قرق در توسعه ساختمان خاک در تمامی مناطق مورد بررسی داشته است ولی این نتایج در بررسی آماری پایداری خاکدانه تنها در منطقه اینچه برون و گمیشان از لحاظ آماری معنی دار شد. بالاترین مقدار پایداری خاکدانه در عمق اول سایت قرق گمیشان (52/4 میلی متر) و کمترین میزان پایداری خاکدانه در عمق دوم سایت چرایی گمیشان (15/1 میلی متر) مشاهده شد. بررسی نهایی نتایج نشان داد صرف نظر از نقش مثبت قرق در ارتقای وضعیت پایداری خاکدانه، عواملی همچون موقعیت جغرافیایی مرتع، اقلیم، نوع پوشش گیاهی و شرایط چرای دام به عنوان عوامل همراه قرق مؤثر بر پایداری خاکدانه و ساختمان خاک بایستی مورد توجه واقع شوند.