تعیین شاخص جدید هیدرومورفیک خاک (SHI) با استفاده از داده های میکرومورفولوژیکی برای خاک‌های اکوئیک در شمال ایران

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار،گروه علوم و مهندسی خاک دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران-کرج

2 استاد، گروه علوم و مهندسی خاک دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران-کرج

چکیده

سابقه و هدف: مطالعه ساختار دست‌نخورده و طبیعی خاک با استفاده از تکنیک‌های میکروسکوپی اطلاعات ارزشمندی را در مورد خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و مورفولوژیکی خاک و نحوه تشکیل خاک در اختیار می‌گذارد. تعیین شاخص‌های میکرومورفولوژیکی روشی پیشرفته برای کمی کردن خصوصیات خاک و افزایش دقت و درستی نتایج مطالعات مورفولوژیکی و میکرومورفولوژیکی است. در حال حاضر برای تعیین طبقه‌بندی خاک‌های دارای رژیم رطوبتی اکوئیک یا دارای شرایط اکوییک در سامانه‌ آمریکایی طبقه‌بندی خاک معیارهای کمّی ارائه نشده است؛ به‌طوری که تفاوتی بین خاک‌های اشباع که احیا آنها ناشی از آب زیرزمینی بالا می-باشد و خاک‌هایی که اشباع و احیا آنها در اثر نفوذ آب از سطح خاک به طور موقت بوده و اشباع تنها در افق‌های فوقانی دیده می-شود، وجود ندارد. برای رفع این مشکل، هدف کلی از این پژوهش استفاده از علم میکرومورفولوژی و نرم افزارهای تخصصی آنالیز تصویر در راستای مدیریت پایدار منابع خاک از طریق شناسایی صحیح خاک‌های دارای شرایط اکوئیک می‌باشد. علاوه بر این هدف اختصاصی نیز تعریف یک شاخص هیدرومورفیک جدید (SHI) برای ارزیابی وضعیت تحول خاک در شرایط اکوئیک بر اساس ویژگی‌های میکرومورفولوژیکی خاک است.
مواد و روش‌ها: برای انجام پژوهش و تعیین شاخص میکرومورفولوژیکی خصوصیات هیدرومورفیک خاک، پس از تهیه نمونه‌های دست‌نخورده (شش خاکرخ شاهد دارای شرایط اکوئیک از شمال ایران)، مقاطع نازک آنها تهیه شد. مطالعه و تجزیه و تحلیل مقاطع نازک با استفاده از میکروسکوپ پلاریزان صورت پذیرفت. در مرحله بعد برای تعیین شاخص هیدرومورفیک برای خاک‌های دارای شرایط اکوئیک به ترتیب مراحل زیر صورت پذیرفت: 1-تهیه مقاطع نازک، 2-مطالعه خصوصیات میکروسکوپی، 3-تصویربرداری از مقاطع نازک، 4-آنالیز تصویر و کمی کردن پارامترهای میکرومورفولوژی و 5- نمره‌دهی به خصوصیات بین 0 تا 100 امتیاز 6- محاسبه شاخص هیدرومورفیک خاک
یافته‌ها: شاخص هیدرومورفیک به‌دست آمده با ساختمان میکروسکوپی، مواد نرم خاک، b-فابریک، مواد آلی، عوارض هیدرومورفیک و تغییرشکل کانی‌ها ارتباط داشت. این شاخص می‌تواند برای طبقه‌بندی خاک‌های دارای رژیم رطوبتی اکوئیک یا شرایط اکوئیک در واحدهای مختلف زمین‌نما مفید باشد. نتایج نشان داد که شاخص هیدرومورفیک از مقادیر بسیار زیاد در خاک‌های شالیزاری با رژیم رطوبتی اکوئیک تا مقادیر بسیار کم در خاک‌های غیر شالیزاری تحت کشت کیوی متغیر بود. در خاک‌های شالیزاری دارای رژیم رطوبتی اکوئیک مقادیر SHI با عمق خاک افزایش نشان داد و حداکثر آن در افق‌های عمیق‌تر دیده شد، در حالی‌که در خاک‌های غیر شالیزاری رابطه بین SHI با عمق خاک نامشخص بود.
نتیجه‌گیری: شاخص هیدرومورفیک تعریف شده در خاک‌های دارای رژیم رطوبتی اکوییک بیشتر از 35/0 بود و در کلید رده‌بندی در کلاس خاک‌های اکوئیک قرار گرفتند. در مقابل خاک‌های دارای شاخص هیدرومورفیک کمتر از 35/0 در خاک‌هایی دیده شدند که تنها دارای شرایط اکوییک بودند. بسیاری از مشکلاتی که در سامانه طبقه‌بندی آمریکایی خاک در تفکیک خاک‌های دارای رژیم رطوبتی اکوئیک از خاک‌های دارای شرایط اکوئیک وجود دارد، با تعیین شاخص هیدرومورفیک قابل حل خواهد بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Determination of new soil hydromorphic index (SHI) using micromorphological data for aquic soils in the north of Iran

نویسندگان [English]

  • Alireza Raheb 1
  • Ahmad Heidari 2
1 Assistant Professor, soil science department, Faculty of Agricultural Engineering and Technology, College of Agriculture & Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
2 Professor, soil science department, Faculty of Agricultural Engineering and Technology College of Agriculture & Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Microscopic techniques provide invaluable information about soil genesis and also physicochemical and morphological properties of undisturbed natural soil structure. Determination of micromorphological indices is an advanced method of quantifying soil properties and increasing the accuracy of morphological and micromorphological studies. At present, there are no quantitative criteria in the American soil classification system to determine the classification of soils with an aquic moisture regime or with aquic conditions; so that there is no distinction between saturated soils and their reduction due to high groundwater and soils which saturation and reduction due to water infiltration from the soil surface is temporarily saturated only in the upper horizons. To prevent this problem, the general purpose of this research is to use micromorphology and image analysis in order to manage soil resources through the correct identification of soils with aquic conditions. In addition to the specific purpose, a new hydromorphic index (SHI) for soil evolution in aquic conditions based on micromorphological features was proposed.
Materials and methods: To do this research and determine the micromorphological index of soil hydromorphic properties, after preparing intact samples from different horizons of the studied profiles (six control pedons with aquic conditions from northern Iran), their thin sections were prepared. In the following, thin sections were prepared and analyzed using a polarizing microscope. To determine the soil hydromorphic index (SHI) for aquic soils the following steps were then performed in the following order: 1-Preparation of thin sections, 2-Study of the micromorphological properties, 3-Preparation of necessary images, 4- Image analysis and quantification of micromorphological parameters, 5- Score attributes between 0 and 100 points and 6-Calculation of soil hydromorphic index (SHI).
Results: The obtained hydromorphic index was correlated with microstructure, fine soil materials, birefringence fabric, organic materials, hydromorphic features and mineral alteration. This index can be useful for correlation of soils with aquic horizons formed on different landscape units. The results showed that the hydromorphic index varied from very high values in paddy soils under aquic moisture regime to very low values in non-paddy soils under kiwifruit cultivation. In paddy soils under aquic moisture regime, SHI values increased with soil depth and its maximum was seen in deeper horizons, whereas in non-paddy soils, the relationship between SHI and soil depth was unclear.
Conclusion: The defined hydromorphic index in soils under aquic moisture regime was more than 0.35 and in the soil taxonomy keys were in the aquic soils class. In contrast, soils with a hydromorphic index of less than 0.35 are found in soils that have only aquic conditions. Finally, many of the problems that exist in the American Soil Classification System in distinguishing soils with aquic moisture regime from soils with aquic conditions can be solved by determining the hydromorphic index.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Image analysis
  • Micromorphological properties
  • Hydromorphic index
  • Aquic condition
1.Dorney, J., Savage, R., Tiner, R.W., and Adamus, P. (Eds.). 2018. Wetland and stream rapid assessments: Development, validation, and application. Academic Press. 564p.
2.Keddy, P.A. 2010. Wetland ecology: principles and conservation. Cambridge university press. 614p.
3.Hong, H., Fang, Q., Cheng, L., Wang, C. and Churchman, G.J. 2016. Microorganism- induced weathering of clay minerals in a hydromorphic soil. Geochimica et Cosmochimica Acta. 184: 272-288.
4.Hurt, G.W. 2005. Hydric Soils, P 212-217, In: D., Hillel (ed), Encyclopedia of soils in the environment. Vol. 2. Academic Press; Columbia University New York.
5.Davidson, N.C., Fluet-Chouinard, E., and Finlayson, C.M. 2018. Global extent and distribution of wetlands: trends and issues. Marine and Freshwater Research. 69: 4. 620-627.
6.Guthrie, R.L. 1985. Characterization and classification wetland soils in relation to food production. P 11-22, In: United States. Soil Management Support Services, and Philippines. Bureau of Soils (ed) wetland soils-Characterization, classification and utilization. Manil, Philippines, IRRI.
7.Torabi Golsefidi, H. 2001. Genesis, classification and land suitability evaluation of wetland soils for irrigated rice in Eastern Guilan province. Ph.D. Thesis, College of Agriculture, Isfahan University of Technology. 460p. (In Persian)
8.Soil Survey Staff. 2014. Keys to Soil Taxonomy. United States Department of Agriculture. 12nd Ed. NRCS. 372p.
9.Bouma, J. 1983. Hydrology and soil genesis of soils with aquic moisture regimes. En: Pedogenesis and Soil Taxonomy I. Concepts and Interactions. P 253-281, In: L.P. Wilding; N.E. Smeck, and G.F. Hall. (eds.) Elsevier. Amsterdam.
10.Lindbo, D. 1997. Entisols: Fluvents and fluvaquents: Problems recognizing aquic and hydric conditions in young, flood plain soils. P 133-152, In: M.J. Vepraskas and S.W. Sprecher (eds.) Aquic conditions and hydric soils: The problem soils. SSSA Spec. Publ. 50. SSSA, Madison, WI.
11.Bell, J.C., and Richardson, J.L. 1997. Aquic conditions and hydric soil indicators for Aquolls and Albolls. P 23-40, In: M.J. Vepraskas and S.W. Sprecher (eds.) Aquic conditions and hydric soils: The problem soils. SSSA Spec. Publ. 50. SSSA, Madison, WI.
12.Kuehl, R.J., Comerford, N.B., and Brown, R.B. 1997. Aquods and Psammaquents: Problems in hydric soil identification. P 41-59, In: M.J. Vepraskas and S.W. Sprecher (eds.) Aquic conditions and hydric soils: The problem soils. SSSA Spec. Publ. 50. SSSA, Madison, WI.
13.Clausnitzer, D., Huddleston, J.H., Horn, E., Keller, M., and Leet, C. 2003. Hydric soils in a southeastern Oregon vernal pool. Soil Science Society of America Journal. 67: 3. 951-960.
14.Stoops, G., Marcelino, V., and Mees, F. 2010. Interpretation of Micromorphological Features of Soils and Regoliths, SSSA. Madison, WI, 752p.
15.Heidari, A., and Sahebjalal, E. 2011. Guidelines for Analysis and Description of Soil and Regolith thin Section,
(by Stoops, G), University of Tehran Press. 278p. (Translated in Persian)
16.Aydemir, S., Keskin, S., and Drees, L. R. 2004. Quantification of soil features using digital image processing (DIP) techniques. Geoderma. 119: 1-2. 1-8.
17.O'Donnell, T., Goyne, K.W., Miles,R.J., Baffaut, C., Anderson, S.H., and Sudduth, K.A. 2010. Identification and quantification of soil redoximorphic features by digital image processing. Geoderma. 157: 86-96.
18.O'Donnell, T., Goyne, K.W., Miles, R.J., Baffaut, C., Anderson, S.H., and Sudduth, K.A. 2011. Determination of representative elementary areas for soil redoximorphic features identified by digital image processing. Geoderma. 161: 138-146.
19.Yurong, H., Chengmin, H., Xiangming, X., Yanqiang, W., and Xiubin, H. 2008. Micromorphological Features of Paleo-Stagnic-Anthrosols at Archaeological Site of Sanxingdui, China. Journal of Mountain Science. 5: 358-366.
20.Raheb, A.R., and Heidari, A. 2012. Investigating the soil properties affected by land use change of paddy rice to kiwi plantation in some soils of Tonekabon County, Northern Iran. Journal of Soil Management and Sustainable. 2: 2. 1-26. (In Persian)
21.Raheb, A.R. 2012. Image Analysis and investigation of micromorphological and mineralogical properties of paddy and non-paddy soils. M.Sc. Thesis, College of Agriculture, University of Tehran, Iran. 184p. (In Persian)
22.Chaplot, V., Walter, C., and Curmi, P. 2000. Improving soil hydromorphy prediction according to DEM resolution and available pedological data. Geoderma. 97: 405-422.
23.Chaplot, V., Walter, C., Curmi, P., Lagacherie, P., and Kinge, D. 2004. Using the topography of the saprolite upper boundary to improve the spatial prediction of the soil hydromorphic index. Geoderma. 123: 343-354.
24.Dorronsoro, C. 1994. Micromorphological index for the evaluation of soil evolution in central Spain. Geoderma. 61: 237-250.
25.Khormali, F. 2005. Application of image analysis and microscopic methods for estimation of porosity and gypsum in Gypsiferous soils. 9th Iranian Soil Science congress, Karaj. (In Persian)
26.Magaldi, D., and Tallini, M. 2000. A micromorphological index of soil development for Quaternary geology research. Catena. 41: 261-276.
27.Vodyanitskii, Y.N. 2007. New Soil Hydromorphism Index Based on State of Iron. Russian Agricultural Sciences. 33: 4. 250-253.
28.Khormali, F., Abtahi, A., Mahmoodi, S. and Stoops, G. 2003. Argillic horizon development in calcareous soils of arid and semiarid regions of southern Iran. Catena. 53: 273-301.
29.Newhall, F., and Berdanier, C.R. 1996. Calculation of soil moisture regimes from the climatic record. Natural Resources Conservation Service, Soil Survey Investigation Report, No. 46. 13p.
30.Murphy, C.P. 1986. Thin Section Preparation of Soils and Sediments. A B Academic Publ., Berkhamsted. 149p.
31.Stoops, G. 2003. Guideline for analysis and description of soil and regolith thin sections, SSSA. Madison, WI, 184p.