SUPERVISOR
Hossein Khademi Moughari,Mohammad Reza Mosaddeghi
حسین خادمی موغاری (استاد مشاور) محمدرضا مصدقی (استاد راهنما)
STUDENT
MOJTABA FAHIMI
مجتبی فهیمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Assessment of Structural Stability of Surface Soils as Quantified by High Energy Moisture Characteristic (HEMC) and It's Mapping in Isfahan
Soil structure has a vital role in soil quality and can moderate the environment by motivating soil water retention, hydraulic conductivity, nutrient diffusion, aeration, and temperature. Considering the importance of soil structure, different methods and indices have been proposed to evaluate the aggregate stability for specific objectives and conditions. The present study aimed to evaluate the soil structural stability using high energy moisture characteristic (HEMC) method and its spatial variability, and to determine the most-important factors affecting structural stability of surface soils in Isfahan Province. First, the study area was divided into 20 ´ 20 kilometres network, and 252 soil samples were collected from 0–20 cm depth on the network. The soil structural stability was determined by the HEMC method using sand box apparatus; the soil samples were wetted slowly and quickly. The HEMC data were modelled using the modified van Genuchten model. The values of stability index (SI) were determined for slow-wetted and fast-wetted samples and the stability ratio (SR) was calculated by dividing SI of fast wetting on SI of slow wetting. Moreover, the ratio of volumes of drainable pores (VDPR) and the ratio of matric suctions at inflection point of HEMC (? dR ) were calculated as the relative indices of soil structure stability. Some soil physical and chemical properties including organic matter, gypsum and carbonate contents, texture, pH, EC, SAR and ratio of organic matter to clay (OM/Clay) were also determined. The impacts of different properties on aggregate stability were evaluated using correlation, stepwise regression and spatial variability analyses. In order to evaluate the impact of each variable on soil structural stability, correlation, step-by-step multivariate regression, and neural network (using multilayer perceptron network) analyses and sensitivity analysis were done. In addition, spatial variability analysis was performed by semi-variogram models and kriging interpolation method. Statistical results indicated that structural stability indices and soil properties varied in broad ranges. With an increment in the organic matter, gypsum, carbonate and clay contents, soil pores were less destroyed and the difference between HEMC curves in fast-wetting and slow- wetting treatments were reduced. The Spearman correlation coefficients revealed that SR and VDPR were positively and significantly interrelated, while they were significantly (but negatively) related to ? d R. The stronger relation between SR and VDPR suggested that the structural stability index is mainly governed by the volume of drainable pores rather than by the matric suction at inflection point of HEMC. The SR and VDPR had positive correlations with organic matter, gypsum, OM/Clay and carbonate; because these properties are considered as the agents of formation and stability of soil structure. Contrarily, SAR, known as aggregate-destructive factor, was negatively correlated with SR and VDPR. Step-by-step regression and neural network analyses were used to predict the soil structural stability indices by readily-available soil properties; organic matter, gypsum, OM/Clay, carbonate, EC and SAR were determined as the most-important input variables in both methods. Based on the coefficients of determination, artificial neural network had better efficacy and higher accuracy than multivariate regression in predicting the soil structural stability indices. Mean comparisons of the soil structural stability indices showed that desert land use had the highest value of ? d R (i.e. index of soil structural instability) which was significantly greater than its values in pasture and arable land uses. In addition, means of SR and VDPR were higher in pasture and arable lands. However, no significant difference was observed between the means of soil structural stability indices among different geological deposits. Spatial variability analysis revealed that in northeast part of Isfahan Province, the soil structural stability indices were higher due to gypsum presence in the soils. Also, in southern part with semi-humid climate, soil structure was fairly stable. In south and southeast parts of Isfahan city and in east of Isfahan Province, the soil structure was unstable due to destroying effect of high SAR. Principal component and clustering analyses were also employed to reduce the number of affecting variables. Based on the entered variables, the grouping of cluster analysis was almost similar to that of principal component analysis; the components consisted of three groups of soil physical-climatological properties, soil chemical properties and soil structural stability indices. Keywords: Soil structural stability, High energy moisture characteristic (HEMC), Fast wetting, Slow wetting, Multivariate regression, Artificial neural network
ساختمان خاک نقش کلیدی در کیفیت خاک داشته و با تأثیر بر نگهداشت آب خاک، هدایت هیدرولیکی خاک، انتشار مواد غذایی، تهویه و دما متعادل کننده محیط زیست است. با توجه به اهمیت تأثیر ساختمان خاک، روش ها و شاخص های متعددی برای ارزیابی پایداری خاکدانه ها ارائه شده که هر یک برای اهداف و شرایط خاصی مناسب اند. این پژوهش با هدف ارزیابی پایداری ساختمان خاک و تغییرپذیری مکانی آن و تعیین مهم ترین عوامل موثر بر پایداری ساختمانی خاک های سطحی استان اصفهان به روش منحنی مشخصه رطوبتی پرانرژی (HEMC) انجام گرفت. در ابتدا استان اصفهان به شبکه های 20 × 20 کیلومتری تقسیم بندی شده و در هر شبکه از لایه 0-20 سانتی متری سطح خاک نمونه برداری انجام شد (در مجموع 252 نمونه خاک). برای اندازه گیری پایداری ساختمان خاک به روش HEMC از دستگاه جعبه شن استفاده شد و نمونه های خاک به دو شیوه ی سریع و آهسته مرطوب شدند. مدل سازی داده های HEMC با استفاده از مدل اصلاح شده ونگنوختن انجام شد. مقدار شاخص های پایداری (SI) در دو حالت مرطوب کردن آهسته و سریع بدست آمده و از تقسیم آن ها به هم نسبت پایداری خاک (SR) بدست آمد. هم چنین شاخص های نسبت حجم منافذ قابل زهکشی (VDPR) و نسبت مکش ماتریک در نقطه عطف منحنی HEMC (? d R) به عنوان شاخص های نسبی پایداری ساختمان خاک محاسبه شدند. برخی از ویژگی های فیزیکی و شیمیایی خاک شامل ماده آلی، گچ، آهک، بافت، pH ، EC، SAR و نسبت ماده آلی به رس (OM/Clay) نیز اندازه گیری شد. ارزیابی اثر گذاری هر یک از متغیرها بر پایداری ساختمان خاک با استفاده از تجزیه های هم بستگی، رگرسیونی گام به گام چندگانه و شبکه عصبی مصنوعی (شبکه پرسپترون چند لایه) به همراه تجزیه و تحلیل حساسیت انجام شد. هم چنین بررسی تغییرپذیری مکانی با استفاده از مدل های نیمه-تغییرنما و روش میان یابی کریجینگ انجام گرفت. نتایج آماری نشان داد مقادیر شاخص های پایداری ساختمان و ویژگی های خاک در دامنه وسیعی تغییر می کردند. با افزایش مقادیر ماده آلی، گچ، آهک و رس، منافذ خاک کمتر تخریب شده و تفاوت بین منحنی های HEMC در مرطوب کردن سریع و آهسته کاهش یافت. ضرایب هم بستگی اسپیرمن نشان داد که SR و VDPR با هم رابطه مثبت و با d R? رابطه منفی و معنی داری برقرار کرده است. رابطه قوی تر SR با VDPRبیان کننده آن است که شاخص پایداری ساختمان بیش تر تحت کنترل حجم منافذ قابل زهکشی است و کم تر تحت تأثیر مکش ماتریک در نقطه عطف منحنی HEMC قرار می گیرد. شاخص های SR و VDPR با ماده آلی، گچ، OM/Clay و آهک دارای هم بستگی مثبت بودند که این ویژگی ها از جمله عوامل تشکیل و پایداری ساختمان خاک هستند. در حالی که SAR دارای هم بستگی منفی با شاخص های SR و VDPR بود که از جمله عوامل مخرب خاکدانه ها به شمار می رود. به منظور تخمین شاخص های پایداری ساختمان خاک به کمک ویژگی های زود یافت خاک، از روش های رگرسیون گام به گام و شبکه عصبی استفاده شد که در هر دو روش، ماده آلی، گچ، OM/Clay، آهک، EC و SAR مهم ترین متغیر های ورودی بودند. با توجه به ضرایب تبیین، شبکه عصبی مصنوعی عملکرد بهتر و دقت مناسب تری نسبت به مدل رگرسیون چندمتغیره برای تخمین شاخص های پایداری ساختمان خاک نشان داد. مقایسه میانگین شاخص های پایداری ساختمان خاک نشان داد که کاربری بیابان دارای بیش ترین مقدار ? d R (شاخص ناپایداری ساختمان خاک) بود و اختلاف معنی داری با کاربری های مرتع و کشاورزی داشت ولی دو کاربری کشاورزی و مرتع میانگین های SR و VDPR (شاخص های پایداری ساختمان خاک) بیش تری نسبت به کاربری بیابان داشتند. در مقایسه میانگین شاخص های پایداری ساختمان خاک بین سازندهای زمین شناسی مختلف، تفاوت معنی داری دیده نشد. نتایج حاصل از تغییرپذیری مکانی نشان داد که در قسمت های شمال شرقی که دارای گچ فراوان بودند، شاخص های پایداری ساختمان خاک دارای مقادیر بیش تری بود. هم چنین در ناحیه جنوبی استان که دارای اقلیم نیمه مرطوب است تا حدودی ساختمان خاک پایدار وجود دارد. در قسمت های جنوبی و جنوب شرقی شهرستان اصفهان و شرق استان اصفهان، مقدار SAR زیاد است که منجر به تخریب خاکدانه ها شده است. برای کاهش تعداد متغیرها از روش های تجزیه به عامل های اصلی و تحلیل خوشه ای نیز استفاده شد. بر اساس متغیر های وارد شده، گروه بندی حاصل از تجزیه خوشه ای با نتایج حاصل از تجزیه به عامل ها تقریباً مشابه بوده و شامل سه گروه ویژگی های فیزیکی-اقلیمی، شیمیایی و شاخص های پایداری ساختمان خاک شدند. در کل نتایج نشان داد خاک های سطحی در استان اصفهان دارای پایداری ساختمان ضعیف تا متوسطی هستند و پیشنهاد می شود به منظور بهبود پایداری ساختمان خاک در برابر عوامل مخرب، مدیریت پایدار خاک اعمال شده و پوشش گیاهی حفظ و افزایش یابد. واژه های کلیدی: پایداری ساختمان خاک، منحنی مشخصه رطوبتی پر انرژی (HEMC)، مرطوب کردن سریع، مرطوب کردن آهسته، رگرسیون چندمتغیره، شبکه عصبی مصنوعی