علوم آب و خاک

---

  پالایش­سبز روش نوینی است که از گیاهان برای زدودن آلودگی­ها از خاک آلوده بهره می‌برد. این روش در مقایسه با سایر روش­های پالایش، بسیار کم‌هزینه و ساده است. مدل­های پالایش­سبز برای شناخت بیشتر فرایندهای حاکم بر پدیده پالایش و مدیریت خاک‌های آلوده اهمیت ویژه­ای دارند. بررسی منابع نشان می‌دهد که تاکنون به دلیل پیچیدگی پیوستار خاک- گیاه- نیوار، مدل­های انگشت‌شماری برای پالایش­سبز تکوین یافته­اند. هدف از این پژوهش، مدل­سازی پالایش­سبز خاک‌های آلوده به سرب و کادمیم بود. بدین منظور، نظریه نوینی بر مبنای رفتار خاک (هم‌دمای برون جذبی خاک) و گیاه (نرخ جذب آلاینده به وسیله گیاه) در برابر آلاینده‌ها ارایه شد. بدین منظور، خاکی با بافت لوم شنی با غلظت­های مختلف سرب و کادمیم آلوده شد. پس از پر کردن گلدان‌ها، بذر شاهی ( Barbarea verna ) و اسفناج (. Spinacia oleracea L ) در آنها کشت گردید. گیاهان در پنج بازه زمانی برداشت شدند. غلظت کل سرب و کادمیم در گیاه و خاک به ترتیب با روش اکسیداسیون تر و اکسیداسیون با اسید نیتریک 4 مولار عصاره­گیری و با دستگاه‌های جذب اتمی و کوره گرافیتی اندازه‌گیری شد. مدل­های ارایه شده با استفاده از داده­های آزمایشگاهی واسنجی گردید و کارایی آنها با ملاک‌های کمـّی آزموده شد. نتایج نشان داد که هم‌دمای برون­جذبی خاک برای سرب و کادمیم از مدل خطی پیروی می­کند. با افزایش غلظت سرب در خاک، توانایی شاهی و اسفناج در زدودن آلودگی افزایش داشت. لیکن در آلودگی کادمیمی خاک این توانایی برای شاهی و اسفناج ثابت بود. در پایان با ترکیب واکنش خاک (هم‌دمای برون جذبی خاک) و واکنش گیاه (نرخ جذب فلز از خاک به وسیله گیاه) به آلودگی سربی و کادمیمی خاک، مدل­هایی با کارایی بالا (98/0 < ² R ) برای برآورد زمان لازم برای پالایش­سبز سرب از خاک به دست آمد. با وجود این، مدل‌های ایجاد شده تنها برای به دست آوردن برآوردی کلّی از زمان لازم برای پالایش سبز کادمیم از خاک توانا نشان دادند (70/0≈ ^2�R ).

---

گیاه کلزا در پاسخ به تنش شوری، مقاومت‌های متفاوتی طی مراحل مختلف رشد از خود بروز می دهد. اغلب گیاهان از جمله کلزا، در مراحل نخستین رشد به شوری حساس تر بوده و با افزایش سن، مقاومت آنها به شوری افزایش می یابد. دوره رشد زایشی، حیاتی‌ترین بخش زندگی گیاه می‌باشد زیرا گیاهی که در این دوره تحت تنش قرار گیرد، با وجود داشتن ظاهری سالم، عملکرد چندانی نخواهد داشت. هدف از این پژوهش، کمّی نمودن واکنش گیاه کلزا (رقم Option500) به شوری طی مرحله رشد زایشی به کمک یک مدل بود. برای بررسی اثر شوری آب آبیاری بر تعرق گیاه در مرحله گل دهی و عملکرد دانه، آزمایشی در سال 1384 در دانشکده کشاورزی دانشگاه تربیت مدرس، شامل یک تیمار غیرشور و 8 تیمار با شوری های 3، 5، 7، 9، 11، 13، 15 و 17 دسی‌زیمنس بر متر که از منبع آب شور طبیعی دریاچه حوض سلطان قم تأمین شده بود، در یک خاک شن لومی انجام گرفت. بوته‌های کلزا پیش از رسیدن به مرحله مورد نظر با آب غیر شور آبیاری و پس از آن هر گلدان با تیمارهای مربوطه آبیاری گردید. به منظور کمّی کردن اثر شوری در هر یک از مراحل رشد، مقادیر تعرق نسبی( T_a/T_D) و عملکرد نسبی دانه ( Y/Y_m) در شوری‌های مختلف خاک، با استفاده از مدل‌های ماس و هافمن، ونگنوختن و هافمن، دیرکسن و همکاران و همایی و همکاران برآورد و پارامترهای مورد نظر به‌دست آمد. مقایسه مدل‌ها با استفاده از آماره های مربوطه انجام شد. برازش مدل‌های مختلف بر مقادیر اندازه گیری شده، طی مرحله گل دهی نشان داد که مدل ونگنوختن و هافمن از دقت بیشتری نسبت به سایر مدل‌ها برخوردار است. حال آن که برای مرحله بلوغ، مدل همایی و همکاران توانست برآورد بهتری نسبت به سایر مدل‌ها ارائه دهد.

---

مدل‌‌سازی پاسخ گیاه به تنش‌‌‌های دوگانه شوری و کمبود نیتروژن در نواحی خشک و نیمه‌ خشک برای تخمین عملکرد بهینه اهمیتی فراوان دارد. بدین منظور، دو مدل لیبیگ- اسپرینگل(LS) و میچرلیخ- بال(MB) که تنها برای مدل‌‌‌ سازی پاسخ گیاه به عناصر غذایی پیشنهاد شده‌اند به گونه‌ای تعدیل یافتند که امکان بررسی اثر هم‌زمان نیتروژن و شوری فراهم آید. سپس، به منظور ارزیابی مدل‌های پیشنهادی در مورد پاسخ گیاه کلزا (Brassica napus L.) به تنش‌های توأم شوری و نیتروژن، آزمایشی با سطوح مختلف شوری و نیتروژن طراحی گردید. تیمارهای شوری شامل 5 سطح آب شور ( آّب غیر شور، 3، 6، 9، و 12 دسی زیمنس بر متر) و تیمارهای نیتروژن شامل 4 سطح (0، 75، 150، و 300 میلی‌گرم نیتروژن در کیلو گرم خاک به صورت نیترات آمونیوم) بود. نتایج نشان داد که هر دو مدل تعدیل یافته برآوردی مناسب از عملکرد دانه کلزا ارایه می‌نمایند. لیکن، برآورد مدل تعدیل یافته MB (94/0= 2R) از مدل تعدیل یافته LS (87/0= 2R) بهتر است. مقایسه آماره‌های خطای بیشینه، ریشه میانگین مربعات خطا، کارایی مدل، ‍‍ضریب تبیین و ضریب جرم باقی‌مانده دو مدل تعدیل یافته نشان داد که عملکرد نسبی دانه برآورد شده برای سطوح نیتروژن خاک، هم‌چنین شوری‌های آب آبیاری و اثرات متقابل شوری و نیتروژن، به وسیله مدل تعدیل یافته MB در مقایسه با مدل تعدیل یافته LS، نتایج رضایت‌بخش‌تری داشت. بنابراین، استفاده از مدل تعدیل یافته MB برای برآورد عملکرد نسبی دانه کلزا به هنگام وجود تنش‌های شوری و نیتروژن توصیه می‌شود. با استفاده از مدل تعدیل یافته LS نشان داده شد که حد آستانه کاهش عملکرد در شرایط شور برای سطوح مختلف کاربرد نیتروژن متفاوت است. به گونه‌ای که، تقریباً با کاربرد هر 75 میلی‌گرم نیتروژن در کیلوگرم خاک، حد آستانه کاهش عملکرد در شرایط شور حدود 4 دسی زیمنس بر متر کاهش می‌یابد. مصرف نیتروژن در شرایط شور سبب کاهش غلظت یون کلر در دانه کلزا گردید. هم‌چنین میزان جذب نیتروژن با افزایش تعرق گیاه افزایش یافت که می‌توان آن را به حرکت توده‌ای نیترات در خاک تا رسیدن به ریشه گیاه مرتبط دانست.

---

گیاه پالایی از روش های آلودگی زدایی نوین، درجا و مستقیم است که طی آن از گیاهان برای آلودگی زدایی خاک ها استفاده میشود. این روش در مقایسه با دیگر روش های پالایش، روشی پایدار، طبیعی، کم هزینه و قابل کاربرد در سطوح وسیع است. مدل سازی گیاه پالایی می تواند اطلاعاتی کمی از این فناوری و فرایندهای حاکم بر آن را در اختیار مدیران قرار دهد. بنابراین هدف از این پژوهش، مدل سازی گیاه پالایی خاک های آلوده به آلاینده های نیکل و کادمیم بود. بدین منظور، با استفاده از توابع کاهش تعرق نسبی و غلظت نسبی نیکل و کادمیم در گیاه به عنوان تابعی از غلظت این آلاینده ها در خاک، مدلی برای تعیین نرخ گیاه پالایی این آلاینده ها از خاک ارائه شد. به منظور آزمون مدل های پیشنهادی، خاک با سطوح مختلفی از آلاینده های نیکل و کادمیم آلوده شد. سپس با پر کردن گلدان ها با خاک های آلوده، بذر شاهی (Lepidum sativum) و کلم زینتی (Brassica oleracea var. Viridis) در آنها کشت شد. گیاهان به ترتیب در سه و چهار بازه زمانی برداشت شدند. در هر مرحله از ابتدا تا انتهای دوره رشد، گیاهان تا رسیدن به رطوبت ظرفیت زراعی با آب غیر آلوده آبیاری شدند. در هر مرحله از برداشت، مقادیر تعرق نسبی و غلظت نیکل و کادمیم در نمونه های خاک و گیاه اندازه گیری شد. سپس، کارایی مدل های پیشنهادی با استفاده از داده های آزمایشگاهی آزمون شد. نتایج حاصل از مقایسه آماره های کارایی مدل، ریشه میانگین مربعات خطا، خطای بیشینه، ضریب تبیین و ضریب جرم باقی‌مانده نشان داد مدل غیر خطی و بدون آستانه کاهش در برآورد تعرق نسبی کلم زینتی و شاهی در سطوح مختلف آلودگی نیکل و کادمیم در خاک کارایی بالایی دارد. هم‌چنین، مدل حاصل از ترکیب تابع غیر خطی بدون آستانه و غلظت نسبی نیکل و کادمیم گیاه، نتایجی کارآمد در برآورد نرخ گیاه پالایی نیکل و کادمیم توسط شاهی (83/0<2R) و نیکل توسط کلم زینتی (78/0=2R) ارائه کرد.

---

در این پژوهش، آثار افزودن کی‌لیت طبیعی اسید ‌سیتریک و کی‌لیت‌های مصنوعی HEDTA و EGTA در محلول کردن کادمیوم در خاک‌هایی که به طور مصنوعی آلوده شده‌اند و نیز توانایی آنها در افزایش پالایش گیاهی کادمیوم توسط گیاه تربچه (Raphanus sativus L.) از خانواده (Brassicaceae) با یکدیگر مقایسه و بررسی شد. این آزمایش با استفاده از یک طرح فاکتوریل در قالب بلوک‌های کامل تصادفی در سه تکرار انجام شد. تیمارهای غلظت برای کادمیوم با استفاده از نمک کلرید کادمیوم دارای غلظت‌ 0، 5، 20، 60 و 100 میلی‌گرم در کیلوگرم خاک بودند. در پایان فصل رشد، کی‌لیت‌ها با غلظت‌های 6، 20 و 20 (1-mMkg) به ترتیب برایHEDTA، EGTA و اسید ‌سیتریک به هر گلدان اضافه شدند. برای به دست آوردن شدت جذب آلاینده‌ها، ده روز پس از افزودن کی‌لیت‌ها از گیاهان و خاک گلدان‌ها نمونه‌برداری و غلظت کادمیوم در آنها اندازه‌گیری شد. در تمام تیمارها، کادمیوم محلول خاک در مقایسه با تیمار شاهد، بیشتر بوده است. مقادیر به دست آمده نشان داد که کی‌لیت‌های مصنوعی نسبت به اسید سیتریک که یک کی‌لیت طبیعی است حلالیت را بیشتر افزایش می‌دهد. در این میان HEDTA تأثیر بسیار مشهودتری بر افزایش حلالیت کادمیوم داشته است به طوری که غلظت کادمیوم محلول در خاک بعد از اضافه کردن HEDTA در غلظت‌های 0، 5، 20، 60، 100 (1-mgkg) به ترتیب 05/0، 48/3، 22/13، 8/33، 82/37 ( soil1-mgkg) بوده است. برای تمام تیمارها با افزایش میزان کادمیوم خاک، غلظت کادمیوم در ریشه و اندام هوایی افزایش یافته است. میزان کادمیوم در اندام‌ هوایی تربچه در مقایسه با ریشه بیشتر بوده که می‎تواند به دلیل زیست فراهمی بیشتر فلز و هم چنین حلالیت زیاد آن باشد. در تمام تیمارهایی که HEDTA به آنها اضافه شده میزان تجمع کادمیوم در ساقه و ریشه‌های تربچه بیشتر از سایر کی‌لیت‌هاست.

---

در مدل‌هایی که به پیش‌بینی فرآیندهای حاکم در محیط خاک می‌پردازند، دانستن جرم ویژه ظاهری خاک به عنوان یک پارامتر ورودی، لازم است. رویکردهای غیرپارامتریک در جنبه‌های مختلفی برای تخمین متغیرهای پیوسته به کار رفته‌اند. در این پژوهش نوعی از الگوریتم‌های غیرپارامتریک از نوع یادگیرنده‌های تنبل موسوم به k- نزدیک‌ترین همسایه، برای تخمین جرم ویژه ظاهری خاک با استفاده از دیگر ویژگی‌های کمکی آن شامل توزیع اندازه ذرات خاک، pH خاک، هدایت الکتریکی عصاره اشباع خاک (EC)، درصد اشباع خاک (SP)، درصد کربن آلی خاک (OC) و مقدار آهک به کار گرفته شد. بر اساس تکنیکcross validation برای تخمین جرم ویژه ظاهری هر نمونه خاک هدف، هشت نمونه خاک که حداکثر تشابه به خاک هدف را داشتند، از بانک مرجع که حاوی 136 نمونه خاک بود، انتخاب و مقدار جرم ویژه ظاهری آنها برآورد شد. استفاده از آماره‌های ضریب هم‌بستگی پیرسون (86/0=r)، خطای ماکزیمم (15/0=ME)، ریشه میانگین مربعات خطا (5/2=RMSE)، ضریب تبیین (3/1=CD)، کارآیی مدل (75/0=EF) و ضریب جرم باقی‌مانده (001/0=CRM) نشان داد که در اکثر موارد این تکنیک به صورت قابل‌قبول توانمند است. بر این اساس، می‌توان نتیجه‌گیری کرد که استفاده از این تکنیک به عنوان روشی جایگزین برای اشتقاق توابع انتقالی خاک، به ویژه زمانی که فراهمی داده‌های جدید؛ نیاز به اشتقاق مجدد این توابع را الزام‌آور می‌کند، می‌تواند به کار رود.

---

مطالعه انتقال میکروب‌ها در خاک از جنبه‌های مختلفی مانند آلودگی آب‌های زیرزمینی و پالایش زیستی خاک و آب زیرزمینی اهمیت دارد. هدف از این پژوهش مطالعه کمی انتقال باکتری در ستون‌های خاک آهکی دست‌نخورده تحت شرایط رطوبتی اشباع بود. بدین منظور، منحنی رخنه باکتری سودوموناس فلورسنس و کلراید در شرایط اشباع پایدار اندازه‌گیری شد. پس از پایان آزمایش انتقال باکتری، تعداد باکتری در لایه‌های مختلف خاک شمارش شد. مدل جذب- واجذب سینتیک تک مکانی و دو مکانی برنامه HYDRUS-1D برای پیش‌بینی انتقال و جذب باکتری در ستون خاک استفاده شد. نتایج نشان داد مدل جذب- واجذب سینتیک دو مکانی در مقایسه با مدل تک مکانی برآوردی بهتر از انتقال و نگهداشت باکتری در نیمرخ خاک دارد. کارایی این مدل (E) در برآورد منحنی رخنه باکتری از 92/0 تا 95/0 و در برآورد نگهداشت باکتری در نیمرخ خاک از 86/0 تا 94/0 بود. جذب باکتری به مکان 1 نسبتاً سریع و واجذب آن کند بود. در‌حالی‌که جذب باکتری و واجذب آن از مکان 2 سریع بود. ویژگی جذب سریع و واجذب کند باکتری در مکان 1 به کربنات کلسیم خاک نسبت داده شد که مکانی مناسب برای جذب باکتری است. نرخ واجذب باکتری کمتر از 01/0 نرخ جذب آن بود که نشان‌دهنده جذب تقریباً غیرقابل برگشت باکتری به کربنات کلسیم است. بیشتر باکتری‌ها پالایش شده در لایه‌های سطحی خاک نگهداشته شدند و با کاهش عمق مقدار نگهداشت باکتری به‌صورت نمایی کاهش یافت. نرخ حذف باکتری در خاک از 4 تا 9/4 متغیر بود. نرخ بالای حذف باکتری به کربنات کلسیم خاک نسبت داده شد که دارای بار موافق برای جذب باکتری گرم منفی است

---

هدف از این پژوهش، بررسی رفتار هیدرولیکی نفت خام در خاک بود. بدین منظور، منحنی‌های نگهداشت خاک برای نفت خام و آب به‌وسیله دستگاه ستون آویزان و هدایت هیدرولیکی اشباع خاک برای این سیالات به‌ روش بار پایا تعیین شد. پارامترهای منحنی‌های نگهداشت ‌خاک برای آب و نفت ‌خام براساس مدل‌های ون‌گنوختن، بروکس-کوری و کمپبل برآورد شد. هدایت هیدرولیکی غیر اشباع به‌عنوان تابعی از پتانسیل ماتریک خاک به‌وسیله مدل‌های معلم- ون‌گنوختن، معلم‌- بروکس‌- کوری، بوردین‌- بروکس- کوری و کمپبل تعیین شد. آنگاه، دقت مدل‌ها به‌وسیله آماره‌های ME، RMSE، EF، CD و CRM بررسی شد. مقدار پارامترهای توزیع تخلخل و نقطه ورود هوا در سیستم دو فازی نفت ‌خام- هوا نسبت به آب-هوا کاهش یافت. نتایج نشان دادند که به‌دلیل رفتار غیرمعمول نفت خام و برهمکنش‌های بین نفت خام و خاک که سبب باقی‌ ماندن مقدار زیادی نفت خام در محیط متخلخل می‌شود، مکش بیشتری برای خارج کردن نفت خام از خاک نسبت به آب لازم است. بنابراین خاک مورد آزمایش در یک مقدار معین از فاز مایع، نگهداشت بیشتری برای نفت خام نسبت به آب دارد. به‌دلیل لزوجت زیاد نفت خام، هدایت هیدرولیکی اشباع نفت‌خام کمتر از آب بود. لیکن، در مکش‌های بیشتر از 100 سانتی‌متر، هدایت هیدرولیکی نفت خام بیشتر بود.

---

شوری و کمبود مواد غذایی به‌ویژه نیتروژن، دو عامل مهم کاهش‌دهندۀ محصول در مناطق خشک و نیمه‌خشک می‌باشند. هدف از این پژوهش، مدل‌سازی پاسخ گیاه ریحان به تنش‌‌های توأمان شوری و کمبود نیتروژن بود. بدین‌منظور، مدل‌های تعدیل‌یافته لیبیگ- اسپرینگل (LS) و میچرلیخ- بال (MB) و همچنین مدل‌های اشتقاقی از ترکیب مدل میچرلیخ- بال برای تنش مواد غذایی و مدل‌های ماس و هافمن (31)، ون‌گنوختن و هافمن (36)، دیرکسن و آگوستین (17) و همایی و همکاران (23) برای تنش شوری ارائه و مورد ارزیابی قرار گرفتند. آزمایش‌ها در 4 سطح مختلف شوری شامل 175/1، 3، 5، و 8 دسی‌زیمنس بر متر و چهار سطح کود نیتروژن شامل صفر، 50، 75 و 100 درصد نیاز کودی در 3 تکرار انجام شد. نتایج نشان داد به‌ترتیب مدل‌های اشتقاقی MB و ماس و هافمن (9/4= RMSE)، MB و ون‌گنوختن و هافمن (4/5= RMSE) و همچنین MB و همایی و همکاران (0/7= RMSE) بهترین انطباق را با داده‌های اندازه‌گیری ‌شده دارند. همچنین عملکرد نسبی برآورد شده برای سطوح شوری‌ آب آبیاری، به‌وسیله مدل تعدیل یافته LS  (6/4= RMSE) در مقایسه با مدل MB نتایج رضایتبخش‌تری دارد (9/5= RMSE)، لیکن در سطوح نیتروژن خاک و اثرات متقابل شوری و نیتروژن، مدل تعدیل یافته MB (3/10= RMSE) نتایج رضایتبخش‌تری نسبت‌به مدل LS (4/14= RMSE) دارد. بنابراین، توصیه می‌شود به جای مدل تعدیل یافته MB و LS از مدل‌های پیشنهادی در این پژوهش استفاده شود.

---

در این مطالعه، روند تغییرات شاخص بارش استانداردشده در بازه 12 ماهه (SPI-12) و بارش فصلی و سالانه طی 2014-1976 در 21 ایستگاه همدید مرطوب و نیمه‌خشک ایران بررسی شد. پس از حذف همبستگی سریالی در برخی از سری‌ها، روند تغییرات بارش و SPI-12 به‌وسیله آزمون ناپارامتری من- کندال ارزیابی شد. نتایج این پژوهش نشان داد که روند بارش سالانه در تمامی ایستگاه‌ها طی 39 سال اخیر کاهشی بود. روند بارش فصلی در زمستان، بهار، پاییز و تابستان به‌ترتیب در حدود 90، 95، 47 و 33 درصد از ایستگاه‌ها کاهشی بود. روند نزولی بارش زمستانی در مناطق سنندج، خوی، ارومیه، همدان، مشهد، تربیت حیدریه، نوژه و قزوین معنی‌دار بود. همچنین، روند سری SPI-12 در تمامی ایستگاه‌ها به غیر از شهرکرد کاهشی بود. به‌علاوه، SPI-12 فقط در ایستگاه‌های سنندج و فسا روند نزولی معنی‌دار داشت. شدیدترین خشکسالی نیز در ایستگاه‌های همدان، رامسر و ارومیه در 2000-1999 و در تبریز، سنندج، شیراز، فسا، قزوین، مشهد، تربت حیدریه، شهرکرد، گرگان و کرمانشاه در دوره 2009-2008 رخ داده است. نتایج این پژوهش نشان داد که روند بارش بخش عمده‌ایی از منطقه مورد مطالعه به‌ویژه در قسمت‌های نیمه‌خشک شمال شرقی و جنوب غربی ایران در اثر خشکسالی‌های شدید و طولانی دهه اخیر (2015-2005) تغییر کرده است.

---