علوم آب و خاک

شماری از نتایج پژوهش‌های جدید نشان داده‌اند که آلاینده‌های مشخصی با منشأ قلیایی، می‌توانند بر ویژگی‌های مکانیکی خاک‌های رسی اثرات کاهنده‌ای داشته‌باشند. برای بررسی پتانسیل اثرگذاری باریم قلیایی دو ظرفیتی بر مشخصات تورمی رس کهریزک - که مدفن اصلی پسماندهای جامد در جنوب تهران می‌باشد - مجموعه منظمی از آزمایش‌ها انجام شده‌است. مشاهدات نشان دادند که پس از افزودن محلول کلرید باریم در غلظت‌های 25/0، 5/0، 75/0 و 25/1 مولار تورم خاک مطالعه‌شده که در گروه CH–MH قرار‌داشته و نشانه خمیری آن 44/28 می‌باشد، به‌ترتیب حدود 17، 37، 48 و 54 درصد و فشار تورم به‌ترتیب حدود 41، 55، 65 و 67 درصد کاهش یافت. همچنین مشخص‌شد که افزودن محلول‌های کلرید باریم با غلظت‌های بیش از 1 مولار تأثیر کمی بر کاهش تورم و فشار تورم دارد.

فرسایش بادی و معضلات مربوط به آن، هرساله خسارات سنگینی به بخش‌های محیط زیستی، اجتماعی و سلامت جامعه وارد می‌کند. در ایران نیز به‌دلیل وسعت مناطق خشک و گرد و غبارهایی که هر ساله بخش وسیعی از کشور را تحت پوشش قرار می‌دهند، مقابله و هدایت بهینه این پدیده حائز اهمیت می‌باشد. در این پژوهش عوامل تأثیرگذار بر فرسایش بادی از جمله اثر اندازه ذرات، نوع مواد پلیمر، ارتفاع ریزش مواد و اثر زمان بر روی تثبیت ذرات خاک در برابر فرسایش‌پذیری و میزان عمق نفوذ محلول‌های پلیمری مورد ارزیابی قرار گرفت. آزمون‌ها به‌صورت آزمایشگاهی و با استفاده از دستگاه تونل باد مدارباز تحت سرعت باد حدود 40 کیلومتربرساعت انجام شد. همچنین پدیده فرسایش موضعی و عمومی بر روی سطح خاک مرتبط با اندازه ذرات خاک و یک‌نواختی سطح پوشش نمونه‌ها بررسی شد. نتایج نشان داد که با افزایش ارتفاع ریزش محلول‌های پلیمری به‌دلیل افزایش میزان عمق نفوذ درخاک، میزان فرسایش‌پذیری خاک کاهش یافت و با گذشت زمان اثر تثبیت‌کنندگی این محلول‌ها بر روی خاک‌های درشت دانه‌تر بیشتر از خاک‌های ریزدانه بود. در این تحقیق، نتایج آزمایشگاهی با برخی از روابط تئوری ارائه‌شده در این زمینه مقایسه گردید، که تطابق مناسبی با نتایج آزمون‌های صورت گرفته در آزمایشگاه نشان داد.

کود اوره (%۴۶ نیتروژن) یکی از پرمصرف‌‌ترین و ارزان‌ترین کودهای شیمیایی نیتروژنی است و از آنجا که حلالیت بالایی در آب دارد، بخش قابل توجهی از آن در صورتی‌که آب آبیاری یا بارندگی زیاد باشد، به راحتی شسته شده و منجر به تغییر کیفیت آب‌های زیرزمینی و سطحی می‌شود. از اینرو، در این مطالعه اثرات استراتژی‌های کم‌آبیاری و کوددهی بر روی تلفات نیترات با استفاده از مدل SWAT برای حوضه آبریز طشک- بختگان شبیه‌سازی شد. در این تحقیق از طریق مقایسه خروجی مدل با مشاهدات واقعی هیدرولوژیکی، عملکرد محصولات گندم، جو، ذرت و برنج و نیترات با استفاده از الگوریتم2SUFI  در نرم‌افزار SWAT_CUP واسنجی و اعتبارسنجی شد، سپس از مدل واسنجی شده جهت ارزیابی استراتژی‌های مدیریتی گوناگون استفاده شد. زمانی‌که مدل اثرات کاهش مصرف در کود اوره از 10 تا 70 درصد را مدل‌سازی نمود، عملکرد گندم بین 1 تا 27، جو 8/0 تا 24 ، ذرت 42/0 تا 21 و برنج 47/0 تا 9 درصد کاهش یافت، این در حالی‌است که این امر منجر به کاهش تلفات نیترات از طریق آبشویی به میزان 16 تا 81، 18 تا 80، 15 تا 85  و 5/12 تا 6/83 درصد، به‌ترتیب در این محصولات شد. بنابراین با مقایسه تغییرات در عملکرد محصولات و تلفات نیتروژن از طریق آبشویی، این نتیجه حاصل می‌شود که کاهش قابل توجهی در تلفات نیتروژن می‌تواند با حداقل هزینه روی عملکرد از طریق بهینه کردن مصرف کود، حاصل شود. 

کمبود بارندگی و همچنین نزول بارش‌هایی با شدت نسبتاً زیاد در مدت کوتاه از ویژگی‌های مناطق خشک دنیا ازجمله ایران است که به وقوع سیلاب‌های عظیم و مخرب که هرساله موجب بروز خسارات جانی و مالی فراوان می‌باشد، منجر می‌گردد. مشکل کمبود آب در مناطق خشک و نیمه‌خشک دنیا باعث شکننده شدن شرایط زیستی در این مناطق شده است. باتوجه به کاهش مداوم میزان سرانه آب و اهمیت تأمین غذایی افراد جامعه، ضروری است که آب‌های سطحی به‌کمک روش‌هایی از جمله سد سازی و یا روش‌های تغذیه مصنوعی مهار گردند. در این تحقیق، هفت عامل شیب، نفوذپذیری سطحی، قابلیت انتقال آب در آبرفت، کیفیت آبرفت، کاربری اراضی، حجم رواناب و ضخامت لایه هوادار به‌عنوان عوامل مؤثر در مکان‌یابی مناطق مستعد پخش سیلاب و تغذیه مصنوعی جنوب دشت کاشان درنظر گرفته شدند. پس از تهیه لایه‌های رقومی موردنظر، با استفاده از مدل تحلیل سلسله مراتبی فازی وزن هرکدام از معیارها تعیین گردید. در نهایت نقشه‌های وزندار حاصل و با یکدیگر ادغام و نتایج آن نشان داد که پارامتر کاربری اراضی با وزنی معادل 22% بیشترین وزن را به خود اختصاص داده‌ و به‌عنوان اولویت‌های اول در مکان‌یابی پخش سیلاب مطرح گردید. پارامترهای حجم رواناب، نفوذپذیری، شیب، عمق لایه هوادار، ضریب انتقال و کیفیت آبرفت به‌ترتیب اولویت های دوم تا هفتم را به خود اختصاص دادند.

این تحقیق با هدف بررسی تغییرات مکانی عناصر غذایی پرمصرف خاک شامل فسفر و پتاسیم و ماده آلی با استفاده از روش‌های مختلف زمین آماری در برآورد مقادیر این عناصر در تهیه نقشه‌های پراکنش مکانی آنها برای توزیع مناسب کود در دشت ارومیه می‌باشد. وجود تغییرات مکانی در عناصر غذایی خاک امری طبیعی است، که شناخت این تغییرات دراراضی کشاورزی جهت برنامه‌ریزی دقیق و مدیریت اجتناب‌ناپذیر می‌باشد و آگاهی از این امر برای افزایش سودآوری و مدیریت در کشاورزی پایدار ضروری است. لذا برای برآورد تغییرات این عناصر در نقاط نمونه‌برداری نشده، از روش‌های کریجینگ، فازی کریجینگ، کوکریجینگ و میانگین متحرک وزندار در محیط GS⁺ استفاده شد. در این تحقیق برای فازی‌سازی داده‌ها از نرم‌افزار MATLAB و برای تهیه نقشه‌های نهایی از نرم‌افزار GIS استفاده شد. برای مقایسه این روش‌‌ها معیارهای MAE ،MBE وRMSE به‌کار گرفته شد که نتایج به‌دست آمده نشان داد روش تلفیقی منطق فازی با مقادیر میانگین خطای کمتر برای عناصر فسفر، پتاسیم و ماده آلی که به‌ترتیب برابر با 17/0، 18/0 و 18/0 به‌دست آمد، به‌عنوان روش برتر می‌باشد که براساس این روش نقشه‌های پهنه‌بندی برای فسفر، پتاسیم و کربن‌آلی در محیط GIS تهیه گردید.

اوره یکی از پرکاربردترین کودهای نیتروژن‌دار در زمین‌های کشاورزی است. سرنوشت این کود در خاک بسیار وابسته به فعالیت آنزیم اوره‌آز بوده و این آنزیم نیز عمدتاً به‌صورت جذب‌ شده بر سطح کلوئیدهای خاک به‌ویژه رس‌ها قرار دارد. به‌منظور بررسی ویژگی‌های سینتیکی اوره‌آز آزاد و جذب‌ شده بر سطوح رس‌های سپیولیت و ورمیکولیت، آزمایشی با هشت سطح غلظت اوره (۵، ۱۰، ۲۰، ۴۰، ۶۰، ۸۰، ۱۰۰ و ۱۲۰ میلی مولار) و غلظت ۱ واحد آنزیمی در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد و ۷pH= انجام شد. جذب اوره‌آز بر سطوح رس‌ها ویژگی‌های سینتیکی آن را نسبت به حالت آزاد تحت تأثیر قرار داد. نتایج نشان دادند که اوره‌آز در هر دو حالت آزاد و جذب‌ شده از سینتیک میکائیلیس- منتن پیروی می‌نمود. بیشترین مقدار V_max پس از اوره‌آز آزاد در کمپلکس اوره‌آز- سپیولیت و کمترین میزان K_m نیز در کمپلکس اوره‌آز- ورمیکولیت مشاهده گردید. همچنین نتایج نشان دادند که بیشترین کارایی کاتالیزوری پس از اوره‌آز آزاد به‌ترتیب متعلق به اوره‌آز در حضور ورمیکولیت و سپیولیت بود. همچنین فاکتور اثربخشی برای اوره‌آز جذب‌ شده بر سطح سپیولیت بیشتر از اوره‌آز جذب‌ شده بر سطح ورمیکولیت بوده و این امر به‌نوعی مبین کامل‌تر بودن فرآیند پخشیدگی در حضور سپیولیت است.

مواد آلی خاک بزرگ‌ترین منبع کربن آلی در سطح خاک است که نقش بسیار زیادی در برقراری تعادل و پایداری محیط زیست، عناصر موجود در خاک و شرایط اقلیمی دارد. مواد آلی به طور مستقیم و غیر مستقیم بر خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی خاک و در نتیجه حاصلخیزی خاک موثر است. میزان، نوع و ترکیب شیمیایی مواد آلی در خاک های مختلف و در شرایط اقلیمی مختلف، متفاوت است. اجزا مختلف خاک مقدار و ترکیب متفاوتی از مواد آلی را در خود نگهداری می نمایند. در این مطالعه نمونه برداری از سه جنگل بکر، صنوبر و توسکا در استان گیلان، ایران انجام پذیرفت. میزان مواد آلی موجود در نمونه های اصلی و جزء به جزء شده در سه بخش شن، سیلت و رس اندازه گیری شد و با استفاده از روش رزونانس مغناطیسی هسته کیفیت کربن آلی (13C) و هیدروژن (1H) موجود در هر جزء مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج حاصله میزان کربن آلی موجود در نمونه‌های اصلی در جنگل توسکا بیشترین بود. همچنین از بین سه جزء، رس بیشترین میزان کربن آلی را در خود جای داده بود. نتایج رزونانس مغناطیسی هسته کربن و هیدروژن حضور متفاوت ترکیبات آلیفاتیکی و آروماتیکی در نمونه های مختلف را نشان داد. جنگل بکر بالاترین نسبت کربن آلکیلی به آلکیلی اکسیژن دار و جنگل توسکا بیشترین نسبت کربن آلیفاتیک به آروماتیک را نشان دادند. هر دو نسبت فوق در جزء رس نسبت به دو جزء دیگر بالاتر بود.

فرسایش خاک، بی ­شک یکی از مهمترین مسائل و مشکلات موجود در عرصه های طبیعی کشور است و آثار مخربی در اکوسیستم ­های مختلف به جای می­گذارد. با توجه به اینکه محاسبه مقادیر رسوب از طریق ایستگاه های رسوب سنجی و اندازه ­گیری­ های مستقیم فرسایش فرایندی هزینه­ بر و مشکل است، یافتن روش­هایی برای برآورد دقیق میزان رسوبدهی حوضه­ های آبخیز بویژه در مناطق خشک و فراخشک به دلیل شرایط حساس اکولوژیکی ضروری می نماید. یکی از روش هایی که تا به امروز در این مناطق نسبت به سایر روش های برآورد رسوب بیشتر مورد استفاده قرار گرفته است روش های رگرسیونی سنجه رسوب می باشد. لذا در این تحقیق مقادیر رسوب مشاهداتی 48 واقعه (دبی و رسوب متناظر) در یک دوره 23 ساله حوضه فخرآباد- مهریز با مقادیر برآوردی از روش های سنجه چند خطی، حد وسط دسته ­ها، منحنی سنجه حد وسط دسته­ ها با ضریب اصلاحی QMLE، SMEARING و ضریب اصلاحی FAO و همچنین با نتایج حاصل از روش شبکه عصبی مصنوعی (ANN) مورد مقایسه قرار گرفته و صحت هر یک از این روش­ها مورد آزمون قرار گرفت. بررسی حاصل از آزمون های مجذور میانگین مربع خطا ها (RMSE)، ضریب تبیین (R²) و معیار ناش (ME) کارایی بالاتر روش شبکه عصبی (ANN) را نسبت به سایر روش های مذکور نشان دادند. نتایج آزمون­ های مذکور برای روش شبکه عصبی مصنوعی به عنوان روش بهینه به ترتیب 3/203، 86/0 و 66/0 را نشان دادند. نتایج حاصل مبین این است که در استفاده از هر روشی برای برآورد رسوب معلق جریان در مناطق خشک و فراخشک به دلیل ماهیت داده های مشاهداتی و همچنین رژیم خاص جریان ها که اغلب به صورت موقت و فصلی می باشند باید جانب احتیاط را رعایت نمود. در عین حال بررسی نتایج این تحقیق گویای انعطاف­پذیری بالاتر مدل­ های شبکه عصبی مصنوعی است که آنها را به ابزار مناسبی جهت مدلسازی در شرایطی که با فقر داده مواجه هستیم مبدل می سازد.