علوم آب و خاک

شوری خاک و شور شدن اراضی یکی از معضلات کشاورزی است که بایستی با تدبیر و مدیریت صحیح علمی این روند مهار شود. اولین گام در این راه شناسایی مناطق شور و تهیه نقشه شوری خاک است. امروزه با توجه به مشکلات موجود در تهیه نقشه¬های سنتی، استفاده از داده¬های کمکی در نقشه‌برداری رقومی به‌طور روز افزون در حال افزایش است. این تحقیق با هدف پهنه‌بندی شوری خاک با استفاده از روش رگرسیون کریجینگ (RK)، شناسایی مناطق دارای شوری زیاد و بررسی ارتباط شوری خاک با فاکتور¬های خاکساز انجام شد. به این منظور تعداد 291 نمونه خاک سطحی (10-0 سانتی متر) در فروردین 1393 به‌صورت تصادفی برداشت شد. متغیر¬های کمکی یا فاکتور¬های خاکساز مورد استفاده در این مطالعه شامل پارامتر¬های سرزمین (مانند شیب، حوزه آبخیز و شاخص خیسی)، داده¬های تصاویر OLI و TIRS ماهواره لندست 8 و نقشه¬های کاتگوری (ماند نقشه خاک، کاربری اراضی و زمین¬شناسی) بودند. همچنین از روش کریجینگ عام به‌منظور مقایسه با روش رگرسیون کریجینگ استفاده شد. نتایج نشان داد که روش رگرسیون کریجینگ دقت بیشتری نسبت به روش¬ کریجینگ عام دارد به‌طوری که در این روش ضریب تبیین، میانگین قدر مطلق خطا و مجذور میانگین مربعات خطا به‌ترتیب برابر 0/84، 0/41 و 6/21 برآورد شد. همچنین روش رگرسیون درختی به‌خوبی توانست ارتباط قوی بین شوری خاک و متغیر¬های کمکی برقرار کند. به‌علاوه، نتایج نشان داد که مهم‌ترین متغیر¬های کمکی در پیش¬بینی شوری خاک باند¬های 2، 4، 5 و7 تصاویر ماهواره لندست 8، شاخص روشنایی، شاخص خیسی، شاخص همواری سطح دره با درجه تفکیک بالا، سطح مبنای شبکه زهکشی، نقشه خاک، شاخص پوشش گیاهی نرمال شده و شاخص پوشش گیاهی تعدیل شده هستند. با استفاده از قوانین به‌دست آمده نقشه رقومی شوری خاک تهیه و سپس با تلفیق آن با نقشه واریانس خطا نقشه نهایی شوری خاک تهیه شد. نتایج این مطالعه حاکی از این است که تغییرات شوری خاک در استان از شمال به جنوب روند افزایشی دارد و نشان‌دهنده مشکل شوری در نواحی جنوب استان است. از دلایل عمده شوری خاک در این مناطق می¬توان به بالا بودن آب زیرزمینی، تفاوت در پستی و بلندی، حرکت موئینگی املاح به سطح خاک، تفاوت در نوع کاربری اراضی در نواحی مختلف استان و همچنین کیفیت آب زیرزمینی و آب آبیاری اشاره کرد که تحت تأثیر استفاده مکرر از کود¬های حیوانی و پساب فاضلاب¬ها تغییر می¬کند.

.آلودگی محیط‌زیست به‌وسیله فلزات دارای پتانسیل سمیت به¬ویژه کادمیم، یکی از مسائل مهم محیط زیست به¬شمار می‌آید. همچنین شورشدن خاک‌ها به دلیل کاهش کیفیت آب‌ آبیاری از تنش‌هایی است که گیاهان با آن روبرو می‌شوند. بنابراین، به¬منظور بررسی اثر بیوچارهای باگاس نیشکر بر قابلیت استفاده و شکل‌های کادمیم در خاک آلوده (15 میلی‌گرم بر کیلوگرم کادمیم) و شور، آزمایشی به¬صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی شامل فاکتور بیوچار دارای سطوح شاهد، 1 درصد (وزنی- وزنی) باگاس، 1 درصد (وزنی- وزنی) بیوچار 400 درجه سلسیوس، 1 درصد (وزنی- وزنی) بیوچار 600 درجه سلسیوس و فاکتور شوری شامل شاهد، 20 و 40 میلی‌مول کلرید سدیم در کیلوگرم خاک در 3 تکرار انجام گرفت. مقدار کادمیم قابل استفاده با ‌روش DTPA-TEA و شکل¬های کادمیم با روش عصاره¬گیری تسیر و همکاران (1979) تعیین شد. نتایج نشان داد که کاربرد بیوچار و شوری تأثیری بر pH خاک نداشتند (0/05P). برهمکنش بیوچار و شوری بر کادمیم عصاره‌گیری‌شده با DTPA-TEA و شکل‌های کادمیم معنی‌دار نبود (0/05P)؛ درحالی ‌که در خاک‌های شور نسبت به شاهد افزایش یافت (0/005>P). تیمار خاک با بیوچار تهیه¬شده در دمای 600 درجه سلسیوس موجب کاهش (0/05>P) کادمیم تبادلی (23/8%) و افزایش (0/05>P) کادمیم پیوندشده با اکسیدهای آهن و منگنز (25/2%) و باقیمانده (15/6%) نسبت به شاهد شد. نتایج نشان داد که شوری اثر معنی¬داری بر شکل¬های کادمیم نداشت (0/05

بیوچار به‌عنوان راهکاری کارآمد در بهبود ویژگی‌های خاک و مدیریت پسماندهای آلی موجب کاهش اثرات تنش‌‌های غیرزیستی و افزایش حاصلخیزی خاک می‌شود. اما، اثر آن بر شاخص‌های زیستی در خاک‌های تحت تنش‌های هم‌زمان شوری و آلودگی مورد مطالعه قرار نگرفته است. بنابراین، هدف این پژوهش ارزیابی اثر بیوچار باگاس نیشکر بر شاخص‌های زیستی در یک خاک آلوده به کادمیم در شرایط شور و غیرشور بود. آزمایش به‌صورت فاکتوریل با 2 فاکتور شوری (شاهد، 20 و 40 میلی‌مولار سدیم کلرید) و بیوچار باگاس نیشکر (خاک‌های اصلاح نشده با بهساز آلی، اصلاح شده با باگاس، بیوچار 400 و 600 درجه سلسیوس به میزان یک درصد) در قالب طرح کاملاً تصادفی اجرا شد. نتایج نشان داد که شوری با افزایش 17-12 درصدی حلالیت کادمیم موجب تشدید سمیت آن برای ریزجانداران و کاهش محسوس فراوانی و فعالیت جمعیت میکروبی خاک شد. برعکس، کاربرد بیوچار با کاهش غلظت کادمیم (18-14 درصد)، افزایش کربن آلی (127-89 درصد) و کربن آلی محلول (70-4 درصد) موجب کاهش اثر این تنش‌ها بر جمعیت میکروبی و فعالیت آنزیمی خاک شد. به‌طور کلی، این پژوهش نشان داد که کاربرد بیوچار باگاس نیشکر با کاهش غلظت کادمیم قابل دسترس ناشی از شوری خاک موجب تعدیل نسبی اثر متقابل شوری و آلودگی کادمیم بر شاخص‌های زیستی خاک می‌شود.

در این پژوهش از مدل Drainmod-S برای تغییرات غلظت نمک در خاک و اثر زهکشی زیرزمینی بر میزان آبشویی در یک مدل فیزیکی (لایسیمتر بزرگ) استفاده شد. برای اندازه‌گیری شوری محلول خاک، عصاره¬گیر خاک در اعماق 40، 50 و 70 سانتی‌متری خاک در فاصله 35 سانتی‌متر از زهکش نصب شد. در این مطالعه، سه سناریو شامل بررسی پروفیل شوری تحت شرایط متعارف (زهکشی میان‌فصل و پایان‌فصل)، بررسی پروفیل شوری خاک تحت شرایط مختلف زهکشی و اعمال سناریوی قبل با آب آبیاری شورتر اعمال شد که سناریوی دوم و سوم در چهار مرحله زهکشی بین نشاء و میان¬‌فصل (روز 15 تا 20)، زهکشی میان¬‌فصل (روز 35 تا 40)، زهکشی بین میان¬‌فصل و پایان‌‌فصل (روز 55 تا 60) و زهکشی پایان¬فصل (روز 75 تا 80) انجام شد. نتایج نشان داد که پس از شبیه‌سازی غلظت کل املاح نسبت به زمان در عمق 40 سانتی‌متری و مقایسه با مقادیر اندازه‌گیری شده، مقدار پارامتر ضریب تبیین (R2) برابر با 0/77 به‌دست آمد که حاکی از شبیه‌سازی قابل قبول مدل Drainmod-S است. این پارامتر برای شبیه‌سازی غلظت املاح در عمق 50 و 70 سانتی‌متر خاک نیز به‌ترتیب برابر با 0/76 و 0/75 به‌دست آمد. مقدار پارامتر میانگین خطای مطلق (MAE) نیز بسیار ناچیز بود.

هدف از پژوهش حاضر یافتن بهترین روش¬های بهره¬گیری از سنجش از دور و الگوریتم¬های طبقه¬بندی نظارت¬شده در پایش شوری بلندمدت در منطقه عتابیه در غرب استان خوزستان با وسعت 5000 هکتار است. شیوه کار بر پایه تفکیک سطوح مختلف خاک¬های شور به‌وسیله اطلاعات حاصل از تصاویر ماهواره¬ای لندست 7 و 8 (۲۰۰۱ تا ۲۰۱۵) همراه با داده¬های شوری برداشت¬شده از منطقه مورد مطالعه، و شاخص¬های شوری SI1، SI2، SI3، NDSI، IPVI و VSSI است. نتایج بدست آمده از طبقه¬بندی تصاویر ماهواره¬ای نشان-دهنده گسترش روند محدوده¬های شور در خاک¬های منطقه مورد مطالعه بوده که در این بین، خاک¬های با EC بیشتر از 16 دسی¬زیمنس بر متر (بسیار شور)، بیشترین فراوانی را دارند. افزایش وسعت خاک¬های شور به میزان قابل توجهی در طی 15 سال رخ داده است، به-طوری که وسعت اراضی شور بیش از 90 درصد افزایش داشته است. بر اساس این مطالعه، تنها شاخص معنی¬دار در شوری خاک در سطح اطمینان %95، شاخص SI3 بوده که توانسته است تخمین مناسبی از تغییرات افزایشی خاک¬های منطقه داشته باشد. نتایج طبقه¬بندی نظارت¬شده نشان داد که ماشین بردار پشتیبان (با دقت کلی 95/78 و ضریب کاپا 0/89)، دارای دقت بیشتری است. پس از روش ماشین بردار پشتیبان به ترتیب روش¬های حداقل فاصله از میانگین، حداکثر احتمال شباهت و فاصله ماهالانوبیس دارای بیشترین دقت هستند. بر اساس نقشه¬های شوری بدست آمده در سال¬های 2001، 2005، 2010 و 2015 میلادی می¬توان گفت میزان شوری در تمام منطقه مورد مطالعه پیشروی داشته و همزمان وسعت شوری در کلاس¬های متوسط و زیاد توسعه بسیار زیادی داشته است. به¬طوری که وسعت شوری در کلاس بسیار زیاد در سال 2015 به تدریج نسبت به سال 2001 در تمام منطقه پراکنش داشته است. 

روش‌های متعددی برای شوری‌زدایی از پساب‌های شور وجود دارد که یکی از مهم‌ترین آنها، زیست‌پالایی است. هالوفیت‌ها گیاهانی هستند که قادرند غلظت‌هایی از نمک را تحمل کنند که اغلب گیاهان در این شرایط قادر به حیات نیستند. در این پژوهش، امکان شوری‌زدایی با استفاده از گیاه هالوفیت کینوا گونه تیتیکاکا مورد مطالعه قرارگرفته است. گیاه کینوا با استفاده از سیستم کشت بدون خاک (هیدروپونیک) و در سه سطح شوری (2، 8 و 14 دسی‌زیمنس بر متر) و تعداد 12 مخزن (9 مخزن با گیاه و 3 مخزن دیگر بدون گیاه و به‌عنوان شاهد) با تعداد کل 135 بوته (تعداد 15 بوته در هر مخزن) و با دو زمان ‌ماند 15روزه‌ای (15 و30 روز) و در قالب یک طرح کاملاً تصادفی به‌شکل چند عاملی با سه تکرار برای هر سطح شوری کشت داده شد و پارامترهای هدایت الکتریکی و سایر غلظت کاتیون‌ها و آنیون‌ها، قبل و بعد از تصفیه توسط این گیاه اندازه‌گیری شد. نتایج به‌دست‌آمده نشان‌دهندۀ آن است که گیاه کینوا مقادیر هدایت الکتریکی را در سطوح شوریEC~ 2 dS/m  (آب کم شور)، ~EC 8ds/m (آب لب‌شور) و EC~14 dS/m (آب با شوری زیاد) در مدت 30 روز به‌ترتیب 5/33، 8/12 و 9/35 درصد کاهش داد. همچنین یون‌های کلسیم، منیزیم، سدیم و کلراید را به‌ترتیب حداکثر 10، 7/62، 5/60 و 7/01 درصد بسته به سطح شوری کاهش می‌دهد. بر اساس نتایج این پژوهش، گیاه‌پالایی کینوا پتانسیل کمی در کاهش نمک از آب‌های نامتعارف مانند پساب‌های شور دارد.

علاوه بر توزیع عناصر در فاز جامد خاک، گونه‌های عناصر در محلول نیز به‌دلیل اینکه مهم‌ترین بخش تأمین‌کننده عناصر برای جذب ریشه است، اهمیت زیادی دارد. برای مطالعه کامل‌تر چرخه شیمیایی عناصر در خاک‌های شور تیمارشده با بیوچار مطالعه گونه‌بندی بسیار مفید است و راهکارهای عملی برای کاهش و یا تبدیل سمیت ناشی از عناصر سمی را در خاک‌های شور فراهم می‌نماید. بنابراین به‌منظور بررسی اثر بیوچار بر گونه‌‌بندی کادمیم در دو خاک آهکی ‌شور ۱۵ میلی‌گرم بر کیلو‌گرم کادمیم از منبع کادمیم کلرید به نمونه خاک‌ها (۲0۰ گرم) اضافه و نمونه‌‌ها به‌مدت 3 هفته در دمای 2±۲۵ درجه سلسیوس در رطوبت 80 درصد ظرفیت مزرعه‌ای خوابانده شدند. سپس، 20 و 40 میلی‌مول بر کیلوگرم نمک سدیم‌کلرید (معادل 3/65 و 7/30 دسی‌زیمنس بر متر) به نمونه‌های خاک اضافه شد. در ادامه، 1 درصد (وزنی-وزنی) باگاس نیشکر و بیوچار دمای 400 درجه سلسیوس و بیوچار دمای 600 درجه سلسیوس در ۳ تکرار به نمونه خاک ‌اضافه و به ‌مدت ۳ ماه در دمای 2±۲۵ درجه سلسیوس در رطوبت 80 درصد ظرفیت زراعی در انکوباتور نگه‌داری شدند. پس از پایان دوره خوابانیدن، برای گونه‌بندی کادمیم در محلول خاک (با نسبت 2 به 1)، غلظت کاتیون‌ها و آنیون‌های محلول در نمونه‌های خاک اندازه‌گیری شد. نتایج نشان داد که اثر متقابل شوری، بیوچار و خاک بر ⁺CdC1₂⁰ ،CdC1⁺،Cd² و ^-Cd(SO₄)₂² معنی‌دار بود. کاربرد بیوچار در خاک شنی موجب کاهش (0/05>p) غلظت گونه‌های ⁺CdSO₄⁰،CdC1₂⁰،CdC1 و ⁺CdOH نسبت به خاک شاهد شد. درحالی‌ که در خاک رسی تفاوت معنی‌داری دیده نشد. همچنین در خاک شنی شوری ناشی از کلریدسدیم باعث افزایش غلظت گونه‌های ⁺CdCl و CdCl₂⁰ و کاهش گونه‌های CdSO₄⁰ و ⁺CdOH  نسبت به خاک شاهد شد (0/05>p). نتایج نشان داد که تأثیر بیوچار بر کاهش سمیت کادمیم در محلول در خاک شنی بیشتر از خاک رسی بود.

کاهش منابع آب باتوجه‌به مسئله تغییر اقلیم جهانی و رشد جمعیت یکی از بحرانی‌ترین مسائل پیش روی طراحان و برنامه‌ریزان توسعه فضاهای سبز در شهرها است. در برابر این چالش‌ها، نیاز فوری به بهبود کارایی مصرف آب و استفاده زنجیره‌ای از منابع آب با گزینه‌های مناسب وجود دارد. در این راستا باتوجه‌به حجم قابل‌توجه پساب‌های شهری، استفاده مجدد از آن در آبیاری فضای سبز، از دیدگاه مدیریت منابع آب از نظر زیست‌محیطی و اقتصادی اهمیت دارد. به همین منظور در این پژوهش تأثیر پساب فاضلاب تصفیه‌خانه شهر پرند بر خصوصیات شیمیایی خاک تحت کشت سه نوع گیاه پوششی (فرانکینیا (FR)، فستوکا آبی (FE)، دایکوندرا (DI)) در بستری با خاک لومی شنی بررسی می‌شوند. این مطالعه به‌صورت یک آزمایش فاکتوریل بر پایه طرح کاملاً تصادفی با استفاده از اختلاط آب و پساب در 4 سطح با تیمارهای آبیاری صفر (شاهد)، 50، 75 و 100 درصد نسبت به آب شیرین و 3 تکرار مورد بررسی قرار گرفت و سپس خصوصیات شیمیایی خاک مانند pH، EC، OC، Na، Cl، Ca، Mg مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج به‌دست‌آمده از پارامترهای آنالیز شیمیایی خاک نشان داد که مقدار pH در تمامی تیمارهای دارای پساب نسبت به شاهد کاهش یافت که این مقدار کاهش در هیچ تیماری معنی‌دار نشد. مقـادیر EC و Cl در تمامی گیاهان دارای افزایش بوده که این مقادیر در تیمارهای FR100 به ترتیب با افزایش حدود 195 و 561 درصدی نسبت به شاهد و در تیمار FE100 به ترتیب با افزایش حدود 54 و 162 درصدی در سطح احتمال 5 درصد معنی‌دار شد. مقدار OC در تیمار FR100 با افزایش حدود 41 درصدی نسبت به تیمار شاهد معنی‌دار شد؛ اما در سایر گیاهان این نسبت در هیچ تیماری معنی‌دار نشد. بیشترین مقدار Mg در تیمار FR50 به مقدار 30/27 بوده که دارای اثر معنی‌دار نسبت به سایر تیمارها است. مقدار Na و Ca در تیمار FR100 به ترتیب با افزایش حدود 343 درصدی و 130 درصدی نسبت به تیمار شاهد معنی‌دار شد، در‌حالی‌ که در گیاهان FE و DI این نسبت در هیچ تیماری معنی‌دار نشد.