با پيشرفت برداشت داده هاي تکراري جهاني به وسيله ماهواره ها، در نقشه برداري مي توان جنبه هاي پوياي خاک را نيز در نظر گرفت. فرايندهاي سطحي خاک در مقياس هاي مختلف رخ مي دهند و سبب تغييرپذيري شديد ويژگي هاي خاک و دشواري اندازه گيري آنها مي شوند. فرايندهاي کوتاه مدت مي توانند روزانه يا فصلي باشند و دربرگيرنده تغييرات دما، چرخه هاي خيس – خشک شدن و بسياري فرايندهاي زيست شناختي باشند. فرايندهاي ميان مدت در محدوده 10 تا 100 ساله بوده و عبارتند از فرسايش و نهشته شدن پرشتاب خاک، تراکم، شور شدن، اکسايش – کاهش (رنگ خاک)، تغييرات مواد آلي و فرايندهاي چرخه اي بيوژئوشيميايي. فرايندهاي بلند مدت عبارتند از فرسايش، تشکيل کاني هاي ثانويه و هوازدگي فيزيکي و شيميايي خاک که در بازه زماني هزاران تا ميليون ها سال رخ مي دهند. خاک به عنوان بايگاني چنين فرايندهايي عمل مي کند که اغلب با تغييرات زيست محيطي در گذشته همراه بوده اند و شخص مي تواند اقليم گذشته سطح زمين را از ويژگي هاي کنوني خاک و با کمک ايزوتوپ ها تعيين کند (Scholes et al., 1995).داده هاي ماهواره اي در فرانگري فرايندهاي کوتاه مدت و ميان مدت خاک در مقياس هاي مختلف بسيار مفيد بوده و بخشي از طرح هاي مديريت زمين و فعاليت هاي کاربري زمين را شامل مي شوند. داده هاي ماهواره اي اين فرصت را ايجاد مي کنند تا با هدف عمومي کردن فرايندهاي چشم انداز، ويژگي هاي خاک که تغييرات مکاني گسترده اي دارند، با تفکيک مکاني و پوشش مناسب يکپارچه شوند (Palacios-Orueta et al., 1999). اندازه گيري هاي ماهواره اي به ويژه از نواحي انتقالي حساس، که تغييرات سريع فرايندهاي سطحي در پاسخ به تغيير اقليم و فعاليت هاي کاربري زمين در آنها روي مي دهد، ارزشمند است.
4-1- تغيير پوشش زمين و کاربري زمين
پوشش زمين طي چرخه هاي طبيعي (خشکسالي، آتش سوزي، توالي نسل ها، سيل، فعاليت آتشفشاني) و فعاليت هاي انساني مانند ترويج کشاورزي، مديريت منابع طبيعي، شهرسازي، کشاورزي و چراي دام دچار تغيير مي شود. دو برابر شدن جمعيت انسان طي نيم قرن گذشته پيامدهايي داشته است که از آن جمله مي توان به تخريب منابع پايه خاک، تخريب محيط زيست و تاثير بر سامانه هاي جهاني اشاره کرد (Spurgeon, 1993).
تغييرات پوشش و کاربري زمين سبب تغييرات همزمان بسياري از پارامترهاي خاک مي شوند که در نتيجه آنها، خاکي با ويژگي هاي متفاوت و نامرتبط با عوامل اوليه تشکيل خاک، حاصل مي شود (Yaalon and Yaron, 1966). خاکها در توازني پويا با محيط هستند و ويژگي هاي آنها، در اثر تاثيرات انساني و تغيير اقليم، هميشه در حال تغيير است. ويژگي هاي خاک انتقالي حاصل نمايانگر اثر جمعي همه فعاليت هاي کاربري زمين در مقياس محلي و ناحيه اي در زمان حال و گذشته است.
دو نوع اصلي تغيير کاربري زمين وجود دارد 1- تبديل (conversion) 2- تغيير (modification) (Turner et al., 1990). تبديل کاربري زمين بسيار واضح و با دورسنجي به طور مستقيم قابل مشاهده است، مانند زماني که يک رده کاربري زمين به رده ديگري تغيير داده مي شود (براي مثال جنگل زدايي، شهرسازي، کشاورزي). تغيير کاربري زمين بسيار پنهان تر بوده و به تغييرات ايجاد شده در يک رده پوشش زمين يکسان گفته مي شود، که از آن جمله مي توان به باران اسيدي و تخريب زمين در اثر چراي بي رويه و برداشت بي رويه از درختان براي مصارف سوختي اشاره کرد. تغيير پوشش زمين اغلب فرسايش زمين را شتاب مي بخشد که پيامد آن نابودي ماده آلي، ذرات ريز خاک، مواد مغذي و جوامع ميکروبي موجود در خاک است (Schimel et al., 1985; Harper and Marble, 1988). بيش از 60% سطح خشکي هاي جهان درجاتي از تبديل هاي بزرگ مقياس را نشان مي دهند و يکي از اهداف مهم سامانه هاي سنجنده ماهواره اي تعيين نرخ تغييرات سطح زمين ناشي از فعاليت انساني است که در محيط جهاني در حال وقوع است (Turner et al., 1995).
مطالعات فراواني وجود دارند که در آنها از دورسنجي براي تعيين و کمي سازي تغيير پوشش زمين استفاده شده است. (Adams et al. 1995) تاريخچه طيفي را از سري هاي زماني تصاوير TM از جنگل آمازون نزديک ماناوس که تحت تاثير دامداري و رشد جنگل ثانويه شده بود، بررسي کردند. آنها تحليل ترکيب طيفي را براي اندازه گيري تغييرات پوشش زمين بکار بردند. تغييرات در مقادير کسري در يک تصوير و از يک تصوير به تصوير ديگر، بازتاب کننده فرايندهاي بيوفيزيکي و اثرات انسان بر کاربري زمين بودند. رديابي تاريخچه طيفي هر پيکسل به همراه محتوي مکاني آنها، روشي کارا براي فرانگري تغيير و فرايندهاي سطح زمين فراهم کرد که نسبت به روش هاي صحرايي تنها امکان پذيرتر بودند. (Imhoff et al. 1997) با تلفيق تصوير نور شهرها در شب ازDMSP OLS (Defense Meteorological Satellite Program Operational Linescan System به همراه داده هاي سرشماري و يک نقشه رقومي خاک از سازمان خواروبار و کشاورزي ملل متحد (FAO) توانستند زمين هاي ساخته شده و اثرات آنها بر منابع خاک در آمريکا را بررسي نمايند. نتايج آنها نشان دادند که روند توسعه به گونه اي است که از منابع خاک پيروي مي کند و در خاکهاي بهتر کشاورزي، شهرسازي بيشتري انجام شده و برخي از انواع خاکها در اثر گسترش ناهنجار شهر از بين رفته اند.
هم اکنون، توجه بيشتري به ايجاد دسته داده هاي جامع مبذول شده است تا تجربه هاي کنوني و گذشته کاربري زمين مستند شوند. برنامه تغيير پوشش زمين و کاربري زمين ناسا (LCLUC) و برنامه بين المللي ژئوسفر- بيوسفر (IGBP) از داده هاي پيشين MSS تا دهه 1970 براي تحليل تغيير کاربري و پوشش زمين استفاده مي کنند. گروه علمي زمين ابزار MODIS محصولات تغيير کاربري زمين و پوشش زمين را با تفکيک مکاني 1 کيلومتر تهيه کرده است که فرايندهاي تغيير پوشش زمين را در مقياس جهاني رده بندي کرده است (Running et al., 1994). هر جا که تغيير شناسايي شود، انجام تحليل بيشتري بر آن با کمک داده هاي ماهواره اي با تفکيک ريزتر امکان پذير است. هر چند دورسنجي توانايي زيادي در فرانگري پوشش زمين، کاربري زمين و بي هنجاري هاي سطح زمين دارد، شناخت کمّي اندکي از چگونگي تاثيرات اين تغييرات بر منابع خاک وجود دارد.
4-2- بيوژئوشيمي خاک
علاقه زيادي به تحليل اهميت خاک به عنوان يک منبع يا انباره اي از گازهاي گلخانه اي اصلي از جمله دي اکسيد کربن، متان و اکسيد نيتروژن (N2O) وجود دارد. بسته به شرايط محلي رطوبت، دما و کاربري زمين، خاکها مي توانند گازهاي گلخانه اي را به اتمسفر آزاد کنند و يا آنها را از اتمسفر گردآوري کنند. خاکها، همچنين، با آزاد کردن اکسيد نيتريک و منو اکسيد کربن، در چرخه جهاني ازن نقش بازي مي کنند (Bouman, 1990). انباره جهاني کربن در خاک سومين انباره بزرگ جهاني، پس از انباره هاي اقيانوسي و زمين شناسي به شمار مي آيد که مشتمل بر کربن آلي و کربن غيرآلي خاک است (شکل 11). مقدار کلي کربن خاک در حدود 2500 pg است که در حدود 4 برابر از مقدار کربن درون گياهان زنده و سه برابر از کربن موجود در اتمسفر بيشتر است (Post et al., 1982; Sundquist, 1993; Lal, 1998).
شکل 11- انباره هاي اصلي جهاني کربن و شار ساليانه بين آنها (Lal, 1998)
حتي در نواحي بسيار خشک، پوسته بيوژنيک ممکن است در سطح تشکيل شده و مقادير قابل توجهي از ماده آلي را شامل شود (Johansen, 1993). از منظر پايداري جهاني، شناخت اينکه چگونه رابطه منبع – انباره در مورد خاکها مي تواند توقيف کربن را کنترل و مديريت کند و اثرات تغيير اقليم را کاهش دهد، از اهميت بسيار زيادي برخوردار است.
از گذشته، توسعه فنون دورسنجي براي فرانگري زماني و مکاني تغييرات کربن آلي خاک در اکوسيستم هاي خشکي، چالشي سخت بوده است. برخي از فرايندهايي که در ديناميک کربن موثرند عبارتند از: تجزيه و کاني زايي مواد مغذي، شار حرارتي و آب در خاک و ديناميک پوشش گياهي. متغيرهاي وابسته ناشي از آنها عبارتند از داده هاي اقليمي با پراکندگي مکاني (دما، بارندگي و غيره)، ويژگي هاي خاک مانند بافت، توپوگرافي و پوشش زمين و کاربري زمين. تبديل زمين بيوژئوشيمي خاک (توزيع بافت ريشه، ورودي زائدات برگي، نرخ بازگشت ماده آلي) را تغيير مي دهد و در زمان حاضر، تغيير کاربري زمين مسئول تقريبا يک سوم افزايش ساليانه پتانسيل گرم شدن جهاني است (Scholes et al., 1995; Jackson et al., 2000). با اين وجود، تخميني مطمئن از ذخيره خاکهاي سالم و دست نخورده وجود ندارد و داده ها درباره نرخ تجزيه پس از آشفتگي در خاک در دست نيستند (Lal, 1998).
شکل 12- محصول (الف) ماده آلي خاک و (ب) درصد آهن در داده هاي AVIRIS با استفاده از روش تحليل ترکيبي متوالي يا نام تحليل مرتبه بندي شده پيش زمينه/ پس زمينه (HFBA) (Palacios-Orueta et al., 1999).
فنون دورسنجي فراطيفي براي تحليل کربن آلي در سطح چشم انداز کارا به نظر مي رسند. Huete and Escadafal (1991) يک طرح تجزيه مدل ترکيبي ارائه کردند که با آن استخراج سيگنال ماده آلي از بين گستره طيفي وسيع خاک برهنه، ميسر مي شد. در طرح آنها براي متمايز کردن، طيف ويژه (eigenspectrum) شناسايي شده و بارهاي اعمالي مناسبي (loadings) يافت مي شدند که با درصد محتوي ماده آلي به خوبي مطابقت کنند. Palacios-Orueta et al. (1999) يک روش تحليل ترکيبي متوالي که با نام تحليل مرتبه بندي شده پيش زمينه/ پس زمينه (hierarchical foreground-background analysis) معروف است، را بکار بردند که در اين روش بردارهاي آموزش دهنده (training-vector) بدست آمده در آزمايشگاه براي استخراج ماده آلي خاک و منشاء آهن، در تغيير طيفي مورد استفاده قرار مي گيرند (Smith et al., 1994). آنها يک فرايند مرتبه بندي شده دو مرحله اي را بر داده هاي فراطيفي AVIRIS، از دو حوضه آبريز در کوههاي سانتا مونيکاي کاليفرنيا، مورد آزمايش قرار دادند، که در اين فرايند تفکيک انواع خاکها که در مرحله اول انجام شده بود، با به نقشه در آوردن تغييرات مکاني ويژگي هاي خاک در مرحله دوم ادامه يافت (شکل12). تغييرات مکاني هر دو عامل ماده آلي و درصد آهن خاک، به طرز موفقيت آميزي، در پيکسل هاي AVIRIS که به طور بخشي حاوي پوشش گياهي بودند، مشخص شد.
محدويت اصلي در برابر بررسي مستقيم کربن آلي خاک اينست که مشخصات بافتي يک خاک، رابطه بين ماده آلي خاک و انرژي بازتاب شده را تغيير مي دهد و ويژگي هاي نوري مواد هوموسي در اقليم ها و پوشش هاي مختلف زمين، تغيير مي کنند (Baumgardner et al., 1970). Kimes et al. (1993) و Levine and Kimes (1998) با بکارگيري شبکه هاي عصبي و سامانه اطلاعات جغرافيايي، سعي کردند تا ويژگي هاي پيچيده خاک را با تصاوير ماهواره اي ارتباط دهند. رهيافت آنها بر مولي سولها آزمايش شد و قابليت آن براي تخمين و رديابي ديناميک کربن خاک و ديگر ويژگي ها به اثبات رسيد. آنها رهيافت شبکه عصبي خود را بر حوضه آمازون نيز آزمودند. در اين آزمون يک دسته محدود از 200 خاک نمونه و داده هاي پوشش زمين مورد استفاده قرار گرفتند تا مدل شبکه عصبي براي شناسايي الگوها در تصاوير ماهواره اي آموزش داده شود و محتوي کربن آلي خاک در سراسر حوضه تعيين شود (شکل 13).
شکل 13- تحليل کربن خاک در آمازون با استفاده از مدل شبکه عصبي که داده هاي زميني را با تصوير AVHRR تلفيق کرده است.
از مدلهاي تعاملي براي تحليل ناحيه اي ويژگي هاي اکوسيستم، براي کمي سازي ذخيره کنوني کربن خاک و پيش بيني تغييرات در کربن خاک به عنوان تابعي از تغيير الگوهاي کاربري زمين و تغيير اقليم، استفاده مي شود (Parton et al., 1987; Paustian et al., 1997). ارزيابي ديناميک کربن حين تغيير کاربري زمين سهل و آسان نبوده و نيازمند آگاهي داشتن از تاريخچه کامل فعاليت هاي کاربري زمين در زمان و مکان است. انواع اطلاعات مورد نياز عبارتند از: 1- منطقه تحت تاثير تغيير پوشش زمين 2- محتوي کربن آلي خاک و مقادير چگالي کل خاک براي خاکهاي متفاوت تا دست کم عمق يک متر و 3- کسر يا قسمت کربن آلي خاک که در اثر تغيير کاربري يا پوشش زمين از دست رفته است. همراه با پايگاه هاي داده هاي واضح از پوشش گياهي، خاک، توپوگرافي، کاربري زمين و اقليم، مدلهاي شبيه سازي با مشارکت داده هاي ويژه ساختگاهي توسعه داده مي شوند. پايگاه داده هاي مکاني از تجربه هاي مديريت و کاربري زمين از داده هاي دورسنجي بدست مي آيند که در آنها تجزيه مواد آلي، توازن آب و شار حرارتي بوسيله مدلهاي شبيه سازي اکوسيستم تحليل مي شوند. فنون سامانه اطلاعات جغرافيايي ابزار لازم، براي سازماندهي چنين اطلاعات و تلفيق آنها با داده هاي دورسنجي، را فراهم مي کند. Paustian et al. (1997) نتيجه گيري کردند که پيش بيني پاسخ کربن خاک به نيروهاي تغيير اقليم و تبديل زمين، نيازمند پيش بيني بهتر از اثرات فعاليت هاي کاربري زمين، يکپارچه سازي موثرتر داده هاي دروسنجي در مدلهاي اکوسيستم و مواجه کردن مدلهاي اکوسيستم با مدلهاي اقليمي جهاني است (شکل 14).
شکل 14- چارچوب تحليل ناحيه اي براي پيش بيني ديناميک کربن خاک (Elliot and Cole, 1989; Paustian et al., 1997)
(Asner et al. 1999) با تلفيق يک مدل فرايند بيوژئوشيميايي سطح زمين (TerraFlux) با داده هاي دورسنجي و صحرايي قادر بودند تا توليد کربن در زير و بالاي سطح زمين را فرانگري کرده و تجمع کربن را در سطح کوههاي جنوب غربي آمريکا تخمين زده و پيش بيني کنند. داده هاي ماهواره اي اطلاعاتي از پوشش زمين، تغيير پوشش زمين، چرخه فصلي شاخص مساحت برگي گياهان چوبي، درصد قسمت پوشش سبز، زمان و بزرگي برگريزان، و توليد اوليه خالص فراهم کردند. نيمرخ فصلي شاخص مساحت برگي به آساني با سنجنده هاي با تفکيک متوسط بدست مي آيد و توليد اوليه خالص و زائدات گياهي را مي توان با مدلهاي ترکيب طيفي محاسبه کرد. کمي سازي پوشش زائدات گياهي در بررسي جريان مواد مغذي، کربن، آب و انرژي در اکوسيستم هاي خشکي و همچنين براي ارزيابي پتانسيل فرسايش خاک اهميت دارد (Aase and Tanaka, 1991; van Leeuwen and Huete, 1996; Nagler et al., 2000). تغيير در مقدار و ترکيب زائدات گياهي مي تواند سبب تغيير شار مواد مغذي و کربن درون اکوسيستم شده و در نتيجه ظرفيت توليد و تراتب کربن را تحت تاثير قرار دهد.
4-3- رطوبت و خشکي خاک
رطوبت خاک مولفه اي مهم از توازن جهاني آب و انرژي است که مي بايست به عنوان يک متغير در همه مدلهاي چرخه اي آبشناختي، هواشناختي، رشد گياه، بيوژئوشيميايي و جوي در نظر گرفته شود. رطوبت خاک بر تقسيم شدن انرژي موجود در سطح به شارهاي حرارتي محسوس و ناپيدا، و همچنين تقسيم شدن بارش به تبخير و تعرق گياه و رواناب سطحي، تاثير مي گذارد (Munro et al., 1998). مهمترين جنبه اينست که رطوبت خاک به عنوان يک تنظيم کننده رخداد، توزيع و مقدار بارش عمل مي کند و در نتيجه نشانگري مهم از تغيير اقليم است. برخلاف اهميت متغير رطوبت خاک در زمينه پياده سازي مشاهدات رطوبت خاک، در مقياس هاي زماني و مکاني مناسب و مورد نياز در مدلهاي آبشناسي، اقليمي و بيوژئوشيميايي موجود، موفقيت کمي بدست آمده است (Sellers et al., 1995). هرچند محدوديت شديدي در بکارگيري فنون دورسنجي براي بررسي رطوبت خاک وجود دارد، بدليل پوشش مکاني و توانايي آن در يکپارچه سازي تغييرات مکاني درون يک منطقه که امکان مطالعات وابسته به مقياس را فراهم مي کند، استفاده از دورسنجي روند رو به رشد داشته است (Vinnikov et al., 1996).
بنا به دلايلي چند، به نقشه در آوردن رطوبت خاک بسيار دشوار است. رطوبت خاک تغييرپذيري بسيار شديد مکاني و زماني در سطح چشم انداز نشان مي دهد، در حاليکه وابستگي هاي آن به مقياس ناشناخته است. توزيع و مقدار آب ذخيره شده در خاک نه تنها با توزيع بارندگي تغيير مي کند، بلکه به ويژگي هاي چشم انداز، از قبيل نوع خاک (بافت)، توپوگرافي و پوشش گياهي وابسته است. تغييرپذيري مکاني و زماني رطوبت خاک حتي در مقياس هاي ريز نيز قابل توجه است که در اثر آن، اندازه گيري هاي درجا در خاک براي کاليبره کردن سامانه هاي دورسنجي بسيار مشکل است. گزارش پروژه جهاني رطوبت خاک (GEWEX) (Sellers et al., 1995) نتيجه گيري مي کند که شبکه متراکم از نقاط که براي تشخيص رطوبت خاک در زمين مورد نياز است، وجود ندارد و رطوبت خاک را هنوز نمي توان به عنوان يک متغير قابل اندازه گيري در مقياس هاي جهاني و ناحيه اي، در نظر گرفت.
مسئله ديگر در بررسي رطوبت خاک اينست که رطوبت خاک نزديک به سطح بسيار سريع تر از خاک عميق تغيير مي کند و لذا اين مسئله سبب دشواري تشخيص درجه خيسي خاک از مشاهدات سطحي تنها، مي شود. Idso et al. (1974) از اندازه گيري هاي بازتاب براي نمايش سه مرحله زماني- مکاني خشک شدن استفاده کرد:
مرحله 1- سطح خاک مرطوب در معرض تبخير
مرحله 2- انتقال بين خشک و مرطوب که طي آن آب موئينه زيرزميني قادر نيست با سرعت کافي به سطح زمين حرکت کند تا مقدار آب لازم جهت تبخير به جو را تامين کند.
مرحله 3- سطح خاک خشک با نرخ تبخير کم و نسبتا ثابت
در شرايط تمايل به تبخير زياد، يک خاک کم و بيش مرطوب مي تواند در بخش سطحي، که اندازه گيري هاي نوري از آن انجام مي شود، به سرعت خشک شود. از آنجا که فرايند خشک شدن خاک از جنبه مکاني يکنواخت نيست، هر سه مرحله خشک شدن مي توانند در پاسخ کلي انرژي بازتاب شده و منتشر شده از اندازه گيري هاي دورسنجي، مشارکت داشته باشند.
4-3-1- رهيافت هاي نوري و محدوديت ها
در محدوده موج کوتاه طيف، ناحيه فروسرخ کوتاه (SWIR) نسبت به درصد رطوبت سطح بسيار حساس در نظر گرفته مي شود، و باندهاي TM 5 (1.55 تا 1.75 ميکرومتر) و 7 (2.08 تا 2.35 ميکرومتر) نشانگرهاي بالقوه آب در خاک محسوب مي شوند. جذب آب در اين دو باند را مي توان به صورتي نسبتي به ديگر باندها و يا در ترکيبي خطي بيان کرد (Crist and Cicone, 1984; Levitt et al., 1990) و سپس آن را به درصد آب رده هاي بافتي مجزاي خاک منتسب کرد (Musick and Pelletier, 1988). با اين وجود، Huete and Warrick (1990) دشواري ارزيابي درصد آب خاک در سطح (0 تا 5 سانتي متر) با استفاده از باندهاي رطوبتي TM يا با نشانگرهاي مختلف رطوبت در شرايط نسبي پوشش گياهي با پوشش کم (10 تا 20%)، را خاطر نشان کردند.
يکي از رهيافت هاي غيرمستقيم براي اندازه گيري وضعيت آب در خاک، اندازه گيري انرژي فروسرخ حرارتي گسيل شده از پوشش گياهي است. شاخص هاي تنش گياه از قبيل شاخص رطوبت سطحي (SMI; Nemani et al., 1993) و شاخص کمبود آب (WDI; Moran et al., 1994)، با بهره گيري از اندازه گيري هاي شاخص هاي پوشش گياهي و حرارتي در خاک و سطوح پوشيده، وضعيت رطوبت خاک را به صورت نرخ نقصان آب طي تبخير، تخمين مي زنند. زماني که رطوبت خاک زياد است، در يک شرايط آب و هوايي مشخص، گياه قادر است تا آب را با بيشترين نرخ تعريق از دست بدهد. با خشک شدن خاک، استخراج آب مورد نياز گياه براي تامين تقاضاي جوي دشوارتر مي شود، و تعريق کاهش مي يابد، در نتيجه دماي برگ اين گياهان در مقايسه با آنهايي که قادر به تامين آب فراوان هستند، بالاتر مي رود.
4-3-2- شاخص هاي خشکي
ترکيب دماي سطح زمين (Ts) با شاخص هاي پوشش گياهي (VIs) در فرانگري خشکي (خشکسالي) بسيار مورد توجه قرار گرفته اند (Nemami and Running, 1989). تعريف خشکي يا خشکسالي عبارتست از يک دوره طولاني از بارندگي ناکافي نسبت به ميانگين آماري چندساله براي يک ناحيه. معيارهاي مختلفي براي بررسي رخداد و گستره زماني خشکي، بر پايه مشخصه هاي هواشناسي، آبشناسي، يا رطوبت خاک وجود دارند. خشکي هواشناسي معمولا مبتني بر کاهش طولاني مدت بارندگي نسبت به شرايط عادي است. به عنوان يک مثال، شاخص خشکي پالمر که به طور هفتگي تهيه مي شود، بوسيله مديران آب و زمين براي ارزيابي تاثير شرايط کمبود رطوبت بر چشم انداز مورد استفاده قرار مي گيرد (Palmer, 1986). خشکي را مي توان به صورت رطوبت ناکافي خاک جهت تامين نياز پوشش گياهي آن در يک زمان خاص طي چرخه رشد گياهان، تعريف کرد. کمبود رطوبت خاک در دوره حساس از چرخه رشد مي تواند به کاهش محسوس علف توليد شده و توليد خالص اوليه منجر مي شود.
Nemani et al. (1993) به طور عملي يک شاخص خشکي مبتني بر داده هاي دورسنجي را بکار بردند که شاخص رطوبت سطحي (SMI) نام دارد. اين شاخص مبتني بر شيب AVHRR-NDVI و مقادير بيشينه دما است. در اين شاخص با استفاده از رهيافت VI-Ts (شاخص پوشش گياهي- دماي سطح)، تعريق و تبخير از گياهان و خشک شدن خاک فرانگري مي شود و شرايط کمبود آب در سطح در يک وضعيت مشخص از پوشش گياهي بررسي مي شود. بعدها Carlson et al. (1995) و Gillies et al. (1997) با بکارگيري فنون وارون سازي، رطوبت موجود خاک را از نمودارهاي پراکندگي VI-Ts برآورد کردند. اخيرا، Nishida et al. (2002) شاخص رطوبت سطحي را تغيير بيشتري دادند و يک رهيافت VI-Ts، که تنها بر داده هاي ماهواره اي با تفکيک متوسط استوار است، توسعه دادند تا با کمک آن قسمت تبخير نسبي (RE) را از خاک برهنه و پوشش گياهي، درون پيکسل هاي مرکبي، متمايز کنند (شکل 15).
Moran et al., (1994) شاخص کمبود آب (WDI) را با کمک دماي سطحي منهاي دماي هوا و يک شاخص طيفي پوشش گياهي را تعريف کردند تا وضعيت نسبي رطوبت خاک را تخمين بزنند. شاخص کمبود آب، تغييرات دماي سطح ناشي از کمبود آب مورد نياز گياه در کاناپه هاي غيرکامل، را مد نظر قرار مي دهد. الگوهاي اختلاف دماي سطح منهاي دماي هوا تابعي از مقدار پوشش گياهي و وضعيت آب است که يک ذوزنقه را شکل مي دهد (شکل16). خط سمت چپ که از نقاط 1 و 3 تشکيل شده نشان دهنده شرايط فراواني رطوبت خاک است، در حاليکه خط سمت چپ متشکل از نقاط 2 و 4 حالت خشک يا شرايط کمبود را نشان مي دهد. با قرار گرفتن مقدار شاخص کمبود آب در سمت راست خط متشکل از نقاط 1 و 4؛ پوشش گياهي تجربه شرايط تنش و کمبود آب را آغاز مي کند (Clarke, 1997). خطوط پايين و بالا به ترتيب شرايطي خاک برهنه و پوشش گياهي کامل را، در طيفي کامل از تغييرات رطوبت خاک، نشان مي دهند.( Seiler et al. 1998) از يک شاخص پوشش گياهي مبتني بر AVHRR (VCI) همزمان با شاخص شرايط دما (TCI) استفاده کردند تا خشکي را آرژانتين شناسايي کنند. آنها قادر بودند ويژگي هاي مکاني خشکي را هم راستا با طول مدت و شدت، بررسي نمايند.
با پيشرفت دورسنجي ماهواره اي و استفاده از هزاران اندازه گيري روزانه درجا از بارندگي، به شدت ظرفيت هاي فرانگري خشکي را بهبود داده است. (Palmer 1996) رابطه اي قوي بين الگوهاي جهاني آنومالي دماي سطح دريا (SST) و فراواني خشکي در ناحيه ساحل (Sahel) را گزارش کرد. (Los et al. 2001) از داده هاي ماهواره اي SST و NDVI بهره گيري کردند تا به طور عملي روابط مستقيم بين تغييرات دماي سطح آب در اقيانوس هاي اطلس و آرام را با الگوهاي بزرگ مقياس چرخش جوي، که شرايط مرطوب يا خشک را با خود مي آوردند، نشان دهند. يکي از شگفت انگيزترين پيشرفت ها در کاهش اثرات خشکسالي را مي توان دستاوردهاي نوين در زمينه پيش بيني شرايطي که به خشکسالي منجر مي شوند، دانست. مرکز پيش بيني اقليم نوا (NOAA Climate Prediction Center) از مدلهاي اصولي رايانه اي که داده هاي مربوط به شرايط زمين و اقيانوس را با جو بالاي آنها ارتباط مي دهند، براي پيش بيني دما، بارندگي، و رطوبت خاک، يک ماه پيش از موعد، استفاده مي کنند.
شکل 15- تبخير سطحي نسبي از خاک و پوشش گياهي بدست آمده از تلفيق شاخص پوشش گياهي (VI) و دماي سطحي (Ts). در اين نمونه توليد شده MODIS از داده هاي AVHRR نوآ از سطح آمريکا استفاده شده است (Nishida et al.,
شکل 16- ذوزنقه شاخص کمبود آب (WDI) تلفيق شده از شاخص دورسنجي پوشش گياهي و داده هاي دما
4-3-3- رهيافت موج کوتاه (مايکروويو)
هم اکنون، شاخص هاي رطوبت خاک تقريبا به هنگام در سطح جهاني با استفاده از داده هاي موج کوتاه دورسنجي تلفيق مي شوند، هرچند چنين شاخصهايي تنها مي توانند مقداري تقريبي از رطوبت خاک بدست دهند و در مناطقي با شرايط رطوبت بالا، بيشترين کارايي را دارند. فنون دورسنجي موج کوتاه در استنباط رطوبت سطوح بالايي خاک در مناطق با پوشش تنک بسيار کارا بوده و براي سطوح زيرين خاک کمتر قابل اطمينان هستند (Choudhury, 1992; Jackson, 1993). هر دو رهيافت فعال و غيرفعال براي موج کوتاه وجود دارند که براي اندازه گيري رطوبت خاک قابل اطمينان به نظر مي رسند (Engman, 1995). آزمايشات بسيار با کمک هواپيما و در صحرا نشان داده اند که يک راديوسنج 1.4 گيگاهرتز، در شرايط مختلفي از پوشش گياهي، به درصد رطوبت لايه خاک سطحي حساس است. Schmugge et al. (1992) با بکارگيري روشهاي دورسنجي غيرفعال موج کوتاه، با موفقيت توانستند رطوبت خاک را در محدوده هاي گياهکاري شده HAPEX, FIFE و موسمي، 90 اندازه گيري کنند. آنها از يک راديوسنج موج کوتاه در اين مناطق استفاده کردند که فرکانس 1.42 گيگاهرتز را ثبت مي کرد و در نتيجه آنها قادر بودند خشک شدن خاک را پس از بارندگي هاي سنگين مشاهده کرده و تغييرات آن را به نقشه درآورند.
پوشش گياهي به شدت بر علائم بازپراکنده شده و دماهاي روشنايي تاثيرگذار است و کارهاي بسياري در جهت شناخت اثرات ناهمواري، پوشش گياهي و توپوگرافي در حال انجامند تا علائم موج کوتاه را به نحو بهتري به درصد رطوبت خاک سطحي ارتباط دهند (Engman and Chauhan, 1995; Sano et al., 1998). پوشش گياهي نه تنها تابش موج کوتاه را از سطح خاک کاهش مي دهد، بلکه تابش خود را به آن اضافه مي کند و در نتيجه از مدلهاي پوشش گياهي و همچنين شاخص هاي گياهي در جهت تصحيح تابش هاي پوشش گياهي استفاده مي شود. با رادار شخص مي بايست همچنين اثر ناهمواري خاک را علاوه بر اثر پوشش گياهي تعيين کند. روشهاي شناخت تغيير مانند تفاوت سين به سين در استخراج يا کمينه ساختن اثرات ناهمواري سطح و پوشش گياهي، مفيد بوده اند، چراکه آنها با سرعت کمتري نسبت به رطوبت خاک تغيير مي کنند دهند (Engman and Chauhan, 1995; Sano et al., 1998).
در يک طرح مشترک بين ناسا و آژانس اکتشاف فضايي ژاپن، راديوسنج پيشرفته موج کوتاه EOS (AMSR-E) بر ماهواره آکوا، در 4 مي 2002 به فضا پرتاب شد. اين راديوسنج از نوع غيرفعال با زاويه ديد به سمت جلو با 12 کانال در شش فرکانس متمايز است که از 6.9 تا 89 گيگاهرتز را شامل مي شوند، و اطلاعات رطوبت خاک و پوشش گياهي را با ارزش بالا، جهت استفاده در کاربردهاي آب اقليم شناسي فراهم مي کنند. افزون بر رطوبت خاک، داده هاي AMSR-E مي توانند ويژگي هاي ابر، نرخ بارندگي، پوشش برف و دماي سطح دريا را اندازه گيري کنند. ماهواره آکوآ در مدار همزمان با خورشيد با زمان استوايي 1:30 بعد از ظهر قرار گرفته است و مشاهدات زماني و مکاني رطوبت خاک را با شبکه زميني اسمي 25 کيلومتر توليد مي کند. کمترين فرکانس AMSR و AMSR-E 6.9 گيگا هرتز است که داده هاي رطوبت خاک را به نواحي با پوشش گياهي کم محدود مي کند.
سامانه هاي فرانگري رطوبت خاک در آينده، از ترکيب برخي مدلهاي تخمين درجا و تخمين هاي حاصل از داده هاي دورسنجي استفاده خواهند کرد. اين ترکيب، استفاده از ساختگاه هاي مرجع از انواع اصلي خاکها و داده هاي ماهواره اي و مدلهاي سطح زمين، براي گسترش اندازه گيري هاي درجا به مناطق گسترده تر، را شامل مي شود. مدلهاي سطح زمين مي توانند پوششي بزرگ مقياس فراهم کنند که در اندازه گيري هاي زميني غيرعملي است و مي توانند نيمرخي کامل از اطلاعات فراهم کنند که دورسنجي نمي تواند شناسايي کند. طرح هاي پارامتري کردن سطح زمين (LSP)، براي تهيه دسته داده هاي بزرگ از رطوبت خاک و شارهاي آب و انرژي مرتبط با آن، مورد استفاده قرار مي گيرند. اين مدلهاي محاسباتي از طرح هاي ساده توازن ماده تا مدلهاي پيشرفته، که اندرکنش غيرخطي بين فرايندهاي تراکم و هواگيري خاک، شرايط کمبود رطوبت براي گياه، دسترسي مواد غذايي، شيمي فتوسنتتيک و رقابت بين نسل هاي گياهان را در نظر مي گيرند، تکامل يافته اند (Sellers et al., 1995). با توجه به نقش اساسي رطوبت خاک در رطوبت سطح و توازن انرژي و تغييرپذيري همزمان با پيامدهاي بعدي بر جو، ايجاد زيرساختي براي تخمين و مشاهده اين مقدار، به طور عادي و عملي، از اهميت خاصي برخوردار است (Entekabi et al., 1996).
4-4- فرايندهاي نقصان خاک
نقصان خاک يک مسئله اساسي زيست محيطي است که بر جنبه هاي حياتي زيست محيطي از جمله امنيت غذايي، کاهش توليد، حفظ منابع طبيعي، از بين رفتن تنوع زيستي و تغييرات اقليمي جهاني تاثير مي گذارد. نقصان زمين شرايطي را ايجاب مي کند تا فرسايش خاک شتاب يافته و کيفيت منابع آب شيرين تنزل يابد، و سرانجام به بيابان زايي، که يک مسئله اصلي اجتماعي – اکولوژيکي در سطح جهاني است، مي انجامد. تغيير بزرگ مقياس سطح زمين به تغييرات مستندي در اقليم ناحيه اي منجر شده است (مانند نقصان زمين در منطقه ساحلي آفريقا در چند دهه گذشته که به کاهش بارندگي انجاميده است) (Nicholson et al., 1998). Tucker and Nicholson (1999) با استفاده از مقادير AVHRR-NDVI تغييرات در انبساط و انقباض بيابان در منطقه صحرا را در پاسخ به تغيير اقليم، مشاهده کردند. کنوانسيون بين المللي مبارزه با بيابان زايي (CCD) بيابان زايي را به اين صورت تعريف کرده است: “نقصان زمين در مناطق خشک، نيمه خشک و نيمه مرطوب ناشي از عوامل مختلف از جمله تغييرات اقليمي و فعاليت هاي انساني”. داده ها و اطلاعات کلي درباره درجه و گستردگي نقصان خاک و پيامدهاي آن، به نسبت، ناشناخته باقي مانده است. نيازي فوري به توسعه يک بسته جامع از دستورالعمل ها و استانداردها براي بررسي نقصان خاک، در اثر فرايندهاي مختلف، وجود دارد. با فراهم کردن فنون کمي و قابل تکرار براي فرانگري و بررسي گستره و شدت نقصان خاک، دورسنجي مي تواند در اين زمينه نقشي اساسي ايفا کند.
شکل 17- فرايندهاي اصلي نقصان خاک (Lal, 1998).
نقصان خاک را مي توان از منظر اثرات نامطلوب بر کارکردهاي مهم خاک، مانند حفظ قدرت توليد توده زيستي و تنوع زيستي و حفظ کيفيت آب و هوا از طريق فيلترکردن، بافرکردن، سم زدايي، و تنظيم چرخه هاي ژئوشيميايي، مشاهده کرد (Lal, 1998). فرايندهاي اصلي نقصان خاک، با اثرات نامطلوب شديد بر منطقه، را مي توان به سه دسته فيزيکي، شيميايي و زيست شناختي تقسيم کرد که عبارتند از: 1- فرسايش خاک، 2- تراکم خاک، 3- تهي شدگي از مواد مغذي 4- اسيدي شدن، 5- کاهش مواد آلي خاک، و 6- شورشدن (Lal, 1998) (شکل 17). شدت نقصان خاک به طور عادي بر از دست دادن توانايي توليد، مبتني است که مي توان آن را بدين صورت تقسيم بندي کرد: 1- نقصان اندک تا ناچيز يا بدون نقصان 2- متوسط 3- شديد 4- بسيار شديد که از نظر اقتصادي نقصان غيرقابل بازگشت در نظر گرفته مي شود (Lal, 1994).
4-4-1- نشانگرهاي نقصان
از مشاهدات دورسنجي هوابرد يا فضابرد، با موفقيت، به عنوان نقطه آغازي براي فرانگري و کنترل نقصان و بيابان زايي استفاده شده است (Robinove et al., 1981; Mishra et al., 1994; Tripathy et al., 1996). نشانگرها و علائم هشدار دهنده اوليه فراواني از نقصان خاک و بيابان زايي وجود دارند، که خود وامدار فرانگري مبتني بر دورسنجي هستند. آنها عبارتند از : 1- از بين رفتن پوشش گياهي 2- افزايش آلبدو 3- فرسايش بادي و آبي 4- زوال ساختار و پوسته خاک 6- رطوبت کمتر خاک 7- تغيير در مقدار اکسيد آهن 8- کاهش در مقدار ماده آلي 9- تغيير در نوع پوشش سطح و گونه ها 10- افزايش تغييرپذيري مکاني ويژگي هاي خاک 11- فعاليت و حرکت ماسه 12- افزايش منطقه رخنمون سنگي.
واريانس مکاني و ناهمگني يک منطقه به عنوان نشانگرهاي حساس از پايداري چشم انداز بکار برده مي شوند که افزايش واريانس بيانگر نقصان و فرسايش خاک است.( Pickup and Nelson1984) نشان دادند که تغييرات در واريانس پيکسل ها در منطقه اي در استراليا به شدت وابسته به نقصان خاک بود. نقصان زمين به نابود شدن پوشش با قابليت گياهکاري و افزايش تغييرات مکاني ويژگي هاي طيفي خاک منجر مي شود، زيرا لايه بالايي خاک از بين رفته و لايه هاي زيرين خاک رخنمون پيدا مي کنند. در يک مطالعه بر منطقه آزمايش تجربي يورنادا در نيومکزيکو، که چراي بلندمدت دام، بيابان زايي را تسريع کرده است،0( Schlesinger et al.1990) به يک افزايش در ناهمگني مکاني و زماني آب، مواد مغذي، و ديگر منابع خاک پي بردند. اين شرايط براي هجوم بوته هاي بياباني مطلوب است، که در پي آن منابع خاک محدودتري در زير پوشش بوته زارهاي بياباني وجود دارد. در مناطق برهنه بين بوته زارها، مواد مغذي شسته شده و گازها طي فرسايش از دست مي روند که در نتيجه پشتوانه اي در جهت بيابان زايي ايجاد مي شود.
( Ghosh and Tripathy 1994) فرايندهاي بيابان زايي را در نواحي خشک و نيمه خشک منطقه گولبارگا در هند با کمک داده هاي IRS-1A و تصاوير MSS (1984-1991) مورد پژوهش قرار دادند تا بيابان زايي را فرانگري کنند (جدول 1). آنها آلبدو و NDVI چند زمانه و تصاوير تهيه شده از تغيير آلبدو را بررسي کردند، که به آنها کمک مي کردند تا ساختگاه هاي بيابان زايي را شناسايي کنند. آلبدو به خوبي با عواملي چون فرسايش بالقوه خاک و شرايط کاهش رطوبت خاک مطابقت مي کند. آنها از تخمين هاي بدست آمده از NNDVI درباره رشد گياهان، به عنوان نشانگري از توده زيستي استفاده کردند.( Aguiar et al. 1998) با داده هاي AVHRR و MSS، نقشه هايي از بيابان زايي در ناحيه پاتاگونياي آرژانتين تهيه کردند. روش شناسي آنها ثبت داده هاي نقصان پوشش گياهي و فرسايش آبي خاک، فرسايش بادي و پوسته شدن و تراکم خاک و شورشدن / قليايي شدن را شامل مي شد (Soriano, 1983). آنها پيشنهاد کردند تنوع چشم انداز در هنگام مديريت منابع طبيعي حفظ شود و همزمان، مناطق نقصان يافته بازيابي شده و از چراي دام ها در مناطقي که بسيار متاثر شده اند، جلوگيري به عمل آيد.
در مطالعه زمين هاي کشاورزي رها شده در حوضه مانيکس بيابان محاوه،( Okin et al., 2001) نشان دادند که چگونه بوته زارهاي مجاور که در مسير باد قرار گرفته اند، تحت تاثير ماسه هاي حمل شده توسط باد از زمين هاي متروکه قرار گرفته اند. اين مسئله به کاهش چگالي بوته ها، تغيير در بافت خاک و افزايش آلبدو خاک منجر شده بود که آنها به خوبي با تصاوير فراطيفي AVIRIS، آن را به نقشه درآورده بودند (شکل 8). همچنانکه آنها خاطر نشان کردند، در برخي موارد، زمينهاي رها شده که بيشترين تخريب را متحمل شده اند، پوشش گياهي بيشتري نسبت به محيط تخريب نشده اطراف دارند.
( Ghosh and Tripathy 1994) فرايندهاي بيابان زايي را در نواحي خشک و نيمه خشک منطقه گولبارگا در هند با کمک داده هاي IRS-1A و تصاوير( MSS 1984-1991) مورد پژوهش قرار دادند تا بيابان زايي را فرانگري کنند (جدول 1). آنها آلبدو و NDVI چند زمانه و تصاوير تهيه شده از تغيير آلبدو را بررسي کردند، که به آنها کمک مي کردند تا ساختگاه هاي بيابان زايي را شناسايي کنند. آلبدو به خوبي با عواملي چون فرسايش بالقوه خاک و شرايط کاهش رطوبت خاک مطابقت مي کند. آنها از تخمين هاي بدست آمده از NNDVI درباره رشد گياهان، به عنوان نشانگري از توده زيستي استفاده کردند.( Aguiar et al. 1998) با داده هاي AVHRR و MSS، نقشه هايي از بيابان زايي در ناحيه پاتاگونياي آرژانتين تهيه کردند. روش شناسي آنها ثبت داده هاي نقصان پوشش گياهي و فرسايش آبي خاک، فرسايش بادي و پوسته شدن و تراکم خاک و شورشدن / قليايي شدن را شامل مي شد (Soriano, 1983). آنها پيشنهاد کردند تنوع چشم انداز در هنگام مديريت منابع طبيعي حفظ شود و همزمان، مناطق نقصان يافته بازيابي شده و از چراي دام ها در مناطقي که بسيار متاثر شده اند، جلوگيري به عمل آيد.
در مطالعه زمين هاي کشاورزي رها شده در حوضه مانيکس بيابان محاوه،( Okin et al., 2001) نشان دادند که چگونه بوته زارهاي مجاور که در مسير باد قرار گرفته اند، تحت تاثير ماسه هاي حمل شده توسط باد از زمين هاي متروکه قرار گرفته اند. اين مسئله به کاهش چگالي بوته ها، تغيير در بافت خاک و افزايش آلبدو خاک منجر شده بود که آنها به خوبي با تصاوير فراطيفي AVIRIS، آن را به نقشه درآورده بودند (شکل 8). همچنانکه آنها خاطر نشان کردند، در برخي موارد، زمينهاي رها شده که بيشترين تخريب را متحمل شده اند، پوشش گياهي بيشتري نسبت به محيط تخريب نشده اطراف دارند.
داده هاي دورسنجي براي تخمين آلبدو از نواحي گسترده مورد استفاده قرار گرفته اند (Brest and Goward, 1987). Gutman (1988) يک روش شناسي براي بدست آوردن ميانگين ماهيانه آلبدو از داده هاي AVHRR ارائه کردند. با اين وجود بيشتر سامانه هاي سنجنده ماهواره اي تنها قادرند تا آلبدو سطحي را تقريب بزنند، چراکه زاويه راسي مشاهده و نمونه برداري طيفي آنها محدود است. با استفاده از باندهاي طيفي باريک، Jackson et al. (1985) و Liang et al. (1999) روابطي تجربي براي بدست آوردن آلبدو از سطوح ناهمگن ارائه کردند. محصولات اندازه گيري مستقيم آلبدو سطح، با تفکيک 1 کيلومتر، از سنجنده هاي MODIS و MISR که به ترتيب بر ماهواره هاي ترا و آکوآ قرار گرفته اند، در دسترس است (جدول 2). اين داده ها اين فرصت را فراهم مي کنند تا نه تنها تغييرات فصلي توازن انرژي تابشي فرانگري شود، بلکه بررسي اثرات نقصان و برهنه سازي زمين بر سامانه اقليم را امکان پذير مي سازند. هر دو نوع آلبدو آسمان سياه (black-sky albedo)، که نشان دهنده آلبدو جهت يافته – نيمکروي وابسته به زاويه راسي تابش خورشيد است، و آلبدو آسمان سفيد (white-sky albedo) يا بازتابش دو نيمکروي، در دسترس هستند.
شکل 18- نقصان خاک در نزديکي Nacunan Reserve ، مندوزا، آرژانتين که مقادير بيشتر آلبدو را در مناطق به شدت نقصان يافته در الف) عکس هوايي، ب) تصوير فتوکروميک ايکنوس و پ) تصوير رنگ مجازي ETM+ (باندهاي 3، 4 و 7) نشان مي دهد.
4-4-3- شورشدگي
نقصان خاک مرتبط با افزايش غلظت نمک و قليايي شدن خاک نمايانگر يک خطر زيست محيطي فزاينده است که به اکوسيستم هاي طبيعي و کشاورزي گسترده، و در پي آن به محيط هاي انساني در حال پيشروي است (Scharpenseel et al., 1990). اين مشکل عبارتست از تجمع نمکهاي (کلريدها، سولفاتها، کربناتها) سديم، منيزيم، يا کلسيم در منطقه ريشه، که طي حرکت رو به بالاي نمکها در خاک، پس از تبخير آب در سطح برجاي باقي مي مانند (شکل 19). مشکلات پيچيده بسياري از همراهي نمکها، خاکها و شرايط اقليمي پديدار مي گردند، و بسياري از ويژگي هاي خاک مانند pH، غلظت نمک، هدايت الکتريکي، و درصد سديم قابل تبادل وجود دارند که وضعيت شوري خاک را تعيين مي کنند. در نتيجه تغييرات در طيف هاي بازتابي خاکها را نمي توان تنها به يک ويژگي خاک منتسب کرد و هيچ باند جذبي باريک شناخته شده اي وجود ندارد که با وضعيت شوري مرتبط باشد (Szilagyi and Baumgardner, 1991).
شکل 19- تصوير ASTER از ناحيه دلتاي رودخانه کلرادو، مکزيک، که تجمع نمکها، ناشي از جريان کنترل شده رودخانه کلرادو بوسيله سدهاي بالادستي، را نشان مي دهد (8 سپتامبر 2000) (NASA/GSFC/MITI/ERSDAC/JAROS and US/Japan ASTER Science Team).
در مطالعات دورسنجي متعدد، نقشه برداري و فرانگري خاکهاي متاثر از نمک با داده هاي MSS، TM و SPOT لحاظ شده اند (Szila´gyi and Baumgardner, 1991; Dwivedi, 1992; Dwivedi and Rao, 1992). Rahman et al. (1994) از تصاوير چندطيفي SPOT که به شاخص روشنايي (يک معيار از آلبدو) تبديل شده بودند، استفاده کردند تا رده هاي شوري را به نقشه در آورند.( Csillag et al. 1993) پيشنهاد کردند که پتانسيل شناسايي طيفي وضعيت شوري با تصاوير فراطيفي وجود دارد. آنها از يک فرايند تحليل گام به گام تغييريافته مولفه اساسي و تحليل تابع تفکيک کننده براي انتخاب باندهاي مناسب، براي به نقشه درآوردن شوري در دره San Joaqin، کاليفرنيا، و ناحيه تيزانتول در شرق مجارستان، استفاده کردند. بازه هاي طيفي کليدي در محدوده مرئي (550 تا 770 نانومتر)، فروسرخ نزديک (900 تا 1030 نانومتر) و فروسرخ مياني (2150 تا 2310 نانومتر، 2330 تا 2400 نانومتر) از طيف شناسايي شدند، که از آن ميان، آنها شش باند پهن را تشخيص دادند که تفکيک شوري را به شدت بهبود مي بخشيدند. همچنين انگيزه هايي جهت شناسايي پوشش گياهي مقاوم در برابر نمک به عنوان نشانگرهاي مناطق متاثر از شوري – قليايي وجود دارند.
با وجود مطالعاتي که رابطه بين رطوبت خاک، شوري خاک، ناهمواري خاک و پوسته پوسته شدن خاک را اثبات مي کنند، بکارگيري دورسنجي امواج کوتاه براي بررسي نقصان خاک با محدوديت مواجه است (Chanzy, 1993; King and Delpont, 1993). Metternicht (1998) از يک تصوير رادار دهانه ترکيب (SAR) برگرفته از ماهواره JERS-1، براي رده بندي و نقشه برداري از مناطق نقصان يافته در اثر فرايندهاي شوري – قليايي در بوليوي، استفاده کردند. Metternicht (1998) با استفاده از منطق رده بندي فازي، رده هايي پيوسته از شوري که به تدريج در سطح منطقه نقصان يافته به يکديگر تبديل مي شدند، را به نحو واقعي تري تعريف کرد. چهار دسته فازي، غيرقليايي، قليايي، شور و غيرشور، بکار گرفته شد تا خاک متاثر از نمک، مطابق با دامنه تعريف شده توسط کارکنان آزمايشگاه شوري آمريکا، توصيف شود (Richards, 1954).
1. Normal soil: electrical conductivity (EC) <= 4 dS/m and the pH < 8.5
2. Alkaline soil: EC <= 4 dS/m and pH >= 8.5
3. Saline soil: EC > 4 dS/m and pH < 8.5
4. Saline–alkali soil: EC > 4 dS/m and pH >= 8.5
مديريت نمکها بدون نقصان در کيفيت آب فرودست، مسئله اي اساسي است به ويژه که در نواحي خشک، مقدار بالاي نمک هم اکنون استفاده از سطح زيادي از زمين هاي آبياري شده را با مشکل مواجه ساخته است. شناخت و تشخيص به موقع اين فرايندها، نقش برجسته اي در پيشگيري و احياي نواحي متاثر از نمک ايفا مي کند (Csillag et al., 1993). فعاليت هاي کاربري زمين ممکن است در جهت پيشرفت يا کاهش مشکلات نمک هدايت شده باشند و يا نباشند، و تعامل فعاليت هاي کاربري زمين با ويژگي هاي خاکهاي متاثر از نمک، به ويژه ساختار خاک، يونهاي جذبي، فعاليت ميکروبي، ماده آلي و حرکت رطوبت در منطقه ريشه خاکها، ناشناخته باقي مانده اند.
4-5- فرايندهاي فرسايش خاک
يکي از اولين مشاهدات فضابرد با شاتل فضايي از جزيره( Great Red Island Bleeding Island) در ماداگاسکار انجام شد که در آنجا رسوبات خاک قرمز هوازده از چشم اندازهاي بريده بريده شده، در مناطق جنگل زدايي شده ماداگاسکار، به وسيله رودخانه ها حمل شده و به کانال موزامبيک و اقيانوس هند ريخته مي شوند (Wells, 1989). تنک شدن مناطق جنگلي در نتيجه قطع درختان، به منظور تامين سوخت روستاها در آفريقاي نيمه خشک، همچنين، سبب افزايش فرسايش آبي – بادي شده که به همراه خشکسالي دائمي، مسئول جريانهاي شديد حمل غبار آفريقا با نام طوفانهاي شن هارماتان (Harmattan) هستند (شکل 20). فلات لس چين که با رودخانه زرد زهکشي مي شود، خاک را با نرخ ساليانه بيش از 100 ميليون گرم بر هکتار (Mg/ha) از دست مي دهد (Fu, 1989; Dazhong, 1993) (شکل 21). به طور کلي، اين بخش بارورتر بالايي خاک است که بيشتر در معرض فرسايش و رسوبگذاري در مسيرهاي جريان آب قرار مي گيرد و در نتيجه آن، زمين قابل کشت از بين مي رود و مخازن سدها، از گل و لاي انباشته مي شوند. افزايش بار رسوبي همچنين به تغيير شرايط محيطي مناطق ساحلي منجر شده و به عنوان يکي عوامل بالقوه در سفيد شدن و نقصان مرجان ها در نظر گرفته مي شود (Holden and LeDrew, 1998). فرسايش خاک يکي از مهمترين فرايندهاي سهيم در نقصان زمين در سطح وسيع به شمار مي آيد. فهم و دانش ما از نرخ جهاني فرسايش، حمل، و رسوبگذاري بسيار محدود است، و هنوز به توسعه پيوسته مدلهاي موثر از چرخه هاي ژئوشيميايي نياز مبرم داريم.
شکل20- تصوير ماهواره SeaWiFS با تفکيک يک کيلومتر، طوفانهاي غبار صحراي آفريقا را نشان مي دهد (6 مارس 1998).
در ترکيب با عکس هاي هوايي و داده هاي زميني، از داده هاي چندطيفي هوابرد و فضابرد به نحو چشمگيري براي به نقشه درآوردن و استخراج اطلاعات در مورد زمينهاي فرسايش يافته استفاده مي شود (Mathews et al., 1973; L’Vovich et al., 1990; Saha and Singh, 1991). معيارهاي طيفي که به طور مستقيم نشانگر فرسايش خاک هستند عبارتند از تغيير در درصد ماده آلي، ترکيب معدني، آلبدو، ناهمواري و ساختار خاک (Mulders, 1987; Irons et al., 1989). همچنين دورسنجي اطلاعات مکاني و زماني فراهم مي کند که مي توانند با مدلهاي فرسايش خاک، مانند معيارهاي پوشش محافظ گياهي، رطوبت خاک، کاربري زمين، داده هاي ارتفاعي رقومي و حمل رسوب تلفيق شوند. با ريزترين تفکيک، دورسنجي مي تواند اطلاعات جزئي از عارضه هاي فرسايش خطي مانند دره ها و اشکال تلماسه ها فراهم کند (Alam and Harris, 1987; Bocco et al., 1990) در نتيجه دورسنجي پتانسيل خوبي براي تامين يک فن نقشه برداري سريع و هدفمند در اختيار دارد که مي تواند به بررسي تغييرات مکاني اتلاف خاک در اکوسيستم ها کمک کند.
شکل21- تصوير MODIS حمل رسوبات را در دهانه رود زرد در 28 فوريه 2000 نشان مي دهد. فرسايش خاک از فلات لس با نرخ بالا در حال افزايش است.
فرسايش خاک معمولا در سه فاز دسته بندي مي شود. 1- تجزيه فيزيکي ذرات خاک، 2- حمل ذرات خاک با آب و باد 3- رسوبگذاري مواد خاک از جمله آنچه در تلماسه ها تجمع مي يابد. فرسايش آبي و بادي فرايندهايي هستند که به سرعت جريان آب و باد بستگي دارند، و فرسايش زماني رخ مي دهد که خروجي رسوب بيش از ورودي باشد. فرسايش پذيري يک مکان به چندين عامل بستگي دارد که عبارتند ازفرسايش پذيري ذاتي خاک، گسترش پوشش محافظ روي سطح زمين، توپوگرافي، اقليم و کاربري زمين.
4-5-1- فرسايش بادي
سه رده از حرکت ذرات بوسيله باد وجود دارد که به ترتيب با کاهش اندازه دانه ها عبارتند از خزش، جهش و غبار. هرچند سرعت باد عامل اصلي فرسايش است، در اثر رطوبت، بافت، ساختار و سنگريزه دار بودن خاک و پوشش گياهي و فعاليت هاي کاربري هاي زمين، اندکي تغيير مي کند. به طور کلي جهش در ذرات در حد ماسه رخ مي دهد و مي تواند به تشکيل و فعاليت تلماسه ها بيانجامد. تشکيل تلماسه ها مي تواند با اقليم گذشته مرتبط باشد و از تصاوير فضابرد مي توان براي مطالعه روابط زمين – اقليم استفاده کرد (Forman et al., 1992). فعال شدن مجدد تلماسه هاي پايدار، نشانه اي مهم از بيابان زايي است و علاقمندي زيادي در زمينه تشخيص تلماسه ها با اين انگيزه وجود دارد. Blumberg (1998) داده هاي رادار دهانه ترکيب (SAR) را براي به نقشه درآوردن تلماسه ها و نوع تلماسه ها بسيار مفيد يافت، چراکه در اين داده ها، توانايي کنترل پارامترهاي تابشي و تشخيص ناهمواري سطح وجود دارد. در مطالعه بيابانهاي پوشيده از تلماسه در آمريکاي شمالي، بوليوي، استراليا، و ناميبيا، او دريافت که طول موجهاي بلندتر، باندهاي P و L در، به ترتيب، 0.68 و 24 سانتي متر، بهترين تضاد را براي به نقشه درآوردن تلماسه ها به دست مي دهند و کانالهاي قطبي متقاطع براي جدا کردن تلماسه هاي فعال از غيرفعال بهترين نتيجه را ارائه مي کنند.
غبار مي تواند تا ارتفاع نامحدودي در جو بالا رود و اثرات محيطي شديد بر اقليم زمين باقي گذارد، همچنانکه اثراتي شديد بر رسوبگذاري در اقيانوس ها، تشکيل خاک، کيفيت آب زيرزميني، و انتقال هوابرد بيماري ها دارد. بيشتر اين غبار در مناطق خشک تشکيل مي شود، بيابان صحرا بزرگترين تامين کننده غبار در جهان است، به نحويکه تخمين زده مي شود ساليانه 25 تا 50 ميليون تن غبار را در سطح اقيانوس اطلس پخش کند (Goudie, 1978) (شکل 20). Grigoryev and Kondratyev (1981) از مشاهدات ماهواره اي براي نقشه برداري از طوفانهاي غربي و شمالي توليد شده در شمال آفريقا استفاده کردند. گستردگي توليد غبار به عوامل بيروني متعددي بستگي دارد که از آن جمله اند، سرعت و تيرگي باد، و خود ويژگي هاي سطح مانند اندازه ذرات، ناهمواري، و ترکيب کاني شناسي (Gillette et al., 1980). در اثر تغييرپذيري زياد زمين شناسي و ريخت شناسي منطقه، بيابان صحرا تغييرپذيري زيادي در ترکيب و مقدار غبار توليد شده بروز مي دهد (شکل 4). Escadafal and Callot (1991) ترکيب سرچشمه هاي غبار در بيابان صحرا را با نسبت هاي ساده باندي از تصاوير ماهواره اي TM، بررسي کردند. آنها قادر بودند که بر پايه پتانسيل خاکها از نظر کاني شناسي و اندازه ذرات براي توليد غبار، آنها را به پنج نوع سطح اصلي دسته بندي کنند. Husar et al. (2001) از تصوير SeaWiFS و يک شاخص آيروسل از سنجنده طيف سنج نقشه بردار کلي ازن (Total Ozone Mapping Spcetrometer)، براي تحليل شکل گيري و الگوهاي انتقال ابرهاي غبار از بيابان گبي، که به نام غبار آسيايي نيز معروفند، استفاده کردند. ابرهاي غبار آسيايي بر کيفيت هوا تا مصافتي دور چون ايالات متحده نيز تاثير مي گذارند و مشاهده شده است که آلبدو را در سطح خشکي و دريا بين 10 تا 20% افزايش مي دهند.
4-5-2- فرسايش آبي
فرسايش آبي در پي از جاي کنده شدن خاک در اثر ضربه قطرات باران و انتقال رسوب با جريان اندک بوجود آمده، رخ مي دهد و معمولا با کمک پلاتهاي کوچک صحرايي به مساحت تقريبي 100 متر مربع اندازه گيري مي شود. جريان روي زمين يا رواناب هنگامي آغاز مي شود که بارش باران بيش از ميزان نفوذ به خاک است. پيش بيني رواناب نيازمند دانش از ويژگي هاي خاک در رابطه با نفوذ آب و آگاهي از تغييرات زمان بارندگي است. براي کمک به تعيين نرخ هاي رواناب و فرسايش، اطلاعات رطوبت خاک و ظرفيت خاک براي نگهداري آب مورد نياز هستند. تخمين عددي اتلاف خاک در اثر فرسايش آبي به سطح پلات محدود مي شود و يا با کمک مدلهاي تجربي، مانند رابطه جهاني اتلاف خاک (USLE) و رابطه اصلاح شده آن (RUSLE)، به زيرحوضه هاي آبريز کوچک قابل تعميم است (Renard et al., 1991).
A = R × K × L × S × C × P
که A مقدار کل اتلاف خاک، R شاخص فرسايندگي باران، K عامل فرسايش پذيري خاک، L عامل طول دامنه، S عامل شيب دامنه، C يک عامل پوشش محافظ خاک، و P عامل مديريت کاربري زمين هستند. Price (1993) مفيد بودن داده هاي مکاني TM را در انتخاب عامل قابل اعتماد پوشش محافظ (C) براي مدل USLE در جنگل هاي سرو و صنوبر يوتا، به طور عملي نشان داد. عامل هاي طول دامنه و شيب دامنه را، بالقوه، مي توان از داده هاي زوج تصوير اسپات با استر بدست آورد. تخمين عامل مديريت کاربري زمين، مشکل ترين مورد بوده و براي تخمين ضرايب رواناب مورد نياز است. سنجنده هاي با تفکيک مکاني بالا مانند آيکنوس و کوئيک برد، بالقوه، مي توانند اين اطلاعات را فراهم کنند.
نتيجه مطالعات پلات کوچک را به سختي مي توان به سطح حوضه آبگير و حوضه آبريز تعميم داد، چراکه ملزم به تغييرپذيري مکاني و زماني در نمونه گيري هستند. فرايندهاي فرسايش خاک و انتقال رسوب با مقياس تغيير مي کنند. در مقياس حوضه آبريز به وسعت صدها هکتار، از بار رسوب معلق در مسيرهاي جريان براي تخمين فرسايش خاک استفاده مي کنند، در حاليکه نرخ هاي برهنه سازي را معمولا براي حوضه هاي رودخانه هاي بزرگتر (هزاران کيلومتر مربع) محاسبه مي کنند.
4-5-3- خاکهاي زيرسطحي نمايان شده
فرسايش خاک در زماني که ويژگي هاي خاک زيرين در سطح نمايان مي شود و بر ويژگي هاي بازتابي خاک سطحي تاثير مي گذارد، بسيار آشکار مي گردد. بسياري در زمينه روابط کلي بين ويژگي هاي خاک سطحي و زيرسطحي و علائم طيفي آنها، با هدف گسترش ويژگي هاي دريافت شده از دورسنجي سطح به عمق بيشتر، پژوهش کرده اند. چنين روابطي بکارگيري تصاوير ماهواره اي در جهت شناسايي خاکهاي فرسوده شده، بعد از رخنمون لايه هاي زيرسطحي در اثر عملکرد آب يا باد، را امکان پذير ساخته است (Agbu et al., 1990). با پيشرفت فرسايش، کاني شناسي و ويژگي هاي طيفي سنگ مادر بيشتر آشکار شده، در حاليکه ويژگي هاي نوري لايه بالايي سرشار از ماده آلي ضعيف تر مي گردد. خاکهاي خوب توسعه يافته بکر و سنگ مادر زيرين آنها دو انتها از طيفي را نشان مي دهند که نسبت به آنها، درجات مختلفي از فرسايش خاک و نقصان زمين را مي توان شناسايي کرد (De Jong et al., 1999; Hill et al., 1995). اين ويژگي ها را مي توان با تصاوير ماهواره اي و با استفاده از شاخص هاي طيفي و مدلهاي ترکيبي فرانگري کرد.
( Seubert et al. 1979) و(Latz et al. 1984) رده هاي شدت فرسايش خاک را در توالي هاي توپوگرافيکي آلفيسول (Alfisol) با تصاوير MSS به نقشه در آوردند. آنها قادر بودند تا تغييرات درصد آهن در باند گسترده جذب آهن در 0.87 ميکرومتر و همچنين تغييرات حاصل در شيب علائم طيفي را با افزايش عمق، که در ارتباط با ماده آلي و افزايش درصد اکسيد آهن است، شناسايي کنند. (Frazier anf Cheng 1989) به طرز مشابه اي، بر تفاوتهاي بين ماده آلي و اکسيد آهن بر نقشه برداري فرسايش خاک در واشنگتن، اطمينان کرده و از نسبت هاي باندي TM استفاده کردند. (Pickup and Nelson 1984) از نسبت هاي باندي MSS براي نقشه برداري فرسايش خاک و رسوبگذاري در استرالياي مرکزي بهره بردند و تغييرات در چشم انداز خاک در اثر فرسايش خاک را مدل کردند (Pickup and Chewings, 1988). مطالعات ديگر نيز به طور عملي نشان داده اند که چگونه تغييرات در رنگ، روشني و NDVI خاک سطحي براي مطالعات فرسايش خاک مفيدند (Dubucq et al., 1991; Escadafal, 1993). Galvao et al. (1997) با بکارگيري تحليل مولفه هاي اصلي و شاخص هاي راديومتري متنوع، از جمله يک شاخص قرمزي، خاکهاي سرشار از هماتيت را از خاکهاي سرشار از گوتيت در منطقه اکسيولز جدا کردند و داده هاي بازتاب طيفي را به افق هاي خاک سطحي و زيرسطحي نسبت دادند.
4-5-4- عامل پوشش محافظ
در حضور پوشش محافظ سطح، فرسايش خاک به ميزان قابل ملاحظه اي کاهش مي يابد که اين پوشش عبارتست از گياهان ايستا، گياهان مجاور سطح (کوتاه)، پوشش تماسي متشکل از زائدات گياهان و سنگ. پوشش خاک، با ممانعت در برابر برخورد قطرات باران به خاک که سبب کاهش انرژي جنبشي آنها پيش از رسيدن به خاک مي شود، خاک را از فرسايش آبي حفظ مي کند. پوشش تماسي نسبت به گياهان ايستا در جلوگيري از جريان آب بر سطح زمين بسيار کاراتر است، در حاليکه گياهان ايستا در برابر فرسايش بادي و اثر برخورد قطرات باران مانع ايجاد مي کنند. به طور کلي هرگونه تغيير در سطح زمين که منجر به رخنمون بيشتر خاک با پوشش کمتر شود، در افزايش فرسايش خاک و حذف لايه ارزشمند بالايي خاک مشارکت دارد. پوشش گياهي و زائدات گياهي محافظ در فصل رشد بيشتر تغيير مي کنند، و درجه فرسايش به مقدار آنها طي دوره هاي بيشينه بارندگي و فعاليت باد بستگي دارد.
داده هاي ماهواره اي امکان تخمين سريع و مکرر مقدار پوشش گياهي را فراهم مي کنند. با کمک عامل محاسبه شده براي نگهدارندگي و ممانعت پوشش گياهي P، De Jong et al. (1999)، نقشه هاي ناحيه اي از فرسايش را از طريق وارون کردن رابطه تواني بين نگهدارندگي و شاخص طيفي پوشش گياهي (VI) توليد کردند.
VI = a [1- exp (-bP)] + c
که a, b و c ضرايب اختصاصي منطقه در مدل هستند. نقشه هاي فرسايش بدست آمده نسبت به نقشه هاي ساده حاصل از تعميم اطلاعات بدست آمده از مطالعه فرسايش در پلاتهاي کوچک، بسيار مفيدتر هستند. با اين وجود، ممکن است چندين شاخص طيفي پوشش گياهي، عامل پوشش گياهي را به نادرستي برآورد کنند، چراکه آنها تنها به مقدار گياهان سبز در سطح خاک حساس بوده و نسبت به گياهان چوبي و يا پير واکنشي نشان نمي دهند، در حاليکه اين دسته از گياهان نيز پوشش محافظي معادل گياهان سبز براي خاک فراهم مي کنند (De Jong, 1994). مدلهاي ترکيب طيفي که داده هاي دورسنجي را به گياهان سبز، خاک، گياهان چوبي و سايه تقسيم بندي مي کنند، براي اين هدف مناسبترند (Smith et al., 1990; Roberts et al., 1993). Adams et al. (1995), Drake et al. (1999) و Asner and Lobell (2000) نشان دادند که اين امکان وجود دارد تا گياهان سبز و چوبي را همانند خاک با استفاده از مدلهاي ترکيبي به نقشه در آورد (شکلهاي 6 و 7). نقشه پوشش گياهي سبز به عنوان ورودي به مدلهاي توازن تبخير- تعريق و آب؛ و نقشه پوشش گياهي کل (سبز و چوبي) براي پيش بيني جريان آب بر سطح زمين و بررسي اثر برخورد قطره باران و آشفتگي باد مورد استفاده قرار مي گيرند (Drake et al., 1995).
به نحو مشابه، شن و سنگهاي بزرگ در محافظت خاک از فرسايش مهم بوده و هيچ خاکي در مناطقي که رخنمون سنگي دارند، براي جدايش و انتقال وجود نخواهد داشت. ممکن است، فنون مدل ترکيب اطلاعات مفيدي در تخمين مقدار سنگ، شن و واريزه در سطح فراهم کنند که اين از طريق تفاوتهاي طيفي بين سنگ و خاک و يا با استفاده از عضو نهايي سايه، که مي تواند به ناهمواري سطح نسبت داده شود، انجام مي پذيرد. روشهاي نوري – هندسي که از روابط BRDF، بافت و ناهمواري بهره مي برند، مي توانند در توصيف مقدار و اندازه مواد سنگي روي سطح خاک سودمند باشند.
4-5-5- پوسته هاي خاک
سه نوع کلي از پوسته هاي سطح وجود دارند 1- پوسته هاي ساختاري خاک 2- ورني بيابان 3- پوسته هاي زيست زاد. اولين مورد به سرعت شکل مي گيرد، در حاليکه دو مورد ديگر به دوره هاي زماني طولاني و شرايط محيطي خاص احتياج دارند. بررسي وضعيت ساختاري خاک براي فرانگري فرايندهاي نقصان خاک حياتي هستند، چراکه اين جنبه، کنترل کننده بسياري ديگر از پارامترهاي نقصان خاک است که از آن جمله مي توان به نرخ هاي پايين نفوذ و افزايش رواناب و فرسايش خاک اشاره کرد. Ben-Dor et al. (1999) در مطالعه خود بر پوسته زايي، تغييرات طيفي قابل مشاهده اي را طي مرحله توليد پوسته ساختاري شناسايي کردند. ويژگي هاي نوري پوسته نسبت به توده خاک بسيار متفاوت است که ابزاري براي تعيين پوسته فراهم مي کند.
علامت طيفي پوسته هاي زيست زاد نيز متماير بوده و قابل دورسنجي هستند (O’Neill, 1994; Karnieli and Sarafis, 1996) (شکل 22). پوسته هاي زيست زاد خاک از سيانوباکتري ها، گلسنگها و خزه ها تشکيل شده اند. آنها نقش اکولوژيکي مهمي در زمين هاي خشک و نيمه خشک، از طريق پايدار کردن خاکهايي که با نبود آنها به سادگي فرسايش مي يابند، افزايش نگهداري آب و برانگيختن توده زيستي گياهي با ثابت کردن نيتروژن در خاک، ايفا مي کنند (Harper and Marble, 1988; Metting, 1991; Johansen, 1993). رشته هاي سيانوباکتري ها يک شبکه پيچيده از فيبرها را پديد مي آورند که ذرات خاک را به يکديگر مي چسباند و آنها را در برابر فرسايش آبي و بادي مقاوم مي سازد. برخلاف پوشش گياهان آوندي، اين پوسته ها پوشش محافظي در طول سال و در شرايط متضاد (مانند خشکسالي) فراهم مي کنند. در ناحيه فلات کلرادو جنوب شرقي ايالات متحده، پوسته هاي زيست زاد به خوبي گسترش يافته اند و ممکن است بيش از 70% پوشش زنده زمين را شامل شوند (Belnap and Gardner, 1993). متاسفانه، اين پوسته ها با روند فزاينده اي در نواحي وسيع از غرب ايالات متحده در حال تخريب اند که اين مسئله ناشي از افزايش کاربري هاي تجاري و تفريحي است که به افزايش قابل توجه نرخ فرسايش بادي ناحيه اي منجر مي شود (Benlap, 1995; Williams et al., 1995). شرايط خشکسالي طولاني نيز سبب تضعيف پوسته هاي زيست زاد مي شود. چون بيشتر توده زيستي پوسته در 3 ميليمتر بالاي خاک تمرکز دارد، فرسايش بسيار اندک مي تواند پيامدهاي ناگواري براي پويايي اکوسيستم داشته باشد.
خاکهاي زيست زاد با کمک اطلاعات دورسنجي و با بهره گيري از استريوسکوپي تصوير و مدلسازي ترکيبي، با موفقيت به نقشه در آورده شده اند. بر پايه طيف کتابخانه مرجع، با استفاده از داده هاي AVIRIS، و مدلسازي ترکيب طيفي، Kokaly et al. (1994) با موفقيت خاکهاي پوسته دار را از خاکهاي معدني و پوشش آوندي تفکيک کردند. Karnieli et al. (1999) دريافتند که پوسته خاک زيست زاد، به ميزان چشمگيري در تضاد شديد مشاهده شده در داده هاي ماهواره اي از بيابان سينا – نجو، مشارکت دارند. بخش تيره تر نجو با پوسته هاي زيست زاد پوشيده شده که در شرايط بارندگي و خيس شدگي، فتوسنتتيک شده و علائم NDVI بالا توليد مي کنند (شکل22).
شکل 22- پوسته هاي سطحي زيست زاد، علائم طيفي آنها و نماي با تضاد بالاي آنها بين مناطق نقصان يافته و محافظت شده در مرز سينا – نجو
4-5-6- توپوگرافي
توپوگرافي يک مهمترين مسائل در مطالعات فرسايش خاک است. Pilesj? (1992) يکپارچه سازي موثر دورسنجي با سامانه اطلاعات جغرافيايي را براي مطالعات فرسايش خاک در اکوسيستم هاي خشک و نيمه خشک به طور عملي نشان داد. مدلهاي رقومي ارتفاعي براي استخراج ويژگي هاي مختلف ريخت شناسي دامنه ها، از جمله شيب دامنه، سيماي دامنه، سوي دامنه، نيمرخ، انحناي مماسي، بکار برده مي شوند که همگي در مدلسازي جريانهاي سطحي و پيش بيني رفتار آب شناسي سودمندند. به طرز مشابه،( Connors et al., 1987) نرخ هاي بالقوه فرسايش خاک را با رده بندي تصوير چندطيفي اسپات با اطلاعات شيب از مدل رقومي ارتفاعي، به نقشه درآوردند. دورسنجي مي تواند اطلاعات توپوگرافي را به طور مستقيم فراهم کند، مانند تصوير زوج اسپات، که براي توسعه يک مدل رقومي ارتفاعي با تفکيک افقي 10 متر و تفکيک فائم 5 متر مورد استفاده قرار گرفته است (Case, 1989). Bocco et al. (1990) قابليت تصاوير زوج استريو پن کروماتيک اسپات، براي نقشه برداري از دره ها و الگوي آبراهه ها در مکزيک، را به شکل عملي نشان دادند. سامانه هاي دورسنجي با قابليت استريوسکوپي، مانند اسپات و استر، مي توانند به نياز شديد به توسعه داده هاي رقومي ارتفاعي با کيفيت يکسان و تفيکي بالا، پاسخ دهند. پايگاه داده هاي رقومي ارتفاعي GTOPO30 و همچنين پايگاه هاي داده هاي توپوگرافي جهاني تقويت شده در حال ساخت، که از مشاهدات ماهواره اي بدست مي آيند، در مدلها و نقشه برداري فرسايش خاک، کمک شاياني خواهند نمود.
4-5-7- مدلهاي فرسايش
مدلهاي پيش بيني فرسايش خاک نيازمند اطلاعات مکاني و زماني از متغيرهاي کنترل کننده فرايند بوده، که برخي از آنها به آساني با تصاوير دورسنجي فراهم مي گردند. نمونه هايي از مدلهاي فرسايش عبارتند از برنامه پيش بيني فرسايش آب (WEPP) (Nearing et al., 1989)، KINEROS (Woolhiser et al., 1990) و EUROSEM (Morgan et al., 1998). همزمان با نشر بيشتر اين مدلها، دورسنجي نيز به عنوان يک منبع ارزشمند از اطلاعات مکاني و زماني، از جمله توازن رطوبت خاک و نفوذ، رشد و تجزيه گياهان، مقدار گياهان و فيزيوگنومي و کاربري زمين، مورد بررسي و استفاده قرار مي گيرد. اين مدلها رواناب حاصل از بارندگي را با يک مولد اقليم، پيش بيني مي کنند. به طور کلي، ورودي هاي مدل را مي توان بدين صورت رده بندي کرد: يک فايل اقليم (باد، مقدار بارش، مدت زمان بارش)، يک فايل دامنه (هندسه دامنه)، يک فايل خاک (بافت، فرسايش پذيري، ويژگي هاي آبشناسي)، يک فايل پوشش گياهي (گستره، ارتفاع، هندسه) و يک فايل کاربري زمين (پارامترهاي وابسته به گياه).
De Jong et al. (1999) مدل فرسايش خاک براي ناحيه مديترانه (SEMMED) را توسعه دادند تا نقشه هاي ناحيه اي فرسايش خاک را توليد کنند. اين مدل تصاوير چندزماني TM، تا ويژگي هاي پوياي گياهان را در نظر گيرد، يک مدل ارتفاع رقومي، براي متغيرهاي توپوگرافي، لايه هاي GIS از توزيع مکاني ويژگي هاي خاک و مقدار محدودي داده هاي صحرايي فيزيک خاک، را يکپارچه مي کند. براي هر سلول، ذخيره رطوبت خاک و ظرفيت نفوذ آب با کمک نقشه هاي خاک تعيين مي شود، جريان هاي سطحي و جهت زهکشي با کمک مدل ارتفاع رقومي بررسي مي شوند، و پوشش گياهي و عوامل نگهدارنده از تصوير ماهواره اي استخراج مي شوند. مدلهاي فرسايش باد مشتمل بر سامانه توليد فرسايش باد (WEPS; Hagan, 1991) و CSIRO/CaLM of Wind Erosion (Shao et al., 1996) هستند. اين مدلها تغييرات مکاني ويژگي هاي خاک، ناهمواري سطح، پوشش سطح و عوارض توپوگرافي را در نظر مي گيرند. مدل CaLM به سامانه اطلاعات جغرافيايي متصل شده و براي بررسي و پيش بيني الگوهاي فرسايش باد در استراليا مورد استفاده قرار مي گيرد.
فرايندهاي فرسايش خاک به شدت وابسته به مقياس بوده و نياز به روشهايي براي تعميم نتايج آزمايشات در مقياس پلات به چشم انداز، حوضه آبريز و حوضه رودخانه احساس مي شود. به نحو مشابه، داده هاي بدست آمده از حوضه هاي رودخانه هاي بزرگتر را مي بايست به مقياس صحرا ميان يابي کرد. دورسنجي و سامانه اطلاعات جغرافيايي، فرصتي را براي توسعه فنون مدلسازي و شبيه سازي توزيع شده پويا، براي مطالعه و مقايسه فرسايش خاک در مقياس هاي مختلف و نابرابر فراهم مي کنند. همچنين سامانه اطلاعات جغرافيايي، روشي را براي دخالت عوامل کاربري زمين و اجتماعي – اقتصادي، مانند فشار پارامترهاي جمعيتي، در بررسي فرسايش ارائه مي دهد (Lal, 1994). همانطور که در مطالعه Dazhong’s (1993) اشاره شده است، افزايش هشدار دهنده نقصان خاک در طي زمان از منطقه فلات لس هاي بادي چين پس از افزايش جمعيت منطقه بوجود آمد.
5- پايگاه داده هاي منابع خاک
همانطور که در اين فصل مشاهده شد، داده هاي زمين مرجع خاک براي پاسخگويي به دامنه وسيعي از مسائل تغييرات جهاني و مسائل زيست محيطي جهاني مورد نياز هستند (شکل2). موجود بودن پايگاه هاي داده هاي خاک دائمي يکي از درخواست هاي فوري پروتکل کيوتو در مورد تغيير اقليم بود، که نيازمند اطلاعات بروز، قابل اطمينان و در دسترس از شرايط زمين است. چنين اطلاعاتي براي شناخت و پيش بيني پاسخ خاک به تغيير اقليم، مديريت کاربري زمين و آزمايشات نيز مورد نياز است. داده هاي مکان مرجع از خاک، همچنين، مقادير اوليه براي بسياري از مدلهاي مبتني بر فرايند را تامين مي کنند؛ مدلهايي که به داده هايي از رطوبت، عمق، مواد مغذي و ظرفيت نگهداري آب خاک نياز دارند.
چند محدوديت در مورد داده هاي موجود کنوني از خاک وجود دارند. دسته داده هاي خاک معمولا مختص به کشورها بوده و هيچ مشخصه استاندارد شده اي در ارتباط با تجزيه خاک يا درباره تعيين پارامترهاي مورد نياز براي توصيف خاک وجود ندارد. دورسنجي اين فرصت را فراهم مي کند تا داده هاي موجود از خاک، به مناطق غير قابل و يا دور از دسترس تعميم داده شوند، و داده هاي خاک در طيفي از مقياس ها، متراکم کرده و يا گسترش داد، چنانچه مورد نياز مدلهاي آبشناسي و اکوسيستم مانند GCM است.
در سطح بين المللي، دو سيستم رده بندي وجود دارد، يکي راهنماي نقشه خاک جهان (1974) تهيه شده به وسيله سازمان خوار و بار و کشاورزي ملل متحد (FAO) (the Soil Map of the World; FAO, 1974) و ديگري تاکسونومي خاک متعلق به وزارت کشاورزي آمريکا (U.S. Department of Agriculture Soil Taxonomy; Soil Survey Staff, 1975). اين مطالعات در برگيرنده توصيف خاک، آناليزهاي آزمايشگاهي، نقشه هاي رده بندي خاک و تفسيرهايي درباره مديريت و کاربري زمين در اقليم هاي غالب و تفسيرهايي از قابليت هاي زمين هستند. FAO نقشه خاک جهان را در مقياس 1:5000000 تهيه کرد، ولي اين نقشه بيشتر کيفي و قديمي بوده، زيرا مطالعات جديدتري بر خاکها انجام شده و فنون اندازه گيري نو در دسترس قرار دارند. ناسا يک پايگاه داده از ويژگي هاي خاک با اندازه سلول شبکه 1 درجه در 1 درجه تهيه کرده است که اطلاعات بافت و فاز خاک و دامنه را شامل مي شود (Zobler, 1986). پروژه پايگاه داده هاي رقومي خاک و سرزمين در سطح جهان (SOTER) که در مرکز مرجع بين المللي و اطلاعات خاک (ISRC) آغاز شد، قصد دارد تا اطلاعات در مورد داده هاي نيمرخ خاک و الگوهاي خاک در مقياس هاي متفاوت و تفکيک مکاني مختلف، را زمين مرجع کند (Batjes, 1990).
با اين وجود، کارهاي بسيار بيشتري، در زمينه فرايند هماهنگ سازي اين سامانه هاي اطلاعاتي خاک با يکديگر، باقي مانده اند. به عنوان بخشي از پروژه برنامه يبن المللي ژئوسفر – بيوسفر (IGBP)، يک دسته داده خاک از سامانه EOS ناسا در حال ايجاد است تا داده هاي خاک را بر يک مبناي تکرارپذير، به همراه توابع پدوترانسفر قابل کاربرد در سطح جهان، با يکديگر تلفيق و يکسان کند که در نتيجه، تبديل يک پايگاه داده هاي جهاني پدون به ويژگي هاي فيزيکي و شيميايي خاک امکان پذير مي شود (Scholes et al., 1995). توابع پدوترانسفر، استنتاج داده هاي ثانويه از داده هاي خام نيمرخ خاک؛ براي مثال، تبديل داده هاي مشاهده شده اساسي از ويژگي هاي خاک مانند توزيع اندازه ذرات، به ويژگي هاي استنباط شده، مانند منحني نگهداري آب، يا مقادير محاسبه شده، مانند چگالي کربن، را امکان پذير مي سازند.
6- نتيجه
مطالعات بسيار انجام شده، نشان داده اند که دورسنجي قابليت و ظرفيت بالايي براي فراهم کردن داده هاي پرکيفيت با توزيع مکاني لازم، با مبناي تکرارپذير جهت فرانگري منابع خاک، دارد. دورسنجي چندطيفي، با قابليت همديد آن، ابزاري مفيد براي تقويت تفسير الگوهاي چشم انداز و تخمين ويژگي هاي خاک، نشان داده شده است. با اين وجود، بر خلاف قابليت هاي اثبات شده فنون دورسنجي براي مطالعات خاکشناسي، در بيشتر مناطق جهان، استفاده از داده هاي دورسنجي براي نقشه برداري خاک به امري متداوم تبديل نشده است (Irons et al., 1989). بخشي از اين مسئله به دليل محدوديت هاي ذاتي اندازه گيري هاي دورسنجي، مانند حساسيت به تنها لايه بالايي خاک و ماسک دار شدن گسترده در اثر پوشش گياهي است. همچنين دشواري هايي از نظر هزينه، دسترسي و محاسبات در بکارگيري عملي داده هاي دورسنجي براي مديريت منابع خاک وجود دارند. انتظار مي رود، با يکپارچگي بيشتر در مطالعات زيست محيطي و دسترسي به داده هاي ماهواره اي به صورت کم هزينه تر و کاربر پسندتر، اين شرايط تغيير کنند.
دورسنجي ممکن است تنها به بيروني ترين سطح حساس باشد، اما اين لايه پوياترين محيط مياني از نظر زيست شناختي و آب شناختي است، چراکه به تغييرات اقليم و اعمال فشارهاي بشري پاسخ فوري مي دهد. سنجنده هاي پرشماري طي سالهاي اخير به فضا پرتاب شده اند و موفقيت زيادي در فراهم کردن اغلب مشاهدات مکاني و زماني لازم از سطح خاک، در مقياسهاي مختلف، کسب کرده اند. براي مثال، انتظار مي رود سنجنده هاي چند زاويه اي که اخيرا به فضا پرتاب شده اند، سهم بزرگي در مطالعات خاک از راه دور، از طريق فراهم کردن اندازه گيري هاي ريخت شناسي قابل اطمينان، مانند اندازه گيري ارتفاع در مقياس پيکسل و اندازه گيري هاي بافتي در مقياس کوچکتر از پيکسل، داشته باشند. قابليت هاي تازه اي نيز براي مطالعات فرايندهاي خاک در راه هستند که يکپارچه سازي مدلهاي فرايند زيست محيطي، داده هاي اقليم، تعاملات انساني و سامانه اطلاعات جغرافيايي را با داده هاي دورسنجي، امکان پذير مي سازند. در نتيجه تلاش زيادي براي پر کردن فاصله اجتماعي بين دورسنجي و جوامع محافظت از آب و خاک، به صورت توانايي هاي گذشته و نيازهاي آينده، در حال انجام است. از ديدگاه ناهمگني چشم اندازهاي خاکي و نياز به استنباط ويژگي هاي خاک در عمق از روي داده هاي سطحي، چالش دانشمندان خاک تعيين کاراترين فرايندهاي تحليل داده براي استفاده موثر از داده هاي دورسنجي است.
براي پيشبرد فهم ما از نقش خاکها در سامانه زمين، داده هاي دورسنجي را بايد به نحو بهتري در مطالعات مربوط به فرايندهاي سطحي زمين و خاک، مشارکت داد. فرانگري بزرگ مقياس در بررسي فرايندهاي چشم انداز از جمله تغيير اکولوژيکي و نقصان زمين، بسيار حياتي است. نيازي فوري به کمي سازي و تبيين پاسخ هاي فيزيکي، شيميايي، و زيست شناسي خاک با تغيير اقليم، کاربري زمين و آشفتگي هاي انساني وجود دارد. دورسنجي و سامانه اطلاعات جغرافيايي نقشي مهم در افزايش درک ما از مقياس هاي پيچيده مکاني و زماني، که مشکلات زيست محيطي را مشخص مي کنند، و در ترکيب مدلهاي اکوسيستم با مدلهاي فيزيکي و مدلهاي اجتماعي – اقتصادي، جهت توليد مدلهاي تعاملي علم سامانه زمين که در آنها خاک يک مولفه اصلي است، بر عهده دارند (Schimel et al., 1991).
عاشق شروع کردن هستم، هنر من جنگیدن برای آرزوهام هست؛ دنبال این هستم که درک درستی از زندگی پیدا کنم و ازش لذت ببرم برای همین بیشترین سرمایه‌گذاری رو روی خودم می‌کنم.
باربری توسط واگن و قفس
تعاریف اولیه
باربری توسط واگن بدین قسم است که واگن های حامل ماده ی معدنی یکی پس از دیگری (در بعضی موارد دوتادوتا) بر روی قفس رانده می شوند و پس از بالا کشیدن واگن ها از قفس، در روی زمین خالی می گردد. باربری با اسکیپ ب ...
* دامنه ی پله :
بخشی از پله که در معرض استخراج قرار می گیرد را دامنه ی پله می گویند.
توضیح : دامنه ی پله از لبه ی پله تا پای پله و از شیب پله تشکیل شده است و براساس نوع سنگ و دامنه ی پله می تواند از شرایط متفاوت بر خوردار باشد و در معادن روبا ...
تعریف استخراج روباز :
روش های که برای استخراج ان گروه از معادن که در سطح و یا نزدیک سطح زمین قرار دارند به کار برده می شوند را روش های استخراج معادن سطحی می نامند.
توضیح :
در این روش ها معمولا انقدر از سطح با طله برداری صورت می گیرد تا به ما ...
توضیحات:
هزینه بارگیری و باربری در معادن سطحی درصد قابل توجهی از هزینه های استخراج را به خود اختصاص می دهد.یکی از راههایی که می توان در هزینه های این مرحله صرفه جویی قابل ملاحظه ای نمود اختصاص متناسب تعداد و نوع کامیونهابه مسیرهای باربری می ب ...
