Έρευνα της ανθρώπινης επίδρασης στην αλάτωση του εδάφους με βάση τη ταξινόμηση ψηφιακής τηλεπισκόπησης σε περιοχή άρδευσης σε όαση
Από RemoteSensing Wiki
Έρευνα της ανθρώπινης επίδρασης στην αλάτωση του εδάφους με βάση τη ταξινόμηση ψηφιακής τηλεπισκόπησης σε περιοχή άρδευσης σε όαση.
Πρωτότυπος τίτλος: The research of soil salinization human impact based on remote sensing classification in oasis irrigation area
Συγγραφείς: WANG Hong-wei1,2,3,a，FAN Yong-hong4,b，Tashpolat•Tiyip 2,3,c 1. Theoretical economics postdoctoral research station of Xinjiang University, Urumq, China 2. Key Laboratory of Oasis Ecology （Xinjiang University）Ministry of Education, Urumq, China 3. College of Resources and Environment Science Xinjiang University, Urumq, China 4 .Natural geography postdoctoral research station abhmengqb@hotmail.com
Δημοσιεύτηκε: 2011
Περίληψη
Η παρούσα δημοσίευση μελετά την αρδευόμενη όαση στο δέλτα των ποταμών Weigan και Kuqa στη Κίνα, χρησιμοποιώντας ψηφιακές εικόνες τηλεπισκόπησης του 1989, 2001 και 2007 και βασίζεται στη μέθοδο ταξινόμησης του δένδρου αποφάσεων (decission tree) απ΄όπου εξάγονται οι πληροφορίες για την αλάτωση. Οι ανθρώπινες επιπτώσεις στην αλάτωση του εδάφους αναλύονται με δεδομένα από τη ψηφιακή τηλεπισκόπηση, επίσημα στοιχεία και στοιχεία επιτόπου έρευνας καθώς και στατιστική ανάλυση. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι: (1) εντοπίστηκαν τρεις κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την αλάτωση του εδάφους: οι αποτελεσματικά αρδευόμενες εκτάσεις, οι πρόσφατα αυξημένες καλλιεργούμενες εκτάσεις κατά το τρέχον έτος και οι πρόσφατα μειωμένες καλλιεργούμενες εκτάσεις κατά το τρέχον έτος. (2) προσδιορίζοντας την επίδραση των ανθρώπινων διαστάσεων στην αλάτωση του εδάφους στην περιοχή άρδευσης, το μέτρια και ελαφρά αλατωμένο έδαφος έχει θετική συσχέτιση με τις αποτελεσματικά αρδευόμενες εκτάσεις και τις πρόσφατα μειωμένες καλλιεργούμενες εκτάσεις κατά το τρέχον έτος ενώ μεταξύ του σοβαρά αλατωμένου εδάφους και των ανθρωπίνων παραγόντων δεν υπάρχει συγγενής σχέση. Τα σοβαρά αλατωμένα εδάφη διανέμονται κυρίως στην περίμετρο της όασης και το πυθμένα της λεκάνης απορροής του ποταμού, και επίσης ο βαθμός ανάπτυξης των σοβαρά αλατωμένων εδαφών είναι χαμηλός.
Εισαγωγή
Η παγκόσμια γεωργική παραγωγή και η αειφόρος χρήση των πόρων της γης θεωρεί την επίδραση της αλάτωσης του εδάφους ένα μεγάλο πρόβλημα. Για το εύθραυστο οικολογικό περιβάλλον σε άνυδρες και ημιάνυδρες περιοχές, δεν είναι μόνο ο βασικός ανασταλτικός παράγοντας της αειφόρου ανάπτυξης των γεωργικών οάσεων αλλά επίσης και σημαντικός παράγοντας επιρροής σχετικά με τη σταθερότητα του οικολογικού περιβάλλοντος της όασης. Η περιοχή άρδευσης του ποταμού Kuqa , ως μία από τις σημαντικότερες γεωργικές εκτάσεις στο Xinjiang, απειλείται σοβαρά από την αλάτωση του εδάφους. Η υψηλή στάθμη του νερού, η εξάτμιση του ρηχού νερού και άλλοι φυσικοί παραγόντες συνέβαλαν στην εμφάνιση της αλάτωσης του εδάφους και οι παράλογες μέθοδοι άρδευσης της όασης ενέτειναν την αλάτωση . Σε αυτή τη μελέτη, παρακολουθήθηκε τρεις φορές η χρονική και χωρική μεταβολή της περιοχή άρδευσης των ποταμών Weigan-Kuqa, το1989, 2001 και το 2007 ως προς την αλάτωση του εδάφους, με βάση την ποσοτική ανάλυση των επιπτώσεων των ανθρώπινων παραγόντων, η οποία είναι υψίστης σημασίας για την οικολογική σταθερότητα, τη γεωργική και την κοινωνικοοικονομική ανάπτυξη σε άγονες οάσεις.
Περιοχή μελέτης
Η όαση του δέλτα των ποταμών Weigan - Kuqa βρίσκεται στη λεκάνη του Tarim στη νότια Xinjiang και ανήκει διοικητικά στη δικαιοδοσία της περιοχής Aksu. Περιλαμβάνει τρεις επαρχίες, τις Kuqa, Xinhe και Shaya. Η συνολική έκταση των τριών επαρχιών είναι 523,76 × 102km2. Το κλίμα της όασης είναι εξαιρετικά ξηρό σε θερμό ηπειρωτικό κλίμα, με 51,6 χιλιοστά ετήσια βροχόπτωση και μέση ετήσια εξάτμιση 2.123,7 χιλιοστά. Η εξάτμιση προς τη βροχόπτωση είναι περίπου 40:1. Στην αρχαία κοίτη πλημμυρών του ποταμού, υπάρχουν μεγάλες περιοχές αλατωμένου εδάφους. Το βάθος των υπόγειων υδάτων είναι 2-5 μέτρα και εξατμίζεται έντονα. Τα άλατα σε μεγάλο βαθμό συγκεντρώνονται σε επιφανειακό στρώμα 0-30 cm, με περιεκτικότητα από 0,1 έως 81,4 και υπάρχουν ήπια - μέτρια - σοβαρά αλατωμένα εδάφη. Από τη δεκαετία του '50 του περασμένου αιώνα, οι πόροι του νερού και της γης έχουν αλλάξει δραματικά και η αλάτωση του εδάφους έχει αυξηθεί ραγδαία.
Μέθοδοι
Πηγές δεδομένων
Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται στην μελέτη είναι :
- τρεις δορυφορικές εικόνες, οι 25/9/1989 Landsat-TM, η 1/8/2001Landsat-ETM + και η 15/9/2007 ALOS full band
- τοπογραφικοί χάρτες κλίμακας 1:5 εκατομμύρια και διανυσματικά δεδομένα, χάρτες χρήσης γης κλίμακας 1:5εκατομμύρια των επαρχιών Kuqa, Xinhe και Shaya και διανυσματικά δεδομένα του 1988,1995, και 2002
- στοιχεία ετών τοπογραφίας, δημογραφικά-κοινωνικά-οικονομικά και στατιστικά στοιχεία ετών, πληροφορίες από το τομέα επιθεώρησης και GPS σημεία με τις αντίστοιχες φωτογραφίες πεδίου.
Χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό επεξεργασίας εικόνας PCI 9.1, συγκρίνοντας τις τρεις τοπογραφικές εικόνες κλίμακας 1:5 εκατομμύρια των τριών επαρχιών, έγινε γεωμετρική βαθμονόμηση ακριβείας, και διασφαλίστηκε ακρίβεια ερμηνείας 95% ή και περισσότερο. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι τρεις εικόνες που χρησιμοποιούνται στις διάφορες φάσεις θεσπίζουν εποχιακή προσομοίωση και το 6S μοντέλο, έγινε μια διόρθωση για την εικόνα λόγω της ατμοσφαιρικής ακτινοβολίας και την αναστροφή της αντανάκλασης επιφανείας (albedo).
Ταξινόμηση αλατωμένων εδάφους
Σύμφωνα με την έρευνα πεδίου, τα αλατωμένα εδάφη κυρίως χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: (1) καμία κάλυψη από βλάστηση, υψηλή περιεκτικότητα σε άλατα (γυμνό έδαφος) (2) μέρος του εδάφους με άλατα, από ξύλο, αρμυρίκια, φραγμίτες και άλλα αλόφυτα, με μικρότερη πυκνότητα κάλυψης και με χαμηλή περιεκτικότητα σε αλατα (3) αλόφυτα με υψηλή πυκνότητα κάλυψης και χαμηλότερο περιεχόμενο σε άλατα Σύμφωνα με τις πραγματικές συνθήκες, και με το έγγραφο της Υπηρεσίας Υδατικών Πόρων του Xinjiang ,"Σχεδιασμός του πλαισίου βελτίωσης και αξιοποίησης των αλατούχων-αλκαλικών εδαφών της επαρχίας Xinjiang" εκπονήθηκε ένα πρόγραμμα το οποίο εξάγει πληροφορίες για την αλάτωση από ψηφιακές τηλεσκοπικές εικόνες, κάνοντας διάκριση μεταξύ των μη αλατωμένων εδαφών(non saline land) , των μεσαία-ελαφρά αλατωμένων (mid-light salinized land), των σοβαρά αλατωμένων(severe salinized land) και του νερού(water).
Μέθοδος ταξινόμησης
Με βάση τη μέθοδο ταξινόμησης decision tree, δημιουργήθηκε το μοντέλο των θεματικών πληροφοριών αλάτωσης του εδάφους με αναγνωριστική ακρίβεια των αλατωμένων εδαφών, με τη μέθοδο της απλής τυχαίας δειγματοληψίας. Για την αξιολόγηση της ακρίβειας, υιοθετήθηκε η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος του συντελεστή Kappa. Προκειμένου να αναλυθεί οι ποσοτικοποιημένος δείκτης αλατότητας εδαφών της ανθρώπινης επίδρασης. χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι ανάλυσης συσχέτισης και παραγοντικής ανάλυσης συμπεριλαμβάνοντας το βάρος και άλλων μη συσχετισμένων δεικτών, και προσδιορίστηκαν οι βασικοί δείκτες της ανθρώπινης επίδρασης. Με τη γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης, αναπτύχθηκε μια συνάρτηση για τη περιοχή άρδευσης της όασης των ποταμών Weigan - Kuqa σχετικά με την αλάτωση του εδάφους και καθιερώθηκε η ποσοτική σχέση μεταξύ της αλλαγής της αλατότητας και των μεγαλύτερων ανθρώπινων παραγόντων που οδηγούν σε αυτήν.
Ποσοτικά χαρακτηριστικά αλατωμένου εδάφους
Από τη ταξινόμηση της αλάτωσης του εδάφους των δεδομένων (εικόνα 1) και των διαφορετικών τύπων αλατωμένου εδάφους (εικόνα 2), βλέπουμε ότι το1989 τα μεσαία-ελαφρά αλατωμένα εδάφη είναι 3819,35 km2 τα οποία μειώνονται κατά 63,1km2 μεταξύ 1989-2001, δηλαδή μειώνονται κατά μέσο όρο ετησίως κατά 5,25 km2. Μεταξύ 2001-2007 μειώνονται κατά 25,9 km2 ετησίως. Η περιοχή του σοβαρά αλατωμένου εδάφους είναι 804,98 km2 το 1989 η οποία αυξάνεται κατά 342,47 km2 σε διάστημα 12 ετών δηλαδή με μέση ετήσια αύξηση 28,5 km2 μεταξύ 1989-2001. Κατά το διάστημα 2001-2007 αυξήθηκε κατά 70,8 km2 δηλ. με μέση ετήσια αύξηση 11.8 km2.
Συνολικά, η περιοχή του μεσαία-ελαφρά αλατωμένου εδάφους είναι λιγότερη, αλλά η σοβαρά αλατωμένη περιοχή είναι πιο επεκταμένη, και η συνολική έκταση του αλατωμένου εδάφους αυξήθηκε μεταξύ 1989 -2007. Η περιοχή του μη αλατωμένου εδάφους είναι 4395,74 km2 μεταξύ 1989 - 2001 και μειώθηκε κατά 3602,27 km2, δηλαδή με μέση ετήσια μείωση 66,12 km2, αλλά είχε κάποια αύξηση μεταξύ 2001-2007. Η περιοχή που καλύπτεται με νερό αυξήθηκε από 95,55 σε 188,38 km2 κατά τη διάρκεια του 1989 - 2001, σχεδόν στο διπλάσιο, αλλά μειώθηκε σε 91,07 km2 το 2007, δηλαδή η περιοχή των υδάτων κατ 'αρχάς αυξήθηκε και στη συνέχεια μειώθηκε.
Ανάλυση ανθρώπινων παραγόντων αλάτωσης εδάφους
Επιλογή Παραγόντων
Οι ανθρώπινοι παράγοντες αλλάζουν τη κάλυψη και τη χρήση γης και τις περιφερειακές υδρολογικές διεργασίες, οι οποίες μαζί με φυσικούς παράγοντες επηρεάζουν τη διαδικασία της αλάτωσης. Η τεχνητή αύξηση της αλατότητας του εδάφους οφείλεται στις παράλογες καλλιέργειες και τη χρήση των υδατικών και εδαφικών πόρων και αποτελεί ένα σημαντικό παράγοντα πρόκλησης δευτεροβάθμιας αλάτωσης. Με βάση την ποιοτική ανάλυση του ανθρώπινου παράγοντα και την αξιολόγηση των υφιστάμενων κοινωνικο-οικονομικών στατιστικών στοιχείων, επιλέχθηκαν δείκτες σχετικοί με την ανθρώπινη δραστηριότητα όπως η συνολική παραγωγή, ο πληθυσμός , οι καλλιέργειες σιτηρών και η καλλιεργούμενη έκταση και άλλοι 16 σχετικοί δείκτες, καθώς και 2 δείκτες αλλαγών της αλατότητας του εδάφους.
Επειδή κάθε μονάδα δείκτη δεν είναι η ίδια, δημιουργήθηκε ο τυποποιημένος δείκτης των επιλεγμένων παραγόντων χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
Χρησιμοποιώντας τη κοινή μέθοδο ανάλυσης παραγόντων, αναλύθηκαν τα αρχικά στοιχεία από τη "varimax ορθογώνια μέθοδο περιστροφής", σύμφωνα με την αρχή της ιδιοτιμής μεγαλύτερης από 1,0 και προέκυψαν οι τρεις κύριοι ανθρώπινοι παράγοντες. Σύμφωνα με την έρευνα, επιλέχθηκαν οι μεγαλύτερης επιρροής παράγοντες. Τα δεδομένα του κάθε παράγοντα επιλέχθηκαν ως ανεξάρτητες μεταβλητές και τα δεδομένα της μεσαίας-ελαφράς αλατωμένης περιοχής και σοβαρά αλατωμένης περιοχής ως εξαρτημένες μεταβλητές και δημιουργήθηκε ένα μοντέλο παλινδρόμησης:
(1) Υ1=0.753Χ13-0.432Χ15+0.178Χ16(R^2=0.821) για μεσαία-ελαφρά αλατωμένη περιοχή και
(2) Υ2=0.217Χ13+0.597Χ15-0.663Χ16(R^2=0.429) για σοβαρά αλατωμένη περιοχή.
Ο R^2 είναι ένας σχετικός δείκτης , όσο μεγαλύτερο το R^2, τόσο καλύτερη αντιστοίχιση στη καμπύλη παλινδρόμησης και μικρότερη παραμένουσα τυπική απόκλιση. Έγινε έλεγχος με χρήση κατάλληλης στατιστικής μεθόδου (F inspection).
Εξίσωση παλινδρόμησης μεσαίας-ελαφράς αλάτωσης
Η αύξηση της άρδευσης της περιοχής είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της ήπιας αλάτωσης του εδάφους και ο κύριος λόγος είναι ότι η αύξηση της αρδευόμενης έκτασης, αύξησε την απόρριψη αλάτων και τα άλατα μετακινήθηκαν κατάντη. Κατά τη διάρκεια του έτους, η αύξηση των καλλιεργούμενων εκτάσεων είχε αρνητική συσχέτιση με τη μεσαία-ελαφρά αλατωμένη γη και αυτό οφείλεται κυρίως στην ανάκτηση και στη καλλιέργεια της ανεκμετάλλευτης γης στην ελαφρά αλατωμένη περιοχή, ενώ η αρδευόμενη έκταση αυξήθηκε επίσης και η αλατότητα μεταφέρθηκε περαιτέρω στα κατάντη και έκανε την περιοχή της σοβαρά αλατωμένης περιοχής να επεκταθεί.Η μέση-ελαφρά αλατωμένη περιοχή αυξήθηκε κατά 0,178 μονάδες ενώ οι καλλιεργούμενες εκτάσεις μειώθηκαν κατά μία μονάδα και ο κύριος λόγος είναι ότι οι άνθρωποι εγκαταλείψουν την καλλιέργεια όταν η αλάτωση του εδάφους επιδεινώνεται.
Εξίσωση παλινδρόμησης σοβαρής αλάτωσης
Επειδή ο δείκτης R^2 σημείωσε τη χαμηλότερη συσχέτιση, και ο έλεγχος με τη στατιστική μέθοδο (F inspection) δεν ήταν σημαντικός, η εξίσωση (2) δεν έχει ακρίβεια και επιστημονικότητα, έτσι δεν γίνεται να κριθεί η αλλαγή του σοβαρά αλατωμένου εδάφους μόνο σχετικά με τους ανθρώπινους παράγοντες. Μέσω της έρευνας πεδίου και πλήρους ανάλυσης εκτιμάται ότι οι σοβαρά αλατωμένες περιοχές κυρίως συνέβησαν έξω από την όαση και στο τέλος της περιοχής της λεκάνης απορροής όπου η ανθρώπινη ανάπτυξη και χρήση είναι χαμηλή και δεν υπάρχει κοντινή σχέση μεταξύ των κοινωνικο-οικονομικών παραγόντων και της σοβαρής αλατότητας του εδάφους.
Συμπεράσματα
Η αλατότητα του εδάφους σχηματίζεται από τη συνολική λειτουργία των φυσικών και των ανθρώπινων παραγόντων. Οι ανθρώπινοι παράγοντες πρωταγωνιστούν στη δευτεροβάθμια αλάτωση μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα και μπορεί να γίνει ποσοτική ανάλυση στη δύναμη της επίδρασης των ανθρώπινων παραγόντων χρησιμοποιώντας στατιστικές μεθόδους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι:
(1) Υπάρχει θετική συσχέτιση μεταξύ της αποτελεσματικής άρδευσης της περιοχής και του μεσαίου-ελαφρά αλατωμένου εδάφους και η αύξηση της αρδευόμενης έκτασης επιφέρει την αύξηση του μεσαίου-ελαφρά αλατωμένου εδάφους.
(2) Ενώ η καλλιεργήσιμη γη αυξήθηκε , το μεσαία-ελαφρά αλατωμένο έδαφος μειώθηκε, λόγω του ότι με την αύξηση της αρδευόμενης έκτασης η αλατότητα μεταφέρθηκε κατάντη, κι έτσι επεκτάθηκε η σοβαρά αλατωμένη περιοχή.
(3) Όταν αυξήθηκε η αλάτωση του εδάφους η καλλιεργήσιμη γη μειώθηκε, γιατί οι άνθρωποι την εγκαταλείπουν μερικώς.
(4) Δεν υπάρχει στενή γραμμική σχέση μεταξύ του σοβαρά αλατωμένου εδάφους και των ανθρώπινων παραγόντων και η σοβαρά αλατωμένη περιοχή βρίσκεται κυρίως στην περιφέρεια της λεκάνης, εκεί όπου οι ανθρώπινες δραστηριότητες σπανίζουν.
