Διερεύνηση των επιπέδων αλατότητας και οργανικού άνθρακα στα γεωργικά εδάφη της Λέσβου με χρήση γεωπληροφορικής

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος "Exploring the spatial patterns of soil salinity and organic carbon in agricultural areas of Lesvos Island, Greece, using geoinformation technologies."

Συγγραφείς: Christina Lekka , George P. Petropoulos, Dimitris Triantakonstantis, Spyridon E. Detsikas, Christos Chalkias Πηγή: [[1]]

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αυτή η μελέτη πραγματεύεται το παγκόσμιο ζήτημα της αλατότητας του εδάφους, μια σημαντική απειλή για την υγεία του εδάφους και τη γεωργική του παραγωγικότητα. Η αλάτωση του εδάφους, ιδιαίτερα διαδεδομένη σε άνυδρες και ημίξηρες περιοχές, επηρεάζει αρνητικά την ποιότητα του εδάφους, την ανάπτυξη της βλάστησης και την παραγωγή τροφίμων. Η πολύπλοκη σχέση μεταξύ του οργανικού άνθρακα του εδάφους (SOC) και της αλατότητας επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως η αναστολή της ανάπτυξης των φυτών και η μείωση της μικροβιακής δραστηριότητας. Καθώς εντείνεται η αλατότητα του εδάφους, η οποία επιδεινώνεται από μη βιώσιμες γεωργικές πρακτικές, η ανάγκη ανίχνευσης, παρακολούθησης και αξιολόγησης των εδαφών που επηρεάζονται από το αλάτι γίνεται κρίσιμη, ειδικά σε αγροτικές περιοχές με προκλήσεις άρδευσης. Οι τεχνολογίες γεωπληροφοριών, ειδικά η τηλεπισκόπηση (RS) και τα συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών (GIS), προσφέρουν αποτελεσματικές λύσεις για την παρακολούθηση της αλατότητας του εδάφους. Το RS επιτρέπει μη καταστροφική, οικονομικά αποδοτική παρακολούθηση σε διαφορετικές χωρικές και χρονικές κλίμακες. Η μελέτη τονίζει τη σημασία του RS και του GIS για την ανίχνευση και την παρακολούθηση της αλατότητας του εδάφους, επιδεικνύοντας την αξιοπιστία τους στη χαρτογράφηση εδαφών που επηρεάζονται από αλάτι. Ο Παγκόσμιος χάρτης των εδαφών που επηρεάζονται από το αλάτι (GSAS) που κυκλοφόρησε πρόσφατα από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας (FAO) επισημαίνεται ως σημαντική πρόοδος σε αυτόν τον τομέα. Εστιάζοντας στη νήσο Λέσβο στην Ελλάδα, η μελέτη προτείνει μια τροποποιημένη έκδοση του μοντέλου του FAO για τη χαρτογράφηση των αλμυρών εδαφών. Οι στόχοι περιλαμβάνουν την ανάπτυξη ενός μοντέλου πιθανοτήτων για τη χωρική κατανομή εδαφών με υψηλή αλατότητα σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις και τη διερεύνηση της χωρικής συσχέτισης μεταξύ της κατανομής αλατούχου εδάφους και του αποθέματος SOC. Η μεθοδολογία, που εφαρμόζεται σε περιβάλλον GIS, αντιπροσωπεύει μια προσαρμοσμένη προσέγγιση εμπνευσμένη από το μοντέλο του FAO για τη χαρτογράφηση εδαφών που επηρεάζονται από αλάτι.

ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ

Η Λέσβος, το τρίτο μεγαλύτερο στην Ελλάδα, βρίσκεται στο βορειοανατολικό Αιγαίο Πέλαγος, εκτείνεται από 39° Β έως 26° Δ. Γνωστό για την πλούσια βιοποικιλότητά του, το νησί διαθέτει ποικίλα οικοσυστήματα, όπως φυσικά λιβάδια, θαμνώδεις εκτάσεις, δάση, πολυετείς οπωρώνες και ετήσιες αρδευόμενες καλλιέργειες. Το κλίμα παρουσιάζει ευδιάκριτα εποχιακά μοτίβα σε βροχοπτώσεις και θερμοκρασία, που χαρακτηρίζονται από ξηρά-θερμικά καλοκαίρια και υγρούς χειμώνες. Με μέση θερμοκρασία γύρω στους 17°C, η Λέσβος παρουσιάζει σημαντικές θερμοκρασιακές διακυμάνσεις. Οι βροχοπτώσεις ποικίλλουν χωρικά και κυμαίνονται από 725 mm στις ανατολικές υγροτοπικές περιοχές έως 415 mm στις δυτικές ημίξηρες περιοχές. Οι ξηρόθερμες συνθήκες, σε συνδυασμό με τις μη βιώσιμες γεωργικές πρακτικές που υιοθετούν οι ντόπιοι αγρότες, δημιουργούν ευνοϊκές συνθήκες για την ανάπτυξη εδαφών που επηρεάζονται από το αλάτι. Στο πιο άνυδρο δυτικό τμήμα της Λέσβου, αυτά τα αλατούχα εδάφη έχουν αυξηθεί, οδηγώντας σε υποβάθμιση της γης και ερημοποίηση.

ΔΕΔΟΜΕΝΑ

1. Μετρήσεις Πεδίου

Τα δεδομένα πεδίου για αυτή τη μελέτη, που συλλέχθηκαν το 2015 από διάφορες τοποθεσίες στην ανατολική και κεντρική Λέσβο, επικεντρώθηκαν σε δείγματα φυτικού εδάφους. Μετά τη συλλογή, τα δείγματα εδάφους υποβλήθηκαν σε ολοκληρωμένη ανάλυση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων τους μέσω διαδικασιών υγροχημείας σε εργαστήριο εδάφους. Το σύνολο δεδομένων που προέκυψε από αυτήν την ανάλυση περιελάβανε μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας κορεσμένης πάστας (ECe). Η πλειονότητα των τιμών ECe, που αποτελεί το 89,7% του συνόλου δεδομένων εδάφους, υπερέβη τα 4 dS m−1. Επιπλέον, το 7,8% των εδαφών εμφάνισε τιμές ECe που κυμαίνονταν από 4 έως 8 dS m−1. Ένα μικρότερο ποσοστό, 1,7%, είχε τιμές ECe μεταξύ 8 και 15 dS m−1, ενώ το 0,9% ξεπέρασε τα 15 dS m−1. Τα εδαφικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη προέρχονται από το αρχείο του Τμήματος Εδάφους της Αθήνας-Ινστιτούτο Εδάφους και Υδάτινων Πόρων, ΕΛΓΟ-ΔΗΜΗΤΡΑ, και η εικόνα απεικονίζει την γεωγραφική κατανομή των σημείων των μετρήσεων.

2. Δορυφορικά δεδομένα

Οι δείκτες βλάστησης και αλατότητας υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat 8 OLI USGS Level 2 Collection 2 Surface Reflectance (SR), συγκεκριμένα τις μέσες τιμές πολυφασματικών εικόνων Tier 1 για το 2015 στο νησί της Λέσβου, με χωρική ανάλυση 30 μέτρων. Οι εικόνες Landsat 8 SR ελήφθησαν μέσω του Google Earth Engine (GEE), μιας πλατφόρμας που βασίζεται σε cloud που διευκολύνει την αποτελεσματική πρόσβαση και την επεξεργασία δεδομένων τηλεπισκόπησης. Επιπλέον, τα μετεωρολογικά δεδομένα για το έτος 2015, συμπεριλαμβανομένων της μέσης, μέγιστης και ελάχιστης θερμοκρασίας (°C) και των τιμών βροχόπτωσης (mm), λήφθηκαν από το Terra Climate σε χωρική ανάλυση 4 km, χρησιμοποιώντας επίσης GEE. Επιπλέον, η μελέτη ενσωμάτωσε το Ψηφιακό Υψομετρικό Μοντέλο (DEM) της ASTER για τη Λέσβο, που ελήφθη από την πλατφόρμα USGS Earth Explorer, χωρικής ανάλυσης 30 μέτρων. Η πρόσβαση σε όλα αυτά τα σύνολα δεδομένων ήταν δωρεάν.

3. Εδαφολογικός χάρτης οργανικού άνθρακα

Τα δεδομένα για το απόθεμα οργανικού άνθρακα του εδάφους, και συγκεκριμένα ο χάρτης «Οργανικός Άνθρακας Επιφανείας Εδάφους (LUCAS)», ελήφθησαν χωρίς κόστος από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Δεδομένων Εδάφους (ESDAC). Αυτό το σύνολο δεδομένων, που αναπτύχθηκε το 2014, καλύπτει 25 κράτη μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης και παρέχει πληροφορίες σχετικά με τα εκτιμώμενα αποθέματα οργανικού άνθρακα του εδάφους (SOC) εντός του βάθους εδάφους 0–20 cm, μετρημένα σε γραμμάρια άνθρακα ανά κιλό εδάφους (g C kg⁻1). Η χωρική ανάλυση αυτού του συνόλου δεδομένων είναι 500 μέτρα. Τα δεδομένα δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας ένα γενικευμένο προσθετικό μοντέλο (GAM), το οποίο προσαρμόστηκε στο 85% του συνόλου δεδομένων με R² 0,29, χρησιμοποιώντας την περιεκτικότητα σε οργανικό άνθρακα (OC) ως εξαρτημένη μεταβλητή. Η συνολική ακρίβεια του μοντέλου οδήγησε σε R² 0,27.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Επισκόπηση Μεθοδολογίας

Η μεθοδολογία περιλαμβάνει πολλαπλά βήματα για τη χαρτογράφηση εδαφών που έχουν πρόβλημα αλατότητας και τη διερεύνηση της χωρικής τους συσχέτισης με τον οργανικό άνθρακα του εδάφους (SOC) στη Λέσβο. Τα βασικά βήματα περιλαμβάνουν την προεπεξεργασία, την εξαγωγή τοπογραφικών δεικτών, την ενσωμάτωση κλιματικών παραμέτρων, την εκτίμηση των δεικτών βλάστησης και αλατότητας, την εφαρμογή της ανάλυσης κύριου συστατικού (PCA) και την ανάπτυξη ενός μοντέλου λογιστικής παλινδρόμησης για την αλατότητα του εδάφους. Πραγματοποιείται επικύρωση μοντέλου χρησιμοποιώντας καμπύλες ROC και η μελέτη διερευνά επίσης τη χωρική συσχέτιση μεταξύ αλατότητας εδάφους και SOC.

Προεπεξεργασία

Τα γεωχωρικά δεδομένα αποθηκεύονται, γεωοροθετούνται και επεξεργάζονται στο ArcGIS, συμπεριλαμβανομένων τοπογραφικών δεικτών που προέρχονται από το DEM, κλιματικών παραμέτρων μειωμένης κλίμακας χρησιμοποιώντας συνηθισμένο kriging και δεικτών βλάστησης/αλατότητας από εικόνες Landsat 8 OLI SR.

Τοπογραφικοί δείκτες

Τοπογραφικοί παράγοντες όπως η κλίση, η καμπυλότητα της κάτοψης, το επίπεδο βάσης του δικτύου καναλιών και ο τοπογραφικός δείκτης υγρασίας προέρχονται από το QGIS για τη μοντελοποίηση της αλατότητας του εδάφους.

Κλιματικές Παράμετροι

Η μέση βροχόπτωση και η μέγιστη/ελάχιστη θερμοκρασία για το 2015 λαμβάνονται από το TerraClimate, μειώνοντας την κλίμακα χρησιμοποιώντας συνηθισμένο kriging για να ταιριάζει με τη χωρική ανάλυση 30x30 m.

Δείκτες βλάστησης και αλατότητας

Δεκατρείς δορυφορικοί δείκτες αναπτύχθηκαν από εικόνες Landsat 8 και το PCA εφαρμόζεται για τη μείωση του πλεονασμού και την επιλογή των κύριων στοιχείων (PC1 και PC2) για το μοντέλο λογιστικής παλινδρόμησης.

Χαρτογράφηση αλατότητας εδάφους

Αναπτύχθηκε ένα μοντέλο λογιστικής παλινδρόμησης με εννέα ανεξάρτητες μεταβλητές για την πρόβλεψη εδαφών με προβλήματα αλατότητας σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις, με βάση τις τιμές ECe. Πραγματοποιείται κανονικοποίηση και το μοντέλο εφαρμόζεται στο ArcGIS χρησιμοποιώντας συντελεστές εξίσωσης λογιστικής παλινδρόμησης.

Επικύρωση μοντέλου

Η ανάλυση ROC αξιολογεί την ακρίβεια πρόβλεψης του μοντέλου λογιστικής παλινδρόμησης, με μια τιμή AUC που υποδεικνύει την ποιότητά του. Συνολικά χρησιμοποιούνται 220 σημεία δείγματος για την επικύρωση.

Χάρτης Οργανικού Άνθρακα εδάφους

Τα δεδομένα SOC λαμβάνονται από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Δεδομένων Εδάφους (ESDAC) και εκτελείται μια χωρική ένωση για να συσχετιστεί το περιεχόμενο SOC με συγκεκριμένες περιοχές καλλιέργειας.

Ανάλυση χωρικής συσχέτισης

Η ανάλυση hotspot (Getis-Ord Gi*) και η ανάλυση cluster/outlier (Local Moran's I) εφαρμόζονται για την αξιολόγηση των χωρικών τάσεων και της συσχέτισης μεταξύ της αλατότητας του εδάφους και του SOC.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Αποτελέσματα μοντέλου πιθανότητας

Η μελέτη χρησιμοποιεί παράγοντες όπως η γεωμορφολογία, η υγρασία, οι τοπογραφικοί δείκτες, η βροχόπτωση, η θερμοκρασία και οι δείκτες τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση της χωρικής πιθανότητας αλατότητας του εδάφους σε καλλιέργειες της Λέσβου. Το μοντέλο λογιστικής παλινδρόμησης δείχνει συνολική ακρίβεια 97,1% στην πρόβλεψη αλμυρών εδαφών. Σημαντικοί παράγοντες περιλαμβάνουν τη βροχόπτωση, τις ετήσιες θερμοκρασίες και τη γεωμορφολογία του εδάφους. Το μοντέλο ερμηνεύει το 11,3% της διακύμανσης στην αλατότητα του εδάφους.

Επικύρωση μοντέλου και χωρική κατανομή

Η μέθοδος της καμπύλης ROC χρησιμοποιείται για την επικύρωση του μοντέλου, εμφανίζοντας καλά αποτελέσματα με εμβαδόν κάτω από την καμπύλη (AUC) 0,73. Η χωρική κατανομή των περιοχών πιθανότητας δείχνει ότι σχεδόν το 55% της γεωργικής γης έχει χαμηλή πιθανότητα αλατότητας, ενώ το 23,7% στα δυτικά και ΝΑ τμήματα έχει υψηλή πιθανότητα.

Παράγοντες που επηρεάζουν την αλατότητα του εδάφους

Η αλάτωση του εδάφους στη Λέσβο οφείλεται τόσο σε ανθρώπινους όσο και σε κλιματικούς παράγοντες, όπως η χαμηλή ετήσια βροχόπτωση, η υψηλή εξατμισοδιαπνοή και η ξηρασία. Περιοχές με μεγάλη πιθανότητα αλατότητας συγκεντρώνονται στο δυτικό τμήμα με χαμηλότερες βροχοπτώσεις. Χωρική συσχέτιση αλατότητας με τον οργανικό άνθρακα του εδάφους (SOC) Οι παγκόσμιες και τοπικές αναλύσεις χωρικής αυτοσυσχέτισης αποκαλύπτουν θετική χωρική αυτοσυσχέτιση τόσο για την πιθανότητα αλατότητας του εδάφους όσο και για το SOC. Συστάδες πιθανότητας υψηλής αλατότητας συμπίπτουν με συστάδες χαμηλής SOC, ιδιαίτερα στις βόρειες και ανατολικές περιοχές.

Ανάλυση Hot Spot

Η στατιστική Getis-Ord Gi εντοπίζει θερμά σημεία αλατότητας στα νοτιοανατολικά και κεντρικά τμήματα της Λέσβου, ενώ ψυχρά σημεία παρατηρούνται κυρίως στο νοτιοανατολικό τμήμα. Η κατανομή των χαμηλών επιπέδων SOC αντιστοιχεί σε περιοχές με υψηλή πιθανότητα αλατότητας, εκτός από ορισμένες περιοχές με ετερογένεια λόγω φυσικής βλάστησης.

ΣΥΖΗΤΗΣΗ Γενικά, το LR, που χρησιμοποιήθηκε προηγουμένως σε διάφορες περιβαλλοντικές μελέτες, αποδεικνύεται αποτελεσματικό στην πρόβλεψη αλατούχων εδαφών. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε, με Nagelkerke R² 11,3%, προσδιορίζει τους κλιματικούς παράγοντες (ετήσιες θερμοκρασίες και βροχοπτώσεις) και την τοπογραφία (υψόμετρο και επίπεδο βάσης δικτύου καναλιών) ως σημαντικούς παράγοντες. Η ακρίβεια του μοντέλου επαληθεύεται μέσω της καμπύλης ROC, επιδεικνύοντας καλή προσαρμοστικότητα (AUC = 0,73). Οι συγκρίσεις με άλλες μελέτες υπογραμμίζουν τη σταθερή επίδραση προγνωστικών παραγόντων όπως η τοπογραφία στην πρόβλεψη της αλατότητας του εδάφους. Η αλάτωση του εδάφους αποτελεί σημαντική απειλή για το περιβάλλον, τη γονιμότητα και την ασφάλεια των τροφίμων, επηρεάζοντας τις αποδόσεις των καλλιεργειών παγκοσμίως. Η μελέτη τονίζει την ανάγκη προσαρμογής των πρακτικών γεωργικής διαχείρισης και των συστημάτων άρδευσης για τον μετριασμό των δυσμενών επιπτώσεων στη γεωργική παραγωγή και την ποιότητα του εδάφους. Οι κύριες αιτίες της αλατότητας του εδάφους στη Λέσβο εντοπίζονται ως οι χαμηλές βροχοπτώσεις, ο υψηλός δείκτης βιοκλιματικής ξηρασίας και οι μη βιώσιμες γεωργικές πρακτικές. Η μελέτη διερευνά τα χωρικά μοτίβα της αλατότητας του εδάφους και των αποθεμάτων οργανικού άνθρακα σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις. Τα εδάφη με υψηλή πιθανότητα αλατότητας παρατηρείται ότι ακολουθούν διαφορετικά χωρικά πρότυπα από εκείνα με υψηλή περιεκτικότητα σε οργανικό άνθρακα. Περιοχές με υψηλή πιθανότητα αλατότητας συχνά συσχετίζονται με χαμηλό οργανικό άνθρακα, υποδηλώνοντας μια πιθανή αρνητική επίδραση. Οι γεωργικές περιοχές, ιδιαίτερα οι αρόσιμες και μη αρδευόμενες εκτάσεις, και οι ελαιώνες προσδιορίζονται ως πιο επιρρεπείς στην αλάτωση του εδάφους. Η χωρική ανάλυση αποκαλύπτει μια πιθανή συσχέτιση μεταξύ της αλατότητας του εδάφους και της περιεκτικότητας σε οργανικό άνθρακα. Οι περιοχές με πιθανότητα υψηλής αλατότητας ομαδοποιούνται όπου επικρατούν χαμηλές τιμές SOC, υποδεικνύοντας πιθανή αρνητική επίδραση στην περιεκτικότητα σε SOC. Αυτό ευθυγραμμίζεται με προηγούμενες μελέτες που υποδηλώνουν ότι τα εδάφη που επηρεάζονται από αλάτι τείνουν να ελαχιστοποιούν τις εισροές διοξειδίου του άνθρακα και έχουν περιορισμένη SOC, συμβάλλοντας σε αυξημένα ποσοστά απελευθέρωσης άνθρακα στην ατμόσφαιρα μέσω της υποβάθμισης του εδάφους.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί τεχνολογίες γεωπληροφορικής, συμπεριλαμβανομένης της τηλεπισκόπησης (RS) και των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS), για την εκτίμηση της πιθανότητας αλατότητας του εδάφους σε γεωργικές περιοχές της Λέσβου. Το πιθανοτικό μοντέλο, που βασίζεται στην λογιστική παλινδρόμηση, πέτυχε ένα σωστό ποσοστό πρόβλεψης 97,1%, με το Nagelkerke R² να ερμηνεύει το 11,3% της διακύμανσης της εξαρτημένης μεταβλητής. Το συνολικό μοντέλο είναι στατιστικά σημαντικό, καθιστώντας το μια αξιόπιστη μέθοδο για την πρόβλεψη της αλατότητας του εδάφους σε γεωργικά εδάφη, δυνητικά εφαρμόσιμη σε παρόμοιες περιβαλλοντικές συνθήκες.

Σημαντικά ευρήματα

1. Ακρίβεια μοντέλου: Το μοντέλο λογιστικής παλινδρόμησης έδειξε υψηλή ακρίβεια, προβλέποντας σωστά τα περιστατικά αλατότητας. Η στατιστική σημασία του μοντέλου και η περιοχή κάτω από την καμπύλη ROC (AUC) 0,73 επικυρώνουν την αποτελεσματικότητά του για την πρόβλεψη της αλατότητας του εδάφους.

2. Χωρική κατανομή: Το δυτικό τμήμα της Λέσβου, που περιλαμβάνει περίπου το 20% των γεωργικών εκτάσεων, εμφανίζει τις υψηλότερες πιθανότητες αλατότητας του εδάφους. Συνολική έκταση 169,51 km², κυρίως στο δυτικό και νοτιοανατολικό τμήμα, υποδηλώνει μεγάλη πιθανότητα εμφάνισης αλατότητας του εδάφους, κάτι που δικαιολογεί περαιτέρω διερεύνηση.

3. Σχέση SOC: Η γεωχωρική ανάλυση αποκαλύπτει μια μικρή διακύμανση στην περιεκτικότητα σε οργανικό άνθρακα του εδάφους (SOC) σε εδάφη με αυξημένη πιθανότητα αλατότητας του εδάφους. Τα διαφορετικά μοτίβα χωρικής κατανομής των δύο παραμέτρων υποδηλώνουν αρνητικές χωρικές συσχετίσεις, υποδεικνύοντας δυσμενείς επιπτώσεις των αλατούχων εδαφών στη συσσώρευση SOC.