Εκτίμηση της επίδρασης της υφής του εδάφους στην περιεκτικότητα σε νιτρικά και άζωτο στα υπόγεια νερά με χρήση Tηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Εκτίμηση της επίδρασης της υφής του εδάφους στην περιεκτικότητα σε νιτρικά και άζωτο στα υπόγεια νερά με χρήση τηλεπισκόπησης

Πρωτότυπος τίτλος: Estimation of the Effect of Soil Texture on Nitrate-Nitrogen Content in Groundwater Using Optical Remote Sensing

Συγγραφείς: Yongyoot Witheetrirong, Nitin Kumar Tripathi, Taravudh Tipdecho and Preeda Parkpian

Δημοσιεύθηκε: Int. J. Environ. Res. Public Health 2011, 8, 3416-3436; doi:10.3390/ijerph8083416

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

Λέξεις-Κλειδιά:υπόγεια νερά, χωρική αυτοσυσχέτιση, υφή εδάφους, GIS, νιτρικά, τηλεπισκόπηση

Εισαγωγή

Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε αγροτικά προϊόντα οφείλονται στον αυξανόμενο παγκόσμιο πληθυσμό και την οικονομική μεγέθυνση. Η εντατικοποίηση της αγροτικής παραγωγής μπορεί να προκαλέσει ρύπανση στα αποθέματα νερού, λόγω της χρήσης χημικών λιπασμάτων τα οποία εύκολα μπορούν να περάσουν στα υπόγεια ύδατα. Η χρήση χημικών λιπασμάτων στην Ταϊλάνδη από 18,000 τόνους το 1961 έφτασε σε 2,000,000 τόνους το 2004, χωρίς όμως να παρατηρηθεί σημαντική αύξηση της παραγωγής ρυζιού και καλαμποκιού. Τα νιτρικά και το άζωτο (NO3--N), τα οποία είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη των φυτικών οργανισμών, θεωρούνται πιθανοί ρυπαντές από τον Οργανισμό Προστασίας του Περιβάλλοντος (EPA) των Ηνωμένων Πολιτειών, διότι λόγω της εκτεταμένης χρήσης τους ως χημικά λιπάσματα, περνούν σε ρέματα, ποτάμια και σε υπόγεια ύδατα και θεωρούνται επικίνδυνα για το περιβάλλον. Η εμφάνιση μεθαιμοσφαιριναιμίας σε βρέφη κάτω των 6 μηνών ήταν καθοριστικός παράγοντας για τον ΠΟΥ, ο οποίος όρισε ως Μέγιστη Περιεκτικότητα νιτρικών και αζώτου στο πόσιμο νερό τα 10 mg/L. Παρόλα αυτά, το 1976 ο Οργανισμός Προστασίας του Περιβάλλοντος ανακοίνωσε ότι νερό με περιεκτικότητα πάνω από 1 mg/L δεν θα πρέπει να καταναλώνεται από βρέφη. Στην Ταϊλάνδη τα υπόγεια ύδατα αποτελούν κύρια πηγή πόσιμου νερού, ενώ τα επιφανειακά ύδατα αξιοποιούνται στην κτηνοτροφία και γεωργία. Η περιεκτικότητα των υπόγειων υδάτων σε νιτρικά και άζωτο έχει τετραπλασιαστεί, λόγω της πολύχρονης χρήσης λιπασμάτων από 1.8 mg/L σε 7.2 mg/L.

Μεθοδολογία

Περιοχή μελέτης

Η περιοχή μελέτης είναι η επαρχία Nakhon Pathom της Ταϊλάνδης (Εικόνα 1). Η περιοχή είναι πεδινή, ενώ υψίπεδα παρατηρούνται κατά μήκος του ποταμού Tha Cheen. Το 50% της γεωργικής έκτασης όπου χρησιμοποιούνται λιπάσματα είναι ορυζώνες και καλλιέργειες φρούτων, ενώ το 8.16% είναι ζαχαρότευτλα. Οι περισσότεροι κάτοικοι της περιοχής εξαρτώνται από τη γεωργία. Για την μελέτη χρησιμοποιήθηκαν εικόνες από τον δορυφόρο LANDSAT TM-5, για τον προσδιορισμό των χρήσεων γης και την εξαγωγή της φασματικής ανακλαστικότητας. Για την ανάλυση των υπόγειων υδάτων, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από 32 σταθμούς παρατήρησης του Τμήματος Υπογείων Πόρων, ενώ εδαφικά και γεωλογικά δεδομένα δόθηκαν από τον Οργανισμό Γεωπληροφορικής και Διαστημικής Τεχνολογίας. Δεδομένα για τα υπόγεια ύδατα The analysis of εξάχθηκαν από δευτερογενή δεδομένα του Τμήματος Υπογείων Πόρων. Η Υφή και το pH του εδάφους ελέγχθηκαν από δείγματα της περιοχής μελέτης.

Δεδομένα δορυφόρου LANDSAT

Με φωτοερμηνεία έγινε η ταξινόμηση των γεωργικών εκτάσεων της περιοχής μελέτης. Η εικόνα 2 είναι μια εικόνα του δορυφόρου LANDSAT όπου εμφανίζονται οι ορυζώνες και οι καλλιέργειες ζαχαρότευτλου (Εικόνα 3).

Ανάλυση Χωρικής Αυτοσυσχέτισης

Τα δεδομένα από τους 32 σταθμούς παρατήρησης για την περιεκτικότητα σε NO3--N μετατράπηκαν σε διανυσματικά και τα πιο κατάλληλα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση χωρικής αυτοσυσχέτισης. Όλες οι αναλύσεις χωρικής αυτοσυσχέτισης έγιναν με τη χρήση του λογισμικού πακέτου GeoDa.

Ανάλυση Φασματικής Κατάτμησης

Τα αποτελέσματα της ανάλυσης χωρικής αυτοσυσχέτισης για τα NO3--N χρησιμοποιήθηκαν για περαιτέρω ανάλυση της φασματικής κατάτμησης που ενσωματώνουν την υφή και το pH του εδάφους και τη χρήση γης. Αναλύθηκε η φασματική ανακλαστικότητα που σχετίζεται με την υφή και το pH του εδάφους και τη χρήση γης.

Υφή και pH εδάφους

Βρέθηκαν δύο μόνο τύποι εδάφους: πηλώδες έδαφος (36.7%) και αργιλώδες έδαφος (63.3%). Η υφή καθορίζει τη δέσμευση και κατακράτηση πιθανών ρυπαντών στο έδαφος. Εδάφη με λεπτότερη υφή έχουν μικρή ανταλλακτική ικανότητα, άρα και δέσμευση ρυπαντών. Εδάφη με μεγάλα σωματίδια έχουν την αντίθετη ικανότητα, δηλαδή μεγαλύτερη ανταλλακτική ικανότητα και ο κίνδυνος ρύπανσης των υπόγειων υδάτων είναι μεγαλύτερος. Η Εικόνα 4 δείχνει τον τύπο εδάφους της περιοχής μελέτης. Στην εικόνα 5 παρουσιάζεται χάρτης με το εδαφικό pH.

Παρεμβολή NO3-N

Τα αποτελέσματα της μεθόδου που παρουσιάζονται στην Εικόνα 7, δείχνουν τα διάφορα μοτίβα των NO3-N στην περιοχή μελέτης. Έγινε ανάλυση διακύμανσης (ANOVA) για να βρεθούν τα καταλληλότερα σημεία στην περιοχή μελέτης. Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα. Το καταλληλότερο αποτέλεσμα, το οποίο είναι η πιο κοντινή μέσος της μεθόδου παρεμβολής, βρέθηκε με την μέθοδο Kriging (Εικόνα 8).

Αποτελέσματα

Χρήση γης

Κύρια καλλιέργεια στην περιοχή είναι το ρύζι και τα ζαχαρότευτλα. Στην Εικόνα 2 παρατηρείται ότι στις γειτονικές περιοχές υπάρχουν τα ίδια φυτά σε διαφορετικά αναπτυξιακά στάδια. Η χρήση χημικών λιπασμάτων υπολογίζεται στους 40.63 ton/km2 με 16-20-0 και 46-0-0 NPK για τις καλλιέργειες ρυζιού, ενώ στους 46.88 ton/km2 για τα ζαχαρότευτλα.

Υπόγεια Ύδατα

Στην εικόνα 11 παρουσιάζονται οι σταθμοί δειγματοληψίας υπογείων υδάτων. Η μέγιστη περιεκτικότητα σε NO3--N στα υπόγεια ύδατα είναι 6.1 mg/L στον σταθμό PD0102. Η μέση περιεκτικότητα είναι 1.0969, ενώ η ελάχιστη είναι 0.45 mg/L και η τυπική απόκλιση είναι 1.1887.

Ανάλυση Χωρικής Αυτοσυσχέτισης

Παρόλο που το διαλυμένο άζωτο βρίσκεται σε μεηγαλύτερες συγκεντρώσεις στο έδαφος με pH 6–8, το διάγραμμα διασποράς συνδυάζοντας τα NO3--N (Kriging-Gaussian) και το εδαφικό pH, δεν εμφάνισε στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ του pH και των ΝO3--N στα υπόγεια ύδατα. Τα αποτελέσματα του συνδυασμού των NO3--N και της χρήσης γης παρουσιάζονται στην Εικόνα 13, όπου υψηλά ποσοστά νιτρικών-αζώτου στα υπόγεια ύδατα βρέθηκαν κυρίως στη νότια και ανατολική πλευρά της περιοχής μελέτης και σχετίζονται με την υφή του εδάφους και τη χρήση γης.

Ανάλυση Φασματικής Κατάτμησης

Η Εικόνα 10 παρουσιάζει τη σύγκριση των στατιστικών αποτελεσμάτων που εξήχθηκαν από τα δεδομένα της φασματικής ανάκλασης του δορυφόρου. Στον άξονα χ βρίσκονται οι συγκεντρώσεις νιτρικών-αζώτου, ενώ στον ψ η μέση φασματική ανάκλαση.

Συζήτηση

Τα νιτρικά ταξινομήθηκαν σε 4 κλάσεις με ανάλυση χωρικής αυτοσυσχέτισης (Moran’s I and Local Moran statistics; LISA). Ο χάρτης cluster περιλαμβάνει 5 κατηγορίες: Στατιστικά μη σημαντικά (περιοχές με καθόλου ή πλασματική στατιστική σημαντικότητα), High-High (υψηλές τιμές περιβαλλόμενες από επίσης υψηλές τιμές), Low-Low (χαμηλές τιμές περιβαλλόμενες από επίσης χαμηλές τιμές), Low-High (χαμηλές τιμές περιβαλλόμενες από υψηλές τιμές) και High-Low (υψηλές τιμές περιβαλλόμενες από χαμηλές τιμές). Η επίδραση της υφής του εδάφους στη συγκέντρωση νιτρικών-αζώτου στα υπόγεια ύδατα παρατηρήθηκε απευθείας από τις τιμές ανάκλασης μέσω τηλεπισκόπησης. Βρέθηκε ότι η συγκέντρωση νιτρικών-αζώτου στο πηλώδες έδαφος στις καλλιέργειες ζαχαρότευτλων (I = 0.0054, p < 0.05) ήταν χαμηλότερη από ότι στο αργιλώδες έδαφος στους ορυζώνες (I = 0.0305, p < 0.05), αφού οι αγρότες χρησιμοποιούν μεγαλύτερες ποσότητες λιπασμάτων στην καλλιέργεια ρυζιού. Η υψηλή συγκέντρωση νιτρικών και αζώτου στις αστικές περιοχές υποδεικνύει πως υπάρχουν και άλλες πηγές ρυπαντών. Άρα, υπάρχει ανάγκη περαιτέρω έρευνας ώστε να βρεθούν οι πηγές αυτές.

Συμβολή της Τηλεπισκόπησης

Το κύριο πλεονέκτημα της Τηλεπισκόπησης είναι ότι μπορούν να γίνουν μετρήσεις σε διάφορες χρονικές στιγμές. Όμως, η παρατήρηση αφορά κυρίως την επιφάνεια της Γης. Υπάρχουν, επίσης, υπόγειες εφαρμογές της τηλεπισκόπησης σε τομείς όπως η γεωλογία, η υδρογεωλογία, η ορυκτολογία κ.λπ. Επομένως, θα πρέπει να υπάρχει σύνδεση μεταξύ των επιφανειακών παρατηρήσεων και των υπογείων φαινομένων. Στην παρούσα εργασία οι παρατηρήσεις αυτές έχουν συνδυαστεί ώστε να μελετηθεί η περιεκτικότητα σε νιτρικά άλατα στα υπόγεια ύδατα.