Investigating the succession process of native desert plants over hydrocarbon-contaminated soils using remote sensing techniques

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 16:40, 14 Μαρτίου 2023

Εικόνα 1: Περιοχή μελέτης – (Α) τρία κοιτάσματα πετρελαίου στην Πολιτεία του Κουβέιτ με τρεις τύπους εδαφών μολυσμένων από υδρογονάνθρακες, (Β) λίμνες υγρού πετρελαίου, (Γ) λίμνες ξηρού πετρελαίου και(Δ) tarcrete).

Εικόνα 2: Η μεθοδολογία της μελέτης αποτελείται από τρία κύρια στάδια: ανάλυση τηλεπισκόπησης (RS) με χρήση φασματικών δεικτών (Δείκτης Σιδήρου (FI), Κανονική Διαφορά Νερό Δείκτης (NDWI) και Δείκτης Κανονικής Διαφοράς Βλάστησης (NDVI)). GIS: Ανάλυση Συστήματος Γεωγραφικών Πληροφοριών. και στατιστική ανάλυση.

Εικόνα 3: Χωροχρονική δυναμική των κατηγοριών μόλυνσης από πετρέλαιο (μόλυνση από πετρέλαιο, λίμνες υγρού πετρελαίου, βλάστηση και γυμνό έδαφος) από το 1992 έως το 2020 στο Κουβέιτ. ένα) Πετρέλαιο Burgan, β) Πετρέλαιο Bahra, γ) Πετρέλαιο Umm Gudair, δ) Μεταβατικά στρώματα μόλυνσης του εδάφους για τις τοποθεσίες που ερευνήθηκαν, που καλύπτουν το πρώτο έτος (1992) και το τελευταίο έτος (2020).

Εικόνα 4: Διαγράμματα κουτιού και μουστάκι που εμφανίζουν τη σχέση μεταξύ της μόλυνσης από υδρογονάνθρακες χρησιμοποιώντας τα εξαγόμενα τυχαία σημεία για τα εξεταζόμενα έτη (πετρέλαιο μόλυνση, λίμνες υγρού πετρελαίου και βλάστηση) σε διαφορετικές τοποθεσίες.

Εικόνα 5Στρώματα για τις περιοχές που ερευνήθηκαν, α) Κατηγορίες ρύπανσης του εδάφους, β) Μεγάλες ομάδες εδάφους, γ) κάλυψη βλάστησης συμπεριλαμβανομένων ετήσιων και πολυετών φυτών, και δ) Περιοχές βλάστησης.

Εικόνα 6: Ανάπτυξη γηγενών φυτών της ερήμου σε εδάφη μολυσμένα από υδρογονάνθρακες. Τα (Α) και (Β) αντιπροσωπεύουν την ανάπτυξη ετήσιων και πολυετών φυτών πάνω από μολυντές από ταρκρέτα και (Γ) αντιπροσωπεύουν την ανάπτυξη ετήσιων φυτών γύρω από μια λίμνη ξηρού ελαίου.

ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΔΙΑΔΟΧΗΣ ΤΩΝ ΑΥΤΟΦΥΩΝ ΦΥΤΩΝ ΤΗΣ ΕΡΗΜΟΥ ΜΕ ΕΔΑΦΗ ΜΟΛΥΣΜΕΝΑ ΑΠΟ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ

ΤΙΤΛΟΣ: Investigating the succession process of native desert plants over hydrocarbon-contaminated soils using remote sensing techniques.

ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ: Meshal Abdullaha,b,d,* , Zahraa Al-Ali c , Ammar Abulibdehc , Midhun Mohane , Shruthi Srinivasanf , Talal Al-Awadhia

ΠΗΓΗ: https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.114955 1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι υδρογονάνθρακες είναι μια κοινή αιτία μόλυνσης του εδάφους και είναι επιβλαβείς για τις κοινότητες βλάστησης. Πιστεύουμε ότι η εξέταση των ετήσιων φυτών είναι κρίσιμης σημασίας για τον σχεδιασμό αποκατάστασης και αναβλάστησης, επειδή διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην υποστήριξη της ανάπτυξης πολυετών φυτών καθώς έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν ένα μεγάλο ποσό νερού και έχουν υψηλότερη περιεκτικότητα σε οργανική ουσία και πρόσφορο για την πρόσληψη των φυτών, παρέχοντας υψηλότερη βιομάζα για τα πολυετή φυτά (Abdullah et al., 2021a; Abdullah et al., 2021bΗ κατανόηση των παραγόντων που επηρεάζουν τα αυτοφυή φυτά της ερήμου θα επιτρέψει στους λήπτες αποφάσεων να αξιολογήσουν τοποθεσίες που είναι πιο κατάλληλες για την επαναβλάστηση των γηγενών φυτών σε μεγάλη κλίμακα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο που αναπτύχθηκε σε αυτή τη μελέτη. 2.1. Περιοχή μελέτης Η μελέτη διεξήχθη σε τρία κοιτάσματα πετρελαίου στην πολιτεία του Κουβέιτ: τα κοιτάσματα πετρελαίου Umm Gudair (252 km2), Sabriyah-Bahrah (428 km2) και Burgan (568 M. Abdullah et al.Environmental Research 219 (2023) 1149553km2) (Εικ. 1). Τα αυτοφυή φυτά μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες: πολυετή και ετήσια. Υπάρχουν οκτώ κύρια πολυετή φυτά που παρουσιάζονται στο Κουβέιτ, συμπεριλαμβανομένων των Haloxylon, Rhanterietum, Cyperetum, Stipagrostietum, Zygophyllum, Centropodietum, Halophyletum και Panicetum (Halwagy and Halwagy, 1974· Omar and Zaman, 2000). Σύμφωνα με τον χάρτη βλάστησης του Κουβέιτ, στην περιοχή μελέτης βρέθηκαν τέσσερα πολυετή φυτά: Cyperus, Stipagrostis, Haloxylon και Rhanterium. 3. Μεθοδολογία Χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές τεχνικές με χρήση τηλεπισκόπησης, GIS και στατιστικής ανάλυσης για την επίτευξη των κύριων στόχων αυτής της μελέτης, τα ακόλουθα τρία κύρια στάδια (Εικ. 2): 1) με τη χρήση τεχνικών τηλεπισκόπησης για τον προσδιορισμό των χρονικών αλλαγών σε πετρελαιοειδή λίμνες. και βλάστηση. 2) εφαρμογή GIS τεχνικές για τον εντοπισμό των γηγενών φυτικών κοινοτήτων που μπορούν να αναπτυχθούν μόλυνση από υδρογονάνθρακες; και 3) κατανόηση των υδρογονανθράκων και απόκριση της βλάστησης σε περιβαλλοντικούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους και των κλιματικών παραγόντων (όπως βροχόπτωση, μέση θερμοκρασία, μέγιστη θερμοκρασία και ελάχιστη θερμοκρασία). 3.1. Συλλογή δεδομένων δορυφορικών εικόνων Οι πολυφασματικές εικόνες γεωαναφοράς ελήφθησαν από το Γεωλογικό Ινστιτούτο των Ηνωμένων Πολιτειών (USGS). Αυτές οι εικόνες ελήφθησαν από διαφορετικούς αισθητήρες Landsat (TM, ETM+ και OLI) από το 1992 έως το 2002 και από το 2013 έως το 2020 (Πίνακας 1). Συνολικά αποκτήθηκαν 76 εικόνες για να καλύψουν τις τρεις εξεταζόμενες τοποθεσίες (Burgan, Bahra και Umm Gudair) κατά τη διάρκεια της άνοιξης (Μάρτιος) και του καλοκαιριού (Ιούνιος). 3.2. Δείκτες μόλυνσης βλάστησης και ελαίου 3.2.1. Αξιολόγηση της Χωροχρονικής Δυναμικής των Υδρογονανθράκων και Βλάστηση εντός των εξεταζόμενων ετών (1992–2002 και 2013–2020) Οι δείκτες που υπολογίστηκαν στην προηγούμενη ενότητα εφαρμόστηκαν για την ταξινόμηση διαφορετικών τύπων ρύπανσης του εδάφους και κάλυψης βλάστησης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ταξινόμησης Μηχανής Διανυσμάτων Υποστήριξης (SVM). Στη συνέχεια, ο αριθμός των εικονοστοιχείων για κάθε τάξη μεταφέρθηκε σε ένα υπολογιστικό φύλλο του Excel για τον υπολογισμό της ποσοστιαίας κάλυψης στις περιοχές μελέτης για την κατανόηση των αλλαγών με τα χρόνια. Χρησιμοποιήσαμε επίσης το μονόδρομο τεστ ANOVA και τις post-hoc δοκιμές Tukey HSD χρησιμοποιώντας το λογισμικό JMP11™ για να προσδιορίσουμε την ύπαρξη σημαντικής διαφοράς μεταξύ των τριών περιοχών μελέτης όσον αφορά τις λίμνες υγρού πετρελαίου, τα ταρκρέτα πετρελαίου (συμπεριλαμβανομένων των ξηρών λιμνών και του tarcrete) , και φυτική κάλυψη. 3.3. Απόκριση των αυτοφυών φυτών της ερήμου σε μολυσμένα από υδρογονάνθρακες εδάφη Κατανοήστε την απόκριση των γηγενών φυτών της ερήμου σε μολυσμένα εδάφη, υπολογίσαμε την ποσοστιαία μεταβολή στη βλάστηση σε σχέση με τους διαφορετικούς τύπους μόλυνσης του εδάφους, συμπεριλαμβανομένου του ελαιολάδου και του πετρελαίου λίμνες, στις τρεις θέσεις μελέτης. Χρησιμοποιήσαμε τις ταξινομημένες εικόνες για να προσδιορίσουμε την περιοχή (km2) για κάθε τάξη χρησιμοποιώντας το ArcMap (ESRI, Redlands, CA, USA, 10.7.1). Παρατηρήσαμε επίσης αλλαγές στο ποσοστό κάλυψης βλάστησης τόσο για τα ετήσια όσο και για τα πολυετή φυτά πάνω από τα μολυσμένα (έλαιο tarcrete και λίμνες πετρελαίου) και μη μολυσμένα εδάφη. Τέλος, εξάγαμε συνολικά 350 τυχαία σημεία εντός των τάξεων και εκτελέσαμε σταδιακή ανάλυση παλινδρόμησης χρησιμοποιώντας το λογισμικό JMP11™ για να μελετήσουμε τη σχέση μεταξύ πολυετών και ετήσιων φυτών και διαφορετικών τύπων μόλυνσης από λάδι. Η σταδιακή ανάλυση παλινδρόμησης χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη ενός μοντέλου που ενσωματώνει όλες τις ανεξάρτητες μεταβλητές προσθέτοντας πιθανές περιγραφικές μεταβλητές διαδοχικά και ελέγχοντας τις στατιστική σημασία μετά από κάθε επανάληψη. 3.4. Ανταπόκριση των αυτοφυών φυτών της ερήμου σε κλιματικούς παράγοντες Σε αυτή την εργασία, εστιάσαμε στην ανάλυση των επιπτώσεων των κλιματικών παραγόντων στη μόλυνση του εδάφους για τους τρεις τύπους μόλυνσης από πετρέλαιο και την κατανομή της κάλυψης της βλάστησης. Σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν μηνιαία κλιματικά δεδομένα, συμπεριλαμβανομένων των βροχοπτώσεων, της μέσης θερμοκρασίας, της μέγιστης θερμοκρασίας και της ελάχιστης θερμοκρασίας. Τα μετεωρολογικά δεδομένα ελήφθησαν από τον μετεωρολογικό σταθμό του αεροδρομίου του Κουβέιτ από το 1992 έως 2020. Η μελέτη μας εξέτασε την περίοδο των βροχών που εκτείνεται από τον Σεπτέμβριο έως τον Οκτώβριο. Αυτό είναι σημαντικό επειδή η περίοδος βλάστησης της αυτοφυούς βλάστησης της ερήμου στις περιοχές μελέτης (που εμφανίζεται μεταξύ Ιανουαρίου και Μαρτίου) εξαρτάται κυρίως από τις βροχοπτώσεις που σημειώνονται μεταξύ Σεπτεμβρίου και Οκτωβρίου (Abdullah et al., 2022). Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μια σταδιακή ανάλυση παλινδρόμησης χρησιμοποιώντας το λογισμικό JMP για να μελετηθεί η σχέση μεταξύ των κλιματικών μεταβλητών και των αλλαγών στη μόλυνση από πετρέλαιο και τη βλάστηση κατά τη δ 4. Αποτελέσματα 4.1. Χωροχρονική δυναμική υδρογονανθράκων και βλάστηση (1992–2002 και 2013–2020) Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των δεικτών σιδήρου (Fe2+) και NDVI, οι τοποθεσίες μελέτης ταξινομήθηκαν σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: μόλυνση από πετρέλαιο (λίμνες ξηρού πετρελαίου και tarcrete), λίμνες υγρού πετρελαίου, γυμνό έδαφος και βλάστηση κάλυμμα. Παρατηρήθηκε ότι η χωροχρονική κατανομή αυτών οι τάξεις διέφεραν σημαντικά κατά τα εξεταζόμενα έτη (1992–2020) (Εικ. 3). Ωστόσο, υπήρξε μια ελαφρά κάλυψη μόλυνσης από πετρέλαιο (3%) παρατηρήθηκε στην τοποθεσία Umm Gudair το έτος 1992, η οποία εξαφανίστηκε τα επόμενα χρόνια (Εικ. 3γ). Τα αποτελέσματα των μονόδρομων δοκιμών ANOVA και post-hoc Tukey HSD (Εικ. 4) έδειξε σημαντικές διαφορές (p < 0,0001) μεταξύ των διαφόρων κατηγοριών πετρελαίου στις τρεις εξεταζόμενες τοποθεσίες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μολυσμένες με πετρέλαιο και οι λίμνες πετρελαίου διέφεραν σημαντικά μεταξύ των τοποθεσιών Burgan και Umm Gudair (p <0,0001) και μεταξύ των τοποθεσιών Bahra και Umm Gudair (p = 0,0026) (Εικ. 4). 4.2. Επίδραση των κλιματικών μεταβλητών στη μόλυνση από πετρέλαιο, τις λίμνες πετρελαίου και Βλάστηση Στην περίπτωσή μας, μεταξύ των μεταβλητών που μελετήθηκαν, μόνο η μέγιστη θερμοκρασία (~40 ◦C) έπαιξε ζωτικό ρόλο σε περιοχές μολυσμένες με πετρέλαιο (p < 0,05). Παρατηρήθηκε σημαντική σχέση μεταξύ των κλιματικών μεταβλητών και των λιμνών πετρελαίου. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η ετήσια θερμοκρασία ποικίλλει ευρέως κατά τη διάρκεια των ετών. η μέγιστη θερμοκρασία κυμαινόταν μεταξύ ~37 ◦C και ~41 ◦C (μέση τιμή ~39 ◦C), η μέση θερμοκρασία κυμαινόταν μεταξύ ~25 ◦C και ~28 ◦C (μέση τιμή ~ 26,5 ◦C), και η ελάχιστη θερμοκρασία κυμαινόταν μεταξύ ~12 ◦C και ~15 ◦C (μέση τιμή ~14 ◦C). Αντίθετα, διαπιστώθηκε ότι η βλάστηση συνδέθηκε σημαντικά με την ετήσια διακύμανση βροχοπτώσεων, μέση θερμοκρασία (~25 ◦C) και ελάχιστη θερμοκρασία (~12 ◦C) (p < 0,05). 4.3. Επίδραση των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους στη φυτική κάλυψη Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι οι τύποι βλάστησης στις έξι ομάδες εδάφους ήταν απλοασβεστώδη, πετροασβεστοειδή, ασβεστόξυλα, ασβεστογυψίδια, πετρογυψίδια και απλογυψίδια. Η κάλυψη της ετήσιας βλάστησης σε διαφορετικές εδαφικές ομάδες ήταν της τάξης του 38-70% (με μέση τιμή 55,26%). Παρατηρήθηκε ότι η κατανομή της ετήσιας φυτικής κάλυψης (%) ήταν κυρίαρχη σε πετρογυψίδες (70,74%), πετροασβεστόβια (61,56%), απλογυψίδια (57,6%), ασβεστόξυλα (53,72%), απλοασβεστίδια (49,75%) και τορρίψαμμα (382). %). Αντίθετα, το Η κατανομή των πολυετών φυτικών κοινοτήτων χαρακτηρίστηκε από ένα αμελητέο ποσοστό σε όλες τις εδαφικές ομάδες που δοκιμάστηκαν (0 20%). 4.4. Επίδραση των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους στην απόκριση ετήσιων και πολυετών φυτών Αναλύσαμε τις φυσικές ιδιότητες του εδάφους όπου τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα ετήσια φυτά ήταν σε θέση να αναπτυχθούν στις περισσότερες από τις ομάδες εδάφους στις περιοχές μελέτης (Εικ. 5). Ο σημαντικότερος αριθμός ετήσιων φυτών βρέθηκε να αναπτύσσεται σε μολυσμένα από λάδια εδάφη καλυμμένα με στρώμα καθαρού εδάφους (23%). Ωστόσο, ένα χαμηλότερο ποσοστό των ετήσιων φυτών μπόρεσε να αναπτύξει ρίζες απευθείας από τη μόλυνση του ελαίου, καθώς τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το 4,2% των ετήσιων φυτών αναπτύσσεται άμεσα έναντι της μόλυνσης από λάδι (4,2%) και το 4,5% των ετήσιων φυτών πάνω από μολυσμένα εδάφη με πετροκαλοξείδια. Η κατανομή των πολυετών φυτών διέφερε ανάλογα με τον τύπο του εδάφους(Εικ. 5). 5. Συζήτηση Τα αποτελέσματά μας παρέχουν στοιχεία ότι τα αυτοφυή φυτά της ερήμου μπορούν να αναπτυχθούν περισσότερο αποτελεσματικά σε ορισμένους τύπους εδαφών μολυσμένων από υδρογονάνθρακες. Τα ετήσια φυτά θα μπορούσαν είναι επίσης πιο κατάλληλο για ανάπτυξη σε στρώματα εδάφους που καλύπτουν μόλυνση από πετρέλαιο λόγω των μικροσκοπικών ριζικών συστημάτων, σε αντίθεση με τα πολυετή φυτά που μπορούσαν να αναπτυχθούν πάνω από τη μόλυνση του λαδιού λόγω μακρύτερων και βαθύτερων ριζικών συστημάτων, φθάνοντας >3 m (Kirschner et al., 2021) (βλ. Εικ. 6). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης, αναμένουμε τη διαδοχή διαδικασία επιβίωσης και ανάπτυξης της βλάστησης σε μολυσμένα εδάφημε τρία βασικά σενάρια. 6. Συμπέρασμα Η εργασία μας απέδειξε τη δύναμη της ολοκληρωμένης μεθόδου που χρησιμοποιεί τεχνικές τηλεπισκόπησης για να βελτιώσουμε την κατανόησή μας για τη βλάστηση ανάκτηση σε εδάφη μολυσμένα με υδρογονάνθρακες για μια σχετικά μεγάλη περιοχή όταν υπάρχουν περιορισμένα ιστορικά δεδομένα διαθέσιμα για αναφορά. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι ορισμένα αυτοφυή φυτά της ερήμου μπορούν να αναπτυχθούν κάτω από μόλυνση του εδάφους από υδρογονάνθρακα. Οι μελλοντικές μελέτες θα πρέπει να επικεντρωθούν στην εξήγηση του ρόλος των μονοετών φυτών και πώς αλληλεπιδρούν με πολυετή φυτά. Εμείς πιστεύουν επίσης ότι η χρήση UAV σε μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να προσφέρει περισσότερα λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με την ανάκτηση γηγενών φυτών της ερήμου λόγω της πολύ υψηλής χωρικής τους ανάλυσης.