بررسی تاثیرکاربری کشاورزی بر میزان غلظت نیترات در منابع آب زیرزمینی با استفاده از مدلسازی ریاضی براساس معادلات رگرسیونی (مطالعه موردی: دشت ری)

مقاله پژوهشی

پایداری، توسعه و محیط زیست، دوره سوم، شماره 3، پاییز 1401، صص1-14

بررسی تاثیرکاربری کشاورزی بر میزان غلظت نیترات در منابع آب زیرزمینی با استفاده از مدلسازی ریاضی براساس معادلات رگرسیونی (مطالعه موردی: دشت ری)

پگاه محمدپور^[1]

رضا ارجمندی^*[2]

hrezaarjmandi@gmail.com

امیرحسام حسنی^[3]

جمال قدوسی^[4]

چکیده

زمینه و هدف: ارتباط تغیرات مساحت کاربری کشاورزی و میزان کود شیمیایی مصرفی با تغیرات غلظت نیترات منابع آب زیرزمینی یکی از روش‏های مستقیم تأثیرات کاربری کشاورزی بر وضعیت غلظت نیترات وآلودگی آب‏های زیرزمینی درهر منطقه‏ای است که می‏تواند مدیران را در مدیریت مناسب منابع آب زیرزمینی یاری نماید. هدف از این پژوهش بررسی رابطه تغیرات مساحت کاربری کشاورزی وکودشیمیایی مصرفی بر میزان افزایش غلظت نیترات درمنابع آب زیرزمینی در دشت ری می‏باشد.

روش بررسی: دراین مطالعه برای پایش تغییرات کاربری اراضی از تصاویر ماهواره‏ای لندست 5 و8 برای سال‏های 1387، 1390، 1393، 1396 و 1399 استفاده گردید. پس از پردازش تصاویر، مساحت اراضی کشاورزی مورد محاسبه قرارگرفت. با توجه به آمار بدست آمده ازمیزان کود شیمیایی مصرفی و نتایج کیفی آزمایشگاهی تغییرات غلظت نیترات، بررسی اثرات این عوامل برروی یکدیگر ویافتن روابط ریاضی بین متغیرها با روش همبستگی پیرسون ورگرسیون خطی موردآزمون قرارگرفت.

یافته‏ها: نتایج نشان می‏دهد که طی دوره مورد بررسی اراضی با کاربری کشاورزی افزایش و اراضی بایرکاهش یافته است. میزان مصرف کود شیمیایی نیز روند افزایشی داشته است. میزان غلظت نیترات منابع آب زیرزمینی بیانگر این مطلب است که طی دوره مورد بررسی، غلظت نیترات درچاه‏های آب زیرزمینی افزایش یافته است. تحلیل ضریب همبستگی نیز نشان داد که در سطح خطای یک درصد (سطح اطمینان 99 درصد) رابطه معنی‏داری بین میزان غلظت نیترات آب زیرزمینی با مساحت اراضی کاربری کشاورزی وحجم کودمصرفی وجود دارد. بدین‏ معنی که هر چقدر مساحت کاربری کشاورزی ومیزان کودشیمیایی افزایش یابد میزان غلظت نیترات منابع آب زیرزمینی نیز افزایش می‏یابد. درمدل رگرسیونی ارائه شده مقدار مربع (R²) پذیرفته شده برابربا 993/0 است و بیانگر ارتباط نسبتاً قوی بین متغیر وابسته (میزان غلظت نیترات آب در منابع آب زیرزمینی) با متغیرهای مستقل (مساحت کاربری کشاورزی و میزان کود شیمیایی مصرفی) می‏باشد.

بحث و نتیجه‏گیری: نتایج حاکی از آن است که با افزایش وسعت اراضی کشاورزی میزان مصرف کودشیمیایی درمنطقه تحقیق افزایش یافته و به علت فرایندآبشویی نیترات ازسطح خاک، میزان غلظت نیترات در منابع آب‏ زیرزمینی روند افزایشی داشته است، که این مساله یکی ازدلایل مهم افزایش غلظت نیترات در چاه‏های مطالعاتی می‏باشد.

کلمات کلیدی: کاربری کشاورزی، کودشیمیایی، غلظت نیترات، ضریب همبستگی پیرسون، رگرسیون خطی

1. Sus. Dev. & Env., Vol 3, No.3, Autumn 2022, pp. 1-14

Investigating the effect of agricultural use on nitrate concentration in underground water sources using mathematical modeling based on regression equations (case study: Ray Plain)

Pegah Mohammadpour^[5]

Reza Arjmandi ^[6]*

hrezaarjmandi@gmail.com

Amirhessam Hassani ^[7]

Jamal Ghodusi ^[8]

Abstract

Background and Objective: Relationship between agricultural use area and fertilizer consumed with changes in groundwater nitrate concentrations is one of the direct methods of agricultural use on nitrate concentration and groundwater inflammation in each region that can manage managers in proper management. Help ground water resources. The purpose of this study was to investigate the relationship between changes in agricultural and chemical area of consumed on the increase in nitrate concentrations in groundwater sources in Ray plain.

Research method: In this study, Landsat 5 and 8 satellite images for the years 2008, 2011, 2014, 2017 and 2020 were used to monitor land use changes. After processing the images, the area of agricultural land was calculated. According to the statistics obtained from the amount of chemical fertilizer consumed and the qualitative laboratory results of nitrate concentration changes, the effects of these factors on each other and the mathematical relationships between the variables were tested with the Pearson correlation and linear regression method.

Findings: The results show that during the investigated period, agricultural land has increased and barren land has decreased. The consumption of chemical fertilizers has also increased. The level of nitrate concentration of underground water sources shows that during the period under review, the concentration of nitrate in underground water wells has increased. The analysis of the correlation coefficient also showed that at the error level of 1% (99% confidence level) there is a significant relationship between the concentration of nitrates in underground water with the area of agricultural land and the amount of fertilizer used. This means that as the area of agricultural use and the amount of chemical fertilizers increase, the concentration of nitrates in underground water resources also increases. In the presented regression model, the accepted square value (R2) is equal to 0.993 and it indicates a relatively strong relationship between the dependent variable (water nitrate concentration in underground water sources) and the independent variables (agricultural area and the amount of chemical fertilizer used).

Discussion and Conclusion: The results indicate that with the increase in the area of agricultural land, the consumption of chemical fertilizers has increased in the research area, and due to the nitrate leaching process from the soil surface, the nitrate concentration in underground water sources has increased, which is one of the important reasons for the increase in nitrate concentration in the study wells.

Keywords: Agricultural use, chemical fertilizers, nitrate concentration, Pearson correlation coefficient, linear regression

مقدمه

مدیریت منابع آب در سال‏های اخیر از موضوعی فرعی به مسئله‏‏ای محوری و مهم تبدیل شده است، در واقع مدیریت آب براساس درک منابع آب به عنوان بخش جدایی‏ ناپذیر زیست‏بوم و کالایی اقتصادی اجتماعی مورد توجه قرارگرفته است. در حال حاضر مهاجرت زیرسطحی، رواناب‏ها، کودهای کشاورزی مورد استفاده در مزارع و سایر اشکال آلودگی به‏عنوان پیامدهای زیست‏محیطی جدی شناخته شده است. حفاظت از منابع آب زیرزمینی بسیار آسان‏تر و کم هزینه‏تر از تصفیه و پالایش و احیای آنها می‏باشد (1).

مهم‏ترین مشکلی که امروزه آب‏های زیرزمینی را تهدید می‏کند، آلوده شدن آنها است. یکی از مهم‏ترین نکات در کنترل و پیشگیری از آلودگی، شناسایی عوامل و منابع آلودگی، شناسایی مناطق بحرانی آلوده ‏شده و جهت حرکت آلودگی است، تا بتوان به کمک این اطلاعات، گام‏های مؤثری در جهت حفظ و بالا بردن کیفیت آب زیرزمینی انجام داد. از جمله مواردی که به عنوان یک عامل اکولوژیک و اجتماعی- اقتصادی در کاهش و تغییر کیفیت آب از نظر فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیک موثر می‏باشد، تغییر کاربری اراضی است.

منظور از کاربری زمین، فعالیتی است که انسان با هدف استفاده ازمنابع طبیعی، سبب رشد و توسعه اقتصادی -اجتماعی خود شده و در عین حا ل، ساختارها و فرآیندهای حاکم بر محیط زیست را تغییر می‏دهد (2).

نقشه‏های کاربری اراضی که در آن نوع والگوی مکانی استفاده از سرزمین مشخص شده است برای برنامه‏ریزی در سطح محلی و منطقه‏ای حایز اهمیت هستند. در این خصوص برای تهیه نقشه‏های کاربری اراضی بروز، استفاده از روش‏های سنتی مانند نقشه برداری زمینی عموما وقت‏گیر و پرهزینه می‏باشند. به همین دلیل امروزه استفاده از فناوری سنجش از دور و بکارگیری تصاویر ماهواره‏ای به دلایلی مانند صرفه‏جویی در زمان، کاهش هزینه‏ها نسبت به روش سنتی، بروز بودن اطلاعات، افزایش دقت و سرعت می‏تواند در شناسایی محیط و شناخت و استخراج کاربری‏های آن درجهت تصمیم‏گیری برای برنامه‏ریزی‏ها، کارآمد و مفید باشد (3).

آلودگی منابع آب زیرزمینی به نیترات در حال حاضر یکی از مهمترین مسایل زیست‏محیطی در بسیاری از نقاط دنیا می‏باشد که به صورت طبیعی و یا بر اثر فعالیت‏های بشر در کاربری‏های کشاورزی ایجاد می‏شود. نیترات از طریق فرآیند آبشویی می‏تواند منشاء آلودگی منابع آب زیرزمینی باشد. وجود مقادیر بیش از حد نیترات در آب مصرفی برای انسان و دام خطرناک بوده و این آلاینده باعث محدودیت در استفاده مستقیم از منابع آب زیرزمینی برای مصرف بشر در بسیاری از نقاط جهان مانند ایالات متحده، بریتانیا، عربستان سعودی، هندوستان، چین، ژاپن و چندین بخش از اروپا گردیده است (4). نیتروژن پرمصرف‏ترین عنصر مورد نیاز گیاه است که در کشاورزی از آن به مقدار زیاد استفاده می‏شود. استفاده بی‏رویه از کودهای نیتروژنی علاوه بر جذب توسط گیاهان باعث آلودگی آب‏های زیرزمینی می‏گردد (5). در خصوص تغییرات کاربری ‏اراضی و استفاده ازکودهای شیمیایی بر کیفیت منابع آب زیرزمینی مطالعات متعددی انجام شده است که در ذیل به برخی ازآنها اشاره می‏کنیم:

برکا و همکاران (2001) در مقاله مروری بیان کردند، نیتروژن ماده مغذی گیاهی بسیار مهم برای محصولات کشاورزی است که در خاک به مقدار معینی وجود دارد. کودهای گیاهی وشیمیایی در سیستم‏های کشاورزی به منظور افزایش مقدارنیتروژن موجود برای رشد گیاهان مورد استفاده قرار می‏گیرند. هرچند که استفاده بیش ازحد از آن موجب رشد محصولات بیشتری می‏شود اما باعث ورود نیتروژن بیشتری ازمزارع به آب‏های زیرزمینی وآب‏های سطحی می‏گردد. No₃- بسیار قابل حل است و معمول‏ترین شکل نیتروژن می‏باشد که ازمناطق اصلی آبشویی می‏شود به‏همین دلیل آب‏های زیرزمینی و سطحی تحت تاثیر آن قرار می‏گیرند (6). فاریابی در سال 1399 در بررسی علت آلودگی منابع آب زیرزمینی به نیترات در دشت جیرفت و تویسرکان استفاده از کودهای شیمیایی و حیوانی را عامل مهم آلودگی ذکر نمود (7).

بوی رورا و همکاران در سال 2013، از یک مدل رگرسیون خطی چندگانه برای تعیین متغیرها در غلظت نیترات آب‏های زیرزمینی استفاده کرده اند. این مدل‏ها نشان دهنده این بود که میزان نیترات به عوامل ومتغیرهای کود، نوع آبخوان، میزان زه کشی خاک ودرصد آبیاری محصولات وابسته می‏باشد (8). چیکا و همکاران در سال 2014، با پیش بینی غلظت نیترات نشان داده‏اند که فرایند ورودی کود نیتروژن، از طریق خاک‏های دانه درشت به آبخوان انتقال می‏یابد وسبب آلودگی نیترات در آب‏های زیرزمینی می‏گردد (9). درتحقیقی توسط شفیعی در سال 1396 در دشت میاناب شوشتر مشخص شد در بخش شمال غربی منطقه غلظت نیترات به دلیل فعالیت‏های زیاد کشاورزی و استفاده بیشتر از کودهای شیمیایی و ازته بیش از میزان استاندارد بوده است و در ماه‏های تیر و شهریور غلظت نیترات بیشترین حد را دارا بوده است (10). در مقاله مروری که توسط احمدی قادیکلائی در سال1397 انجام پذیرفت از عمده‏ترین دلایل احتمالی افزایش غلظت نیترات در چاه‏های آب شرب می‏توان به افزایش مصرف و استفاده نادرست کودهای شیمیایی و حیوانی در مزارع کشاورزی و آبشویی در طی غرقاب کردن زمین‏های کشاورزی و بارندگی‏های فصلی و در نهایت راه‏یابی نیترات به منابع آب زیرزمینی اشاره کرد. فاضلآب‏های پراکنده، تلنبار زباله‏ها در محل‏های تاثیرپذیر، محل‏های دفن غیربهداشتی مواد زائد شهری، بهسازی نبودن دهانه و اطراف چاه‏ها نیز می‏توانند از دیگر عوامل تاثیرگذار بر روند افزایش غلظت نیترات و نیتریت در چاه‏های آب شرب مورد بررسی باشند (11).

در تحقیقی که در سال 2016 توسط بویوکی و همکاران در منطقه قونیه ترکیه انجام پذیرفت مشخص شد که 70 درصد چاه‏های منطقه که توسط موسسات خصوصی یا دولتی اداره می‏شوند دارای سطح NO^-₃ بالاتر از mg/l10 هستند. این مساله نشان دهنده یک منبع آلودگی انسانی بوده و مشخص گردیده که نیترات تعیین شده در آب‏های زیرزمینی از مواد شیمیایی کشاورزی منشاء می‏گیرد. میانگین سطح NO^-₃ آب‏های زیرزمینی به‏دلیل مصرف بیش از حد کودهای شیمیایی به همراه آبیاری 12-15 ساعت در هر بار مصرف از ماه می ‏تا اگوست در مزارع ذرت احتمال بالای شسته شدن کود به سفره آب زیرزمینی را داشته است. در فصول آبیاری 4/83 کیلوگرم N/h NO^-₃ درمزارع منطقه استفاده گردیده است (12).

نصرآبادی و همکاران در سال 1396 با بررسی بیش از 30 مقاله مروری در ایران و جهان دریافتند، نیتروژن، عنصری بسیار مهم برای محصولات کشاورزی می‏باشد که در خاک به مقدار کمی وجود دارد. کودهای شیمیایی به‏منظور افزایش مقدار نیتروژن موجود برای رشد گیاهان در تمام نقاط جهان مورد استفاده قرار می‏گیرند. هر چند که استفاده بیش ازحد از آن موجب رشد بیشتر محصولات می‏شود اما ورود نیتروژن در قالب یون نیترات را به آب‏های زیرزمینی و آب‏های سطحی سرعت بخشیده و باعث آلودگی آب‏ها می‏گردد. (13).

بیجای و همکاران در سال 2021 با بررسی مقاله‏های مروری دریافتند در دهه 1980 مصرف کودهای کشاورزی نیتروژنه در کشورهای آمریکای شمالی و اروپا در صنایع صنعتی متداول بود ولی پس از سال 1990 روند معکوس گردید و کشورهای در حال توسعه بیشتر به کودهای شیمیایی روی آوردند به گونه‏ایی که آلودگی نیترات به دلیل استفاده از کودهای شیمیایی در آب‏های شیرین در شرق و جنوب آسیا کاملا قابل مشاهده می‏باشد (14). در مقاله مروری که توسط آباسکال و همکاران در سال 2022 تهیه گردید مشخص شد حضور نیترات درآب‏های زیرزمینی به طور مداوم درحال افزایش است ودرنتیجه اقدامات فوری برای جلوگیری ازانتشاراین آلاینده موردنیازمی باشد. درآسیا علت عمده آلودگی به نیترات ناشی از فعالیت‏های کشاورزی به علت مصرف کودها و سموم دفع آفات و نفوذ نیترات در فصل بارندگی‏ها و وضعیت ضعیف سپتیک تانک‏ها می‏باشد. در آمریکا علت اصلی آلودگی سفره‏های آب زیرزمینی به نیترات به علت مصرف کودها و ورود فاضلاب به منابع می‏باشد. در اروپا محل‏های دفن زباله، فعالیت‏های صنعتی و فاضلاب سهم برجسته‏ایی در وجود نیترات در منابع آب زیرزمینی دارند. در آفریقا به جز دلایل کشاورزی عدم وجود سپتیک تانک‏ها به علت فقر جوامع از عوامل اصلی آلودگی منابع آب زیرزمینی به نیترات می‏باشد (15).

رشد جمعیت منجربه افزایش فشار بر عرصه‏های طبیعی و بهره‏برداری‏های غیراصولی و تغییر کاربری‏ها شده است (16). بررسی وضعیت تغییر کاربری ‏اراضی و پوشش‏گیاهی در دشت ری، گویای این مطلب است که مهم‏ترین عامل این تغییرات در منطقه، فعالیت‏های انسانی است که موجب تغییرات بسیاری در کاربری اراضی شده است و شاهد افزایش تبدیل و جایگزینی مراتع با اراضی کشاورزی هستیم.

موقعیت  مکانی منطقه تحقیق

محدوده مورد مطالعه بخشی ازدشت ری با وسعتی حدود 30446 هکتارمی باشد، دشت ری از شمال به تهران، از جنوب به استان قم، از شرق به شهرستان ورامین و شهرستان پاکدشت، از غرب به شهرستان‏های اسلامشهر و رباط‏کریم محدود می‏شود. منطقه تحقیق بخشی از حوضه فلات مرکزی را شامل می‏باشد که از نقطه نظر تقسیم‏بندی هیدرولوژیکی حوضه‏های آبریز کشور در حوضه آبریز دریاچه نمک قرار گرفته است و از نظر آب و هوایی دارای اقلیم نیمه خشک تا خشک مدیترانه‏ایی می‏باشد (شکل 1).

روش پژوهش

جهت بررسی تغییرات نیترات در منابع آب زیرزمینی میزان غلظت نیترات تعداد30حلقه چاه از سال 1387 تا 1399 که در موقعیت یکسانی ازلحاظ اقلیم، مشخصات ژئومورفولوژی، مشخصات خاک، واحدهای اراضی، شیب زمین، کاربری اراضی قرارداشتند موردتحقیق و بررسی قرار گرفتند جدول 1 و شکل‏های 3 و 2 موقعیت قرارگیری چاه‏ها را نشان می‏دهند.

شکل 1- موقعیت مکانی منطقه تحقیق

Figure 1- Geographical location of study area

جدول 1-  خصوصیات مکانی چاه‏های مطالعاتی (منبع: مرکز تحقیقات آب و خاک کرج)

Table 1- Spatial characteristics of study wells (Source: Karaj Water and Soil Research Center)

به جهت مشخص کردن تغییرات کاربری اراضی از تصاویر ماهواره‏ای لندست استفاده شده است. تصاویر ماهواره‏ای ازسایت سازمان زمین‏شناسی ایالات متحده آمریکا (USGS)¹ دانلود گردید. تصاویر ارائه شده توسط ماهواره لندست 5 و 8 برای سال‏های 1387، 1390، 1393، 1396 و 1399 جهت شناسایی کاربری اراضی مورد استفاده قرار گرفت. یک تصویر در شماره گذر (مسیر) 164 و شماره ردیف 35 منطقه تحقیق را در بر می‏گیرد. داده‏های تصاویر طوری انتخاب شدند که تاحد امکان دارای فصل مشابه از نظر پوشش گیاهی باشند با انجام تصحیحات اتمسفری مورد نیاز، بر اساس ورودی‏های مدل (FLAASH)² و تایید زمین مرجع بودن تصاویر با استفاده از روش تصویر‏- ‏وکتور (همه تصاویر اخذ شده دارای سیستم مختصات جهانی جغرافیایی مرکاتور معکوس و زون 39 می‏باشند) تصاویر با یکدیگر موزاییک و ادغام شدند و سپس بر اساس مرزهای محدوده مورد مطالعه تصاویر حاصل از مرحله قبل برش داده شده و به عنوان تصاویر نهایی برای انجام پژوهش انتخاب شدند. از آنجایی که هدف مطالعه‏، بررسی تغییرات کاربری اراضی دشت ری بود، تصاویر مورد نیاز به گونه‏ای از میان تصاویر در دسترس انتخاب شدند که دارای شرایط تشابه فصل از نظر پوشش گیاهی، نزدیک بودن تاریخ تصاویر از نظر ماه، حداکثر میزان سبز بودن گیاهان، درختان، زمین‏های کشاورزی ومزارع موجود در منطقه و دارای حداقل پوشش ابر باشند. همچنین جهت پردازش و رقومی‏سازی این تصاویر از نرم‏افزارهای ENVI5.3 که قابلیت بالایی در تحلیل سامانه اطلاعات جغرافیایی دارد و نرم‏افزار ArcGIS10.6 که برای تهیه نقشه‏های چند زمانه کاربری اراضی کاربرد دارد برای پهنه‏بندی الگوی تغییرات اراضی استفاده شده است. نقشه کاربری‏ اراضی برای سال‏های 1387، 1390، 1393، 1396 و 1399 در 4 کلاس کاربری اراضی شامل اراضی کشاورزی، بایر، مسکونی و صنعتی، مطابق شکل‏های (4) استخراج شد. بعد از تهیه و طبقه‏بندی کاربری اراضی، تعیین مساحت کلاس‏ها انجام و میزان تغییرات در محیط نرم‏افزار ARCGIS10.6 محاسبه گردید.

باتوجه به اهدف تحقیق که برررسی رابطه بین کاربری کشاورزی و میزان تغییرات نیترات در منابع آب زیرزمینی را شامل می‏شد میزان کود مصرفی به عنوان متغیر مستقل در بازه‏های زمانی 1387، 1390، 1396،1393 و 1399 با توجه به اطلاعات دریافتی ازسازمان جهادکشاورزی شهرری مشخص گردید.

به منظور بررسی رابطه میان پارامتر میزان غلظت نیترات در چاه‏های مطالعاتی با میزان تغییرات مساحت کاربری کشاورزی و میزان مصرف کودکشاورزی دربازه زمانی مطالعاتی همبستگی این پارامترها مورد بررسی قرارگرفت.

برای بررسی رابطه میزان غلظت نیترات در چاه‏های مطالعاتی بامساحت کاربری کشاورزی و میزان کودشیمیایی مصرفی به ترتیب از نتایج کیفی آزمایشگاهی میزان غلظت نیترات در چاه‏های مورد مطالعه طی بازه زمانی 1387 تا 1399 مستخرج از شرکت آب و فاضلاب استان تهران، اطلاعات مساحت محاسباتی کلاس کاربری کشاورزی بدست آمده توسط نرم‏افزار ARCGIS10.6، و آمارکود مصرفی کسب شده از اداره جهادکشاورزی شهرری در محدوده مطالعاتی استفاده گردید.

جهت بررسی میزان غلظت نیترات در چاه‏های مورد مطالعه با توجه به کم وسعت بودن محدوده مورد تحقیق و در نتیجه یکسان بودن شرایط چاه‏ها از لحاظ ویژگی‏های مکانی (جدول 1)، اقدام به محاسبه میانگین میزان نیترات 30 حلقه چاه‏ مطالعاتی محفوره در کاربری کشاورزی طی بازه زمانی مورد نظر گردید.

بررسی و مدلسازی ارتباط بین متغیر وابسته و متغیرهای مستقل

پس از اینکه داده‏های مربوط به پارامتر غلظت نیترات درآب زیرزمینی (متغیر وابسته) و مساحت کلاس‏ کاربری کشاورزی ومیزان کودشیمیایی مصرفی (متغیرهای مستقل) استخراج و گردآوری شد، به منظور بررسی اثرات این عوامل بر روی همدیگر در منطقه تحقیق از همبستگی پیرسون و رگرسیون خطی استفاده گردید. کلیه تجزیه و تحلیل‏ها در نرم‏افزار [9](SPSS)¹ انجام شد. از آنجایی که هم متغیرهای مستقل و هم متغیر وابسته از نوع کمی و مقیاس‏دار بودند از همبستگی پیرسون استفاده گردید. رگرسیون یا معادله خط برگشت، یکی از پرکاربردترین روش‏های آماری است که برای سنجش و ارائه مدل ارتباط یک متغیر با یک یا چند متغیر دیگر به کار می‏رود (17). بنابراین به منظور یافتن رابطه بین متغیر وابسته و متغیرهای مستقل از رگرسیون خطی استفاده شده است.

اعتبارسنجی مدل

در تحلیل همبستگی، اگر سطح معنی‏داری محاسبه شده کمتر از سطح خطا باشد، می‏توان تحلیل همبستگی رو پذیرفت، سطح خطا در این تحقیق 5 درصد (سطح اطمینان 95 درصد) می‏باشد. برای اعتبار‏سنجی مدل رگرسیون خطی ارائه شده، سه فرض زیر باید مورد آزمون قرار گیرد. 1- باقی‏مانده‏های مدل (خطاها) دارای توزیع نرمال با میانگین خطای‏ صفر باشد (18). 2- واریانس باقی‏مانده‏ها باید ثابت باشد و 3- باقی‏مانده‏ها بایستی مستقل از هم باشند (19).

یافته‏های تحقیق

برای پایش تغییرات کاربری اراضی از تصاویر ماهواره‏ای TM و OLI ماهواره‏های لندست 5 و 8 استفاده شد. برای اطمینان از عدم وجود خطاهای اتمسفری و هندسی بر روی تصاویر، تصحیح هندسی، اتمسفری و پیش‏پردازش‏های اولیه صورت گرفت. بعد از تهیه نقشه‏های کاربری اراضی برای سال‏های 1387، 1390، 1393، 1396 و 1399مساحت هر کلاس و تغییرات کلاس‏های مختلف در طول دوره‏های زمانی مورد مطالعه در محیط نرم‏افزار ARCGIS10.6 بر اساس جدول‏ (2) محاسبه گردید. نقشه کاربری اراضی با تاکید بر تغییر مساحت کاربری کشاورزی برای سال پایه و انتهایی در شکل 4 مشخص می‏باشد.

نتایج حاصل نشان دهنده این است که در منطقه مطالعاتی، اراضی کشاورزی افزایش مساحت داشته بطوریکه مساحت آن از 26/20210 هکتار در سال 1387به 35/21676هکتار در سال 1399 افزایش یافته است (جدول 2و شکل 5).

با افزایش مساحت سطح زیرکشت کشاورزی میزان مصرف کود کشاورزی در منطقه مورد تحقیق افزایش یافته به گونه‏ایی که مقدارآن از 27/3013 تن در سال 1387 به 41/6153 تن در سال 1399 رسیده است (جدول 2). نمودار روند صعودی میزان مصرف کودکشاورزی در شکل 6 مشاهده می‏گردد.

تغییرات میانگین غلظت یون نیترات در چاه‏های مطالعاتی طبق جدول2 بیانگراین موضوع است که طی دوره مورد بررسی غلظت نیترات دارای روند افزایشی بوده به گونه‏ایی که مقدارآن از 66/61 میلی گرم در سال 1387 به32/105 در سال 1399 رسیده است.

به منظور شناخت تغییرات غلظت نیترات آب زیرزمینی در نقاط مختلف دشت ری، براساس میزان غلظت پارامتر نیترات در آب چاه‏های مورد مطالعه، نمودارمیزان تغییرات غلظت نیترات ترسیم گردید (شکل 7).

بررسی نمودار بیانگر آن است که به طور کلی روند تغییرات آنیون نیترات آب زیرزمینی در دوره زمانی مورد مطالعه در چاه‏های مورد بررسی دارای روند افزایشی بوده است. در ادامه جهت بررسی رابطه بین تغییرات کاربری کشاورزی و میزان افزایش غلظت نیترات در آب‏های زیرزمینی در منطقه تحقیق میزان مساحت کاربری کشاورزی و غلظت نیترات در بازه‏های زمانی مورد مطالعه در جدول‏های (3 و 4) ارائه شده است. از نتایج حاصل از جداول مذکور به عنوان پایگاه داده ورودی که شامل پارامتر غلظت نیترات آب زیرزمینی (متغیر وابسته) و مساحت کاربری کشاورزی و میزان کودشیمیایی مصرفی (متغیرهای مستقل) در منطقه تحقیق می‏باشند برای مرحله بعدی تحقیق یعنی تحلیل میزان همبستگی و مدلسازی استفاده گردید.

شکل 4- نقشه کاربری اراضی درمنطقه تحقیق سال(1399و1387)

 Figure 4- Land use map in the research area of 2008 and 2020

جدول2-  مساحت و درصد کاربری کشاورزی، مقدارکودمصرفی ومیزان غلظت نیترات در مقاطع زمانی مورد مطالعه

Table2 - area and percentage of agricultural use, amount of fertilizer used and nitrate concentration in the time periods studied

شکل 5- مساحت کاربری کشاورزی در مقاطع زمانی موردمطالعه درمنطقه تحقیق    

Figure 5- The area of agricultural use in the studied time periods in the research area

شکل 6- میزان کودشیمیایی مصرفی در مقاطع زمانی موردمطالعه درمنطقه تحقیق

Figure 6- The amount of fertilizer Chemical consumption in the studied time periods in the researched area

شکل7- متوسط غلظت نیترات در مقاطع زمانی مورد مطالعه در چاههای منطقه تحقیق

Figure 7- The average concentration of nitrate in the studied time periods in the wells of the research area

تحلیل همبستگی پیرسون

نتایج حاصل از تحلیل همبستگی پیرسون بین متغیرهای مستقل و وابسته درقالب جدول ماتریس همبستگی پیرسون جدول (3) ارائه شده است. همان‏گونه که در جدول ماتریس همبستگی مشاهده می‏شود، میزان ضریب همبستگی بین متغیر غلظت نیترات و متغیرهای کاربری کشاورزی و کود مصرفی این تحقیق در سطح خطای یک درصد (سطح اطمینان 99 درصد) دارای رابطه معنی‏دار می‏باشد. بدین معنی که با افزایش مساحت کاربری کشاورزی ومیزان کود مصرفی، میزان غلظت نیترات چاه‏های مطالعاتی افزایش می‏یابد..

بررسی همبستگی پارامترهای مساحت کاربری کشاورزی و میزان کود شیمیایی مصرفی با پارامتر غلطت نیترات در چاه‏های مطالعاتی

بر اساس بررسی همبستگی انجام شده در مورد پارامترهای کاربری کشاورزی و میزان کود شیمیایی مصرفی نسبت به پارامتر غلطت نیترات در منابع آب زیرزمینی به روش پیرسون؛ مقادیر 985/0 و 995/0 بیشتر از 5/0 تقریباً نزدیک به 1 می‏باشند. این بدین معناست که همبستگی غلظت نیترات در منابع آب زیرزمینی با پارامترهای مذکور بسیار زیاد بوده و بدین لحاظ می‏توان بیان نمودکه روابط و مدل‏های ریاضی بین این پارامترها و غلطت نیترات در منابع آب زیرزمینی معنادار می‏باشند.

جدول3- ماتریس همبستگی پیرسون بین متغیر وابسته و متغیرهای مستقل تحقیق

Table 3- Pearson correlation matrix between dependent variable and independent research variables

مدلسازی رابطه ریاضی بین غلظت نیترات در چاه‏های مطالعاتی با پارامترهای مساحت کاربری کشاورزی و میزان کودشیمیایی مصرفی

برای ارائه مدل ریاضی بین متغیرهای خطی از رگرسیون خطی مدل اینتر درقالب نرم‏افزار SPSS ویرایش 26 استفاده شده است. خلاصه مدل رگرسیونی ارائه شده به روش اینتر در جدول (4) نشان دهنده مقدار مربع (R) پذیرفته شده برابر با 993/0 بوده که بیانگر ارتباط نسبتاً قوی بین متغیر وابسته (میزان غلظت نیترات در منابع آب زیرزمینی) با متغیرهای مستقل (مساحت کاربری کشاورزی و میزان کود شیمیایی مصرفی) می‏باشد. میزان ضریب تبیین 991/0در این مدل نشان‏دهنده این است که بیش از 70 درصد تغییرات متغیر وابسته توسط مدل ارائه شده قابل پیش‏بینی بوده که این مساله بیانگر این

است که مدل خطی ارائه شده مدل نسبتاً مناسبی است.

ضرایب مربوط به مدل ارائه شده به روش اینتر در جدول (5) نشان داده شده است. رابطه (1 و 2) مدل رگرسیون خطی میزان غلظت نیترات در منابع آب زیرزمینی را نسبت به مساحت کاربری کشاورزی و میزان کود شیمیایی مصرفی نشان می‏دهد این مدل خطی دارای دو متغیر با یک ضریب ثابت می‏باشد. در این روابط، Y و NO₃^-  معرف میزان غلظت نیترات در منابع آب زیرزمینی، X و AU بیانگر مساحت کاربری کشاورزی، Z و Fe معرف میزان کود شیمیایی مصرفی در محدوده مورد تحقیق می‏باشند.

Y= -346 /147 + 01/0X +888/0Zرابطه 1                   

NO₃^-   = -346 /147+01/0AU+888/0Fe          رابطه 2

جدول 4- خلاصه مدل روش اینتر

Table 4- Summary of Inter model method

جدول5- وضعیت معنی‏داری ضریب پارامترها در مدل اینتر

Table 5. Significant status of the coefficient of parameters in the Inter method

ارزیابی و اعتبارسنجی مدل

مدل رگرسیونی ارائه شده در این تحقیق به وسیله سه فرض مورد آزمون قرار گرفت.

فرض اول: بررسی نرمال بودن با میانگین خطای صفر باقی‏مانده‏ها می‏باشد، برای بررسی نرمال ‏بودن باقی مانده‏ها، روش‏های متعدد آماری و گرافیکی وجود دارد (20). برای بررسی این فرض آزمون کولموگروف اسمیرنوف بر روی باقیمانده‏های مدل انجام شد. در این آزمون اگر میزان Sig مساوی و یا بزرگتر از سطح خطا باشد؛ بیانگر این است که توزیع باقی‏مانده‏ها نرمال و یکنواخت است. همان‏طور که در جدول (6) مشاهده می‏شود میزان Sig (معنی‏داری) برای این مدل 0.2 محاسبه شده و چون از سطح خطا (5%) بیشتر است با توجه به اینکه میانگین باقی‏مانده‏ها نیز صفر نمی‏باشد. پس می‏توان گفت که باقی‏مانده‏های مدل (خطاها) دارای توزیع نرمال با میانگین خطای صفر می‏باشند.

فرض دوم: بررسی استقلال باقی‏مانده‏ها است، جهت بررسی این فرض آزمون دوربین ‏واتسون انجام شد. هر چقدر آماره دوربین‏واتسون نزدیک به عدد 2 بوده و در محدوده 5/1 تا 5/2 باشد می‏توان گفت که همبستگی میان داده وجود نداشته و فرض استقلال باقی‏مانده‏ها تایید می‏شود. با دقت در ستون آخر جدول (4) می‏توان فهمید که آماره دوربین‏ واتسون برابر با 055/2 بوده و در محدوده قابل قبول قرار گرفته است.

جدول6- آزمون کولموگروف اسمیرنوف در روش اینتر

Table 6. One-Sample Kolmogorov-Smirnov Test in the Inter method

فرض سوم: بررسی ثابت بودن واریانس باقی‏مانده‏ها است، برای بررسی یکسان بودن واریانس باقی‏مانده‏ها نیز از نمودار باقی‏مانده‏ها در برابر مقادیر پیش‏بینی شده استفاده شده است. اگر نقاط این نمودار از شکل خاصی تبعیت نکنند و در اطراف محور Y = 0 پراکنده باشند، می‏توان نتیجه گرفت که واریانس باقی مانده‏ها تقریبا یکسان هستند (20). بدین منظور نمودار پراکنش باقی‏مانده‏های مدل به ازای مقادیر پیش‏بینی شده در شکل (8) رسم گردید. باتوجه به شکل بدست آمده مشخص شد باقی‏مانده‏ها از الگوی خاصی پیروی نکرده و شکل نمودار به صورت همگرا یا واگرا (قیفی شکل) نمی‏باشد. با توجه به آزمون‏های آماری انجام شده و پذیرفته شدن هر سه فرض اعتبارسنجی، می‏توان گفت که مدل ارائه شده در رابطه (1و2) از اعتبار لازم برخوردار می‏باشد.

شکل 8- پراکنش باقیمانده‏های مدل به ازای  مقادیر پیش بینی شده

Figure 8- Distribution of model residues per predicted values

نتیجه گیری

نتایج بررسی تغییرات مساحت کاربری کشاورزی، میزان مصرف کودشیمیایی و میانگین غلظت پارامتر نیترات منابع آب زیرزمینی در منطقه تحقیق نشان داد که به طور کلی در دوره زمانی مورد مطالعه (1387تا1399) وسعت اراضی کشاورزی و میزان مصرف کودشمیایی، افزایش یافته که به تبع آن افزایش غلظت نیترات در آب‏های زیرزمینی دارای روند صعودی بوده است. با توجه به موقعیت قرارگیری چاه‏های مطالعاتی در زمین‏های کشاورزی می‏توان تغییر کاربری بایر به زمین‏های کشاورزی و افزایش مساحت اراضی زراعی در منطقه تحقیق و به تبع آن افزایش مصرف کود شیمیایی را از مهمترین عوامل افزایش غلظت نیترات در چاه‏های مطالعاتی در منطقه تحقیق دانست. همچنین استفاده غیرعلمی و غیراصولی از کودهای شیمیایی به جهت نا آگاهی و نبود آموزش لازم و کافی به کشاورزان در کنار نظارت ضعیف بر میزان کود مصرفی براساس نیاز نوع محصول و فصل مورد کشت از دیگر موارد افزایش یون نیترات در منابع آب زیرزمینی می‏باشد.

همچنین نتایج حاصل از تحلیل ضریب همبستگی پیرسون بین متغیر مستقل و متغیرهای وابسته نشان داد که در سطح خطای یک درصد (سطح اطمینان 99 درصد) بین متغیرهای مستقل و متغیر وابسته رابطه معنی‏داری وجود دارد. بدین معنی که با افزایش میزان درصد مساحت کاربری کشاورزی و کود مصرفی، میزان غلظت نیترات در آب‏های زیرزمینی نیز افزایش یافته است. در مدل رگرسیونی ارائه شده میزان مربع R برابر با 993/0 می‏باشد که نشان دهنده ارتباط نسبتاً خوبی بین متغیر وابسته با متغیرهای مستقل بوده است. میزان ضریب تبیین در این مدل 991/0 بدست آمد که نشان‏دهنده آن است که بیش از 70 درصد تغییرات متغیر وابسته توسط مدل ارائه شده قابل پیش‏بینی بوده که نشان می‏دهد مدل خطی ارائه شده مدل مناسبی است.

مقایسه بین نتایج تحقیق دراین منطقه بانتایج تحقیقات جدید سایر محققان مورد بررسی قرار گرفت که در ذیل به چند نمونه از آنها اشاره می‏شود:

با مطالعه نصرآبادی و همکاران در سال 1396 بر روی 30 مقاله مروری داخلی و خارجی در خصوص شناسایی منابع ورود آلودگی نیترات به آب‏های زیرزمینی آنها دریافتند نیترات کود‏های شیمیایی مورد استفاده در مزارع کشاورزی که از طریق فرایند آبشویی از خاک‏های اراضی کشاورزی به آب‏های زیرزمینی وارد شده‏اند از مهمترین منابع ورود آلاینده نیترات به این آب‏ها بوده‏اند. در این مطالعات آنها دریافتند در صورتی‏که بارندگی قبل از استفاده محصولات زراعی از کود شیمیایی آغاز گردد، مقدار بسیار زیادی از نیترات می‏تواند در مدت بسیار کوتاهی فروشسته شده و آلایندگی را افزایش دهد (12). شارون وهمکاران درسال 2021 درتحقیقی درمنطقه کوبی ژاپن با استفاده از ردیابی ایزوتوپ‏های نیتروژن پایدار با روش عضو نهایی در نرم افزار SIAR (تجزیه و تحلیل ایزوتوپ پایدار) دریافتند مصرف کودهای شیمیایی توسط کشاورزان باعث آبشویی کودها و افزایش آلودگی آب‏های زیرزمینی به آلاینده نیترات گردیده است (21). اینیو و همکاران در پژوهشی در سال 2021 در منطقه ویفانگ چین ارتباط مستقیمی را بین میزان مصرف کودهای شیمیایی در زمین‏های زراعی و آلودگی آب‏های زیرزمینی به یون نیترات با استفاده از ایزوتوپ‏های اکسیژن و نیتروژن و ترکیبات هیدروشیمیایی با استفاده از مدل ایزوتوپ بیزی نشان دادند (22). نتیجه مطالعه‏ایی درمنطقه سلیان مغولستان در سال 2020 توسط ون ون و همکاران نشان داد که عامل الودگی چاه‏های آب زیرزمینی به نیترات، مصرف کودهای شیمیایی نیتروژنه در اراضی کشاورزی منطقه بوده است (23).

Reference

• Jang Chi Kashani, S. Hekmat, M.2016. water resource management in sustainable sustainable agricultural development, first edition, Academic Publications, (In Persian .(
• Mesbahzadeh, T., Soleimani Sardoo, F., 2019. Effects of land use change on agricultural water quality in Kerman Plain using remote sensing technique. Environmental Sciences Journal, vol.16 ,pp. 33-46
• Feizizadeh, B., 2017., Modeling the Trends of the Land Use/Cover Change and Its Impacts on the Erosion System of the Allavian Dam Based on the Remote Sensing and GIS Techniques. Journal of Hydrogeomorphology, Vol. 11, pp. 21-38
• Professor Askar Ali, K. Alvankar, R. 2014. Nitrate pollution in underground water, Konkash Publications, (In Persian.(
• Seven brothers, Sh., Malkouti, M., Khoshgovarmanesh, A., 2017. Investigation of nitrate susceptibility in edible parts of some agricultural products of Isfahan province. Scientific Journal of Applied Soil Research, Vol. 6, pp. 1-12 (In Persian).
• Berka, C., Schreier, H., Hall, K., 2001. Linking water quality with agricultural intensification in a rural watershed. Journal of Water, Air and Soil Pollution, Vol.127, pp. 389-401.
• Faryabi, M., "Effect of agricultural activities on the nitrate concentration of underground water in Jiroft Plain" - First National Conference on Agriculture and Health, March 2019, Jiroft - Iran, (In Persian).
• Boyroura, M., Nolan, B., Mencio, A., Maspla, J., 2013. Regression model for aquifer vulnerability assessment of nitrate pollution in the Osona region. Journal of NE Spain, Vol. 505, pp. 15-33.
• Chicaolmo, M., Luqueespinar, J., Rodriguezgaliano, V., Pardoiguzquiza, E., Chicarivas, L., 2014. Categorical indicator kriging for assessing the risk of groundwater nitrate pollution: the case of Vega de Granada aquifer. Journal of SE Spain,Vol. 470, pp. 22-49
• Shafieish, A., "Investigation of changes in groundwater pollution of Shushtraz Mianab Plain, the mineral nitrogen compounds of nitrate, nitrite, ammonia" Third National Congress of Development and Promotion of Agricultural Engineering and Soil Science of Iran, July 2016 ,Tehran, Iran, (In Persian).
• Qadikalai, A., "Investigation of nitrate levels in underground water sources", First National Conference on Water Resources Strategies and Environmental Challenges, May 2017, Sari, Iran, (In Persian).
• NasrabadiM, M., Atbati, A., Zulfiqari, Q., "Investigation of sources of nitrate contamination in groundwater", Fourth International Conference on Recent Innovations in Chemistry and Chemical Engineering, July 2016, Tehran, Iran, (In Persian).

• Bijay, S., Eric, C., 2021 .Fertilizers and nitrate pollution of surface and ground water an increasingly pervasive global problem. Review Paper, SN Applied Sciences, Vol. 518, pp. 42-59.
• Abascal, L., Gomezcoma, I., Ortiz, A., 2022 .Global diagnosis of nitrate pollution in groundwater and review of removal technologies. Science of the Total Environment, Vol. 810, pp. 31-49.
• Lu, D., Weng, Q., 2008 .A survey of image classification methods and techniques for improving classification performance, International Journal of Remote Sensing, Vol. 28 ,pp. 23-40.
• Raybad, A.2009 Step by step training spss 17, first edition: Taherian Publishing.
• Rasouli, A., Jahanbakhsh, S., Ghasemi, A., 2014 .A Study of the Relationship between Important Parameters of Cloud and Daily Rainfall in Iran. Geographical Research Quarterly, Vol. 29, pp. 23-42.
• Momeni, M., Faal Qayyumi, A.2012 Statistical Analysis Using SPSS , Chapter Six, Seventh Edition, Tehran: Ganj Shaygan Publications. (In Persian.(
• Nourbakhsh, Z., Yousefi, H., 2017. Modeling the relationship between environmental variables and groundwater quality in the Tajan plain of Mazandaran province. Quarterly Journal of Hydrogeology, Vol. 2, pp. 68-83.
• Rasouli, A., Jahanbakhsh, S., Ghasemi, A., 2014. A Study of the Relationship between Important Parameters of Cloud and Daily Rainfall in Iran. Geographical Research Quarterly, Vol. 29, 23-42.
• Sharon, K., Shinichi, O., Takuya, I., Mitsuyo, S., Masayuki, T., Yusuke, T., Itaru, N., 2021. Nitrate Contamination in Groundwater: Evaluating the Effects of Demographic Aging and Depopulation in an Island with Intensive Citrus Cultivation. Journal of Water, Vol. 14, pp. 23-42.
• Xinyue, K., Junjun, D., Yuzhong, L., Qiaozhen, L., Lili, M., Chunying, X., Qian, Z., Shan, Z., 2021. Tracing nitrate sources in the groundwater of an intensive agricultural region, Journal of Agricultural Water Management, Vol. 250, pp. 25-43.
• Wenwen, F., Chao, W., Xiaohui, L., Hao, W., Xueliang, Z., 2022. Istribution of Nitrate Content in Groundwater and Evaluation of Potential Health Risks: A Case Study of Rural Areas in Northern China. Journal of Environmental Research and Public Health, Vol. 24, pp. 30-48.

[1] دانشجوی دکتری گروه مدیریت محیط‏زیست، دانشکده منابع‏ طبیعی و محیط‏زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

[2] دانشیارگروه مدیریت محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران. )مسئول مکاتبات)

[3] استاد گروه مهندسی محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران.

[4] دانشیار، عضوهیئت علمی موسسه مدیریت خاک وآبخیزداری. تهران، ایران.

[5] PH. D. student Department of Environmental Management, Department of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

[6] Associate Professor, Department of Environmental Management, Department of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran (Corresponding Author).

[7] Professor of Environmental Engineering, Department of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

[8] Associate Professor, Faculty Member of Soil and Watershed Management Institute. Tehran, Iran.

¹ Statistical package for social science