Spatial variation of some soil properties on pure Abies and Abies-Pinus syslvetsris stands in Ilgaz Mountain forests

Abstract

Use of geostatistical methods to analyze soil variation when systematic variability is the case provides great advantages over classical statistical techniques. In this study, spatial variability of some soil properties were compared in 0-15 and 15-30 cm depth of soils on a pure stand of Abies (Abies nordmanniana subsp. Bormülleriana) and on a mixed stand of Abies and Pinus sylvestris. Experimental semivariograms for soil properties were modelled and surface maps were built by ordinary kriging technique. In general, exponential model described the experimental semivariograms for soil attributes most properly on the mixed stand and spherical model on the pure stand. Nugget effect ranged from 0.03% to 100% and generally high in both of the stands, indicating high short-range variability of soil attributes. Geostatistical range was between 4.30 m and 167.03 m and no consistent differences occurred in Ao neither between stands nor soil depths. Spatial dependency was greater in 0-15 cm depth in both of the stands. Performance of kriging interpolations was generally poor due to high short-range variation of soil properties, and this should be considered in determination of sampling intervals in similar prospective studies.

Keywords

• Ordinary kriging
• exponential model
• nugget effect
• semivariogram
• spherical model

Ilgaz Ormanlarında Saf Uludağ Göknarı ve Saf Uludağ Göknarı-Sarıçam Meşcerelerinde Bazı Toprak Özelliklerinin Uzaysal Değişkenliği

Öz

Toprak değişkenliğinin sistematik bir yapı göstermesi halinde jeoistatistiksel yöntemlerle analiz edilmesi klasik istatistiksel yöntemlere göre önemli avantajlar sağlamaktadır. Bu çalışmada Ilgaz Dağı doğal orman alanlarında birebirine bitişik saf Uludağ Göknarı (Abies nordmanniana subsp. Bormülleriana) ve Sarıçam (Pinus sylvestris ) – Saf Uludağ Göknarı karışımı iki meşcerede 0-15 ve 15-30 cm toprak derinliklerinde bazı toprak özelliklerinin uzaysal değişkenliğinin karşılaştırılması amaçlanmıştır. Toprak özelliklerinin deneysel semivaryogramları modellendikten sonra, bayağı (ordinary) krigleme yöntemi ile yüzey haritaları oluşturulmuştur. Karışık meşcerede üssel modelin saf meşcerede ise küresel modelin genellikle toprak özelliklerinin uzaysal yapısını daha iyi tanımladığı belirlenmiştir. Nugget etkisi %0,03 ve %100 arasında değişen değerler almış olup, genelde her iki meşcerede de yüksek olması, toprakların kısa mesafelerde oldukça değişken olduğunu göstermektedir. Jeoistatistiksel range (Ao) 4,38 ve 167,03 m arasında değişen değerler almıştır. Ancak, Ao değerleri bakımından meşcere tipi ve toprak derinlikleri arasında sistematik bir farklılık bulanamamıştır. Her iki meşcerede de toprak özelliklerinin uzaysal bağımlılığı 0-15 cm derinlikte daha düşük bulunmuştur. Toprak özelliklerinin kısa mesafelerde aşırı değişken olması nedeniyle krigleme entepolasyonundan başarılı sonuçlar alınamamıştır. İleride yapılacak benzer çalışmalarda bu hususun özellikle dikkate alınarak örnekleme aralıklarının daha kısa tutulması önerilmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Bayağı krigleme
• küresel model
• nugget etkisi
• semivaryogram
• üssel model

References

1. Akbaş, F., (2004). Entisol Ordosuna Ait Bir Arazide Bazı Toprak Özelliklerinin Değişiminin Geleneksel ve Jeoistatistiksel Yöntemlerle Belirlenmesi. Doktora Tezi, Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Toprak Anabilim Dalı, Tokat, 52-78 s.
2. Başaran, M., Özcan M. U., Erpul G., Çanga, M. (2005). Çankırı-İndağı Karaçam (Pinus nigra Arnold.) plantasyon alanında mineral üst toprağın organik madde kapsamı ve bazı özelliklerinin konumsal değişimleri. Gazi Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi. Kastamonu, Cilt:5 No:2 Kasım 2005.
3. Blake, G. R., Hartge, K. H. (1986). Methods of soil analysis. Bulk Density, Part 1. 2nd Ed. Agronomy 9. ASA and SSSA, 363-375.
4. Boruvka, L., Mladkova, L., Penizek, V., Drabek, O., Vasat, R. (2007). Forest soil acidification assesment using principal component analysis and geostatistics. Geoderma 2007(140), 374-382.
5. Cambardella, C. A., Moorman, T. B., Novak, J. M., Parkin, T. B., Karlen, D. L., Turco, R. F., Konopka, A. E. (1994). Field-scale variability of central Iowa soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 58, 1501–1511. https://doi.org/10.2136/sssaj1994.03615995005800050033x.
6. Camberdella, C. A., and Karlen I. D. (1999). Spatial analysis of soil fertility parameters. Precision Agriculture, 1, 5-14.
7. Cassel, D. K., Nielsen, D. R. (1986). Methods of soil analiysis. Part 1, Physical and Mineralogical Methods-Agronomy Monoraph No:9 American Society Of Agronomy-Soil Science Society of America, Madison, USA.
8. Castrignano, A. L., Giugliarini, R., Risaliti and Martinelli, N. (2000). Stuy of sparial relationships among some soil physico- chemical properties of a field in central İtaly using multi variate geotattistics. Geoderma 97, 39-60.

9. Charles, T., Garten, Jr. (2002). Soil carbon storage beneath recently established tree plantations in Tennessee and South Colorina, USA, Biomas and Bioenergy, 23, 93-102.
10. Çetin, M., Tütüncü, K. (1998). Doğu akdeniz bölgesinde aylık yağışların yersel değişimlerinin jeostatistik yöntemle incelenmesi. Turkish Journal of Engineering and Environmental Science, 22, 279-288.
11. Erşahin, S., (1999). Alivuyal bir tarlada bazı fiziksel ve kimyasal toprak özelliklerinin uzaysal (spatial) değişkenliğinin belirlenmesi. S.Ü. Ziraat Fakültesi Dergisi. 13(19), 34-41.
12. Ersahin, S., Brohi, A. (2006). Spatial variation of soil water content in topsoil and subsoil of a Typic Ustifluvent. Agric. water Manag. 83, 79–86. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2005.09.002.
13. Ersahin, S., Aşkın, T., Tarakçıoğlu, C., Özenç, D. B., Korkmaz, K., Kutlu, T., Sünal, S., Bilgili, B. C. (2017). Spatial variation in the solute transport attributes of adjacent Typic Haplusteps, Mollic Ustifluvents, and Lithic Ustipsamments. Geoderma 289, 107–116. https://doi.org/org/10.1016/j.geoderma.2016.11.035.
14. Gallardo, A., (2003). Spatial variability of soil properties in a floodplain forest in northwest spain. Ecosystems 2003(6), 564-576.
15. Gallardo, A., Parama, R. (2007). Spatial variability of soil elements in two plant communities of NW Spain. Geoderma, 139(1-2), 199-208.
16. Gee, G. W., Bauder, J. V. (1986). Particle-size Analysis. Methods of soil analysis, Part1, Physical and mineralogical methods. Second Edition, Agronomy Monograph 9, American Society of Agronomy, Madison, In A.L. Page (ed.). WI. P. 383 - 411.
17. Geypens, M., Vanongeval, L., Vogels, N., Meykens, J. (1999). Spatial variability of agricultural soil fertility parameters in a gleyic podzol of belgium. Precision Acriculture 1, 319-326.
18. Gregory, J. H, Dukes, M. D, Jones P. H, Miller, G. L. (2006). Effect of urban soil compaction on infiltration rate. Journal of Soil Water Conservation 61(3), 117-124.
19. Gül, E. (2015). Yarı-Kurak Alanlarda Çölleşme Risk Haritasının Oluşturulması: Sarıkaya Örneği. Doktora Tezi, Karatekin Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Orman Mühendisliği Anabilim Dalı, Çankırı, 108-118 s.
20. Gül, E., Erşahin, S. (2019). Evaluating the desertification vulnerability of a semiarid landscape under different land uses with the environmental sensitivity index. Land Degradation & Development 30, 811-823.
21. Isaaks, H., Srivastava, R. (1989). An introduction to Applied Geostatistics. Oxford University Press, New York. 210-255 pages.
22. Janzen, H. H. (1993). Soluble salts in soil sampling and methods of analysis. Carter M.R. (ed) Canadian Society of Soil Science, CRC Pres Inc. Boca Raton, Florida. USA.
23. Jennifer, M., Turner, G. M., Person, M. G., Dixon, P. (2005). Effects of past land use on spatial heterogeneity of soil nutrients in southern Appalachian forests. Ecological Monographs 75(2), 215-230.
24. Journel, A., Huijbregts, Ch. J. (1978). Mining geostatstics. Academic press. 600 s.
25. Kacar, B., Kovancı, İ. (1982). Bitki, toprak ve gübrelerde kimyasal fosfor analizleri ve değerlendirilmesi. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları, No: 354.
26. Kacar, B. (1996). Bitki ve Toprak Analizleri. 3. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Eğitim, Araştırma ve Geliştirme Vakfı Yayınları, No: 3.
27. Li, J., Heap, A. D. (2011). A review of comparative studies of spatial interpolation methods in environmental sciences: Performance and impact factors. Ecological Informatics, 6(3-4), 228-241. https://doi.org/10.1016/j.ecoinf.2010.12.003.
28. Mualla, D. J., McBratney, A. B. (2000). Soil Spatial Variability, A-321-A351, İn: handbook of soil science, malcom e. Summer (ed. İn chief) CRS press, 321-352 pages.
29. Needelman, B. A., Guburek, W. J., Sharpley A. N., Petersen, G. W. (2001). Environmental Management of Soil Phosphorus. Soil Science Society of America Journal, 65(5), 1516-1522.
30. Nelson, D. W., Sommers, L. E. (1982). Total Carbon, Organic Carbon, and Organic Matter. In: Page, A.L. (ed.) Methods of Soil Analysis. Part 2, 2nd ed. Agron. Monogr. 9. ASA. Madison, WI, 539-579.
31. Nielsen, D. R., Biggar, J. W., Erh, T. H. (1973). Spatial variability of field measured soil-water properties. Hilgarda 42(7), 214-259.
32. Ongun, R., (2008). Toprakların Bazı Fiziksel ve Kimyasal Özelliklerinin Jeoistatistiksel Yöntemlerle Uzaysal Değişkenliğinin Saptanması. Doktora Tezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Toprak Anabilim Dalı, İzmir, 70-117 s.
33. Ott, R. L. (1993). An ıntroduction to statistical methods and data analysis. Fourt Edition, Duxbury Press, Belmont, California.
34. Ovalles, F. A., Collings, M. A. (1988). Soil- lands cape relationships and soil variability in north central florida. Soil Science Society of America Journal 50, 401-408.
35. Payn, W. T., Hill, B. R., Höck, K. B., Skinner, F. M., Thorn, J. A., Rijkse. C. W. (1999). Potantial foor the use of gıs and spatial analysis thecniques as tolls for monitoring chances in forest productivity and nutrition a new zealland example. 122, 187-196.
36. Sağlam, M. (2008). Gökhöyük Tarım İşletmesinde Yaygın Toprak Serilerinde Bazı Kalite Göstergelerinin Uzaysal Değişkenliğinin Jeoistatistiksel Yöntemlerle Belirlenmesi. Doktora Tezi, Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Toprak Anabilim Dalı, Ankara, 32-79 s.
37. Sun, B., Zhou, S., Zho, Q. (2003). Evaluation of spatial and temporal changes of soil quality based on geostatistical analysis in the hill region of sabtropical china. 115, 85-99.
38. Trangmar, B. B., Yost, R. S., Uehara, G. (1985). Aplication of geostatistic to spatal studies of soil properties. Advances in Argon (38), 45-94.
39. Warrick, A., Nielsen W. (1980). Warrick, A. W., & Nielsen, D. R. (1980). Spatial variability of soil physical properties in the field. In D. Hillel (Ed.), Applications of soil physics (pp. 319–344). New York: Academic Press.
40. Webster, R. (2001). Statistics to support soil research and their presentation. Eur. J. Soil Sci. 52, 330–340. https://doi.org/10.1046/j.1365-2389.2001.00383.x
41. Webster, R. (2008). Sil science and geostatistics. 1-11. Soil geopraphy and geostatistics-european commission, krasilnikov, P, Carre, F and Montanarella, L. Eds), european commission, joint research centre, ınstitute for environmental and sustainability.
42. Webster, R., Oliver, M. A. (2001). Geostatistics for environmental scientists (Statistics in practive).
43. Webster, R., and Oliver, M. A. (2007). Geostatistics for environmental scientists. John Wiley&Sons. European Journal Of Soil Science, June 2001(52), 331-340.
44. Wu, J., Norvell, W. A., Hopkings, D. G., Welch, R. M. (2002). Spatial variability of grain cadmium and soil characteristics in a durum wheat field. Soil Science Society of America Journal 66(1), 268-275.