Szervesszén térképezést segítő módszertani kutatásként vizsgáltuk egy szántóföldi művelés alatt álló terület, 3 mélységből származó mintáinak MIR reflektanciáját, illetve szervesszén tartalmát (Walkley-Black). Ezt követően a spektroszkópia mérések eredményeit használtuk a talaj szervesszén-mennyiségének (TOC %) becslésére. Tettük ezt 3 mintakijelölési módszer (Kennard-Stone Sampling - KSS, K-means Sampling - KMS, Latin Hypercube Sampling - LHS) bevonásával, az így kijelölt kalibrációs mintákkal a PLSR modell segítségével becslést végeztünk az adathalmaz további értékeire. Annak érdekében, hogy tábla szintű szervesszén meghatározás során teszteljük becslési pontosságukat, a modellek reprezentativitását – különböző validációs/kalibrációs arány esetén – statisztikai mutatókkal (R2, RMSE) ellenőriztük.
Az eredményekben részleteiben vizsgáltuk a különböző becslési modellek reakcióját eltérő arányú kalibráció és validáció esetén. A modellek R2 és RMSE értékei alapján kijelöltük, hogy mely modellek működtek pontosan még alacsony kalibráció esetén is, illetve abszolút értelemben véve melyik modell volt leghatékonyabb.
Az összehasonlítás eredményeként kijelenthető, hogy az általunk vizsgált talajkörülmények között a 30% alatti, valamint a 70% feletti mintaszámú kalibráció a mintakijelölési módszerek megbízhatóságának ingadozását eredményezte. Az összes minta 30%-val történő kalibráció esetén legjobb eredményt a KSS adta, így ez tekinthető a leggazdaságosabb módszernek. Az abszolút értékben vett legkisebb hibát a K-means sampling eredményezte, a minták 90%-val történő kalibrációt követően.
Kijelenthető, hogy az alkalmazott módszertan esetünkben alkalmas volt – a reprezentativitás megtartása mellett – a szükséges minták számának, ergo a táblaszintű szervesszén-felmérés költségeinek csökkentésére. Továbbá a mintakijelölési módszerek becslési hatékonyságának összehasonlítására is megfelelt az általunk alkalmazott statisztikai vizsgálat. A módszertan a jövőben kiinduló alapja lehet hasonló jellegű kutatásoknak, valamint tábla szintű szervesszéntérképek elkészítésének. A szélesebb körű alkalmazást megelőzően a modelleket nagyobb varianciájú adathalmazok esetén is tesztelni szükséges.
Within the framework of the present research, we mapped the organic carbon content of an arable area, during which we measured the MIR reflectance and organic carbon content (Walkley-Black) of the soil samples collected from the area at three different depths. Subsequently, the results of spectroscopic measurements were used to improve the estimation of the soil organic carbon content (TOC %). Three sample selection models were involved (KSS, KMS, LHS), and with the selected calibration samples, we estimated the additional values of the data set using the PLSR model. In order to test the accuracy of estimation for a table-level organic carbon determination, the representativeness level of the models was checked with statistical indicators (R2, RMSE) at different validation / calibration ratios.
In the results, we thoroughly examined the response of different estimation models with different ratios of calibration and validation. Based on the R2 and RMSE values of the models, we determined which models worked precisely even at low calibration, and in absolute terms, which model was the most efficient.
As a result of the comparison, it can be stated that under the soil conditions we examined, calibration with a sample number below 30% and above 70% caused significant fluctuations in the reliability of the sampling methods. Kennard-Stone sampling (KSS) gave the most precise results for calibration with 30% of all samples, thus it is considered the most economical method. The smallest error overall was given by K-means sampling after calibration of 90% of the samples.
It can be stated that the methodology used in this study was suitable to reduce the samples required for analysis - while maintaining representativeness - therefore reducing the costs of the field-level organic carbon survey.
Furthermore, the statistical analysis we used to compare the estimation efficiency of the sampling methods was also appropriate. The methodology we use may be the basis for similar research in the future, as well as for the production of table-level organic carbon maps. Prior to wider application, models also need to be tested for higher variance datasets.
Ateku, D. (2014). Standard Operating Procedure - Mid-Infrared Diffuse Reflectance Spectroscopy Method For Analysing Soils Using Bruker Alpha Spectrometer. World Agroforestry Center, Code: METH07V01. 10 pp.
Ballabio, C., Panagos, P., Monatanarella, L. (2016). Mapping Topsoil Physical Properties At European Scale Using The Lucas Database. Geoderma. 261. 110–123.
Bellon-Maurel, V., Mcbratney, A. (2011). Near-Infrared (Nir) And Mid-Infrared (Mir) Spectroscopic Techniques For Assessing The Amount Of Carbon Stock In Soils–Critical Review And Research Perspectives. Soil Biology and Biochemistry. 43. (7) 1398–1410.
Bishop, J. L., Lane, M. D., Dyar, M. D., Brown, A. J. (1994). Reflectance And Emission Spectroscopy Study Of Four Groups Of Phyllosilicates: Smectites, Kaolinite–Serpentines, Chlorites And Micas. Clay Minerals. 43. 53–54.
Chenu, C., Angers, D., Barré, P., Derrien, D., Arrouays, D., Balesdent, J. (2019). Increasing Organic Stocks In Agricultural Soils: Knowledge Gaps And Potential Innovations. Soil and Tillage Research. 188. 44–52.
Csorba, Á., Láng V., Fenyvesi L., Michéli E. (2012). Reflektancia Spektroszkópia Alkalmazása Talajok Szervesszén-És Caco3-Tartalmának Becslésében. Agrokémia és Talajtan. 61. (2) 277–290.
Deery, D., Jimenez-Berni, J., Jones, H., Sirault, X., Furbank, R. (2014). Proximal Remote Sensing Buggies And Potential Applications For Field-Based Phenotyping. Agronomy.
Dobos E., Michéli E., Montanarella L. (2007). The Population Of A 500-M Resolution Soil Organic Matter Spatial Information System For Hungary. Developments in Soil Science. 31. 487–495.
Dobos E., Seres A., Bock M., Köthe, R., Daroussin J., Van Engelen V. (2010). Landform Mapping For SOTER At Scale 1:1 Million Using SRTM-DEM. 19th World Congress Of Soil Science, Soil Solutions For A Changing World. 1–6 August 2010, Brisbane, Australia. DVD Published, pp. 68–71.
Dobos E., Vadnai P., Bertóti R. D., Kovács K., Michéli E., Szegi T., Fullajtár E., Penizek V., Switoniak M. (2014). Új WRB Alapú Validációs Adatbázis És Validációs Módszertan Közép-Európára, Validat.DSM. Agrokémia és Talajtan. 63. (2) 393–408.
Dobos E., Vadnai P., Kovács K., Láng V., Fuchs M., Michéli E. (2019). A Novel Approach For Mapping WRB Soil Units–A Methodology For A Global SOTER Coverage. Hungarian Geographical Bulletin. 68. (2) 157–175.
Duckworth, J. H. (1998). Spectroscopic Quantitative Analysis. In: Applied Spectroscopy (Eds.: Workman, J. & Springsteen, A.) Academic Press. San Diego, California. 93–163.
Ge, Y., Thomasson, J., Morgan, C. (2014). Mid-Infrared Attenuated Total Reflectance Spectroscopy For Soil Carbon And Particle Size Determination. Geoderma, 213. 57–63.
Héberger, K. (2008). Chapter 7-Chemoinformatics—Multivariate Mathematical–Statistical Methods For Data Evaluation. Medical Applications of Mass Spectrometry. 141–169.
Knox, N., Grunwald, S., Mcdowell, M., Bruland, G., Myers, D., Harris, W. (2015). Modelling Soil Carbon Fractions With Visible Near-Infrared (VNIR) And Mid-Infrared (MIR) Spectroscopy. Geoderma. 239–240. 229–239.
Kuhn, M., Wing, J., Weston, S., Williams, A., Keefer, C., Engelhardt, A., Cooper, T., Mayer, Z., Kenkel, B., R Core Team. (2019). Caret: Classification And Regression Training. R Package Version 6.0-84. https://CRAN.R-project.org/package=caret
Lal R. (2010). Enhancing Eco-Efficiency In Agro-Ecosystems Through Soil Carbon Sequestration. Crop Science. 50. 120–130.
Lal R. (2013). Soil Carbon Management And Climate Change. Carbon Management. 4. (4). 439–462.
Lal R. (2017). Soil Carbon Impacts On Functionality And Environmental Sustainability. In: Erşahin S., Kapur S., Akça E., Namlı A., Erdoğan H. (Szerk.) Carbon Management, Technologies, and Trends in Mediterranean Ecosystems. The Anthropocene: Politik—Economics—Society—Science. vol. 15. Springer, Cham
Lal R., Negassa W., Lorenz K. (2015). Carbon Sequestration In Soil. Environmental Sustainability. 15. 79–86.
Marosi S., Somogyi S. (szerk., 1990). Magyarország Kistájainak Katasztere I-II. Mta Földrajztudományi Kutató Intézet, Budapest. 1023 p.
Matamala, R., Jastrow, J. D., Calderón, F. J., Liang, C., Fan, Z., Michaelson, G. J., Ping, C. L. (2019). Predicting The Decomposability Of Arctic Tundra Soil Organic Matter With Mid Infrared Spectroscopy. Soil Biology and Biochemistry. 129. 1–12.
Mevik, B-H., Wehrens, R., Liland, K. H. (2019). Pls: Partial Least Squares And Principal Component Regression. R Package Version 2.7-1. https://CRAN.R-project.org/package=pls
Ng W., Minasny B., Malone B., Filippi P. (2018). In Search Of An Optimum Sampling Algorithm For Prediction Of Soil Properties From Infrared Spectra. PeerJ. 6:e5722; DOI .
Pahlavan Rad, M. R., Toomanian, N., Khormali, F., Brungard, C. W., Komaki, C. B., Bogaert, P. (2014). Updating Soil Survey Maps Using Random Forest And Conditioned Latin Hypercube Sampling In The Loess Derived Soils Of Northern Iran. Geoderma.
Pásztor L., Laborczi A., Szatmári G., Takács K., Bakacsi Z., Szabó J., Dobos E. (2014). Introduction Of Digital Soil Mapping Techniques For The Nationwide Regionalization Of Soil Condition In Hungary; The First Results Of The Dosoremi.Hu (Digital, Optimized, Soil Related Maps And Information In Hungary) Project. In: EGU General Assembly 2014, Vienna, Austria, id.7310.
Pásztor L., Laborczi A., Takács K., Illés G., Szabó J., Szatmári G. (2020). Progress In The Elaboration Of GSM Conform DSM Products And Their Functional Utilization In Hungary. Geoderma Regional.
Pásztor L., Larboczi A., Takács K., Szatmári G., Dobos E., Illés G., Bakacsi Z., Szabó J. (2015). Compilation Of Novel And Renewed, Goal Oriented Digital Soil Maps Using Geostatistical And Data Mining Tools. Hungarian Geographical Bulletin. 64. (1) 49–64.
Pásztor L., Szabó J., Bakacsi Zs. (2010). Application Of The Digital Kreybig Soil Information System For The Delineation Of Naturally Handicapped Areas In Hungary. Agrokémia és Talajtan. 59. 47–56.
Pásztor L., Szabó J., Bakacsi Z., Laborczi A. (2013). Elaboration And Applications Of Spatial Soil Information Systems And Digital Soil Mapping At Research Institute For Soil Science And Agricultural Chemistry Of The Hungarian Academy Of Sciences. Geocarto International. 28. (1) 13–27.
Peltre, C., Bruun, S., Du, C., Thomsen, I., Jensen, L. (2014). Assessing Soil Constituents And Labile Soil Organic Carbon By Mid-Infrared Photoacoustic Spectroscopy. Soil Biology and Biochemistry. 77. 41–50.
Pettorelli N. (2013). NDVI From A To Z. In: The Normalized Difference Vegetation Index. Szerk: Pettorelli N., Oxford University Press. ISBN: 978-0-19-969316-0. 30-43.
R Core Team (2017). R: A Language And Environment For Statistical Computing. R Foundation For Statistical Computing, Vienna, Austria. URL https://www.R-project.org/.
Ramesh, T., Bolan, N., Kirkham, M., Wijesekara, H., Kanchikerimath, M., Srinivasa Rao, C., Sandeep, S., Rinklebe, J., Ok, Y., Choudhury, B., Wang, H., Tang, C., Wang, X., Song, Z., Freeman Ii, O. (2019). Chapter One - Soil organic carbon dynamics: Impact of land use changes and management practices: A review. Advances in Agronomy. 156. 1-107.
Ramirez-Lopez, L., Schmidt, K., Behrens, T., Wesemael, Bas Van, Dematté, J. A. M., Scholten, T. (2014). Sampling Optimal Calibration Sets In Soil Infrared Spectroscopy. Geoderma (2014).
Ramirez-Lopez, L., Schmidt, K., Behrens, T., Van Wesemael, B., Dematte, J . A. M., Scholten, T. (2015). Sampling Optimal Calibration Sets In Soil Infrared Spectroscopy. Geoderma. 226–227. 140–150.
Ramirez-Lopez, L., Stevens, A. (2016). Resemble: Regression And Similarity Evaluation For Memory-Based Learning In Spectral Chemometrics R Package Version 1.2.2
Reeves, J. (2010). Near-Versus Mid-Infrared Diffuse Reflectance Spectroscopy For Soil Analysis Emphasizing Carbon And Laboratory Versus On-Site Analysis: Where Are We And What Needs To Be Done? Geoderma. 158. (1–2) 3–14.
Roudier, P. (2011). Clhs: A R Package For Conditioned Latin Hypercube Sampling.
Sila, A., Hengl, T., Thomas Terhoeven-Urselmans, T. (2014). Soil.Spec: Soil Spectroscopy Tools And Reference Models. R Package Version 2.1.4. https://www.CRAN.R-Project.org/package=soil.spec
Szabó J., Pásztor L., Bakacsi Z. (2005). Egy Országos, Térbeli Talajinformációs Rendszer Kiépítésének Igénye, Lehetősége És Lépései. Agrokémia és Talajtan. 54. 41–58.
Szatmári G., Barta K., Pásztor L. (2015). An Application Of A Spatial Simulated Annealing Sampling Optimization Algorithm To Support Digital Soil Mapping. Hungarian Geographical Bulletin. 64. (1) 35–48.
Szatmári G., Pásztor L. (2016). Geostatisztika A Talajtérképezésben-Szemle. Agrokémia és Talajtan. 65. (1) 95–114.
Szatmári G., Pásztor L. (2019). Comparison Of Various Uncertainty Modelling Approaches Based On Geostatistics And Machine Learning Algorithms. Geoderma. 337. 129-134, .
Szatmári G., Pirkó B., Koós S., Laborczi A., Bakacsi Z., Szabó J., Pásztor L. (2019). Spatio-Temporal Assessment Of Topsoil Organic Carbon Stock Change In Hungary. Soil & Tillage Research. 195. .
Tan K. H. (1982). Colloidal Chemistry Of Organic Soil Constituents. In: Principles of Soil Chemistry. 4th Edition. 75–130.
Viscarra Rossel, R., Adamchuk, V. I. (2013). Proximal Soil Sensing. In Precision Agriculture For Sustainability And Environmental Protection.
Viscarra Rossel, R., Walvoort, D., Mcbratney, A., Janik, L., Skjemstad, J. (2006). Visible, Near Infrared, Mid Infrared Or Combined Diffuse Reflectance Spectroscopy For Simultaneous Assessment Of Various Soil Properties. Geoderma. 131. (1–2) 59–75.
Walkley, A. (1947). A Critical Examination Of A Rapid Method For Determining Organic Carbon In Soils: Effect Of Variations In Digestion Conditions And Of Inorganic Soil Constituents. Soil Science. 63. 251–263.
Waruru, B., Shepherd, K., Ndegwa, G., Sila, A., Kamoni, P. (2015). Application Of Mid-Infrared Spectroscopy For Rapid Characterization Of Key Soil Properties For Engineering Land Use. Soils and Foundations. 55. (5) 1181–1195.
Weil R. R., Brady N. (2017). Soil Organic Matter. In: The Nature And Properties Of Soils. 15th edition. Fox D., Gilfillan A. (Szerk.) pp 526–581.
Wickham, H. (2017). Tidyverse: Easily Install And Load The 'Tidyverse'. R Package Version 1.2.1. https://CRAN.R-project.org/package=tidyverse