Arazi kullanım/arazi örtüsü değişikliğinin modellenmesi ve toprak özellikleri üzerine etkilerinin incelenmesi: Adıyaman, Besni ilçesi örneği
Modeling of land use/land cover change and effects on soil properties: A case study of Adıyaman, Besni
Yazar: MİRAÇ KILIÇ
Danışman: PROF. DR. RECEP GÜNDOĞAN
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Toprak Bilimi ve Bitki Besleme Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Ziraat = Agriculture
Dizin: Arazi modelleme = Terrain modelling ; Bulanık modelleme = Fuzzy modelling ; Erozyon = Erosion ; Kireçli toprak = Calcareous soils ; Kırsal toprak düzenlemesi = Rural land arrangement ; Makine öğrenmesi = Machine learning ; Sürdürülebilir tarım = Sustainable agriculture ; Sürdürülebilir çevre = Sustainable environment ; Tarım toprakları = Agricultural soils

Özet:
Bu çalışmada, arazi kabiliyeti ile arazi kullanımı arasındaki ilişkilerin anlaşılmasında üçlü bir yaklaşım amaçlanmıştır. Bunlar: I) Arazi kullanım sonuçlarının ortaya konması, II) Arazinin fonksiyonlarını yerine getirebilme niteliğini değerlendirmesi ve III) Arazinin potansiyel arazi kullanım türlerine uygunluğunun tahmin edilmesidir. Bir arazi bozulma süreci olarak oyuntu erozyonu (GE), çevresel değişkenlerin peyzaj üzerindeki etkilerini yansıtan, uzun dönem boyunca var olan arazi bozulmasının göstergelerinden biridir. Tez çalışmasının ilk aşamasında, Adıyaman Besni ilçesinde birçok faktör modele dahil edilerek Coğrafi Nesne Tabanlı Görüntü Analizi (GEOBIA) ve Rassal Ağaçlar (RF) denetimli makine öğrenimini kullanarak oyuntu erozyonundan etkilenen alanlar belirlenmiştir. Doğruluk değerlendirmesi; kesinlik, geri çağırma, F1-Skor değerleri ve Kappa indeksi ile belirlenmiştir. Bu değerler sırasıyla 0.90, 0.95, 0.92 ve 0.88 olarak bulunmuştur. Arazinin fonksiyonlarını yerine getirebilme niteliğininin değerlendirmesi amacıyla toprak organik karbon (TOK) mekânsal tahmin haritası üretmek için Çok Katmanlı Algılayıcı yapay sinir ağı (MLP) ve Ordinary Kriging (OK) artıklarının tahminini entegre eden hibrit (MLP-OK) yaklaşımı benimsenmiştir. TOK içeriğinin tahmin doğruluğu, MLP, MLP-OK, OK, Ters Mesafe Ağırlıklandırma (IDW) ve Empirical Bayesian Kriging (EBK) ile karşılaştırılmıştır. Diğer yöntemlere kıyasla MLP-OK, doğrulama noktaları için daha düşük tahmin hataları (ME: -0.035, MAE: 0.138 ve RMSE: 0.175) üretmiş ve TOK içeriği daha doğru tahmin edilmiştir. TOK içeriğinin tahmininde diğer yöntemlere göre yaklaşık olarak %58, %63 ve %70 oranlarında nispi iyileşmeler gözlemlenmiştir. Çalışmanın son aşamasında, buğday ve çok yıllık bahçe bitkileri için tarımsal sürdürülebilir arazi kullanım uygunluğunu değerlendirilmiştir. Çalışmanın yürütüldüğü Besni ilçesinden toplam 132 toprak örneği alınmış ve kil, kum, silt, toprak organik maddesi, tuzluluk, pH, kireç, katyon değişim kapasitesi, tarla kapasitesi ve solma noktası belirlenmiştir. Uzun dönem iklim özelliklerine bağlı olarak büyüme mevsimi periyodu değerlendirilmiş ve RUSLE modeli ile yıllık toprak kaybı hesaplanmıştır. Mamdani bulanık çıkarım sistemi kullanılarak bulanık sürekli sınıflandırma yapılmıştır. Buğday için sürdürülebilir arazi kullanım türleri; bulanık toprak katmanı için, orta derecede uygun (S2, %0.87), marjinal olarak uygun (S3, %72.2) ve şu anda uygun olmayan arazi birimleri (N1, %26.9) olarak bulunmuştur. Bulanık erozyon katmanı ve bulanık iklim katmanı ile beraber değerlendirildiğinde S1, S2, S3, N1 ve N2 sürdürülebilirlik kategorileri alanın %1.36, %3.8, %47.6, %18.6 ve %28.6'sını kapladığı belirlenmiştir. Çok yıllık bahçe bitkileri bulanık toprak katmanı sonuçlarına göre alanın %38.1'i S1, %57.8'i S2 ve %4.02'si S3'dür. Ancak her üç bulanık katman birlikte değerlendirildiğinde, S1, S2, S3 ve N1 sınıflarının dağılımları sırasıyla %2.72, %5.94, %48.86 ve %42.48 olmuştur. En dikkat çekici sonuçlar: (i) sadece toprak özellikleri dikkate alınarak yapılan arazi değerlendirmesi, sürdürülebilirliği yeterince dikkate almamaktadır; (ii) yanlış arazi kullanımı sonucu meydana gelen toprak erozyonu sürdürülebilir tarımsal üretimi tehdit etmektedir; (iii) hibrit mekânsal model ile TOK içeriği başarılı bir şekilde tahmin edilmiştir; (iv) marjinal tarım arazileri, çalışma alanında oldukça büyük yer kaplamaktadır. Sonuç olarak, çalışma Besni'de var olan en yaygın olan arazi kullanım türleri için bir arazi bozulma hassasiyetine sahip sürdürülebilir arazi kullanım değerlendirme çerçevesi oluşturmuştur. Sonuçlar, toprak kalitesi azalmasını tersine çevirmek için potansiyel çözümler sunarken, arazi bozulma sürecine de ışık tutmuştur.

Abstract:
In this study, a tripartite approach has been aimed in understanding the relationships between land capability and land use. These are: I.) Revealing the results of land use, II.) Evaluating the ability of the land to fulfill its functions, and III.) Estimating the suitability of the land for potential land use types. As a land degradation process, gully erosion (GE) is one of the indicators of long-term land degradation that reflects the effects of environmental variables on the landscape. In the first stage of the thesis, many factors have been included in the model in Adıyaman Besni district and the areas affected by gully erosion have been determined by using Geographic Object Based Image Analysis (GEOBIA) and Random Forest (RF) supervised machine learning. Accuracy assessment; Precision has been determined by Recall, F1-Score and Kappa index. These values have been found to be 0.90, 0.95, 0.92, and 0.88, respectively. A hybrid (MLP-OK) approach, integrating the prediction of multi-layer perceptron artificial neural network (MLP) and ordinary kriging (OK) residues, has been adopted to produce a soil organic carbon (SOC) spatial prediction map in order to evaluate the ability of the land to fulfill its functions. The prediction accuracy of SOC content has been compared with MLP, MLP-OK, OK, Inverse Distance Weighting (IDW), and Empirical Bayesian Kriging (EBK). Compared to other methods, MLP-OK produced lower prediction errors (ME: -0.035, MAE: 0.138, and RMSE: 0.175) for validation points, and the SOC content was more accurately estimated. In the estimation of SOC content, relative improvements of approximately 58%, 63%, and 70% have been observed compared to other methods. In the final stage of the study, the suitability of agricultural sustainable land use types for wheat and perennial horticultural crops has been assessed. A total of 132 soil samples have been taken from Besni district where the study has been conducted and clay, sand, silt, soil organic matter, salinity, pH, lime, cation exchange capacity, field capacity and wilting point have been determined. Depending on the long-term climatic characteristics, the length of growing season period has been evaluated, and the annual soil loss has been calculated with the RUSLE model. Fuzzy continuous classification has been made using the Mamdani Fuzzy Inference System. Sustainable land use types for wheat; For the fuzzy soil layer, land units have been found to be moderately suitable (S2, 0.87%), marginally suitable (S3, 72.2%), and currently not-suitable (N1, 26.9%). When evaluated together with the fuzzy erosion layer and the fuzzy climate layer, it has been determined that the sustainability categories S1, S2, S3, N1, and N2 covered 1.36%, 3.8%, 47.6%, 18.6%, and 28.6% of the area. According to the fuzzy soil layer results for perennial horticultural crops, 38.1% of the area is S1, 57.8% S2 and 4.02% S3. However, when all three fuzzy layers are assessed together, the distributions of S1, S2, S3 and N1 classes are 2.72%, 5.94%, 48.86% and 42.48%, respectively. The most important results are: (i) the land assessment, which only takes soil characteristics into account, does not give sufficient importance to sustainability.; (ii) soil erosion as a result of improper land use types threatens sustainable agricultural production; (iii) SOC content is successfully predicted by the hybrid spatial model; (iv) marginal agricultural lands occupy quite a large area in the study area. As a result, the study's established a land degradation sensitive sustainable land suitability assessment framework for the extensive land use types in Besni. The results highlight the agricultural land degradation process while offering potential solutions to reverse soil degradation.