Monitoring soil salinity via remote sensing technology under data scarce conditions: A case study from Turkey

Toprak tuzlanması, tarımsal üretim ve sürdürülebilir kalkınma üzerinde yarattığı olumsuz etkiler nedeniyle özellikle dünyadaki kurak ve yarı kurak bölgelerde rastlanan önemli çevresel problemlerin başında gelmektedir. Bilinçsiz sulama ve eski sulama tekniklerinin halen kullanılması verimli tarım topraklarına ciddi oranda zarar vermekte; bunun yanı sıra toprakta tıkanma ve tuz birikmesine de sebep olmaktadır. Bu etkilerin yanı sıra, sulama suyunun içerisinde bulunan yüksek miktardaki tuzlar, toprağı tarım yapmak adına tarlaya çevirirken üst tabakasını sıyırmak ve toprağa uygulanan ticari gübrenin içerisinde yüksek oranda azot ve potasyum tuzlarının bulunması gibi durumlar da esasında insan eliyle yaratılan ve tuzlanmaya neden olan diğer etkenler olarak sıralanabilir. Tuzlanma nedeniyle tohumların çimlenme devresinde birçok bitkinin büyümesi engellenmekte ve topraktaki su içeriğinin osmotik potansiyeli de azalarak, bitkinin kok bölgesinden bünyesine su alma kabiliyeti de durmaktadır. Toprak tuzlanması sadece toprak ve toprakta yetişen bitki ve ürünler üzerinde olumsuz etki yapmamaktadır. Yağışlarla birlikte akışa gecen yüzeysel sular, tuzlanmış toprakların üst yüzeylerini yıkayarak, en yakın alıcı ortama ulaşmaktadır. Böylelikle, gerek içme-kullanma suyu, gerekse de sulama suyu olarak kullanılan akarsuların kalitesi de bozunmaktadır. Bu durum da sosyal, çevresel ve ekonomik problemleri beraberinde getirmektedir. Suya karışan tuzlar akarsuların ekolojik sağlığını bozmakta ve ortamdaki biyoçeşitliliği tehdit ederek bazı habitatların kaybolmasına neden olmaktadır. Tüm bu olumsuzlukların yanı sıra, tuzlanmış toprakta suyun dikey hareketle sızması azalarak, yüzeysel akış hızı artmaktadır. Bu durumunda, zaman zaman sellere neden olabilmektedir. Bilindiği üzere, sel baskınları ile topraktaki besi maddeleri yüzeyden sıyrılarak alıcı ortama ulaşmakta ve böylece toprak kalitesi daha da düşmektedir. Toprakta ayrıca bazı doğal nedenlerle de tuzlanma görülebilir. Bunların başında, toprak yapısı içerisindeki ana madde, tuzlu yeraltı suyu seviyesinin yüzeye yakın olması, ana kayanın zamanla bozunması ve ayrışması, kıyısal alanlarda deniz suyunun karaya girişim yapması sayılabilir. Dolayısıyla, toprak tuzluluğunun izlenmesi ve öngörülerin yapılabilmesi, toprağın tuzluluk nedeni ile daha da bozunmasını önlemek adına alınması gerekli olan tedbirlerin belirlenmesi açısından son derece önemlidir. Özellikle bu durum, tez kapsamında vaka çalışmasına konu olan Türkiye'deki Tuz Gölü Bölgesinde tarım yapılan arazilerde öne çıkmaktadır. Toprak tuzluluğunun topraktan numuneler alınarak, laboratuvarlarda elektriksel iletkenlik deneyleri ile saptanmasının yanı sıra özellikle son yıllarda topraktaki tuzluluğu belirlemek, izlemek ve haritalandırmak amacıyla, uydu görüntülerinden de yararlanılmaktadır. Özellikle cokluspektral sensörler bu amaca hizmet etmektedir. Bu modern teknolojik araçlar arasında, Landsat Tematik Haritalama, Landsat Cokluspectral Tarama Sistemi, Landsat7, Landsat8, Geliştirilmiş Landsat Tematik Haritalama, SPOT, Gelişmiş Uydu Bağlantılı Termal Emisyon ve Yansıyan Görüntü Radiome, IKONOS, MODIS ve Hindistan Uzaktan Algılama sistemi sayılabilir. Tuz Gölü Türkiye'nin ikinci büyük gölü olup, Konya, Aksaray ve Ankara illeri arasında yer almaktadır. Yüzey alanı 1500 km2 ve rakımı 905 m'dir. Bölgede tarım, hayvancılık, tuz üretimi ve turizm öne çıkan ekonomik faaliyetlerdir. Yoğun tarımsal faaliyetlerin yapılabilmesi için bölgede bazı kısımlarda ağaçlar ve çalılıklarda kayıplar yaşanmaktadır. Bu durum toprak erozyonuna neden olmaktadır. Bu şartların yanı sıra, diğer doğal ve insan faaliyetleriyle de artan toprak tuzluluğu, tarımsal alanların gelişmesini de olumsuz yönde etkilemektedir. Dolayısıyla, toprak tuzluluğunun uzun dönemler boyunca izlenmesi, arazi kullanımı değişikliklerinin takip edilmesi bölgede olumsuz koşullarla mücadele edebilmenin önemli bir yardımcısı olacaktır. Bu araştırmada ağırlıklı olarak Tuz Gölü Bölgesi'nde tuzluluk haritalarının 1990, 2002, 2006, 2011 ve 2015 yılları için hazırlanmasına odaklanılmıştır. Böylece yıllar boyunca toprak tuzluluğunun ve arazi kullanımının değişimi takip edilebilmektedir. Ayrıca, çalışmada 2000- 2006 ve 2006- 2012 yılları arasındaki arazi kullanım dağılımlarındaki değişim de ortaya konulmaktadır. Bu amaçlar doğrultusunda çalışmalar yürütülürken, bir taraftan da dünyada toprak tuzluluğunu azaltabilecek yeni yöntem ve gelişmeler ile güncel uygulamalarda incelenmektedir. Tuzluluğu aşırı olan belirli yerlerde bu durumun nedenleri detaylı olarak araştırıldıktan sonra, bu yeni ve güncel tuzluluğu azaltma yöntemleri kullanılabilir. Tuz Gölü Bölgesinde toprak tuzluluğunun olumsuz etkileri ve tuzdan etkilenen toprakların ıslahına yönelik araştırmalar yapılarak en uygun ve pratik tuzluluk azaltma yöntemi seçilirken mutlaka araziden alınacak toprak numuneleri üzerinde deneysel çalışmalar ve ilave araştırmalar da sürdürülmelidir. Araştırmada, 1990 ile 2015 yılları arasındaki dönemi incelemek üzere toplamda 25 Landsat- 5 TM ve Landsat- 8 görüntüleri analiz edilmiştir. Mayıs-Temmuz 2002 döneminde Tuz Golü Bölgesi'nde T. C. Gıda Tarım ve Hayvancılık Bakanlığı'nca yürütülmüş kapsamlı arazi çalışmaları esnasında alınan 322 toprak numunesinin deneysel analizi ile elde edilen elektriksel iletkenlik sonuçları da değerlendirilmiştir. Bölgenin tuzluluk haritalarının hazırlanması esnasında da 322 toprak numune istasyonundan göle en yakın ve inceleme alanı içerisinde yer alan 19 istasyonda elde edilen tuzluluk değerleri yersel veri olarak kullanılmıştır. Benzer şekilde, 2000- 2012 yılları arasında seçili alandaki arazi dağılımındaki değişikliği de sayısal olarak değerlendirebilmek adına CORINE vektörel değişim verileri uydu görüntüleri üzerine çakıştırılmıştır. Tüm kullanılan uydu görüntüleri radiometrik ve atmosferik olarak ENVI ve ERDAS yazılımları kullanılarak sınıflandırma öncesi düzeltilmiştir. Bu ön işlemler tamamlandıktan sonra, 5 toprak tuzluluk indeksi ile birlikte Normalize Edilmiş Farklı Bitki Örtüsü İndeksleri Arcmap10. 2 kullanılarak tüm uydu görüntülerine uygulanmıştır. Daha sonra, seçilmiş olan 19 toprak numune istasyonu görüntülerde koordinatlı olarak işlenmiştir. Bu çalışmadaki amaç, numune alma noktalarındaki gerçek indeks değerlerinin bulunabilmesidir. Takip eden aşamada, tüm söz konusu indisler için ayrı ayrı 2002 yılındaki tek yersel tuzluluk verileri kullanılarak hem lineer hem de üstel regresyon analizi yapılmıştır. 2002 yılına ait geliştirilen üstel regresyon denklemi kullanılarak 1990, 2006, 2011 ve 2015 yıllarına ilişkin tuzluluk haritaları üretilmiştir. Bu araştırma kapsamında, üstel regresyon analizi sonuçları lineer regresyon analizine nazaran daha iyi sonuçlar ortaya koymuştur. Çalışmada kullanılan çeşitli indisler bazında, X-ekseninde tuzluluk indis değerlerinin artmasına paralel olarak Y-ekseninde EC değerleri üstel olarak yükselmektedir. Tuzluluk haritalarının oluşturulmasında uygulanan tuzluluk indeksleri arasından en iyi sonucu 1 = B1 B 3 vermiştir. Bu indeks, gerek lineer analiz gerekse de üstel analize göre, R2 değerleri sırasıyla 0,778 ve 0,961 olarak hesaplanmıştır. Dolayısıyla, en doğru tuzluluk haritaları 1 = B1 B 3 indeksinin üstel reflektans değerleri ile 2002 yılına ait topraktaki iletkenlik değerleri kullanılarak 1990, 2006, 2011 ve 2015 yılları için üretilmiştir. Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri gibi modern teknoloji araçları yersel kısıtlı bilgi ve veri olmasına karşın çeşitli tuzluluk haritalarının üretilmesinde önemli katkılar sağlamıştır. Bu araştırmada, 5 farklı tuzluluk sınıflandırması kullanılarak değişik yıllara ait çeşitli indislere dayanarak 30 tuzluluk haritası hazırlanmıştır. Ayrıca, 11 sınıf içeren 5 NDVI haritası da üretilmiştir. Her bir tuzluluk sınıfı için zamansal alan değişimleri ve yine her bir sınıf bazında NDVI değişimleri 1990- 2015 yılları arasındaki dönemler için hesaplanmıştır. Bu vaka çalışmasında kısıtlı yersel veriye rağmen üretilen tuzluluk haritaları esnasında kullanılan yöntemler ve izlenen adımlar sadece Türkiye için değil, benzer toprak tuzluluğu problemi ile karşılasan diğer gelişmekte olan ülkeler içinde önemli bir rehber ve yol haritası niteliğindedir. Çalışmada, son yıllarda gündemde olan ve kullanılan uzaktan algılama analiz teknikleri ve yöntemleri de tartışılmaktadır. Bunlar arasında en önemliler lineer spektral karışmama, Karar-Ağaç Analizi, ana bileşenler analizi, ters Gaussian fonksiyonu, kısmi en küçük kareler regresyon tekniğidir. Son olarak tuzdan etkilenmiş topraklardaki yersel-zamansal değişimlere de değinilmiştir